李緒宣 王建花 楊 凱 張金淼

(1.中海油研究總院; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部)

影響深水區(qū)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)地震勘探成效的關(guān)鍵因素之一是震源地震子波品質(zhì)。空氣槍震源具有性能穩(wěn)定可靠、子波一致性好的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于海上地震勘探。海上深水區(qū)油氣勘探需要高品質(zhì)的震源子波，要求子波主脈沖強(qiáng)、初泡比大、頻帶寬、低頻能量強(qiáng)、陷波點(diǎn)頻譜能量較大、有效頻帶頻譜光滑。優(yōu)選氣槍陣列激發(fā)參數(shù)的常用方法是分析實(shí)測的海上不同參數(shù)激發(fā)的震源子波特征，但這一方法耗時(shí)費(fèi)力。由于試驗(yàn)的參數(shù)較少，參數(shù)優(yōu)選余地有限，因此需要發(fā)展氣槍陣列震源子波的理論模擬參數(shù)優(yōu)化方法。Ziolkowski［1-3］提出了一種氣槍陣列遠(yuǎn)場子波數(shù)值模擬方法，PGS-Nucleus公司據(jù)此研發(fā)了相應(yīng)的氣槍陣列子波模擬軟件，有效地促進(jìn)了海上氣槍陣列的激發(fā)參數(shù)優(yōu)化;而陳浩林［4］、楊懷春［5］、楊光亮［6］、李緒宣等［7］也先后進(jìn)行了平面氣槍陣列參數(shù)優(yōu)化和震源子波特征分析研究，Li［8］開展了多種影響因素下海上單槍震源子波的數(shù)值模擬研究，李緒宣等［7］通過數(shù)值模擬研究了三子陣立體陣列的遠(yuǎn)場子波特征，展示了立體陣列明顯優(yōu)于平面陣列。

利用PGS-Nucleus公司的氣槍震源子波模擬軟件，筆者對(duì)海上多子陣不同氣槍陣列組合的震源子波進(jìn)行大量模擬試算，提出了適應(yīng)深水地震勘探要求的多子陣立體陣列組合方式和2種平面陣列優(yōu)化組合模式，并對(duì)優(yōu)選的立體四子陣氣槍陣列和平面六子陣氣槍陣列組合震源進(jìn)行了不同勘探靶區(qū)野外地震采集試驗(yàn)，地震資料品質(zhì)得到了明顯改善，深部地層的反射特征更加突出。

1 氣槍子陣列設(shè)計(jì)方法

分析氣槍震源遠(yuǎn)場子波特征是優(yōu)化震源激發(fā)參數(shù)的重要途徑。圖1是氣槍單槍模擬的子波圖，評(píng)價(jià)其優(yōu)劣的主要參數(shù)包括子波的主脈沖、初泡比、有效頻帶寬度、頻譜光滑程度、陷波點(diǎn)頻譜能量等。主脈沖越大，震源容量越大;初泡比越大，氣泡脈沖越小，震源子波性能就越好。由于單個(gè)氣槍的子波性能較差，為了提高信號(hào)能量和初泡比，壓制干擾，實(shí)際上海上采集是將相同或不同容量的氣槍按照一定的規(guī)則進(jìn)行組合，形成了由不同容量相干槍與單槍組合的單個(gè)氣槍陣列，即子陣列。為了進(jìn)一步提高氣槍陣列的性能，多個(gè)子陣列按照一定的沉放深度和間隔進(jìn)行組合，形成了多陣列氣槍震源。

圖1 氣槍單槍子波

利用PGS公司研發(fā)的基于氣泡自由震蕩理論的Nucleus軟件進(jìn)行多陣列氣槍震源子波模擬，模擬環(huán)境參數(shù)為:氣槍工作壓力為2000 psi，海水密度為1030 kg/m3，海水中聲波速度為1521.6 m/s，觀測點(diǎn)距離陣列9000 m。首先，通過改變子陣列中各氣槍容量、氣槍間隔等參數(shù)，模擬對(duì)應(yīng)的氣槍震源子波，從中優(yōu)選出子波頻譜光滑、有效頻帶寬、初泡比大對(duì)應(yīng)的子陣列;然后，將多個(gè)子陣列按照沉放深度、沉放間隔、激發(fā)延遲時(shí)間等參數(shù)組合成多陣列氣槍震源，模擬對(duì)應(yīng)的子波;最后，分析對(duì)比模擬的子波特征，優(yōu)選出最優(yōu)氣槍陣列參數(shù)。

2 平面陣列和立體陣列子波模擬

傳統(tǒng)的氣槍陣列都是平面陣列，所有子陣列都排列在同一平面內(nèi)，具有操作方便，排列簡單等優(yōu)點(diǎn)。目前海上地震勘探均采用傳統(tǒng)的平面陣列設(shè)計(jì)。為了對(duì)比平面陣列和立體陣列的差別，本文以三子陣列為例進(jìn)行討論。

2.1 氣槍陣列模型

圖2是平面三子陣列設(shè)置圖及其簡化示意圖，圖中每一個(gè)子陣列的沉放深度h都是一樣的，所有子陣列上的氣槍都在同一個(gè)平面內(nèi)排列。

圖2 平面三子陣列立體圖及其簡化示意圖

對(duì)于立體氣槍陣列，由于每一個(gè)子陣列的沉放深度不同，導(dǎo)致所有的氣槍不在同一個(gè)平面內(nèi)，因此，隨各子陣列沉放深度的變化，立體陣列的形式變化多樣。以三子陣列為例，設(shè)計(jì)了4種立體陣列模型(圖3)，即凸形、凹形和2種弧形(階梯型)模型;其中，子陣列間距 d和沉放深度 h1、h2、h3是可變量。

圖3 幾種不同組合形式的立體陣列模型［7］

2.2 平面陣列和立體陣列子波試算及對(duì)比

在氣槍陣列總?cè)萘恳欢ǖ那闆r下，影響立體陣列子波特性的因素主要包括模型形狀、子陣列間距d、子陣列氣槍組合方式、濾波器選擇類型、海水密度和溫度以及海面虛反射系數(shù)等。模型形狀主要由各子陣列的沉放深度(h1，h2，h3)來決定，陣列中氣槍的組合方式采用相干組合，濾波器選擇syntrak-24(out-206/276)，海水密度為1030 kg/m3，海水溫度為20℃，海水中聲波速度為1521.6 m/s，海面虛反射系數(shù)為－1，采樣間隔為0.5 ms，氣槍工作壓力為2000 psi(1 psi=6.894757 kPa)。

2.2.1 凸形模型和平面模型

圖4 平面模型1和凸形模型三子陣列平面圖(a)及其激發(fā)的子波(b)和頻譜圖(c)

在環(huán)境參數(shù)不變的情況下，凸形和平面模型三子陣列的平面圖如圖4a所示，選取表1中的平面模型1和凸形模型分別進(jìn)行試算，得到2個(gè)模型的子波圖(圖4b)和頻譜圖(圖4c)。對(duì)比2種模型的子波和頻譜(具體參數(shù)見表1):從子波波形來看，凸形模型子波的主脈沖值低于平面模型的主脈沖值1.1%，但其氣泡比高于平面模型的氣泡比6.5%;從頻譜圖上分析，凸形模型的頻譜低頻振蕩小，更加光滑，穩(wěn)定性好，其陷波點(diǎn)(見圖4c中頻率為134Hz處)明顯高于平面模型，大大減小了陷波點(diǎn)的抑制作用，因此凸形模型子波性能優(yōu)于平面模型。

表1 槍陣模型三子陣列模擬子波和頻譜對(duì)比

2.2.2 凹形模型和平面模型

在環(huán)境參數(shù)不變的情況下，對(duì)凹形模型和平面模型三子陣列模擬的子波及頻譜進(jìn)行了對(duì)比。2種模型的平面圖如圖4a所示，選取表1中的平面模型2和凹形模型分別進(jìn)行試算，得到2個(gè)模型的子波圖(圖5a)和頻譜圖(圖5b)。對(duì)比2種模型的子波和頻譜(具體參數(shù)見表1):從子波波形來看，凹形模型子波的主脈沖值低于平面模型的主脈沖值3.3%，其氣泡比低于平面模型的氣泡比11.1%;從頻譜圖上分析，凹形模型的頻譜低頻振蕩較平面模型略小，其陷波點(diǎn)(見圖5b中頻率為142 Hz處)明顯高于平面模型，減小了陷波點(diǎn)的抑制作用。因此，對(duì)比凹形模型和平面模型的性能時(shí)要從子波波形和頻譜2個(gè)方面綜合考慮。

圖5 平面模型2和凹形模型三子陣列激發(fā)的子波(a)和頻譜圖(b)

通過實(shí)例試算，證明了立體陣列的可行性和優(yōu)越性。相對(duì)于平面陣列，立體陣列具有如下優(yōu)點(diǎn):①立體陣列可以對(duì)由于海面虛反射等因素引起的陷波作用起到很好的抑制作用，其頻譜低頻振蕩小，更加光滑，陷波點(diǎn)明顯高于平面陣列，這是平面陣列所不能比擬的;②立體陣列由于氣槍排列錯(cuò)開，可以減少工作中的故障，并有效避免氣槍之間由于高壓作用而對(duì)氣槍本身的破壞，從而延長氣槍使用壽命。

3 氣槍陣列優(yōu)化組合及現(xiàn)場采集試驗(yàn)

在氣槍陣列基礎(chǔ)理論研究和大量計(jì)算機(jī)子波模擬分析基礎(chǔ)上，優(yōu)選了立體陣列組合方式和平面陣列組合方式，最終采用2種震源組合進(jìn)行了野外采集試驗(yàn)。

3.1 立體陣列優(yōu)化組合及現(xiàn)場采集試驗(yàn)

根據(jù)子陣列數(shù)量的不同，立體陣列有多種組合方式，如上、下兩層排列的立體四子陣的組合方式，包括矩形、梯形、倒梯形、平行四邊形等4種。通過大量計(jì)算機(jī)子波模擬試驗(yàn)，選用梯形排列的立體四子陣組合方式進(jìn)行野外采集試驗(yàn)。圖6為梯形排列的立體四子陣氣槍震源示意圖，上層子陣列B和C沉放深度為5 m，下層子陣列A和D沉放深度為8 m。野外施工中，先激發(fā)子陣列B和C，延遲2 ms后再激發(fā)子陣列A和D，使上、下兩層子陣列的波前同相疊加，這種延遲激發(fā)的立體震源有效地壓制了海面虛反射。該立體陣列組合平面圖及其激發(fā)的子波和頻譜圖見圖7。

2010年采用梯形排列的立體四子陣列和長電纜在南海崎嶇海底區(qū)進(jìn)行了野外采集試驗(yàn)(由中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部完成)，共采集了3條二維測線。為了進(jìn)行對(duì)比分析，其中一條測線位置與2004年采集的二維測線位置相同，而且這2次采集針對(duì)的目的層一致，所使用的震源容量基本一致。

圖8 2次采集的同一條測線偏移剖面對(duì)比

對(duì)2010年采集資料和2004年采集資料采用相同的處理流程和參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)處理，對(duì)比分析同一條測線上2次采集資料的偏移剖面，如圖8所示。由圖8可以看出，2010年采集剖面上淺層的信噪比和分辨率明顯提高;中等深度上2.8 s附近BY6-1-1井鉆遇的第一套目的層成像效果得到了明顯改善，且在深層該井鉆遇的第二套目的層下方4.8 s附近有一個(gè)明顯的背斜構(gòu)造，而在2004年采集剖面上看不到該構(gòu)造。這表明，2010年立體震源、長電纜采集資料的偏移剖面在淺、中、深層的信噪比和分辨率都比2004年采集資料有明顯提高，立體震源在野外采集中取得了良好的應(yīng)用效果。

3.2 平面陣列優(yōu)化組合及現(xiàn)場采集試驗(yàn)

除了子陣列的組合會(huì)影響氣槍震源的子波和頻譜以外，子陣列中氣槍的排列也會(huì)對(duì)氣槍震源的子波和頻譜產(chǎn)生較大影響。通過對(duì)氣槍不同排列方式的大量試算，得出了如下一些規(guī)律性認(rèn)識(shí):

(1)容量越大的氣槍產(chǎn)生的子波主脈沖也越大，但是大容量氣槍的頻譜曲線鋸齒較多，很不平滑;容量小的氣槍產(chǎn)生的子波主脈沖小，但是其頻譜曲線的平滑性較好。

(2)氣槍容量不同，產(chǎn)生的氣泡周期也不同，為了加強(qiáng)主脈沖，抑制氣泡脈沖，提高氣泡比，在氣槍排列時(shí)要兼顧大小容量的氣槍合理排列。

(3)傳統(tǒng)的氣槍陣列將大容量氣槍排列在前面(靠近船的方向)，而本次研究中將大容量氣槍放置在中間，得到的子波和頻譜更優(yōu)。如圖9所示，改變大容量氣槍的排列位置(排放在中間)后，激發(fā)的子波主脈沖值低于傳統(tǒng)排列主脈沖值0.4%，但氣泡比要高于傳統(tǒng)排列的16.4%，并且其頻譜低頻光滑程度明顯高于傳統(tǒng)排列。綜合分析認(rèn)為，改變大容量氣槍的排放位置得到的子波和頻譜更優(yōu)。

(4)傳統(tǒng)子陣列都是整齊排列的，x坐標(biāo)一致。將各子陣列交錯(cuò)排列，也可以提高信噪比。圖10中交錯(cuò)排列的平面三子陣列激發(fā)的子波主脈沖值低于傳統(tǒng)整齊排列的子波主脈沖值0.6%，但交錯(cuò)排列陣列的氣泡比高于傳統(tǒng)整齊排列的5.2%，并且交錯(cuò)排列的頻譜低頻光滑程度高于傳統(tǒng)排列。綜合分析認(rèn)為，交錯(cuò)排列氣槍陣列的子波和頻譜更優(yōu)。

圖9 傳統(tǒng)排列(即大容量氣槍排列在前面)(a)和大容量氣槍排列在中間(b)的平面三子陣列平面圖及其激發(fā)的子波圖(c)和頻譜圖(d)(藍(lán)線為傳統(tǒng)排列，紅線為大容量氣槍排列在中間)

根據(jù)上述理論研究結(jié)果和平面氣槍陣列優(yōu)化組合設(shè)計(jì)思想，通過大量計(jì)算機(jī)試算，選用針對(duì)深水區(qū)深層勘探的平面六子陣列組合模式進(jìn)行野外采集試驗(yàn)。圖11是該組合模式的平面六子陣列的平面圖及其激發(fā)的子波和頻譜圖，特點(diǎn)是將2支300 in3大容量氣槍設(shè)置在陣列末端，其余大小容量氣槍合理排列，槍陣總?cè)萘看?、震源激發(fā)子波的主脈沖和氣泡比大，頻譜低頻豐富、有效頻帶寬，穿透力強(qiáng)，有利于深部目的層成像。

圖10 傳統(tǒng)整齊排列(a)和交錯(cuò)排列(b)的平面三子陣列平面圖及其激發(fā)的子波圖(c)和頻譜圖(d)(藍(lán)線為傳統(tǒng)整齊排列，紅線為交錯(cuò)排列)

圖11 優(yōu)化組合的平面六子陣列平面圖(a)及其激發(fā)的子波圖(b)和頻譜圖(c)

2010年采用該組合模式的震源在南海陡坡海底區(qū)進(jìn)行了野外采集試驗(yàn)(同樣由中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部完成)。野外施工中，氣槍陣列沉放深度為9 m，電纜沉放深度為15 m，沿互相垂直的2個(gè)方向采集了2條二維測線，且2條測線位置上都有2004年采集的二維資料(采集方向與本次采集相反)可以進(jìn)行對(duì)比。由于本次采集主要針對(duì)深部目的層成像，震源容量較2004年明顯增加，電纜沉放深度顯著增大。

由圖12所示的測線2偏移剖面對(duì)比可知，2010年采集資料較2004年資料在深層(＞4s)的成像質(zhì)量有非常顯著的提高，2010年采集剖面清楚地展示了沉積凹陷結(jié)構(gòu)、地層充填特征、斷裂特征等，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該盆地的勘探潛力提供了重要依據(jù)，這表明優(yōu)化后的平面陣列組合震源在本次野外采集試驗(yàn)中取得了良好的應(yīng)用效果。

圖12 2次采集處理的測線2偏移剖面對(duì)比

4 結(jié)束語

基于海上氣槍震源子波模擬方法，對(duì)海上多子陣不同氣槍陣列組合的震源子波進(jìn)行了大量的模擬試算，提出了適于海上深水區(qū)地震勘探的多子陣立體陣列組合和2種平面陣列優(yōu)化組合的氣槍震源，并對(duì)優(yōu)選的立體四子陣列和平面六子陣列組合震源進(jìn)行了不同勘探靶區(qū)野外地震采集試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

雖然立體陣列氣槍震源和優(yōu)化組合的平面陣列震源具有多方面的優(yōu)越性和良好的野外采集效果，但是立體陣列和優(yōu)化組合平面陣列的設(shè)計(jì)還處于初步階段，尤其是立體陣列在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中比常規(guī)陣列復(fù)雜得多，須經(jīng)更深入的研究和試驗(yàn)后才能進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

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