Система сбора сейсмических данных и способ проведения сейсморазведки

 

Использование: в системах сбора сейсмических данных с помощью сейсмоприемников. Сущность изобретения: система сбора сейсмических данных делит исследуемую территорию на ряд секторов, в каждом из которых содержится узел доступа к сектору и несколько узлов сейсмоприемника. Цифровые данные с узлов сейсмоприемника передаются на соответствующий узел доступа к сектору методом радиотелеметрии на частоте, общей для всех узлов сейсмоприемника. С узлов доступа к сектору данные по широкополосным каналам направляются на центральный блок управления. Технический результат: упрощение процесса сбора данных, возможность использования маломощных узлов сейсмоприемника. 4 с. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к системам сбора сейсмических данных с помощью сейсмоприемников.

Хорошо известен способ проведения геофизических исследований участка суши с помощью сети сейсмоприемников в сочетании либо с проведением последовательной серии взрывов, либо с непрерывной вибрацией, передаваемой на землю с помощью вибрационной аппаратуры.

Несмотря на то, что указанный способ позволяет получать ценные результаты, выполнение исследований замедляется требованиями к материально-техническому снабжению, требует больших трудозатрат и обходится достаточно дорого. Необходимо размещать большое количество сейсмоприемников в определенном порядке, предварительно привязывая их положение к местности. Каждая цепочка сейсмоприемников подсоединяется к центральному блоку управления с помощью отдельного провода. По мере выполнения исследований расположенные в заднем ряду сейсмоприемники необходимо отсоединять, перемещать вперед и вновь подсоединять. Эта процедура крайне трудоемка, а сложная система соединений приводит к большой вероятности ошибки. Чтобы понять масштаб проблемы, достаточно сказать, что обычные трехмерные сейсмические системы включают в себя кабельную сеть общей длиной до 750 км.

Известны попытки, в частности, из выбранного в качестве ближайшего аналога патента США 3886494, решить эту проблему посредством простой замены кабелей, соединяющих сейсмоприемники с центральным блоком управления, радиосвязью. Но внедрение подобных систем затрудненно, в частности, из-за образования взаимных помех между каналами радиосвязи и необходимости использования большого диапазона разных частот, а также необходимости снабжения каждого индивидуального сейсмоприемника мощным приемопередатчиком для связи с расположенным на большом расстоянии центральным блоком управления и соответствующим увеличением затрат.

Задачей настоящего изобретения является создание системы, упрощающей описанные процедуры и, следовательно, значительно снижающей длительность и стоимость процедуры исследований.

Согласно одному аспекту изобретения предлагается система сбора сейсмических данных, содержащая ряд узлов сейсмоприемника, которые во время исследований располагаются на обследуемой территории в определенном порядке; причем каждый узел сейсмоприемника содержит средство для представления цифровых данных сейсмического движения поверхности земли в месте расположения указанного узла сейсмоприемника, а также радиотелеметрическое средство, способное принимать управляющие сигналы с центрального блока управления и передавать упомянутые цифровые данные по команде на центральный блок управления.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения территория делится на ряд секторов, в каждом из которых содержится ряд узлов сейсмоприемника и узел доступа к сектору. Обмен данными между узлами сейсмоприемника, находящимися в упомянутом секторе, и соответствующим узлом доступа к сектору осуществляется методом радиотелеметрии на определенной частоте, причем в прилегающих друг к другу секторах используются различные частоты.

Связь узлов доступа к сектору с центральным блоком управления может осуществляться по радиоканалу, через кабельную линию связи или через оптоволоконную линию связи.

Обмен данными с каждым из секторов осуществляется преимущественно с помощью маломощного высокочастотного (наиболее предпочтительна полоса 2,4 ГГц) сигнала. Это позволяет применять ограниченное количество частот за счет использования одинаковых частот в разных секторах территории.

Средство для представления цифровых данных может содержать блок измерения данных о скоростях в аналоговой форме, который подключен к аналогово-цифровому преобразователю.

Каждый из узлов сейсмоприемника преимущественно содержит блок памяти для кратковременного хранения упомянутых данных, а также для постоянного хранения уникального идентификационного кода данного узла сейсмоприемника.

Каждый из узлов сейсмоприемника предпочтительно содержит предусилитель и средство управления предусилителем, дистанционно управляемое с центрального блока управления. Через средство управления предусилителем можно управлять коэффициентом усиления и рабочим временным окном предусилителя как функцией расстояния данного узла сейсмоприемника от места расположения источника измеряемого сейсмического сигнала и/или как функцией времени.

Каждый из узлов сейсмоприемника может дополнительно содержать свой собственный уникальный код, нанесенный физически изнутри или снаружи, или записанный электронными средствами на микропроцессор, входящий в состав узла сейсмоприемника, или нанесенный снаружи в виде, например, машиночитаемого штрихового кода, причем способ нанесения кода должен допускать его считывание посредством радиосвязи с использованием существующей аппаратуры.

Предпочтительно использовать цифровое радиотелеметрическое средство, которое может содержать специальную радиосистему или может быть оснащено сотовой радиосистемой.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается способ проведения сейсморазведки, в котором на исследуемой территории в определенном порядке располагается ряд узлов сейсмоприемника, генерируется сейсмический сигнал (или серия сейсмических сигналов), на основе этого сигнала узлы сейсмоприемника собирают сейсмические данные, данные, собранные каждым узлом сейсмоприемника, записываются в блок памяти этого узла сейсмоприемника и указанные данные передаются на центральный блок методом радиотелеметрии либо в момент их получения, либо в более позднее время.

В качестве примера рассмотрим один из вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 представляет собой схему системы сбора сейсмических данных; фиг. 2 представляет собой блок-схему одного из вариантов узла сейсмоприемника, использующегося в указанной системе; фиг. 3 представляет собой схему распределения радиочастот, используемых на исследуемой территории; фиг.4 представляет собой блок-схему центрального блока управления, используемого в указанной системе.

На фиг.1 показан способ проведения сейсморазведки на участке обследуемой территории путем размещения ряда узлов сейсмоприемника или узлов удаленного сбора данных (УУСД) 10 в определенных точках, обычно в каком-либо определенном порядке. В предлагаемой в настоящем изобретении системе каждый УУСД 10 может получать сигналы с центрального блока управления (ЦБУ) 12 и передавать сигналы на этот блок методом радиотелеметрии.

Территория может быть разделена на сектора 14, как указано на фиг.1, в каждом из которых имеется передатчик/приемник или узел доступа к сектору (УДС) 16, действующий как коммутационное средство между УУСД 10 и ЦБУ 12. Указанное разделение может быть выполнено в соответствии с особенностями территории, однако в любом случае оно предпочтительно, поскольку позволяет использовать маломощные УУСД 10 и тем самым снизить их габаритные размеры и стоимость.

На фиг. 2 показан отдельный УУСД 10, который может быть использован в приведенной на фиг.1 системе. В представленном на фиг.2 УУСД 10 используется стандартный сейсмоприемник или цепочка (цепочки) сейсмоприемников 20 с блоком измерения данных о скоростях в аналоговой форме, которые через блок 21 предусилителя и фильтра поступают на аналогово-цифровой преобразователь 22. Данные в цифровой форме записываются в память блока 24 и затем после получения управляющего сигнала с УДС 16 передаются на УДС 16 с помощью радиотелеметрического средства, например передатчика/приемника 26. Эти управляющие сигналы и данные в цифровой форме могут передаваться с использованием любого подходящего протокола.

УУСД 10 также содержит источник питания 28 и электрическую схему управления 30. Источник питания 28, в свою очередь, содержит перезаряжаемые или одноразовые батареи питания и предпочтительно панель солнечных батарей.

Каждый УУСД 10 идентифицируется по своему уникальному коду, который может быть записан в специальной ячейке блока памяти 24, обозначенной 24а.

Средство управления предусилителем, например схема управления 30, управляет работой предусилителя 21 двумя путями.

Первый. Коэффициент усиления предусилителя 21 настраивается как функция расстояния конкретного УУСД 10 от места расположения источника сейсмического сигнала. При этом на большем удалении от источника обеспечивается более высокая чувствительность. Такая настройка может выполняться и изменяться соответствующим образом по мере изменения места расположения источника, УУСД при этом остаются на своем месте.

Второй. Коэффициент усиления может также изменяться как функция времени по мере затухания отраженного сигнала от источника сейсмического сигнала, по мере затухания сигнала для его предусиления задается более высокий коэффициент усиления предусилителя. Например, на УУСД, расположенном вблизи источника сейсмического сигнала, может быть задан начальный коэффициент усиления, равный 2⁰, который действует в первую секунду после поступления сигнала, а затем в каждую последующую секунду увеличивается до 2¹, 2² и 2³, при этом на удаленном УУСД начальный коэффициент усиления может быть установлен равным 2⁴, а затем увеличиваться до 2⁵, 2⁶ и 2⁷.

Оба варианта могут программироваться с ЦБУ 12.

Схема управления 30 также управляет работой цифрового радиотелеметрического блока, задавая переменную мощность выходного сигнала, что позволяет запрограммировать количество УУСД 10, передающих отчеты на любой конкретный УДС 16, и расстояние от любого УУСД 10 до любого УДС 16; указанная функция позволяет повысить гибкость системы для проведения сейсморазведки. Эти параметры можно также запрограммировать с ЦБУ 12.

Перед срабатыванием источника сейсмического сигнала ЦБУ 12 передает сигнал для опосредованной активации УУСД 10, а после поступления сигнала на УУСД каждый из этих узлов в течение заданного промежутка времени осуществляет запись данных. УДС 16 опрашивают соответствующие им УУСД 10, которые по команде передают свой идентификационный код, а затем записанные в них данные. За счет использования в различных секторах 14 различных частот можно производить опрос одновременно во всех секторах, при этом обмен информацией между УДС 16 и ЦБУ 12 осуществляется с помощью ограниченного количества широкополосных радиоканалов связи, по информационным кабелям или по оптоволоконным линиям связи.

В варианте осуществления изобретения могут использоваться УУСД, содержащие два или более сейсмоприемника с общими блоками памяти, электрической схемой управления и передатчиком/приемником.

Форма и размеры секторов определяются радиусом действия радиопередатчиков, особенностями территории, наличием каких-либо препятствий и в меньшей степени погодными условиями. УУСД, размещенные в одном секторе, работают на одном и том же наборе радиочастот. В прилегающих друг к другу секторах используются различные радиочастоты.

В телеметрических системах, расположенных в не прилегающих друг к другу секторах, можно использовать одни и те же частоты. На фиг.3 проиллюстрировано это положение со ссылкой на вариант обследования территории, которую пересекает горный хребет (обозначенный изогипсами 37). Исходя из того, что радиопередатчики имеют ограниченную зону действия, данные частоты можно вновь использовать в другом секторе, расположенном вне указанной зоны действия. Таким образом, радиочастоты можно использовать повторно по принципу чередования, что позволяет свести к минимуму количество частот, необходимых для работы системы.

В частности, маломощная радиосистема может работать в частотном диапазоне вблизи 2,4 ГГц. Такие высокочастотные сигналы быстро затухают с увеличением расстояния, что позволяет использовать ограниченный набор частот для неограниченного количества секторов. Особенно предпочтительно использовать полосу 2,4 ГГц, поскольку во многих регионах для работы на этой частоте не требуется получать лицензию.

В случае, если УДС получает сигналы из нескольких различных секторов, программное обеспечение системы может выделить нужные сигналы, удалив более слабые сигналы.

Требуемое разрешение будет достигнуто в случае, если каждый узел сейсмоприемника будет выдавать данные в 24-разрядном формате с цикличностью 500 Гц (2 мсек на один замер). Требования системы опроса к ширине полосы частот могут быть снижены, если в УУСД 10 или УДС 16 использовать известные методики сжатия данных.

Например, если максимальная скорость передачи результатов одного замера в 24-разрядном формате с интервалами в 2 мсек для одного узла сейсмоприемника составляет 12 кбит в секунду, то в секторе, содержащем восемьдесят узлов сейсмоприемника, максимальная скорость передачи данных для базовой станции сектора составит 1 Мбит в секунду. Существуют дешевые радиотелеметрические модули, способные обеспечить указанную скорость передачи данных, например набор микросхем радиосистемы "Prism" ("Призма"), выпускаемый компанией Харрис Семикондактор Лимитид (Harris Semiconductor Limited), может обеспечить передачу данных со скоростью до 4 Мбит в секунду.

На фиг. 4 показан один из вариантов ЦБУ. Данные принимаются серийно выпускаемым записывающим блоком 44 известного типа, который осуществляет запись собранных сейсмических данных. Указанный блок выдает синхронизированные импульсные команды 46. После получения каждой такой импульсной команды генератор синхроимпульсов 48 выдает синхроимпульс 1, активирующий сейсмоприемники, а также серию синхроимпульсов 2(i), управляющих опросом. Синхроимпульсы шифруются и передаются блоком 50 через переключатель "передача-прием" 52, который также стробирует поступающие информационные сигналы и направляет их на блок приемника и дешифратора 54, данные от которого поступают на записывающий блок 44.

В варианте осуществления ЦБУ интервал выполнения замеров поэтапно уменьшается с течением времени. Например, вместо выполнения замеров один раз в каждые 2 мсек в течение 4 сек замеры могут выполняться каждые 2 мсек в течение первой секунды, каждые 4 мсек в течение второй секунды, каждые 6 мсек в течение третьей секунды и каждые 8 мсек в течение четвертой секунды. Это связано с тем, что высокочастотные сигналы быстрее затухают с течением времени по сравнению с низкочастотными сигналами и, следовательно, чем больше времени пройдет с момента подачи входного сигнала, тем меньше будет уровень изменяемого высокочастотного сигнала, что позволяет снизить периодичность измерений.

Несомненно, в ЦБУ 12 должны содержаться сведения о расположении каждого из УУСД 10. Это условие можно реализовать таким же образом, как и в существующих проводных системах, то есть путем размещения УУСД 10 в местах, отмеченных во время обычной съемки местности. Чтобы упростить ввод данных о местонахождении каждого УУСД, снаружи каждого УУСД можно известным способом поместить машиночитаемый ярлык, содержащий уникальный идентификационный код данного узла, например в виде обычного штрихового кода. Таким образом, персонал, осуществляющий монтаж данных узлов, может известным способом ввести номер позиции узла сейсмоприемника и его соответствующий код в портативную записывающую аппаратуру, а затем загрузить эти данные в центральный блок управления 12.

В варианте осуществления изобретения каждый УУСД может содержать электронное средство определения положения, которое позволит разместить УУСД на территории без предварительной привязки к местности; при этом положение каждого УУСД впоследствии устанавливается ЦБУ 12 путем опроса УУСД 10, в ходе которого собираются данных об их местоположении. Такое средство определения положения может входить в глобальную систему навигации и определения положения (GPS). Точность определения положения можно повысить за счет использования дифференциальной GPS. Поскольку УУСД устанавливаются стационарно, то вместо использования дорогих дифференциальных GPS в каждом УУСД можно ввести данные о положении этих узлов в сами УУСД во время их монтажа; такую операцию удобно осуществлять с помощью инфракрасных, радио- или иных подходящих средств для передачи данных на короткие расстояния, причем упомянутые средства должны быть связаны с портативной дифференциальной GPS, которая должна также содержать средство считывания штриховых кодов.

В варианте осуществления изобретения положение УДС для каждого сектора может быть зафиксировано с помощью содержащегося в УДС приемника геофизической системы, а относительное положение каждого УУСД по отношению к связанному с ним УДС может определяться с помощью относительно простой локальной системы.

Возможно, потребуется применение специальной радиотелеметрической системы, в которой для опосредствованной передачи команд от ЦБУ 12 на различные УУСД 10 используется одна частота, а для обратной передачи данных используется ряд других частот. Однако в некоторых случаях может оказаться возможным использовать для передачи и команд, и данных систем, аналогичных сотовым телефонам.

В рамках настоящего изобретения возможны и иные варианты осуществления изобретения или усовершенствования вышеприведенных вариантов осуществления изобретения в пределах объема изобретения, которое изложено в приведенной ниже формуле.

Формула изобретения

1. Способ проведения сейсморазведки, в котором на исследуемой территории в определенном порядке располагают узлы сейсмоприемника, затем генерируют серию сейсмических сигналов, на основе которых упомянутые узлы сейсмоприемника собирают сейсмические данные, после чего данные, собранные каждым из упомянутых узлов сейсмоприемника, сохраняют в цифровой форме в упомянутом узле сейсмоприемника и передают упомянутые данные на центральный блок, отличающийся тем, что упомянутую исследуемую территорию делят на сектора, в каждом из которых размещают группу узлов сейсмоприемника и узел доступа к сектору, причем сначала передают упомянутые данные в цифровой форме от каждого из узлов сейсмоприемника, расположенных в данном секторе, на их соответствующий узел доступа к сектору, при этом осуществляют упомянутую передачу либо в момент получения упомянутых данных, либо в более позднее время методом радиотелеметрии на частоте, общей для всех узлов сейсмоприемника в данном секторе, а затем передают упомянутые данные от каждого из узлов доступа к сектору на центральный блок управления по радиосвязи, по кабельной линии связи или по оптоволоконной линии связи.

2. Система сбора сейсмических данных, содержащая центральный блок управления и узлы сейсмоприемника, расположенные в определенном порядке на исследуемой территории, причем каждый из упомянутых узлов сейсмоприемника содержит средство представления цифровых данных сейсмического движения поверхности земли в месте расположения указанного узла сейсмоприемника, отличающаяся тем, что упомянутая исследуемая территория имеет разделение на группу секторов, в каждом из которых содержится группа узлов сейсмоприемника и узел доступа к сектору, причем каждый из упомянутых узлов сейсмоприемника содержит радиотелеметрическое средство для приема управляющих сигналов с центрального блока управления через соответствующий узел доступа к сектору и передачи упомянутых цифровых данных по команде на соответствующий узел доступа к сектору для последующей их передачи к центральному блоку управления, а упомянутые узлы сейсмоприемника, расположенные в данном секторе, связаны с упомянутым узлом доступа к сектору, посредством указанного радиотелеметрического средства, на определенной частоте, отличной от частот, используемых в секторах, прилегающих к данному сектору, и каждая частота используется в системе в нескольких не прилегающих друг к другу секторах указанной территории.

3. Система сбора сейсмических данных, содержащая центральный блок управления и узлы сейсмоприемника, расположенные в определенном порядке на исследуемой территории, причем каждый из упомянутых узлов сейсмоприемника содержит средство представления цифровых данных сейсмического движения поверхности земли в месте расположения указанного узла сейсмоприемника, предусилитель и средство управления предусилителем, отличающаяся тем, что упомянутая исследуемая территория имеет разделение на группу секторов, в каждом из которых содержится группа узлов сейсмоприемника и узел доступа к сектору, причем каждый из упомянутых узлов сейсмоприемника содержит радиотелеметрическое средство для приема управляющих сигналов с центрального блока управления через соответствующий узел доступа к сектору и передачи упомянутых цифровых данных по команде на соответствующий узел доступа к сектору, на частоте, общей для всех узлов сейсмоприемника в данном секторе, для последующей их передачи к центральному блоку управления, причем средство управления предусилителем является средством управления по крайней мере одним параметром предусилителя, выбранным из коэффициента усиления и рабочего временного окна, как функцией по крайней мере одного второго параметра, выбранного из места расположения источника измеряемого сейсмического сигнала и времени.

4. Система сбора сейсмических данных, содержащая узлы сейсмоприемника, расположенные в определенном порядке на исследуемой территории, причем каждый из упомянутых узлов сейсмоприемника содержит средство представления цифровых данных сейсмического движения поверхности земли в месте расположения указанного узла сейсмоприемника и радиотелеметрическое средство для приема управляющих сигналов с центрального блока управления и передачи упомянутых цифровых данных по команде на упомянутый центральный блок управления посредством, по крайней мере частично, радиосвязи, отличающаяся тем, что упомянутая исследуемая территория имеет разделение на ряд секторов, в каждом из которых содержится группа узлов сейсмоприемника и узел доступа к сектору, причем в пределах каждого сектора узлы сейсмоприемника связаны с соответствующим узлом доступа к сектору посредством радиотелеметрического средства на одной частоте, а узлы доступа к сектору связаны с центральным блоком управления.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что упомянутые частоты различны в прилегающих друг к другу секторах.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что упомянутая связь в пределах каждого сектора осуществляется посредством высокочастотных сигналов малой мощности (на полосе 2,4 ГГц).

7. Система по п. 5, отличающаяся тем, что определенная частота используется в нескольких не прилегающих друг к другу секторах указанной территории.

8. Система по п. 4, отличающаяся тем, что упомянутые узлы доступа к сектору связаны с упомянутым центральным блоком управления посредством радиосвязи, кабеля или оптоволоконного канала связи.

9. Система по п. 4, отличающаяся тем, что упомянутое средство представления цифровых данных содержит блок измерения данных сейсмоприемника о скоростях в аналоговой форме, подключенный к аналого-цифровому преобразователю.

10. Система по п. 4, отличающаяся тем, что упомянутые узлы сейсмоприемника содержат блок памяти для кратковременного хранения упомянутых данных и постоянного хранения уникального идентификационного кода.

11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых узлов сейсмоприемника имеет свой собственный уникальный код, нанесенный физически изнутри или снаружи узла сейсмоприемника или выполненный как электронная метка на микропроцессоре, входящем в состав упомянутого узла сейсмоприемника или снаружи в виде, например, штрихового кода.

12. Система по п. 4, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых узлов сейсмоприемника содержит предусилитель и средство управления предусилителем.

13. Система по п. 12, отличающаяся тем, что упомянутое средство управления предусилителем является средством управления коэффициентом усиления и/или рабочим временным окном упомянутого предусилителя, как функцией расстояния упомянутого узла сейсмоприемника от места расположения источника измеряемого сейсмического сигнала и/или функцией времени.

14. Система по п. 4, отличающаяся тем, что упомянутое радиотелеметрическое средство является цифровым.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4