海上深水區(qū)氣槍震源陣列優(yōu)化組合研究與應(yīng)用*

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，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，但這一方法耗時費力。由于試驗的參數(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，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，評價其優(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。由于單個氣槍的子波性能較差，為了提高信號能量和初泡比，壓制干擾，實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、初泡比大對應(yīng)的子陣列;然后，將多個子陣列按照沉放深度、沉放間隔、激發(fā)延遲時間等參數(shù)組合成多陣列氣槍震源，模擬對應(yīng)的子波;最后，分析對比模擬的子波特征，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。目前海上地震勘探均采用傳統(tǒng)的平面陣列設(shè)計。為了對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

對于立體氣槍陣列，由于每一個子陣列的沉放深度不同，導(dǎo)致所有的氣槍不在同一個平面內(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個模型的子波圖(圖4b)和頻譜圖(圖4c)。對比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(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個模型的子波圖(圖5a)和頻譜圖(圖5b)。對比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(見圖5b中頻率為142 Hz處)明顯高于平面模型，減小了陷波點的抑制作用。因此，對比凹形模型和平面模型的性能時要從子波波形和頻譜2個方面綜合考慮。

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)

通過實例試算，證明了立體陣列的可行性和優(yōu)越性。相對于平面陣列，立體陣列具有如下優(yōu)點:①立體陣列可以對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

在氣槍陣列基礎(chǔ)理論研究和大量計算機(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。

3.1 立體陣列優(yōu)化組合及現(xiàn)場采集試驗

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。通過大量計算機(jī)子波模擬試驗，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。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(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比

對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

除了子陣列的組合會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對氣槍震源的子波和頻譜產(chǎn)生較大影響。通過對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:

(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。將各子陣列交錯排列，也可以提高信噪比。圖10中交錯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%，但交錯排列陣列的氣泡比高于傳統(tǒng)整齊排列的5.2%，并且交錯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)計思想，通過大量計算機(jī)試算，選用針對深水區(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。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(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)行對比。由于本次采集主要針對深部目的層成像，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偏移剖面對比

4 結(jié)束語

基于海上氣槍震源子波模擬方法，對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，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)計還處于初步階段，尤其是立體陣列在實際設(shè)計和施工中比常規(guī)陣列復(fù)雜得多，須經(jīng)更深入的研究和試驗后才能進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

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