способы и системы для регистрации сейсмических данных

Формула изобретения

1. Способ регистрации сейсмических данных, включающий в себя этапы: сбора данных, представляющих акустические сигналы, принимаемые из Земли, во множестве отдельных географических пунктов; сбора данных, представляющих сигнал окружающей среды, во множестве отдельных географических пунктов; корреляции для каждого из множества географических пунктов известной временной зависимости сигнала окружающей среды с временной зависимостью собранных данных акустических сигналов, чтобы найти коррелированные во времени данные акустических сигналов; и синхронизации собранных данных акустических сигналов для множества отдельных географических пунктов на основании коррелированных во времени данных акустических сигналов.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя этап анализа синхронизированных данных акустических сигналов для идентификации подземной особенности.

3. Способ по п.2, в котором анализ синхронизированных данных акустических сигналов включает в себя формирование акустической голограммы из синхронизированных данных акустических сигналов.

4. Способ по п.1, в котором сбор данных, представляющих акустические сигналы, осуществляют непрерывно в каждом из отдельных географических пунктов в течение периода времени, который превышает одну минуту.

5. Способ по п.1, в котором сбор данных, представляющих акустические данные, осуществляют непрерывно в каждом из отдельных географических пунктов в течение периода времени, который превышает один час.

6. Способ по п.1, в котором сбор данных, представляющих акустические данные, осуществляют непрерывно в каждом из отдельных географических пунктов в течение периода времени, который превышает один день.

7. Способ по п.1, в котором сбор данных, представляющих акустические данные, осуществляют непрерывно в каждом из отдельных географических пунктов в течение периода времени, который превышает одну неделю.

8. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя внедрение собранных данных, представляющих сигнал окружающей среды, в собранные данные, представляющие акустические сигналы, принятые из Земли.

9. Способ по п.1, в котором сбор данных, представляющих акустические данные, принимаемые из Земли, включает в себя прием акустических данных, создаваемых в ответ на инициируемую человеком волну.

10. Способ по п.1, в котором множество отдельных географических пунктов находится на различных глубинах по отношению к поверхности Земли.

11. Способ по п.1, в котором сигнал окружающей среды представляет собой электромагнитный радиовещательный сигнал.

12. Способ по п.1, в котором сигнал окружающей среды представляет собой сигнал с привязкой ко времени.

13. Система сбора сейсмических данных, содержащая множество средств сбора, распределенных по множеству отдельных географических пунктов, при этом каждое такое средство сбора выполнено с возможностью сбора данных, представляющих акустические сигналы, принимаемые из Земли; и сбора данных, представляющих сигнал окружающей среды; и процессор, связанный с машинно-считываемым носителем данных, имеющим машинно-считываемую программу, заключенную в нем, для управления работой процессора, при этом машинно-считываемая программа включает в себя инструкции для корреляции известной временной зависимости сигнала окружающей среды с временной зависимостью собранных данных акустических сигналов, чтобы найти коррелированные во времени данные акустических сигналов; и инструкции по синхронизации собранных данных акустических сигналов для множества географических пунктов на основании коррелированных во времени данных акустических сигналов.

14. Система по п.13, в которой машинно-считываемая программа дополнительно включает в себя инструкции по анализу синхронизированных данных акустических сигналов для идентификации подземной особенности.

15. Система по п.13, в которой каждое такое средство сбора включает в себя хранилище данных, допускающее хранение данных, собираемых непрерывно в течение периода времени, который превышает одну неделю.

16. Система по п.13, в которой каждое такое средство сбора дополнительно выполнено с возможностью внедрения собранных данных, представляющих сигнал окружающей среды, в собранные данные, представляющие акустические сигналы, принимаемые из Земли.

17. Система по п.13, в которой сигнал окружающей среды представляет собой электромагнитный радиовещательный сигнал.

18. Система по п.13, в которой сигнал окружающей среды представляет собой сигнал с привязкой ко времени.

Описание изобретения к патенту

Предшествующий уровень техники

В целом настоящее изобретение относится к способам и системам для регистрации сейсмических данных. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способам и системам для регистрации сейсмических данных без потребности в компонентах кабельной телеметрии или радиотелеметрии или в радиовызове.

В настоящее время площадки для заложения нефтяных и газовых скважин выбирают на основании трехмерных изображений, формируемых при использовании данных метода отраженных волн. Используя зарегистрированные данные, изображения конструируют с помощью активной сейсмической томографии. Синтезированные физические ударные волны прикладывают к исследуемой площадке. Эти волны отражаются от пластов породы с различными скоростями и возвращаются на поверхность. Посредством геофонов на поверхности измеряют и регистрируют перемещение грунта на исследуемой площадке. Сейсмический отклик (геофона или просуммированный отклик нескольких геофонов) в каждом пункте приема собирают централизованно в центре сбора данных. Собранные данные преобразуют с помощью сложного компьютерного анализа для формирования трехмерных карт геологической структуры.

На типичной площадке для сейсмических исследований может иметься активная расстановка сейсмических приемников для измерений на площади 8 км², при этом множество пунктов приема размещены на сетке через каждые 15-100 м. Сейсмические приемники предназначены для восприятия сейсмических волн, возбуждаемых создаваемыми человеком взрывами или посредством механических источников. Поэтому приемники обычно проектируют для регистрации данных в течение периодов времени около нескольких секунд. В дополнение к этому использование создаваемых человеком взрывов ограничивает географическое распределение приемников, поскольку в числе других примеров взрывы часто нельзя использовать в поселках или городах.

Примеры используемых в настоящее время способов регистрации сейсмических данных включают в себя следующие: (1) сейсмические данные из каждого приемного канала передают в центральный блок сбора по проводам; (2) сейсмические данные от каждого приемника передают в центральный блок сбора по радиотелеметрическому каналу; и (3) данные из каждого приемного канала записывают в флэш-память, а загружают позднее, когда каждый блок подключается и обрабатывается с помощью устройства хранения данных большой емкости или жесткого диска. Каждый из этих способов имеет по меньшей мере несколько недостатков, из которых одним общим является необходимость передачи особых синхронизирующих сигналов в блоки сбора для синхронизации регистрации с моментом создаваемого человеком взрыва, возбуждающего сейсмические колебания. Например, хотя проводная телеметрия является надежной, быстрой и обеспечивает возможность анализа собранных данных не позднее чем через несколько секунд после регистрации, для нее требуется прокладка и поддержание в рабочем состоянии проводов, которые могут часто обрываться, например, животными или другими повреждающими источниками. В радиотелеметрии исключена необходимость ремонта проводной линии, но для нее требуются поддержание радиоконтакта со всеми приемными блоками и передача больших количеств данных в узких коммерческих радиодиапазонах. Кроме того, беспроводная телеметрия медленная и ненадежная. В третьем способе исключены некоторые из проводных соединений, но все еще требуется передача по радио статуса и особой информации для синхронизации времени запуска.

Поэтому в области техники существует всеобщая необходимость в усовершенствованных способах и системах регистрации сейсмических данных.

Краткое описание изобретения

Поэтому в вариантах осуществления изобретения предлагаются способы и системы для регистрации сейсмических данных. Согласно различным вариантам осуществления использование этих способов и систем обеспечивает возможность непрерывного контроля акустической информации в течение длительных периодов времени и обеспечивает возможность синхронизации акустических данных путем использования сигнала окружающей среды. Эти возможности не только упрощают способ, в соответствии с которым в настоящее время выполняют сейсмические исследования, но также обеспечивают выполнение сейсмических исследований новых видов, сбор информации от сейсмических источников, момент возбуждения которых заранее неизвестен.

Поэтому в одном наборе вариантов осуществления предложен способ для регистрации сейсмических данных. Собирают данные, представляющие акустические сигналы, принимаемые из Земли, во множестве отдельных географических пунктов. Данные, представляющие сигнал окружающей среды, также собирают во множестве отдельных географических пунктов. Для каждого из множества географических пунктов осуществляют корреляцию известной временной зависимости сигнала окружающей среды с временной зависимостью собранных данных акустических сигналов, чтобы найти коррелированные во времени данные акустических сигналов. Собранные данные акустических сигналов для множества отдельных географических пунктов синхронизируют на основании коррелированных во времени данных акустических сигналов.

В некоторых вариантах осуществления синхронизированные данные акустических сигналов могут быть проанализированы для идентификации подземной особенности. Например, анализ может включать в себя формирование акустической голограммы из синхронизированных данных акустических сигналов. Сбор данных, представляющих акустические сигналы, можно осуществлять непрерывно в каждом из отдельных географических пунктов в течение периода времени, который в различных вариантах осуществления превышает одну минуту, один день или одну неделю. В одном варианте осуществления собранные данные, представляющие сигнал окружающей среды, встраивают в собранные данные, представляющие акустические сигналы, принятые из Земли. В варианте осуществления отдельные географические пункты из множества могут находиться на различных глубинах по отношению к поверхности Земли. В одном варианте осуществления сигнал окружающей среды представляет собой электромагнитный радиовещательный сигнал, тогда как в другом варианте осуществления он представляет собой сигнал с привязкой ко времени.

Способы согласно изобретению могут быть осуществлены в системе для регистрации сейсмических данных. Множество средств сбора распределено по множеству отдельных географических пунктов и выполнено с возможностью сбора данных, характеризующих акустические сигналы, принимаемые из Земли, и данных, представляющих сигнал окружающей среды. Процессор, связанный с машинно-считываемым носителем данных, имеющим машинно-считываемую программу, заключенную в нем, используют для осуществления корреляции временных зависимостей и для синхронизации собранных данных путем выполнения инструкций в соответствии с вариантами осуществления, описанными выше.

В некоторых вариантах осуществления средства сбора могут иметь форму регистратора данных сейсмического датчика. Регистратор данных сейсмического датчика может включать в себя препроцессор сигналов, выполненный с возможностью приема непрерывного потока данных с сейсмического датчика, и радиоприемник, выполненный с возможностью приема непрерывного потока радиосигнала окружающей среды. Может быть предусмотрен аналого-цифровой преобразователь, находящийся в связи с препроцессором сигналов и радиоприемником и выполненный с возможностью преобразования данных датчика в цифровой поток данных датчика и преобразования непрерывного потока радиосигнала окружающей среды в цифровой поток радиосигнала. Блок обработки, находящийся в связи с аналого-цифровым преобразователем, может быть выполнен с возможностью приема и обработки цифрового потока радиосигнала и цифрового потока данных датчика для сохранения в памяти.

Краткое описание чертежей

Дальнейшее понимание сущности и преимуществ настоящего изобретения может быть реализовано при обращении к остальным разделам описания и чертежам, на которых подобные ссылочные позиции использованы на нескольких чертежах для обозначения аналогичных компонентов. В некоторых случаях для обозначения одного из многочисленных аналогичных компонентов к ссылочной позиции присоединен и следует после дефиса дополнительный номер. При ссылке на ссылочную позицию без детализации существующего дополнительного номера подразумевается ссылка на все такие многочисленные аналогичные компоненты.

На чертежах:

фиг.1А - структурная схема, отображающая систему для регистрации сейсмических данных согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.1В - другая компоновка блока сбора согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.2 - структурная схема компьютера преобразования данных, на котором могут быть осуществлены способы изобретения;

фиг.3 - диаграмма, иллюстрирующая последовательность операций способов для регистрации сейсмических данных согласно вариантам осуществления изобретения; и

фиг.4А-4Е - примерные акустические кривые, иллюстрирующие перспективы методов синхронизации, используемых в вариантах осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Варианты осуществления изобретения касаются способов и систем для регистрации сейсмических данных. Что касается использованного в настоящей заявке термина "регистрация" сейсмических данных, то предполагается, что он должен интерпретироваться широко, как относящийся к различным этапам процесса регистрации сейсмических данных, включая сбор, запоминание и обработку сейсмических данных.

В вариантах осуществления изобретения используют множество отдельных беспроводных блоков сбора сейсмических данных. Отдельные блоки сбора могут функционировать как регистраторы данных датчика и/или как регистраторы событий (волн) источника. В каждом блоке сбора регистрируется независимый поток сейсмических данных на протяжении интервала времени, например, в виде зависимости смещения от времени. Радиоконтакт блоков сбора с другими блоками сбора не требуется, как и не требуется их непосредственная синхронизация с другими приемными блоками или с моментом запуска источника. К тому же для блоков сбора не требуется, чтобы последовательность регистрации инициировалась ведущим блоком. В этих вариантах осуществления можно исключить использование телеметрических кабелей, связанных с приемной станцией. Вместо этого информация, распределяемая по блокам, может быть загружена при использовании протокола беспроводной сети, например протокола беспроводной локальной сети, путем использования физического соединения или путем использования инфракрасного соединения.

В некоторых вариантах осуществления каждый блок сбора может представлять собой легкое устройство с батарейным питанием, которое может быть прикреплено к конструкции существующего геофона. В дополнение к этому любое число блоков можно использовать в сочетании с существующей системой регистрации для заполнения неохваченных зон. Кроме того, блоки сбора могут быть размещены в местах, из которых трудно получать доступ к соединенным кабелем геофонам или в которых радиоконтакт является затруднительным. В некоторых вариантах осуществления блоки сбора могут быть выполнены с возможностью непрерывной регистрации в течение различных периодов времени, например в течение периодов времени, которые превышают одну минуту, периодов времени, которые превышают один час, и даже периодов времени, которые превышают один день. В конкретном варианте осуществления регистрация в блоках сбора может производиться в течение периода времени, который превышает одну неделю. В других вариантах осуществления блоки сбора могут быть выполнены с возможностью переключения между состояниями "включено" и "выключено" в заданные моменты времени или в ответ на сейсмические колебания в заданных пределах амплитуды. В любом случае данные, представляющие принимаемые сейсмические акустические сигналы, могут быть сохранены во внутренней памяти для последующего извлечения и обработки.

Благодаря структуре блоков сбора их можно размещать в районе исследований случайным образом, что позволяет ослаблять паразитный эффект, известный как "влияние системы наблюдений на параметры массива данных", который наблюдается в большей части массивов трехмерных сейсмических данных. К тому же возможность перемещения однопозиционного средства сбора в случайные места обеспечивает возможность повышения плотности пунктов приема и перекрытия подповерхностей, обычно называемого "кратностью", в районах сильного шума окружающей среды или с низкой плотностью пунктов возбуждения. Действительное местоположение блока сбора после его размещения может быть определено с помощью блока системы глобального позиционирования внутри блока сбора. Такая особенность исключает необходимость в геодезисте для определения местоположения каждого отдельного приемного блока.

Возможность непрерывной регистрации блоками сбора в течение значительных периодов времени обеспечивает повышенную гибкость в данных, которые могут быть собраны, и в видах анализов, которые могут быть выполнены. Например, непрерывная регистрация позволяет осуществлять суммирование по многочисленным пунктам слабого возбуждения, например, создаваемого источниками mini-sosie (мобильными ударными источниками) и генераторами упругих волн, в результате чего возрастает эффективная глубина отражающихся сигналов и снижается нежелательный случайный сейсмический шум. Поэтому благодаря такой возможности повышается полезность таких более слабых источников, которые в противном случае могут обеспечивать эффективное получение данных только по волнам, отраженным в ближней или верхней части разреза. Кроме того, как дополнительно пояснено ниже, благодаря непрерывной регистрации обеспечивается возможность суммирования пассивных и/или случайных источников шума, которые могут быть использованы для сбора данных в условиях города или пригорода, где использование взрывов затруднительно.

Пример блока 100 сбора согласно варианту осуществления изобретения показан на фиг.1А. Как показано на фиг.1А, блок 100 сбора может сопрягаться с кодирующим устройством 104 источника, которое может быть частью электронных средств вибросейса или электронных средств, используемых в сочетании с динамитной подрывной машинкой или со средством 108 сбора акустических данных, таким как геофон, акселерометр и т.п. Существуют геофоны многочисленных различных типов, которые могут быть использованы. Например, в одном варианте осуществления использованы средства сбора P-волн ("продольных" или "давления"), которые снабжены связками сейсмоприемников, имеющих только вертикальные элементы, предназначенные для обнаружения восходящих продольных волн; в другом варианте осуществления использованы средства сбора S-волн ("сдвиговых" или "поперечных"), которые снабжены связками сейсмоприемников, имеющих только горизонтальные элементы для обнаружения поперечных волн; в дополнительном варианте осуществления использованы трехкомпонентные средства сбора, снабженные связками сейсмоприемников, имеющих вертикальные, расположенные на продольной линии и расположенные на поперечной линии чувствительные элементы. В различных вариантах осуществления средства сбора могут содержать акселерометры или гидрофоны. Как показано на фиг.1А, кодирующее устройство 104 источника и/или средство 108 сбора акустических данных могут быть внешними по отношению к блоку 100 сбора, и в этом случае в корпусе блока 100 сбора могут иметься соединения для сопряжения с внешними устройствами. В качестве альтернативы кодирующее устройство 104 источника и/или средство 108 сбора акустических данных могут быть объединены с блоком сбора, пример такого выполнения показан на фиг.1В, рассматриваемой ниже. Внутри корпуса имеются несколько модулей, некоторые из которых могут быть включены в узел печатной платы. Например, узел печатной платы может включать в себя препроцессор 112 сигналов и аналого-цифровой преобразователь 116, подключенный к входному датчику, предназначенному для приема активных сейсмических данных. Препроцессор 112 сигналов может включать в себя усилители, фильтры и аналогичные элементы для усиления и/или выбора конкретных компонентов данных, представляющих интерес, из активных сейсмических данных.

В дополнение к этому блок 100 сбора может содержать радиоприемник 120 и антенну. Как описано ниже, радиоприемник 120 может быть использован для захвата сигнала окружающей среды с целью использования его в качестве независимого показателя синхронизации. Сигнал окружающей среды может быть электромагнитным сигналом, который передается по радио с целью, не относящейся к сейсмическим исследованиям. Например, сигнал окружающей среды может представлять собой радиосигнал ведущихся вблизи радиопередач с амплитудной модуляцией, частотной модуляцией, на короткой волне или на другой длине волны в виде местных коммерческих сообщений, синхронизирующего сигнала системы глобального позиционирования, радиовещательного сигнала универсального синхронизированного времени или другого сигнала окружающей среды. Характеристики сигнала окружающей среды могут быть использованы для синхронизации блоков 100 сбора путем учета отклонений внутреннего времени блоков 100 сбора. В некоторых случаях радиоприемник 120 может обнаруживать волны только определенных длин, так что синхронизирующая информация для блока 100 ограничена сигналами конкретных видов. В других вариантах осуществления радиоприемник 120 может быть настроен так, что он может идентифицировать и собирать данные сигналов окружающей среды различных видов в соответствии с установленным режимом работы (состоянием) радиоприемника 120. В случаях, когда радиоприемник 120 выполнен с возможностью приема сигналов системы глобального позиционирования, он к тому же может выполнять функцию блока системы глобального позиционирования с целью получения информации относительно местоположения блока 100 сбора.

Поэтому когда блок 100 сбора находится в рабочем состоянии и сопряжен со средством 108 акустических данных, то средством 108 сбора акустических данных обеспечивается получение сейсмических данных, например, в виде зависимости собранных амплитуд от времени в одном или в нескольких каналах. Сигнал со средства 108 сбора проходит через препроцессор 112 сигналов для усиления и фильтрации, а затем проходит через аналого-цифровой преобразователь 116 для преобразования в цифровую форму. Сигналы с радиоприемника 120 также могут быть преобразованы в цифровую форму посредством аналого-цифрового преобразователя 116, а в одном варианте осуществления встраиваются вместе с сейсмическими данными.

Работой препроцессора 112 сигналов, аналого-цифрового преобразователя 116 и/или радиоприемника 120 может управлять блок 124 обработки, который может содержать, например, имеющийся на рынке цифровой процессор сигналов. Оцифрованные сейсмические данные и оцифрованные данные радиосигнала могут быть обработаны в блоке 124 обработки и, возможно, как описано ниже, совместно встроены и сохранены в запоминающем устройстве 128, таком как флэш-память, оперативная память, жесткий диск и т.п. В альтернативном варианте осуществления могут быть использованы параллельные потоки данных для встраивания данных, представляющих сигнал окружающей среды, в сейсмические данные и для записи сигнала окружающей среды непосредственно в память. Различные компоненты блока 100 сбора могут получать энергию от источника 132 питания, который показан внешним по отношению к блоку 100, но который в качестве альтернативы может быть встроен внутрь блока 100. Источник питания 132 может представлять собой, например, солнечный элемент, химическую батарею и т.п.

На фиг.1В представлен пример одной из альтернативных конфигураций блока сбора согласно варианту осуществления изобретения. В данном случае блок 100' сбора выполнен в виде многослойной и объединенной (интегрированной) системы регистрации. Различные компоненты поддерживаются посредством опорной плиты 170, при этом различные функциональные возможности устройства соответствуют особым слоям в его структуре. Например, элементы 166 геофонов могут быть размещены в одном слое, элементы 162 регистрации могут быть размещены в другом слое, элементы 158 средств связи и системы глобального позиционирования могут быть размещены в дополнительном слое, а компоненты 154 питания размещены в еще одном слое. В показанном варианте осуществления компоненты 154 питания представлены в виде верхнего слоя, чтобы можно было использовать солнечные элементы. Предпочтительно, чтобы элементы 158 средств связи и системы глобального позиционирования были размещены на месте, с которого они могут быть легко соединены с антеннами 150, которые принимают сигналы окружающей среды. В одном варианте осуществления каждый блок 100' сбора может быть снабжен по меньшей мере двумя антеннами 150, одной - для приема адреса местоположения от системы глобального позиционирования и сигналов синхронизации системы и другой - для проведения связей между блоками.

Снова обратимся к фиг.1А, где множество блоков 100 или 100' сбора, используемых при сейсмическом исследовании, могут находиться в связи с компьютером 140 преобразования данных через канал 136 передачи данных. Канал 136 передачи данных может представлять собой беспроводную сеть, инфракрасное соединение, аппаратное соединение и т.п. На фиг.2 представлен схематичный пример структуры компьютера 140 преобразования данных, который может быть использован для выполнения анализа данных, поступающих с блоков 124 обработки многочисленных блоков 100 сбора. На фиг.2 в общем виде показано, каким образом отдельные элементы системы могут быть реализованы индивидуально или в более интегрированном виде. Компьютер 140 преобразования данных показан содержащим аппаратные элементы, которые электрически соединены посредством шины 226 и включают в себя процессор 202, устройство 204 ввода, устройство 206 вывода, устройство 208 хранения данных, блок 210а считывания машинно-считываемого носителя данных, систему 214 связи, блок 216 ускорения обработки, например цифровой процессор сигналов или специализированный процессор, и память 218. Кроме того, блок 210а считывания машинно-считываемого носителя данных подключен к машинно-считываемому носителю 210b данных, при этом их комбинация исчерпывающим образом представляет собой удаленные, локальные, постоянные запоминающие устройства и/или устройства хранения данных на съемных дисках плюс носители данных для временного и/или более долговременного хранения машинно-считываемой информации. Система 214 связи может содержать проводное, беспроводное, модемное и/или другого типа сопрягающее соединение и обеспечивает обмен данных по каналу 136 передачи данных с целью сбора данных, подлежащих обработке, со множества блоков 100 сбора.

Компьютер 140 преобразования данных также содержит элементы программного обеспечения, показанные находящимися в рабочей памяти 220, включающими в себя операционную систему 224 и другую программу 222, например программу, предназначенную для реализации способов изобретения. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что в соответствии с конкретными требованиями могут быть сделаны существенные изменения. Например, также могут использоваться специализированное аппаратное обеспечение и/или в аппаратном обеспечении могут быть реализованы специальные элементы, программное обеспечение (включая мобильное программное обеспечение, такое как прикладные мини-программы (аплеты)) или то и другое. Кроме того, может быть использовано соединение с другими вычислительными устройствами, например сетевые устройства ввода/вывода.

Варианты осуществления способов, используемых в системе для регистрации сейсмических данных, кратко представлены на фиг.3. Последовательность этапов, показанная на фиг.3, является примерной, и предполагается, что она не должна интерпретироваться как последовательность, в которой должны выполняться функции; в альтернативных вариантах осуществления функции, показанные на фиг.3, могут выполняться в ином порядке. При выполнении этапа 302 собирают данные о моменте запуска, и они могут быть использованы в способе позднее для установления того, какие из собранных данных являются полезными. При выполнении этапа 304 собирают акустические данные с блоков 100 сбора. Если блоки 100 еще не распределены по району исследований, такой сбор можно начать с распределения блоков 100 по району исследований одним или несколькими монтажниками. Обычно монтажник записывает серийный номер, идентифицирующий каждый из распределенных блоков 100, и пункт, в который он распределен. Такая установка может быть облегчена путем использования портативного вычислительного устройства, имеющего коммуникационный порт для связи с блоком 100 сбора, такого как персональный цифровой ассистент. Когда блок 100 сбора установлен, монтажник может ввести инструкции в портативное вычислительное устройство для передачи в блок 100 сбора указаний, касающихся режима работы, то есть будет ли он работать непрерывно, реагировать на сигналы определенных колебаний, передавать или сохранять данные локально, когда они собираются, касающихся вида сигналов окружающей среды, подлежащих обнаружению и регистрации. В некоторых случаях монтажник может записать дополнительную информацию о каждом блоке 100 сбора, например статус блока 100 после установки.

После того как блоки 100 сбора распределены по району исследований, посредством каждого из этапов 304 и 308 собирают согласно инструкциям акустические данные и данные сигнала окружающей среды. Если статус блока 100 сбора указывает на то, что данные сигнала окружающей среды должны быть встроены совместно с акустическими сейсмическими данными, такое встраивание осуществляют при выполнении этапа 312, обычно в соответствии с программными инструкциями блока 124 обработки. В одном варианте осуществления встроенные данные соответствуют такой суперпозиции данных окружающего сигнала с акустическими сейсмическими данными, что их временная зависимость сохраняется. Таким образом, до тех пор, пока признаки сигнала окружающей среды остаются идентифицируемыми, их можно непосредственно синхронизировать с акустическими сейсмическими данными, в которые их встраивают. Кроме того, если такие признаки остаются идентифицируемыми в данных, собранных посредством множества блоков 100 сбора, то они обеспечивают возможность синхронизации между отдельными массивами данных. В других вариантах осуществления собранный сигнал окружающей среды может сохраняться отдельно от сигналов акустических сейсмических данных; такие отдельно сохраняемые сигналы все же могут быть использованы для синхронизации, если их зависимости относительного времени сохраняются для каждого из блоков 100 сбора. Однако встраивание сигналов имеет преимущество, поскольку изначально гарантирует, что информация, характеризующая такое относительное время, сохраняется.

Вне зависимости от того, будут ли сигналы данных объединены совместно друг с другом, при выполнении этапа 316 данные могут быть записаны в устройство хранения данных. В одном варианте осуществления данные записывают в память 128, входящую в состав соответствующего одного из блоков 100 сбора. Это особенно удобно в вариантах осуществления для исследования удаленных районов в течение относительно больших периодов времени, но может быть использовано в любых вариантах осуществления при сборе сейсмических данных. В альтернативных вариантах осуществления данные могут быть временно загружены во внешнее устройство хранения данных, такое как портативный компьютер или "карманный" компьютер, или даже, когда это возможно, могут быть переданы непосредственно по каналу 136 передачи данных в компьютер 140 преобразования данных. Если данные сохраняют локально в блоках 100 сбора, то в более поздний момент времени данные могут быть восстановлены и переданы в компьютер 140 преобразования данных с помощью любого подходящего средства с тем, чтобы при выполнении этапа 320 можно было начать анализ группы из массива данных.

При выполнении этапа 320 для каждого массива данных анализ начинают с корреляции временной зависимости сигналов окружающей среды относительно собранных акустических сейсмических данных, а затем при выполнении этапа 324 осуществляют синхронизацию многочисленных массивов данных. Функции корреляции и синхронизации на этом этапе существенно упрощаются в вариантах осуществления, в которых сигнал окружающей среды и сейсмические сигналы внедрены друг в друга (объединены), поскольку при таком внедрении между ними сохраняются временные взаимосвязи. Сохранение таких временных взаимосвязей обеспечивает возможность осуществления при выполнении этапа 324 синхронизации путем идентификации однозначных признаков сигнала окружающей среды в каждом из объединенных сигналов, сейсмических и окружающей среды. В некоторых случаях для осуществления идентификации может быть достаточно одного однозначного признака, но, когда изменения сигнала имеют сложный характер и с целью повышения доверительных уровней при синхронизации, может оказаться желательным использование многих признаков. Один из объединенных сигналов может быть выбран в качестве базового сигнала, определяющего каноническую временную последовательность. Затем каждый из других объединенных сигналов может быть сдвинут во времени так, чтобы имелось соответствие выбранного идентификационного признака (признаков) его появлению в канонической временной последовательности. В некоторых вариантах осуществления нахождение временных сдвигов облегчается путем вычисления функций взаимной корреляции с целью идентификации моментов максимальной корреляции. В зависимости от конкретного сигнала, выбранного для нахождения канонической временной последовательности, и в зависимости от конкретных изменений других сигналов такие временные сдвиги могут иметь место либо в положительном, либо в отрицательном направлении.

В некоторых случаях синхронизация может также включать в себя применение коэффициента сжатия или растяжения к временной последовательности заданных сигналов. Обычно полагают, что необходимость в сжатии или растяжении временной последовательности должна быть редкой, но она может быть уместной, если обстоятельства являются причиной скорости регистрации некоторых сигналов, отличающейся от скорости других сигналов. В таких случаях простое линейное временное преобразование сигналов может быть недостаточным для согласования многочисленных идентификационных признаков в сигнале окружающей среды с канонической временной последовательностью. Применение коэффициента сжатия или растяжения можно рассматривать как преобразование f(t) f( t), где >1 соответствует сжатию, а <1 соответствует растяжению для объединенного сигнала f(t) окружающей среды и сейсмического.

Например, обозначим через f_i(t) набор объединенных сигналов, принимаемых компьютером 140 преобразования данных. Каноническая временная последовательность может определяться конкретным одним из этих сигналов, например f₀(t). В предположении, что идентификационные признаки могут быть распознаны на ряде временных интервалов { t_j}, синхронизацию можно осуществить путем нахождения _i и _i такими, чтобы эти признаки были воспроизводимыми на тех же самых временных интервалах { t_j} в каждом f_i ( _it- _i).

Существенно, что те же самые способы могут быть использованы, когда данные сигнала окружающей среды не объединены вместе с акустическими сейсмическими данными. Однако поскольку оба массива данных для заданного блока 100 сбора были собраны по существу одновременно и посредством единственного блока 100 сбора, то временная корреляция между ними, влекущая за собой сжатие или растяжение временной зависимости, не предполагается. Вместо этого конкретное значение момента времени назначают как общее начало отсчета времени как для сейсмических данных, так и для данных окружающей среды применительно к каждому соответствующему блоку 100 сбора. К тому же для осуществления синхронизации вначале можно выполнить вычисления исключительно только относительно данных сигнала окружающей среды, при этом временные сдвиги и коэффициенты сжатия/растяжения определяют для данных от каждого блока 100 сбора с целью согласованной во времени идентификации признаков данных сигнала окружающей среды. Эти соответствующие сдвиги и коэффициенты сжатия/растяжения затем могут быть применены к соответствующим сейсмическим данным для завершения синхронизации.

Например, предположим, что согласно соответствующим началам отсчетов времени массив сейсмических данных задается S _i(t), а массив данных окружающей среды задается A _i(t). После этого можно осуществить синхронизацию относительно массива A_i(t) способом, аналогичным способу для f_i(t), описанному выше, при этом выбирают канонический сигнал A₀(t) окружающей среды, а коэффициенты _i и _i определяют из условия согласования с набором идентификационных признаков на протяжении набора временных интервалов { t_j}. Затем эти найденные коэффициенты могут быть применены к сейсмическим данным для получения набора строго синхронизированных сейсмических сигналов S _i( _it- _i), предназначенных для использования при последующем анализе.

В некоторых случаях последующий анализ можно выполнить, используя только отдельные части данных, например части данных внутри определенных временных интервалов, охватывающих известные вступления от источника. Поэтому при выполнении этапа 326 может быть использована процедура контроля качества для гарантии того, что данные, используемые при анализе, соответствуют заранее заданным уровням качества и с малой вероятностью отображают ложные результаты. При выполнении этапа 328 из синхронизированных массивов данных извлекают пригодные к использованию временные окна. Идентификацию пригодных к использованию временных окон можно выполнить с помощью программного обеспечения компьютера 140 преобразования данных, чтобы отметить времена событий источника, например, собираемые на этапе 302, и чтобы выделить области, имеющие отношение к особым временным интервалам вокруг синхронизированных соответствии для таких времен вступлений от источника. Затем при выполнении этапа 332 ненужные данные могут быть удалены. Удаление таких данных может быть уместным, когда данные должны использоваться только для анализа с целью идентификации подземных особенностей. В других случаях данные могут быть использованы для других целей, что может сделать желательным сохранение всех данных. Некоторые примеры таких применений рассмотрены ниже.

В некоторых вариантах осуществления после обработки, как указано на этапе 336, данные могут быть сохранены в запоминающем устройстве большого объема. Кроме того, при выполнении этапа 340 они могут быть выданы клиенту, который оплатил сбор и подготовку данных, или, как показано на этапе 344, могут быть подвергнуты дополнительному анализу для идентификации подземных особенностей. Способы такого анализа с использованием синхронизированных данных хорошо известны специалистам в области техники, к которой относится изобретение, и могут включать в себя разнообразные способы обработки и акустической реконструкции. В одном варианте осуществления при анализе используют метод акустической голографии. Один из ранее публиковавшихся примеров описания акустической голографии в целом имеется в патенте США №4070643 под названием "Acoustic holography apparatus", все раскрытие которого для всех целей включено в настоящую заявку посредством ссылки, хотя другие акустические голографические методы, которые могут быть применены к синхронизированным сейсмическим данным, также должны быть известны специалистам в области техники, к которой относится изобретение.

На фиг.4А-4В для иллюстрации результата синхронизации с информацией сигнала окружающей среды приведены примеры записей акустических данных. В вариантах осуществления, в которых сигнал окружающей среды соответствует сигналу коммерческого радиовещания, такому как сигнал радиопрограммы или телевизионной программы, в речевых образцах или в других изменениях в течение определенных временных интервалов { t_i} могут быть характеристики, которые можно использовать в качестве идентификационных признаков. Например, заявитель обнаружил, что голоса отдельных дикторов имеют частотные характеристики, которые делают их особенно пригодными для получения идентификационных признаков на фоне сейсмических акустических данных, особенно среди дикторов с голосами на нижней границе обычного частотного диапазона человека.

Для иллюстрации возможности использования речевых образов в качестве идентификационных признаков на фиг.4А приведен пример речевого сигнала человека, зарегистрированного посредством двух различных блоков 100 сбора, соответственно обозначенных как 402 и 404. Сигнал получен от популярного энергичного диктора, часто слышимого на телевидении и радио, имеющего низкочастотный голос того типа, который заявитель определяет как особенно пригодный для использования при синхронизации согласно вариантам осуществления изобретения. Наряду с тем что из фиг.4А ясно виден один и тот же общий характер речевых сигналов, действительное согласование временных последовательных для них может облегчено с помощью методов корреляционной оценки, например, путем вычисления функции взаимной корреляции. Взаимная корреляция С при задержке для двух функций V⁽¹⁾(t) и V ⁽²⁾(t), таких как речевые функции, показанные на фиг.4А, но в общем случае применимая к любым данным сигнала окружающей среды или к объединенным данным сигнала окружающей среды и сейсмического, рассмотренным выше, имеет вид

где соответственно средние значения V⁽¹⁾ (t) и V⁽²⁾(t). Значение , при котором взаимная корреляция максимальная, соответствует временному сдвигу, который должен быть введен при синхронизации V⁽¹⁾(t) и V⁽²⁾(t).

На фиг.4В представлена функция 406 взаимной корреляции, полученная в результате вычисления при использовании сигналов, показанных на фиг.4А. Поскольку сигналы 402 и 404 по существу должным образом совмещены, максимальное значение корреляции попадает приблизительно в центральную часть окна. Если сигналы не согласованы и для синхронизации требуется временной сдвиг, то значение максимальной корреляции будет смещено на величину , которую, как описано выше, затем используют для получения синхронизированных сигналов.

Заявитель исследовал применение этого способа к реальным сейсмическим данным с получением результатов, показанных на фиг.4С и 4D. Кривыми на фиг.4С отображены истинные амплитуды, а кривыми на фиг.4D отражено применение автоматической регулировки усиления. Кривые смещены на расстояния от наземных пунктов исследований, при этом кривая 408 смещена на 25 футов (7,62 м), кривая 410 смещена на 20 футов (6,1 м), кривая 412 смещена на 15 футов (4,6 м), кривая 414 смещена на 10 футов (3,1 м) и кривая 416 смещена на 5 футов (1,54 м). Эти кривые были синхронизированы при использовании способов, описанных выше. Поэтому видимые смещения снизу вверх и слева направо отражают реальное физическое изменение, которое обеспечивает информацию об исследуемом районе. В этом примере это физическое изменение соответствует разностям времен пробега, являющегося следствием увеличения удалений между источником и блоками 100 сбора. Скорость, полученная по разностям смещений кривых, деленным на разности времен прихода, очень близка к скорости звука в воздухе, около 1100 футов/с (335,3 м/с). В случаях, когда акустические сигналы принимаются из Земли, различия в синхронизированных кривых обеспечивают получение структурной информации о подземных особенностях, при этом такую информацию получают на основании акустических сигналов, принимаемых из внутренней части Земли.

Речевые сигналы из фиг.4А представляют собой примеры нерегулярных сигналов, которые могут быть использованы при синхронизации. На фиг.4Е представлен пример регулярных сигналов 430, полученных из сигнала окружающей среды, при этом эти сигналы объединены вместе с сейсмическими акустическими данными 428, измеренными посредством одного из блоков 100 сбора. Такие регулярные сигналы могут быть следствием сигналов окружающей среды, например временных сигналов системы глобального позиционирования, радиовещательных сигналов универсального синхронизированного времени и т.п. Регулярность таких сигналов 430 окружающей среды, особенно когда их амплитуды являются достаточными для подавления сейсмических акустических сигналов 428, позволяет использовать их при синхронизации без вычислений взаимной корреляции. В частности, благодаря хорошо определенному характеру таких сигналов обеспечиваются очень узкие временные интервалы { t_j} при точных центральных значениях времени. Поэтому в некоторых вариантах осуществления синхронизацию осуществляют непосредственно с помощью регулярных сигналов окружающей среды, тогда как в других вариантах осуществления синхронизация, даже при регулярных сигналах окружающей среды, может быть осуществлена все же методом взаимной корреляции.

Примерные применения

Существует ряд областей применения, в которых при использовании способов и систем изобретения выявляются преимущества некоторых вариантов осуществления. Например, в некоторых вариантах осуществления блоки сбора могут быть использованы в зависимости от событий, происходящих по инициативе человека. Некоторые такие события, происходящие по инициативе человека, могут быть конкретно направлены на создание акустических источников, предназначенных для использования при сейсмических исследованиях, тогда как при других сейсмическую информацию можно получать только пассивно или случайно. Например, в некоторых вариантах осуществления блоки сбора могут быть распределены по району исследований, где могут быть начаты взрывы с помощью динамита, но они имеют плохой радиоконтакт. В таких случаях несмотря на плохой радиоконтакт в районе исследований может быть использована обычная способность блоков к непрерывному сбору данных в сочетании с простой синхронизацией без необходимости в радиоконтакте. К тому же в некоторых случаях географическое распределение может изменяться по глубине относительно поверхности Земли, а не только на или выше поверхности. Например, некоторые из блоков могут быть расположены внутри вертикальных шахт и шахтных стволов, что обеспечивает возможность получения информации, являющейся следствием различных распределений блоков сбора. Анализ с использованием данных при таком вертикальном распределении блоков сбора иногда называют "томографическим анализом".

В других вариантах осуществления сейсмические данные могут быть собраны пассивно из городских или пригородных районов или из любого другого района, где регистрация активных данных затруднительна. Например, волны от пассивного источника можно создавать путем размещения препятствий поперек поверхности дороги с тем, чтобы акустические волны возбуждались, когда автомобили проезжают поверх них. Другие механизмы пассивного возбуждения акустических волн должны быть очевидными для специалистов в области техники, к которой относится изобретение. В таком случае для обнаружения акустических откликов на эти источники из Земли блоки сбора могут быть размещены вблизи городских или пригородных районов. Способность блоков сбора к непрерывной записи в течение продолжительных интервалов времени без точных сведений о моменте возбуждения акустических волн обеспечивает возможность сбора информации, которая затем может быть использована, как описано в настоящей заявке, для идентификации свойств среды в городских, пригородных или в других исследуемых районах. Обычно предполагается, что интенсивность излучения таких пассивных акустических источников наиболее пригодна для картирования волн, отраженных из верхней части разреза, но в некоторых случаях таким способом также можно осуществлять картирование волн, отраженных из более глубокой части разреза.

Долговременная непрерывная регистрация без точных сведений о моменте возбуждения акустических волн может быть использована для частных применений. Например, на сейсмические тестеры часто поступают рекламации от пользователей и других владельцев, заключающиеся в том, что взрывчатые вещества, используемые в качестве источников для возбуждения акустических волн, приводят к повреждению конструкций. Затраты на оспаривание таких утверждений, касающихся сейсмических тестеров, являются значительными. Очень часто амплитуда акустических импульсов в местах повреждений конструкций недостаточна для создания описываемого повреждения, но зачастую недостаточно информации для установления альтернативного источника, вызывающего повреждение. Использование некоторых из блоков сбора в течение периода сейсмических исследований в различных местах может позволить получать более конкретные данные, которые можно использовать при оспаривании таких утверждений, особенно путем получения в реальном времени записи максимальной скорости частиц (PPV) в заданных местах. В частности, посредством блоков сбора можно измерять не только локальную интенсивность взрыва, в отношении которого необоснованно утверждается, что он создает повреждения в этих заданных местах, но также и локальную интенсивность других акустических источников, таких, которые могут быть созданы летательным аппаратом, поездом, синоптической ситуацией и т.п. В случаях, когда максимальная скорость частиц в конкретный момент времени и местоположение отчетливо связаны с иной акустической волной, вероятность того, что повреждение вызвано сейсмическим исследованием, наиболее минимальная. Такая возможность получения сравнительных данных, коррелированных во времени с другими источниками, создающими акустические возмущения, позволит более быстро отклонять необоснованные утверждения.

При наличии описанных нескольких таких вариантов осуществления специалисты в области техники, к которой относится изобретение, должны осознавать, что различные другие модификации, альтернативные конструкции и эквиваленты могут быть использованы без отступления от сущности изобретения. Поэтому приведенное выше описание не должно восприниматься как ограничивающее объем изобретения, которое определено в нижеследующей формуле изобретения.