基于深海机器人的深海地震数据采集拖缆及采集方法

摘要

本发明提供一种基于深海机器人的深海地震数据采集拖缆及采集方法，使用深海机器人在深海中拖曳阵列式海洋地震数据采集拖缆，能够直接在海洋深处采集单分量或多分量海洋地震数据。这一拖曳式或沉底式阵列式海洋地震数据采集缆由安置在线缆中均匀分布的三分量检波器或传感器，压电晶体或光纤声压水听器和电子或光纤三分量姿态传感器组成。每条地震数据采集拖缆首尾两端分别由深海机器人进行拖曳；线缆与深海机器人上的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器连接；地震数据采集存储仪器或调制解调仪器内的高精度芯片级原子钟给采集的海洋地震数据授时，用于后期与水下可控气枪震源的激发信号进行时间同步和数据处理。

说明书

技术领域

本发明属于海洋地球物理勘探技术领域，涉及一种基于深海机器人的深海地震数据采集拖缆及采集方法。

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。

大面积深水海域的地震勘探，OBC和OBN都不实用，OBC的作业水深无法超过500米，OBN在深水中只能靠ROV去投放和回收，效率低成本高。海洋拖缆地震数据采集系统，目前任然是海上高效采集地震数据的主要装备。但是在深海水域作业时，由于海水太深，拖曳在海面的地震数据采集缆很难在深水中采集到海底以下地层深部的高信噪比反射地震数据。把在水面拖曳前行的地震数据采集拖缆改造成能直接在深水中拖曳的深拖缆在工程上非常困难，最深也只能把深拖缆下沉到水面下100多米处采集数据。

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深海机器人专门在深海中拖曳阵列式海洋地震数据采集拖缆，以进行海洋单分量或多分量地震的数据采集工作，能够直接测量海洋深处的单分量或多分量海洋地震数据。这一拖曳式或沉底式阵列式海洋地震数据采集缆由安置在线缆中均匀分布的三分量检波器或传感器，压电晶体或光纤声压水听器和电子或光纤三分量姿态传感器组成。

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：

基于深海机器人的深海地震数据采集拖缆，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线缆串联；线缆为铠装电缆或光缆或光电复合缆；每条采集拖缆首尾两端分别由两台(一对)深海机器人拖曳；线缆与安置在深海机器人内的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器连接；地震数据采集存储仪器或调制解调仪器内的高精度芯片级原子钟给采集的海洋地震数据授时，用于后期与震源船上的水下可控气枪震源的激发信号进行时间同步和数据处理；所述采集拖缆为密度或比重为1的中性浮力拖缆，便于深海机器人在作业时将其拖曳或布放在离海底不远的深水处。

每一个所述的采集短节包括至少一个水听器。

每一个所述的采集短节还包括三分量姿态传感器和三分量矢量传感器；所述的水听器安装在采集短节的前部，水听器后方依次为三分量姿态传感器和三分量矢量传感器；水听器、三分量姿态传感器和三分量矢量传感器分别与安置在深海机器人内的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器连接。

所述的水听器为压电晶体水听器或光纤水听器，三分量姿态传感器为三分量电子或光纤姿态传感器，三分量矢量传感器为三分量动圈式检波器或压电检波器或加速度计或MEMS检波器或光纤矢量传感器。

所述光纤水听器为干涉型光纤水听器或光纤光栅型水听器或光纤激光水听器；干涉型光纤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。

所述的光纤矢量传感器为强度调制光纤传感器或相位调制光纤传感器或频率调制光纤传感器或偏振态调制光纤传感器或波长调制光纤传感器或全保偏光纤加速度矢量传感器，所述的光纤矢量传感器也是三分量地震信号检波器。

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。

所述震源船的底部安装有超短基线定位系统的声源信号发射换能器，在水下可控气枪震源和深海机器人上部安装有超短基线定位系统的声源信号应答器，用于在海洋地震数据采集作业时给水下可控气枪震源和深海机器人进行实时定位。

所述的基于深海机器人的深海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台(一对)深海机器人牵引拖曳，或者按照预先设计的间距由数对深海机器人将数条采集拖缆平行布设在海洋地震数据采集工区离海底不远的深海里，数据采集作业时随震源船的移动方向同步等速移动，保持水下可控气枪震源和所有采集拖缆之间的距离即偏移距不变，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；

b、数据采集作业开始前，每台深海机器人内的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器通过线缆启动采集拖缆进行采集短节状态自检，确保每条采集拖缆上的每个采集短节都工作正常；c、所述海洋地震数据采集使用的震源船拖曳一只或数只水下可控气枪震源按照施工设计的震源线通过海洋气枪震源控制器逐点依次进行激发，按照施工设计的偏移距即震源点和接收点之间的距离，拖曳在深海机器人后面的采集拖缆或者沉放在海底的采集拖缆同步采集水下可控气枪震源激发的全波场四分量海洋地震数据；

d、所述三分量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；

e、所述地震数据采集存储仪器或调制解调仪器内的高精度芯片级原子钟给采集的海洋地震数据实时进行时标授时，用于后期与水下可控气枪震源激发并用GPS或北斗卫星授时的震源信号进行时间同步和数据处理；

f、所述采集拖缆将步骤c采集的四分量海洋地震数据，将步骤d采集的采集短节在数据采集位置的三分量姿态数据的通过线缆传输至深海机器人内的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器里，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；

g、根据三分量矢量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e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和无方位的声压海洋地震数据，三分量海洋地震数据为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；

h、将步骤g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提取、分离和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偏移成像，最后获得海底以下高分辨率地质构造成像、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、海底以下介质弹性参数和粘弹性参数、以及地震属性数据，用于海底以下地质构造调查和矿产资源勘探，含油气资源构造的识别，含油气储层中流体分布的特征与规律，最终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。避免了从拖曳深海机器人上给远离拖曳深海机器人数公里甚至数十公里处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地震数据采集装置内采用耐高压的三分量检波器或光纤矢量传感器、耐高压的压电晶体或光纤声压水听器、耐高压的三分量电子或光纤姿态传感器，实现大通道或超大通道、大长度或超大长度海洋单分量或多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深海机器人的高速传输，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地震数据采集拖缆的首端和尾端都连接有深海机器人，通过对深海机器人的超控，可以保持气枪震源和采集缆的偏移距不变，也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是本实施例的基于深海机器人的拖曳式海洋地震数据采集系统(Streamer)的作业布设俯视图；

图2是本实施例的基于深海机器人的拖曳式海洋地震数据采集系统(Streamer)的作业布设三维示意图；

图3是本实施例的基于深海机器人的拖曳式海洋地震数据采集系统(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。它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明公布的基于深海机器人的深海地震数据采集拖缆及采集方法，包括若干条平行的采集拖缆1，所述采集拖缆1包括若干个采集短节3等间隔通过线缆2串联；线缆2为铠装电缆或光缆或光电复合缆；每条采集拖缆1首尾两端分别由深海机器人11拖曳；线缆2与安置在深海机器人11内的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器7连接；地震数据采集存储仪器或调制解调仪器7内的高精度芯片级原子钟给采集的海洋地震数据授时，用于后期与水下可控气枪震源10的激发信号进行时间同步和数据处理。所述采集拖缆1为密度或比重为1的中性浮力拖缆，便于深海机器人11在作业时将其拖曳或布放在离海底不远的深水处。

所述的基于深海机器人的深海地震数据采集拖缆，每一个所述的采集短节3可以包括一个水听器4、一个三分量姿态传感器5，一个三分量矢量传感器6，水听器4为压电晶体水听器或光纤水听器，三分量姿态传感器5为三分量电子或光纤姿态传感器，三分量矢量传感器6为三分量动圈式检波器或压电检波器或加速度计或MEMS检波器或光纤矢量传感器。

所述的水听器4安装在采集短节3的前部，其后方依次为三分量姿态传感器5、三分量矢量传感器6；水听器4、三分量姿态传感器5和三分量矢量传感器6与安置在深海机器人11内的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器7连接。

光纤水听器为干涉型光纤水听器或光纤光栅型水听器或光纤激光水听器。干涉型光纤水听器4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。

所述的三分量矢量传感器6为强度调制光纤传感器或相位调制光纤传感器或频率调制光纤传感器或偏振态调制光纤传感器或波长调制光纤传感器或全保偏光纤加速度矢量传感器，所述的三分量矢量传感器6也是三分量地震信号检波器。

采集短节3内如果只包含水听器4，采集短节3只能采集单分量海洋地震数据。如果所述采集短节3内如果还包括三分量姿态传感器5、三分量矢量传感器6，采集短节3则可以采集四分量海洋地震数据。

所述的采集短节3之间的间距选自3.125米、6.25米、12.5米或25米中任一项。

所述震源船8的底部安装有超短基线定位系统的声源信号发射换能器12，在水下可控气枪震源10和深海机器人11上部安装有超短基线定位系统的声源信号应答器13，用于海洋地震数据采集作业时给水下可控气枪震源10和深海机器人11进行实时定位。根据将每条采集拖缆1拉直的两端的深海机器人11的位置以及每个采集短节3的间距，可以计算出采集拖缆1上每个采集短节3的实时坐标位置。

基于深海机器人11的深海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1的首尾分别由两台深海机器人11牵引拖曳，或者按照预先设计的间距由数台深海机器人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深海里，数据采集作业时随震源船8的移动方向同步等速移动，保持水下可控气枪震源10和所有采集拖缆1之间的距离(偏移距)不变，或者按照预先设计的间距将多条采集拖缆1平行沉放到海底地震数据采集工区的海底；

b、数据采集作业开始前，每台深海机器人11内的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器7通过线缆2启动采集拖缆1进行采集短节3状态自检，确保每条采集拖缆1上的每个采集短节3都工作正常；

c、所述海洋地震数据采集使用的震源船8拖曳一只或数只水下可控气枪震源10按照施工设计的震源线通过海洋气枪震源控制器9逐点依次进行激发，按照施工设计的偏移距即震源点和接收点之间的距离，拖曳在深海机器人11后面的采集拖缆1或者沉放在海底的采集拖缆1同步采集水下可控气枪震源10激发的全波场四分量海洋地震数据；

d、所述紧挨着三分量矢量传感器6安装的三分量姿态传感器5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矢量传感器6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；

e、所述地震数据采集存储仪器或调制解调仪器7内的高精度芯片级原子钟给采集的海洋地震数据实时进行时标授时，用于后期与水下可控气枪震源10激发并用GPS或北斗卫星授时的震源信号进行时间同步和数据处理。

e、所述采集拖缆1将步骤c采集的四分量海洋地震数据，将步骤d采集的采集短节3在数据采集位置的三分量姿态数据的通过线缆2传输至深海机器人11内的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器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；

f、根据三分量矢量传感器6同步实时采集的每个采集短节3在数据采集位置的三分量姿态数据，将步骤e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和无方位的声压海洋地震数据，三分量海洋地震数据为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1延伸方向的水平分量，另一个是垂直于采集拖缆1延伸方向的水平分量；

g、将步骤f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提取、分离和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偏移成像，最后获得海底以下高分辨率地质构造成像、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，用于海底以下地质构造调查和矿产资源勘探，含油气资源构造的识别，含油气储层中流体分布的特征与规律，最终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1所示，实施例1本实施例的基于深海机器人的阵列式海洋地震数据采集拖缆，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。每一个采集短节3包括安装于采集拖缆1内部的一个水听器4、一个三分量姿态传感器5和三分量矢量传感器6。水听器4安装在采集短节3的前部，其后方依次为三分量姿态传感器5和三分量矢量传感器6；水听器4、三分量姿态传感器5和三分量检波器或传感器6与安置在深海机器人11内的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器7连接。

每条采集拖缆1，由两台(一对)深海机器人11在其首尾两端拖曳拉直在离海底不远的深水处。所述采集拖缆1通过线缆2与深海机器人11上的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器7连接。若干条采集拖缆1由若干对深海机器人11等间距平行的拖曳在离海底不远的深水处，缆间距离在数米与数十米之间。

采用本发明提供的采集拖缆1，与水下可控气枪震源10、震源船8共同组成基于深海机器人11的深海拖曳式单分量或多分量海洋地震数据采集系统(Streamer)。单条或数十条采集拖缆1可以拖曳在深海机器人11尾端离海底不远的深水处，采集拖缆1顺海底平行展布，缆间距离在数米与数十米之间，如图1和图2所示。每一条采集拖缆1的首尾分别由两台深海机器人11牵引拖曳，或者按照预先设计的间距由数对深海机器人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深海里，数据采集作业时随震源船8的移动方向同步等速移动，海洋地震数据采集作业时保持水下可控气枪震源10和所有采集拖缆之间的距离(偏移距)不变。

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通过连接拖缆首尾的两台(一对)深海机器人11平行展布沉放在海底，与海面的水下可控气枪震源10共同组成海底单分量或多分量地震数据采集系统(OBC)，如图3所示。

根据施工设计，水下可控气枪震源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单分量或多分量地震数据。海底单分量或多分量地震数据的采集作业由连接采集拖缆1一端的地震数据采集存储仪器或调制解调仪器7控制完成。采集作业结束后，拖曳在震源船8尾端的超短基线定位系统的声源信号发射换能器12向和采集拖缆1一起沉放海底的所有深海机器人11发射声控信号，深海机器人11顶部的超短基线定位系统的声源信号应答器13接收到声控信号后，带动拖曳着的采集拖缆1向上浮起一段距离使其脱离海底，然后根据预先设置好的下一个海底地震数据采集区块的坐标信息，拖曳所有的采集拖缆1平行移动到下一个海底地震数据采集区块，并将所有的采集拖缆1沉放到海底，震源船8拖曳着水下可控气枪震源10沿垂直于采集拖缆1的方向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在下一个海底地震数据采集区块同步实时采集气枪震源激发的海底单分量或多分量地震数据。