裴彥良,溫明明,劉保華,張連成,于凱本,魏崢嶸,宗 樂,連艷紅,閆克平

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島 266061;2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東 廣州 510000;3.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室,山東 青島 266061;4.國家深?；毓芾碇行?山東 青島 266237;5.浙江大學 化學工程與生物工程學院,浙江 杭州 310027;6.浙江理工大學 流體傳輸技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,浙江 杭州 310018;7.西安虹陸洋機電設(shè)備有限公司,陜西 西安 710100)

天然氣水合物是有望成為替代常規(guī)油氣的清潔能源。天然氣水合物廣泛分布于全球海洋中,發(fā)育區(qū)域的水深一般在1 000 m以上,埋深大多不超過300 m。水合物層厚度小于10 m的情況占很大比例,有的甚至不足1 m[1-2]。我國科學家經(jīng)過十多年的地質(zhì)地球物理綜合調(diào)查,取得了天然氣水合物勘探、開發(fā)的重大突破。隨著我國主要海域的水合物資源勘查逐步進入詳查和試開采階段,對海底水合物礦體空間分布的探查精度要求顯著提高。天然氣水合物沉積層的橫向展布范圍差異巨大,層狀水合物的橫向延展可達數(shù)千米,而分散狀水合物、斑塊狀水合物的橫向范圍則小很多,甚至不足1 m[3-4]。由于天然氣水合物礦床產(chǎn)狀多樣、發(fā)育地質(zhì)條件復(fù)雜、垂向厚度有限和橫向分布不均勻,導致傳統(tǒng)地震資料難以滿足水合物勘探需求[5]。國外采用多道、三維、深拖等多種方法聯(lián)合作業(yè),綜合解釋區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征,對水合物進行詳細的地球物理研究[6-9]。在國家重點研發(fā)計劃支持下,我國“十三五”期間開展了“近海底高精度水合物探測技術(shù)”“天然氣水合物高分辨率三維地震探測技術(shù)”等項目的研究工作,本文內(nèi)容基于“近海底高精度水合物探測技術(shù)”項目開展研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

近海底地震探測技術(shù)是將震源和接收纜均置于近海底拖曳,進而提高地層分辨率的地質(zhì)探測方法。在海底高靜壓環(huán)境下,氣槍等震源不能用于近海底激發(fā)。國外成功的近海底地震探測系統(tǒng),包括美國的DTAG系統(tǒng)和法國的SYSIF系統(tǒng)[8-10],均采用赫姆霍茲共振腔作為深拖震源,本項目則采用等離子體震源作為深拖震源。此外,深拖接收纜的采集和控制亦均集成于海底拖體上,也是本項目需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)難點。

1.1 深拖震源系統(tǒng)

1.1.1 主頻

震源系統(tǒng)的子波波長(λ)直接決定了地震采集系統(tǒng)的分辨率,其中包括縱向分辨率(Rz)和橫向分辨率(Rh):

式中,h為震源與探測地層間的距離。可見,縱向分辨率主要取決于震源主頻,主頻高于200 Hz即可滿足優(yōu)于2 m的分辨率要求;而橫向分辨率則要考慮拖曳高度和頻率兩方面的因素。若在距海底高度100 m拖曳,達到10 m的橫向分辨率,則要求震源主頻要達到750 Hz以上。而在相同主頻條件下,常規(guī)海面拖曳地震探測系統(tǒng)的橫向分辨率則僅有45 m,明顯低于深拖地震系統(tǒng),如圖1所示。為此,將深拖等離子體震源的主頻指標定為400～1 400 Hz,可以提供優(yōu)于10 m的橫向分辨率。

圖1 近海底地震探測系統(tǒng)與常規(guī)海面拖曳地震探測系統(tǒng)橫向分辨率對比Fig.1 Comparison of lateral resolution between conventional and deep-towed seismic systems

1.1.2 能量

根據(jù)主動聲吶方程[11-12]:

式中:SL為聲源級、DI為聲源指向性、GS為接收纜空間增益、GT為接收纜時間增益、DT為檢測閾,這些都是由震源系統(tǒng)決定的參數(shù);H水為拖曳高度,H地為海底地層穿透深度[12],20lg[2(H水+H地)]為聲波球面擴展傳播損失;2αH地為海底地層吸收損失,α為信號帶寬內(nèi)海底的平均聲衰減(dB/m),α=β/λ0,其中λ0為震源中心頻率波長,β為海底地層吸收系數(shù),β約為0.2 dB/λ0;RL為待測界面反射強度,取決于被探測目標,約為-20 dB[13-14];NL為海洋環(huán)境噪聲級,取決于環(huán)境,海面設(shè)為100 dB,深海為40 dB。設(shè)DI=3 dB;GT=3 dB;接收纜為48道,則GS=17 dB;DT=6 dB[15-16];(NL-DI-GS-GT)表征聲吶系統(tǒng)的工作環(huán)境及自身特性。

可以看出,海底地層吸收損失2αH地與震源中心頻率密切相關(guān),導致震源中心頻率越高,震源達到同等穿透效果所需聲源級越大。設(shè)震源中心頻率為750 Hz,則500 m海底地層吸收損失為100 dB,深拖震源所需聲源級為≥205 d B。

由于地層吸收衰減與頻率、水深、地層深度的關(guān)系復(fù)雜,缺少實際測量數(shù)據(jù)支持,所以只能根據(jù)前人的聲反演結(jié)果做出大致推測:將等離子體震源主頻范圍擬定為(750±250)Hz,震源聲源級應(yīng)≥210 dB。

1.2 深拖接收系統(tǒng)

1.2.1 道間距

道間距與橫向分辨率密切相關(guān),理論上可以從偏移時間剖面上分辨地下尺度大于半個道間距的地質(zhì)體。此外,道間距大小決定了空間域采樣間隔,空間域采樣間隔過大,會造成空間假頻,影響剖面質(zhì)量[17]。常規(guī)多道地震儀的道間距一般為12.5 m或更大,因此,在高分辨率地震勘探中,為提高地震記錄的橫向分辨率,應(yīng)選擇較小的道間距[18],本研究將道間距選定為3.125 m。

1.2.2 排列長度

近年來,AVO技術(shù)在天然氣水合物勘探中發(fā)揮著越來越重要的作用[19-20]。疊前AVO反演精度的提高需要保證較好的入射角度范圍,入射角范圍窄會給地震反演,尤其是疊前反演帶來困難。相較于常規(guī)海面拖曳地震勘探系統(tǒng),深拖地震探測系統(tǒng)可以用較短的拖纜排列長度達到較好的入射角度范圍,為地震數(shù)據(jù)精準反演提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由圖2可知,震源激發(fā)點S與接收點R的距離的一半為h0,拖曳高度為Z,地震入射角為γ,則:

圖2 常規(guī)拖曳與深拖地震觀測系統(tǒng)反射角與排列長度對比示意圖Fig.2 Comparison of the reflection angles and array lengths between conventional and deep-towed seismic systems

當拖曳高度Z=100 m時,反射角γ=30°和γ=40°時對應(yīng)的排列長度分別為115和168 m。因此,為了能夠進行AVO反演,深拖地震勘探系統(tǒng)排列長度不能小于115 m。本系統(tǒng)設(shè)計研制的地震接收纜有效排列長度為150 m,當以100 m高度拖曳時最大反射角約37°,優(yōu)于美國DTAG深拖系統(tǒng)(拖曳高度300 m,最大反射角36°)和法國SYSIF深拖地震系統(tǒng)(拖曳高度100 m,最大發(fā)射角30°),能夠得到更好的AVO反演效果。

1.2.3 采樣率

震源特性對采集系統(tǒng)提出了不同的要求,例如由于氣槍震源等常規(guī)震源主頻低,采集系統(tǒng)設(shè)計的最大采樣率一般為4 k Hz。而本系統(tǒng)深拖震源的主頻高,本采集系統(tǒng)最大采樣率設(shè)定值高達16 k Hz。此外,較高的主頻和較小的采樣間隔不僅可以提高地震分辨率,而且可以彌補短排列的缺陷,從而提高速度分析的精度,更好地滿足天然氣水合物勘探的需求[21]。

本設(shè)計與國外主要深拖系統(tǒng)(美國DTAG系統(tǒng)和法國SYSIF系統(tǒng))的技術(shù)指標對比如表1所示。表中對比了震源系統(tǒng)和接收采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標,可見本系統(tǒng)在聲源級、采樣率等指標方面有較大優(yōu)勢,在頻帶和排列長度等指標方面與國外系統(tǒng)相當,雖在作業(yè)深度方面與國外系統(tǒng)仍有較大差距,但可以滿足絕大多數(shù)海域天然氣水合物調(diào)查工作需求。下面就深拖震源和深拖接收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計進行論述。

表1 本設(shè)計與國外主要深拖系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)對比Table 1 Specifications of the domestic and foreign deep-towed seismic systems

2 深拖震源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

深拖地震系統(tǒng)的設(shè)計工作水深為2 000 m,克服超高靜壓對等離子體震源發(fā)射陣的影響是深拖震源研發(fā)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。水靜壓對發(fā)射陣的電學特性幾乎沒有影響,但對發(fā)射陣放電激發(fā)產(chǎn)生的氣泡脈動和聲脈沖輻射影響較大,主要表現(xiàn)為發(fā)射聲波基頻升高和幅值降低[22-24]。因此,本研究設(shè)計了一套耐壓透聲發(fā)射陣,可在2 000 m水深超高靜壓環(huán)境下實現(xiàn)震源有效激發(fā)。

2.1 耐壓透聲艙材料選擇

為實現(xiàn)在2 000 m水深超高靜壓環(huán)境下震源的有效激發(fā),承載震源發(fā)射陣的容器需要兼具耐壓和透聲特性。應(yīng)用于海洋深水條件下的耐壓容器多采用不銹鋼或者鈦合金材料,耐壓性能好,但透聲性很差;應(yīng)用于海洋地質(zhì)勘探的透聲材料一般包括橡膠、聚氨酯等,水聽器和換能器等都應(yīng)用到這類材料,然而這類材料透聲性好,但剛性很差,不能用于制作耐壓容器。碳纖維材料透聲性能好,強度高,具有耐腐蝕和高模量等特點。然而,碳纖維材料的耐沖擊性較差,進行開孔、焊接等機械加工難度大。因此,耐壓透聲艙的艙壁主體采用碳纖維材料,兩側(cè)端蓋使用不銹鋼材料。碳纖維材料的艙體可以有效抵御外部深層海水靜壓力,并能將內(nèi)部聲波能量輻射出去。

2.2 發(fā)射陣結(jié)構(gòu)設(shè)計

耐壓艙抵御了外層海水的高靜壓力,艙內(nèi)保持了常壓條件。但等離子體震源發(fā)射陣激發(fā)的原理是利用強電場和脈沖電流使海水局部氣化產(chǎn)生氣泡,利用氣泡膨脹、收縮的過程向外輻射脈沖聲波。由于碳艙內(nèi)灌裝的海水基本不可壓縮,若無減壓增容措施,多電極放電將導致碳艙內(nèi)壓瞬間急劇抬升,氣泡膨脹將受到抑制,進而導致聲波能量的衰弱。為此,為發(fā)射陣設(shè)計了氣體緩沖艙,緩沖艙位于碳艙頂部并與碳艙連通(圖3)。單電極產(chǎn)生氣泡的直徑隨激發(fā)能量提高而增加,本系統(tǒng)每個電極平均最大能量約7.5 J,常壓環(huán)境下產(chǎn)生的氣泡最大膨脹半徑約8 mm[25],單子陣(包含198根電極)產(chǎn)生氣泡的總體積約450 m L。震源未激發(fā)時氣體艙內(nèi)為常壓環(huán)境,震源激發(fā)期間產(chǎn)生的氣泡總體積將擠壓緩沖艙內(nèi)原有氣體體積,為提高緩沖作用,艙容積應(yīng)遠大于氣泡總體積的5～10倍為宜。

圖3 深拖震源及其發(fā)射陣外形結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural design for deep-towed seismic source

在震源激發(fā)瞬間,緩沖艙將提供由于氣泡膨脹所需的額外體積需求。由于震源激發(fā)產(chǎn)生的氣泡壽命很短,常壓下約2.6 ms[26],因此需要在極短的時間內(nèi)將碳艙內(nèi)的海水排到緩沖艙暫存。為此,碳艙與緩沖艙之間的連通管道需要能夠提供足夠大的流量,才能起到緩解瞬時內(nèi)壓的作用。我們分別對連通管道不同的直徑取值進行了模型仿真,仿真結(jié)果見圖4。由圖4可知,在直徑為30 mm時,碳纖維艙體內(nèi)部壓力將達到21 MPa,基本沒有起到緩解內(nèi)壓的作用;而直徑為70 mm時,內(nèi)部壓力僅有0.7 MPa。因此,設(shè)計采用的連通管道直徑為70 mm,使內(nèi)部壓力維持在1 MPa以下,有效降低了內(nèi)壓對子波的影響。

圖4 不同連通管徑對緩解碳艙瞬時內(nèi)壓作用的對比Fig.4 Comparison of effects of different pipe diameters on relieving instantaneous internal pressure of carbon tank

3 深拖接收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

常規(guī)近海面多道地震接收系統(tǒng)一般包括多道拖曳電纜和室內(nèi)終端控制平臺兩部分[27]。而深拖多道地震接收系統(tǒng)則還包括一套水下控制中心,這一點是與常規(guī)近海面地震探測系統(tǒng)最主要的區(qū)別。水下控制中心(Operation Control Center,OCC)是深拖地震水下設(shè)備的核心,主要由雙核ARM處理器與FPGA構(gòu)成的SoC片上系統(tǒng)組成,關(guān)鍵功能在于控制深拖震源定距激發(fā)和實時連續(xù)記錄地震數(shù)據(jù),兼顧水下設(shè)備深度、高度等狀態(tài)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。室內(nèi)終端控制平臺功能被弱化,僅用于參數(shù)的設(shè)置、地震數(shù)據(jù)的監(jiān)視和水下設(shè)備狀態(tài)信息的監(jiān)視。

3.1 震源激發(fā)控制

OCC接收室內(nèi)終端控制平臺下發(fā)的定位系統(tǒng)NMEA導航數(shù)據(jù),ARM處理器負責語句解析,FPGA根據(jù)語句解析結(jié)果和震源激發(fā)參數(shù)(炮間距)自主計算震源激發(fā)時刻。在每個激發(fā)時刻,FPGA發(fā)出觸發(fā)信號給震源和ARM,震源激發(fā)地震波,ARM記錄炮時文件,震源激發(fā)控制具體信息流如圖5所示。在此圖中亦示出了深度計、高度計數(shù)據(jù)經(jīng)由光電復(fù)合纜上傳至室內(nèi)終端控制平臺的信息流及深拖震源與震源監(jiān)控主機間的命令與狀態(tài)信息流。

圖5 震源激發(fā)控制信息流示意圖Fig.5 Schematic diagram of seismic source trigger control information flow

3.2 地震數(shù)據(jù)連續(xù)記錄

深拖多道地震數(shù)據(jù)由拖纜上傳至OCC后,由OCC對數(shù)據(jù)進行連續(xù)不間斷記錄。由于深拖地震水下設(shè)備無授時秒脈沖(每秒脈沖數(shù)為1)信號,不能進行實時時鐘校正,如何實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)時鐘與震源激發(fā)時鐘的精確同步是本技術(shù)的難點。為解決此問題,設(shè)計OCC內(nèi)部的FPGA接收到拖纜地震數(shù)據(jù)后,對每一個數(shù)據(jù)點寫激發(fā)標志位,然后發(fā)給ARM進行編排封裝。FPGA根據(jù)RMC解析結(jié)果計算炮點激發(fā)時刻,在相應(yīng)的炮點時刻輸出TTL觸發(fā)脈信號控制深拖震源激發(fā),并對當前地震數(shù)據(jù)點的激發(fā)標志位置位。ARM檢查數(shù)據(jù)點的激發(fā)標志位,當檢測到標志位為“1”時,將當前數(shù)據(jù)點序號寫入炮時文件,實現(xiàn)激發(fā)時刻數(shù)據(jù)點號的準確記錄。地震數(shù)據(jù)連續(xù)記錄具體信息流如圖6所示,圖中亦示出了地震采集設(shè)置命令下發(fā)的信息流和地震數(shù)據(jù)水下存儲和室內(nèi)備份存儲的信息流。

圖6 地震數(shù)據(jù)連續(xù)記錄信息流示意圖Fig.6 Schematic diagram of continuous recording information flow

4 系統(tǒng)深海測試

深拖地震設(shè)備樣機于2019年完成集成和調(diào)試,并將其命名為“揆洋”號,以紀念自然資源部第一海洋研究所地球物理學家王揆洋研究員。2019年10月對“揆洋”號深拖地震系統(tǒng)在我國南海進行了深海試驗[28](圖7),試驗海區(qū)位于瓊東南海域(圖8),海底地形平緩。處理后得到的深拖多道地震疊加剖面如圖9所示。

圖7 “揆洋”號深拖地震系統(tǒng)海試外業(yè)Fig.7 Photo of Kuiyangdeep-towed seismic system

圖8 “揆洋”號深拖地震系統(tǒng)海試區(qū)域位置Fig.8 Location of the sea trial area of the Kuiyangdeep-towed seismic system

圖9 “揆洋”號深拖地震系統(tǒng)海試地震剖面Fig.9 Seismic profile of the sea trial of the Kuiyangdeep-towed seismic system

試驗中震源激發(fā)能量設(shè)置為3 000 J,激發(fā)炮間距6.25 m,最小炮檢距12.5 m。最大拖曳深度為2 025 m,拖體離底高度保持在90～110 m,拖曳速度保持在2～3 kn。由處理后的深拖多道地震疊加剖面結(jié)果(圖9)可知,地層穿透深度最大可達雙程時380 ms,從疊加結(jié)果對比單道剖面可以看出系統(tǒng)探測時間上達到了約350 ms(雙程時)。疊加剖面海底以下50 ms內(nèi)同相軸連續(xù)性好,波阻清晰;此外疊加剖面中存在多處繞射現(xiàn)象,可能為斷層等不連續(xù)構(gòu)造或褶皺(黃色圈);有可能有小規(guī)模氣煙囪(紅色三角),在2 415 ms處可能有似海底反射層(Bottom Simulating Reflectors,BSR)特征?？梢婎l帶范圍為200～2 400 Hz,主頻約1 000 Hz。疊加剖面顯示了縱向分辨率＜1 m及橫向分辨率＜10 m的高分辨率特點,基本達到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 語

本文針對我國深水海域天然氣水合物等新資源精細調(diào)查需求,設(shè)計了一套近海底高分辨率地震探測系統(tǒng)。不同于國外類似設(shè)備設(shè)計,該系統(tǒng)采用深拖型等離子體震源激發(fā)地震波。耐壓透聲發(fā)射陣以碳纖維材料為主體,可抵御20 MPa外部高靜壓,獨特的緩沖艙結(jié)構(gòu)使發(fā)射陣內(nèi)壓維持在1 MPa以下,這些技術(shù)使得深拖等離子體震源具有高聲源級(214 dB),寬頻帶(200～2 400 Hz)的特點。接收系統(tǒng)方面,FPGA和ARM相結(jié)合的水下控制器實現(xiàn)了震源的定距激發(fā)控制和地震數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄,提高了系統(tǒng)作業(yè)效率。深海試驗結(jié)果表明,系統(tǒng)具備了在2 000 m水深環(huán)境下近海底地震作業(yè)的能力,穿透深度和分辨率等指標基本滿足我國海域水合物探測需求。