基于无人艇的海洋四分量光纤地震数据采集缆及采集方法

摘要

本发明提供一种基于无人艇的海洋四分量光纤地震数据采集缆及采集方法，包括若干条平行的采集拖缆，采集拖缆包括若干个采集短节等间隔通过铠装光缆串联；每条采集拖缆首尾两端分别由无人艇在拖曳，或者沉放到海底；铠装光缆与无人艇或浮标上的调制解调仪器连接；调制解调仪器内的GPS或北斗芯片通过卫星授时信号与海洋气枪震源控制器进行时间同步。本发明采用了三分量光纤矢量传感器和光纤水听器，频带范围远远大于常规海洋地震信号的频带响应，灵敏度高，结构十分简单，使得本发明的海洋阵列式四分量光纤地震数据采集短节能够用于水下拖缆采集高品质海洋四分量地震数据。

说明书

技术领域

本发明属于海洋地球物理勘探技术领域，涉及一种基于无人艇的海洋四分量光纤地震数据采集缆及采集方法。

背景技术

目前的海洋地震数据采集方式主要有三种，一种是单分量、二分量、三分量或四分量拖曳式海洋地震数据采集缆(Streamer)拖在采集作业船尾部，海洋地震数据采集拖缆如ION、Sercel和OYO Geospace等公司生产销售的各种地震拖缆(Streamer)。另一种是三分量或四分量海底地震数据采集缆(OBC)沉入海底，还有一种是独立的三分量或四分量海底地震数据采集站(OBS和OBN)沉底，独立的海洋地震气枪激发源在水中拖移时激发。拖曳式海洋地震数据采集缆的工作方式是采集作业船拖曳着采集缆在水面以下一定的深度上匀速前行，采集作业船拖曳的可控震源(如气枪震源)或另外的震源作业船拖曳的可控震源(如气枪震源)一起和采集缆在水面以下一定的深度上同步移动并定时定位激发。沉入海底的海底地震数据采集缆，其工作方式是海底地震电缆(OBC)由放缆作业船是先投放铺设到海底，然后由气枪震源作业船拖曳着水下可控震源(如气枪震源)在距海面以下一定的深度上前行并向海水中激发地震信号，由事先投放铺设到海底的地震缆采集海底地震数据。数据采集结束后，放缆作业船回收海底地震缆，投放铺设到新的测量工区，然后重复海底地震数据的采集作业。

目前行业内使用最广泛的就是常规的三分量检波器和压电晶体水听器采集四分量海洋地震数据。三分量检波器是多波勘探时使用的特种检波器。与单分量的常规地震检波器不同，每个检波器内装有三个互相垂直的传感器，以记录质点振动速度向量的三个分量，用于同时记录纵波、横波、转换波。这类检波器输出的信号电压和其振动的位移速度有关，因此称为速度检波器。为了记录检波器感应到的震动信号，检波器阵列内还设置有检波器输出的模拟信号放大、滤波、去噪、模数转换、数据存储和数据传输等电路模块，以便将三分量检波器阵列采集到的海洋地震数据通过数千米长的铠装电缆传送到拖曳作业船上的采集控制计算机里存储起来。从甲板上给远离拖曳作业船数公里甚至数十公里的海洋地震数据采集缆上众多的数据采集短节的供电也是十分困难的和非常有限的。此外，目前三分量检波器加水听器阵列采集的海洋四分量地震数据完全靠铠装电缆从数据采集缆向拖曳作业船传输，由于长距离(数千到数十千米)电缆数据传输的局限性，没有办法实现大量数据向拖曳作业船的高速实时传输。上面这些因素极大的限制了大道数或超大道数和大长度或超大长度海洋四分量地震检波器阵列(或四分量地震数据采集缆)技术的发展和推广应用。

为了提高海洋地震数据采集效率和加大探测深度，常规海洋地震拖缆越来越长(加大偏移距)，每条采集船同时拖曳的采集缆的数量越来越多，有的超过了20到30条拖缆，每条地震拖缆的长度也超过了10公里。多条超长地震拖缆的现场作业非常困难，很难避免采集船后面平行拖曳的数十条地震数据采集拖缆不会受洋流影响而缠绕在一起，特别是在拖缆尾端没有动力浮标时，10公里以外的数条拖缆的尾端更容易受侧向洋流的影响而缠绕在一起，造成严重的生产事故。

发明内容

为了解决常规三分量检波器加压电水听器构成的海洋地震数据采集缆的长距离电缆数据传输能力有限瓶颈的困难问题，远离拖曳作业船数公里甚至数十公里的海洋地震数据采集缆上众多的数据采集短节的供电问题，以及数十条超长地震数据采集拖缆作业时难以防止拖缆的尾端缠绕在一起发生潜在生产事故的风险，本发明目地在于提供一种使用无人艇专门拖曳阵列式海洋四分量光纤地震数据采集拖缆，以进行海洋多分量地震的数据采集工作，能够测量海面之下或海底的四分量海洋地震数据。这一拖曳式或沉底式阵列式海洋四分量光纤地震数据采集光纤缆由安置在铠装光缆中均匀分布的三分量光纤矢量传感器，光纤声压水听器和光纤姿态传感器组成。

为了解决上述的技术问题，本发明提供的其中一种技术方案为：

阵列式海洋四分量光纤地震数据采集拖缆，包括若干条平行的采集拖缆，所述采集拖缆包括若干个采集短节等间隔通过铠装光缆串联；每条采集拖缆首尾两端分别由无人艇在拖曳；铠装光缆与无人艇上的调制解调仪器连接；调制解调仪器内的GPS或北斗芯片通过卫星授时信号与海洋气枪震源控制器进行时间同步。

每一个所述的采集短节包括一个三分量光纤矢量传感器、一个光纤声压水听器和一个三分量光纤姿态传感器。

所述的三分量光纤矢量传感器安装在采集短节的前部，其后方依次为三分量光纤姿态传感器、光纤声压水听器；三分量光纤矢量传感器、光纤声压水听器和三分量光纤姿态传感器与调制解调仪器连接。

所述的三分量光纤矢量传感器为三分量地震信号检波器。三分量光纤矢量传感器所探测的是水声声场中的加速度矢量，其基本结构是基于加速度检测的结构。矢量传感器采用光纤加速度传感器中的芯轴型结构作为传感器基本结构。

光纤矢量传感器采用推挽式结构，其谐振频率更大，工作带宽更宽。更重要的是，推挽式结构对称性好，可以得到良好的矢量性。

所述三分量光纤矢量传感器在水声场的实际探测中，把传感核心模块封装于圆柱、球壳或者方形壳体中构成三分量矢量传感器。三分量矢量传感器的波尺寸小，其质量几乎等于它所排开水的质量，因此它在水下声场中相当于一个质点，不影响声场的分布和传播。在水下声场中，声波波动引起质点的加速度运动，因此三分量矢量传感器的各维分别得到声场的加速度矢量在各维轴向的分量。所述矢量探测系统包含三分量矢量传感器、光纤声压水听器、三分量光纤姿态传感器和包含干端光源的调制解调仪器。

所述三分量光纤矢量传感器包括三根几何尺寸完全一样的实心的弹性柱体成三轴正交结构组装在一起，一对光纤分别绕在一根弹性柱体的两端臂上，缠绕的光纤形成了迈克尔逊干涉仪的两光纤臂；质量块粘接在弹性柱体正交结合处，弹性柱体固定安装在密封的外壳内；光纤与调制解调仪器连接。

所述的光纤声压水听器选自调幅型光纤水听器、调相型光纤水听器、或偏振型光纤水听器。三分量光纤姿态传感器为光纤陀螺仪。

所述的采集短节之间的间距选自3.125米、6.25米、12.5米或25米中任一项。

采用上述阵列式海洋四分量光纤地震数据采集拖缆的数据采集方法，包括以下步骤：

a、每一条采集拖缆的首尾分别由两条无人艇牵引拖曳，或者按照预先设计的间距由数对无人艇将数条采集拖缆平行布设在海洋地震数据采集工区的海面，或者按照预先设计的间距将多条采集拖缆平行沉放到海底地震数据采集工区的海底，无人艇上的调制解调仪器通过铠装光缆启动采集拖缆进行仪器状态自检，确保每采集拖缆上的每个采集短节都工作正常；

b、所述海洋地震数据采集使用的震源船拖曳一只或数只可控气枪震源枪按照施工设计的震源线逐点通过海洋气枪震源控制器依次进行激发，按照施工设计的偏移距即震源点和接收点之间的距离，拖曳在无人艇后面的采集拖缆或者沉放在海底的采集拖缆同步采集海面可控气枪震源激发的全波场四分量海洋地震数据；

c、所述紧挨着三分量光纤矢量传感器安装的三分量光纤姿态传感器同步实时采集每个采集短节在数据采集位置的三分量姿态数据并实时记录每个三分量光纤矢量传感器的倾角、方位角和倾向，以用于对记录的四分量海洋地震数据进行必要的旋转处理；

d、所述采集拖缆将步骤b采集的四分量海洋地震数据，将步骤c采集的采集短节在数据采集位置的三分量姿态数据通过铠装光缆传输至无人艇上的调制解调仪器里，然后经过调制解调转换成相应位置的海洋四分量地震数据；

e、根据三分量光纤姿态传感器同步实时采集的每个采集短节在数据采集位置的三分量姿态数据，将步骤d中相应采集位置的海洋四分量地震数据通过旋转投影变换成相应采集位置的三分量海洋地震数据，得到该位置沿垂直方向和与海平面平行的两个正交水平方向的三分量海洋地震数据，其中一个水平分量是沿采集拖缆延伸方向的水平分量，另一个是垂直于采集拖缆延伸方向的水平分量；

f、将步骤e中转换成相应数据采集位置的海洋四分量地震数据进行海洋地震数据处理，包括但不限于：地震子波的整形、去除纷繁复杂的多次波、从低信噪比的数据中恢复出可靠的有效反射波、应用震源信号反褶积实现对地震记录的整型、提高有效反射波的信噪比、速度建模、地层划分、层析成像，高频恢复、鬼波去除、多次波消除、反褶积处理、各向异性时间域或深度域偏移成像、Q补偿或Q偏移，最后获得海底以下介质的纵横波速度、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、弹性参数、粘弹性参数、地震属性数据、海底以下高分辨率地质构造成像，用于海底以下地质构造调查和矿产资源勘探，实现海底以下地质矿产资源和油气藏的高分辨率地质构造成像和对含油气储层的综合评价。

三分量光纤矢量传感器和光纤声压水听器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、无需供电，耐腐蚀、耐高压的优势。避免了从拖曳无人艇上给远离拖曳无人艇数公里甚至数十公里的海洋地震数据采集拖缆上众多的数据采集短节的供电难题。此外，三分量光纤矢量传感器比常规的三分量检波器具有更高的灵敏度、更宽的频带、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量的高速传输。而且由于传感器前端没有电子元件，使其具有更高的可靠性，耐高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期在海底布放，抗电磁干扰，通道串扰小。

本发明的有益效果：本发明通过在阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置内采用耐高压的三分量光纤矢量传感器、耐高压的光纤声压水听器、耐高压的三分量光纤姿态传感器，实现大通道或超大通道、大长度或超大长度海洋四分量地震数据的采集和高密度高频率采集的海量地震数据从采集缆到拖曳无人艇的高速传输，解决了常规的阵列式海洋四分量地震数据采集电缆里面的大量数据向拖曳船的高速传输的瓶颈问题，消除了从甲板上给远离拖曳作业船数公里甚至数十公里长的海洋地震数据采集缆上众多的数据采集短节供电的难题。由于在每条阵列式海洋四分量光纤地震数据采集拖缆的首端和尾端都连接有无人艇，通过对无人艇的超控，可以方便的防止多条超长海洋地震数据采集拖缆的尾端在作业时受到洋流的干扰而发生缠绕在一起的潜在生产事故。

附图说明

图1是实施例的三维芯轴型推挽式传感头的基本结构示意图；

图2是本实施例的矢量传感器和声压水听器光电信号处理系统示意图；

图3是本实施例的拖曳式海洋四分量光纤地震数据采集系统(Streamer)的作业布设示意图；

图4是本实施例的海底四分量光纤地震数据采集系统(OBC)的作业布设示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

本发明公布的一种阵列式海洋四分量光纤地震数据采集拖缆，包括若干条采集拖缆1，所述采集拖缆1由若干个采集短节3等间隔串联组成；每一个采集短节3包括一个三分量光纤矢量传感器4、一个光纤声压水听器5和一个三分量光纤姿态传感器6，三分量光纤姿态传感器6为光纤陀螺仪。

所述的三分量光纤矢量传感器4安装在采集短节3的前部，其后方依次为三分量光纤姿态传感器6、光纤声压水听器5。

所述的光纤声压水听器5选自调幅型光纤水听器、调相型光纤水听器、或偏振型光纤水听器。

如图1所示，所述的三分量光纤矢量传感器4为三分量地震信号检波器，三分量光纤矢量传感器4所探测的是水声声场中的加速度矢量，其基本结构是基于加速度检测的结构。三分量光纤矢量传感器4采用光纤加速度传感器中的芯轴型结构作为传感器基本结构。

所述三分量光纤矢量传感器4采用推挽式结构，其谐振频率更大，工作带宽更宽。更重要的是，推挽式结构对称性好，可以得到良好的矢量性。

所述三分量光纤矢量传感器4包括三根几何尺寸完全一样的实心的弹性柱体41成三轴正交结构组装在一起，一对光纤42分别绕在一根弹性柱体41的两端臂上，缠绕的光纤42形成了迈克尔逊干涉仪的两光纤臂；质量块粘接在弹性柱体41正交结合处，弹性柱体41固定安装在密封的外壳内；光纤42与调制解调仪器7连接。所述三分量光纤矢量传感器4包括三根几何尺寸完全一样的实心的弹性柱体41成三轴正交结构组装在一起，一对光纤42分别绕在一根弹性柱体41的两端臂上，缠绕的光纤42形成了迈克尔逊干涉仪的两光纤臂；质量块粘接在弹性柱体41正交结合处，弹性柱体41固定安装在密封的外壳内；光纤42与调制解调仪器7连接。所述三分量光纤矢量传感器4在水声场的实际探测中，把传感核心模块封装于圆柱、球壳或者方形壳体中构成三分量矢量传感器4。三分量矢量传感器4的波尺寸小，其质量几乎等于它所排开水的质量，因此它在水下声场中相当于一个质点，不影响声场的分布和传播。在水下声场中，声波波动引起质点的加速度运动，因此三分量矢量传感器4的各维分别得到声场的加速度矢量在各维轴向的分量。所述矢量探测系统包含三分量矢量传感器4、光纤声压水听器5、三分量姿态传感器6和干端光源与光电信号处理系统即调制解调仪器7。

如图2所示，所述干端光源被光电信号处理模块调制，发出的光经过光纤传输，送至三分量光纤矢量传感器4和光纤声压水听器5，加载声压信号和振速信号后，通过传输光纤返回光电信号处理端。光纤声压水听器5必须暴露在海水中，三分量矢量传感器4需采用弹簧悬挂在支架上。调制解调仪器7安装在无人艇11上的水密舱中，通过光纤过舱实现与采集拖缆1中的三分量光纤矢量传感器4、光纤声压水听器5和三分量光纤姿态传感器6相连。

所述的采集短节3之间通过铠装光缆2连接，间距选自3.125米、6.25米、12.5米或25米中任一项。

每条采集拖缆1，由两艘无人艇11在其首尾两端拖曳在海水水面以下。所述拖缆通过铠装光缆2与无人艇11上的调制解调仪器7连接。若干条采集拖缆1由若干对无人艇等间距平行的拖曳在海面以下，或者平行沉放在海底，缆间距离在数米与数十米之间。调制解调仪器7内的GPS或北斗芯片通过卫星授时信号与海洋气枪震源控制器9进行时间同步。

采用本发明提供的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集装置，采集地震数据的具体步骤如下：

a、每一条采集拖缆1的首尾分别由两条无人艇牵11引拖曳，或者按照预先设计的间距由数对无人艇11将数条采集拖缆1平行布设在海洋地震数据采集工区的海面，或者按照预先设计的间距将多条海洋阵列式四分量光纤地震数据采集缆平行沉放到海底地震数据采集工区的海底，无人艇11上的调制解调仪器7通过铠装光缆2启动采集拖缆1进行仪器状态自检，确保每采集拖缆1上的每个采集短节3都工作正常；

b、所述海洋地震数据采集使用的震源船8拖曳一只或数只可控气枪震源枪10按照施工设计的震源线逐点依次进行激发，按照施工设计的偏移距(震源点和接收点之间的距离)拖曳在无人艇11后面的采集拖缆1或者沉放在海底采集拖缆1同步采集海面可控气枪震源10激发的全波场四分量海洋地震数据；

c、所述紧挨着三分量光纤矢量传感器4安装的三分量光纤姿态传感器6(光纤陀螺仪)同步实时采集每个采集短节3在数据采集位置的三分量姿态数据并实时记录每个三分量光纤矢量传感器4的倾角、方位角和倾向，以用于对记录的四分量海洋地震数据进行必要的旋转处理；

d、所述采集拖缆1将步骤b采集的四分量海洋地震数据，将步骤c采集的采集短节3的三分量姿态数据通过铠装光缆2传输至无人艇11上的调制解调仪器7里，然后经过调制解调转换成相应位置的海洋四分量地震数据；

e、根据三分量光纤姿态传感器6同步实时采集的每个采集短节3在数据采集位置(海面以下或海底)的三分量姿态数据，将步骤d中相应采集位置的海洋四分量地震数据通过旋转投影变换成相应采集位置的三分量海洋地震数据，得到该位置沿垂直方向和与海平面平行的两个正交水平方向的三分量海洋地震数据，其中一个水平分量是沿数据采集缆1延伸方向的水平分量，另一个是垂直于数据采集缆1延伸方向的水平分量；

f、将步骤e中转换成相应数据采集位置的海洋四分量地震数据进行海洋地震数据处理，包括但不限于：地震子波的整形、去除纷繁复杂的多次波(结合FK滤波，波动方程外延法，预测反褶积等多种方法压制或去除各种各样的多次波)、从低信噪比的数据中恢复出可靠的有效反射波、应用震源信号反褶积实现对地震记录的整型、提高有效反射波的信噪比、速度建模、地层划分、层析成像，高频恢复、鬼波去除、多次波消除、反褶积处理、各向异性时间域或深度域偏移成像、Q补偿或Q偏移，最后获得海底以下介质的纵横波速度、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、弹性参数、粘弹性参数、地震属性数据、海底以下高分辨率地质构造成像，用于海底以下地质构造调查和矿产资源勘探，实现海底以下地质矿产资源和油气藏的高分辨率地质构造成像和对含油气储层的综合评价。

如图3所示，实施例1本实施例的阵列式海洋四分量光纤地震数据采集拖缆，包括若干条采集拖缆1，每一条采集拖缆1由若干个相同的采集短节3等间隔串联组成。如图2所示，每一个采集短节3包括安装于采集缆内部的三分量光纤矢量传感器4，三分量光纤矢量传感器4安装于采集短节3的前部，紧挨着三分量光纤矢量传感器4安装一个三分量光纤姿态传感器6，后部是光纤声压水听器5。

每条采集拖缆1，由两艘无人艇11在其首尾两端拖曳在海水水面以下。所述采集拖缆1通过铠装光缆2与无人艇上的调制解调仪器连接。若干条采集拖缆1由若干对无人艇等间距平行的拖曳在海面以下，缆间距离在数米与数十米之间。调制解调仪器7内的GPS或北斗芯片通过卫星授时信号与海洋气枪震源控制器9进行时间同步。

采用本发明提供的采集拖缆1，与可控气枪震源10、震源船8共同组成拖曳式海洋四分量光纤地震数据采集系统(Streamer)。单条或数十条采集拖缆1可以拖曳在无人艇11尾端水面以下，采集拖缆1顺海面平行展布，缆间距离在数米与数十米之间，如图3所示。

实施例2将实施例1提供的采集拖缆1中的数十条采集拖缆1平行展布沉放在海底，与海面的可控气枪震源10共同组成海底四分量光纤地震数据采集系统(OBC)，如图4所示。

根据施工设计，可控气枪震源10由震源船8沿垂直于采集拖缆1的方向拖曳前行并沿施工设计的震源线逐点激发，沉放在海底的采集拖缆1同步实时采集气枪震源激发的海底四分量地震数据。海底四分量地震数据的采集作业由安置在采集拖缆1一端的浮标内的调制解调仪器7控制完成。