氣槍組合震源模擬分析及其應(yīng)用

李長(zhǎng)勤，李 斌，李玉劍，劉璐晨

氣槍組合震源模擬分析及其應(yīng)用

李長(zhǎng)勤，李 斌，李玉劍，劉璐晨

（中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，上海 201208）

在海洋地震勘探中，氣槍組合震源得到廣泛應(yīng)用。目前氣槍組合震源通常是采用模擬技術(shù)，得到震源的遠(yuǎn)場(chǎng)子波后，通過(guò)評(píng)價(jià)遠(yuǎn)場(chǎng)子波的參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)震源的性能。文章對(duì)氣槍組合震源性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單敘述，對(duì)采用震源模擬軟件模擬一系列震源進(jìn)行評(píng)價(jià)后，優(yōu)選了3 000 CI，并應(yīng)用于實(shí)際地震勘探中，達(dá)到勘探地質(zhì)目的，取得了良好的資料。

氣槍組合震源；模擬分析；評(píng)價(jià)指標(biāo)；選擇應(yīng)用；地震勘探

氣槍震源具有重復(fù)性好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，并且是一種綠色環(huán)保的震源，因此在海洋地震勘探中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于海上地震勘探而言，氣槍組合震源的性能直接決定了采集原始資料質(zhì)量的好壞。

氣槍組合震源的性能通常采用其子波信號(hào)及其頻譜等進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前確定震源子波信號(hào)的方法有三類[1]：一是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的方式得到；二是通過(guò)數(shù)值模擬方法或用實(shí)測(cè)氣槍震源近場(chǎng)子波外推，得到震源遠(yuǎn)場(chǎng)子波；三是通過(guò)地球物理反演方法，從海上地震數(shù)據(jù)資料中提取震源子波。

實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論是單槍還是氣槍陣列激發(fā)產(chǎn)生的子波信號(hào)都可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到，但測(cè)量得到的子波需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，要求外部條件也較苛刻。對(duì)于第三類方法獲取的震源子波真實(shí)性，一些地球物理學(xué)家們是持懷疑態(tài)度的。采用數(shù)值模擬方法可以在施工前，對(duì)氣槍組合震源進(jìn)行模擬優(yōu)化，得到想要的震源遠(yuǎn)場(chǎng)子波。該方法既可以降低成本，又可以在施工前得到較優(yōu)的震源，因此目前在實(shí)際工作中，氣槍陣列的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)化，大都是基于氣槍震源設(shè)計(jì)模擬軟件系統(tǒng)進(jìn)行模擬，優(yōu)選出性能優(yōu)異的組合震源。而PGS公司開(kāi)發(fā)的NUCLEUS震源設(shè)計(jì)軟件是被業(yè)內(nèi)廣泛接受的震源模擬軟件。

本文通過(guò)對(duì)氣槍組合震源參數(shù)的分析，采用震源模擬軟件針對(duì)勘探目的層，設(shè)計(jì)了氣槍組合槍陣，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，取得了很好的效果。

1 氣槍震源子波參數(shù)

氣槍陣列是指將多支氣槍或各組氣槍子陣結(jié)合在一起，以達(dá)到提高震源子波主脈沖振幅、壓制氣泡脈沖和提高初泡比的目的。

氣槍組合震源子波按接收信號(hào)的距離遠(yuǎn)近可分為近場(chǎng)子波和遠(yuǎn)場(chǎng)子波兩類[2]。假定震源中心為氣槍陣列，在一定半徑范圍內(nèi)，震源子波會(huì)隨其所處位置的不同而不同，一般將小于該半徑范圍稱為近場(chǎng)，記錄的子波信號(hào)叫做近場(chǎng)子波。在該半徑以外區(qū)域，各點(diǎn)的震源子波波形趨于穩(wěn)定不再發(fā)生變化，僅僅是壓力值隨著距離的增大而衰減。一般將該半徑以外區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)，接收到的子波信號(hào)叫做遠(yuǎn)場(chǎng)子波。通常實(shí)際應(yīng)用中提到的氣槍震源子波，指的是遠(yuǎn)場(chǎng)子波。

氣槍震源子波信號(hào)通常用子波脈沖振幅主峰值、峰-峰值、氣泡周期、初泡比等表示[3]（圖1）。

1.1子波主脈沖振幅主峰值

震源子波主脈沖振幅主峰值是指氣槍內(nèi)的高壓氣體釋放后產(chǎn)生的第一個(gè)正壓力脈沖振幅值，是表征氣槍陣列能量大小的參數(shù)。主脈沖振幅主峰值越高，表明氣槍陣列輸出的能量越強(qiáng)。圖1所示的震源子波主脈沖振幅主峰值為38.1 bar·m。

1.2子波主脈沖振幅峰-峰值

震源子波主脈沖振幅峰-峰值是指震源子波信號(hào)第一個(gè)壓力正脈沖與第一個(gè)壓力負(fù)脈沖之差。與子波主脈沖振幅主峰值一樣，描述氣槍能量的重要指標(biāo)，子波主脈沖振幅峰-峰值越大，說(shuō)明震源能量越大。圖1所示的震源子波主脈沖振幅峰-峰值為80.0 bar·m。

1.3子波氣泡周期

震源子波氣泡周期指子波主脈沖波峰與第一個(gè)氣泡脈沖波峰的時(shí)間間隔，及子波主脈沖波谷與第一個(gè)氣泡脈沖波谷的時(shí)間間隔。陣列子波氣泡周期隨著氣槍壓力和容量的增加而增大，隨著氣槍深度的增加而有所減小。圖1所示的子波氣泡周期為111.4 ms。

1.4子波初泡比

陣列子波初泡比是指子波信號(hào)第一個(gè)壓力脈沖振幅值與第一個(gè)氣泡脈沖振幅值之比。初泡比越大，氣槍陣列激發(fā)的信噪比越高，氣槍陣列子波及其頻譜越好。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求震源子波初泡比不能低于10.0。圖1所示的陣列子波初泡比為24.2。

圖1 氣槍震源子波

2 氣槍陣列性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

氣槍陣列輸出子波的性能與工作壓力、震源總?cè)萘?、震源沉放深度、組成槍陣的單槍容量、組合間距、氣槍相干方式等有關(guān)[4]。在進(jìn)行氣槍陣列設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這些影響因素。設(shè)計(jì)的氣槍陣列震源需要對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在實(shí)際應(yīng)用中，氣槍震源的性能主要從以下幾方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1激發(fā)能量

一般而言，激發(fā)能量越強(qiáng)，就能勘探較深目的層的穿透能力[5]。

考察氣槍陣列輸出能量指標(biāo)有子波主脈沖振幅零-峰值和子波主脈沖振幅峰-峰值兩個(gè)參數(shù)。它們?cè)酱?，表征氣槍陣列輸出的能量或壓力值越大[6]。

2.2振幅頻譜特性

氣槍陣列子波振幅頻譜是考察陣列性能的重要因素，期望子波振幅頻譜盡量展平[7]。對(duì)于深部地層，期望低頻部分的能量強(qiáng)；對(duì)于高分辨率地震，期望高頻部分的頻帶范圍盡可能寬。圖2是沉放深度相同的兩個(gè)不同陣列子波振幅譜對(duì)比。圖2b氣槍陣列振幅譜輸出能量要明顯高于圖2a的陣列。圖2b氣槍陣列振幅譜在低頻端相對(duì)于圖2a要平滑。因此圖2b所示的氣槍陣列振幅譜要明顯優(yōu)于圖2a的陣列。

2.3初泡比

氣槍陣列子波初泡比反映陣列激發(fā)子波的質(zhì)量，初泡比高表明震源子波信噪比高。在地震勘探中，要求子波初泡比不低于10，有時(shí)要求在20以上，高分辨率地震勘探一般要求初泡比大于30。

2.4方向性

由于受各種因素限制，氣槍陣列激發(fā)的子波信號(hào)能量在各個(gè)方向上是不同的，也就是能量分布是具有方向性的。在分析評(píng)價(jià)震源子波方向性，通常分析0°、90°兩個(gè)方向。

理論上，氣槍陣列的方向性越弱越有利于海上地震勘探，這也是氣槍陣列設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。

2.5關(guān)槍分析

由于氣槍電纜、氣槍突發(fā)故障和高壓氣管等原因，在海上實(shí)際勘探作業(yè)時(shí)，會(huì)有一支或幾支氣槍無(wú)法正常工作，導(dǎo)致氣槍陣列性能低于其設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。對(duì)于無(wú)法正常工作的氣槍，采用關(guān)槍處理。為了確保關(guān)槍后，槍陣輸出子波的性能，需要對(duì)設(shè)計(jì)的槍陣進(jìn)行關(guān)槍分析，明確關(guān)槍標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，性能優(yōu)越的氣槍陣列震源應(yīng)滿足如下條件：一是盡可能得到大的子波主脈沖振幅零-峰值；二是盡可能得到高的子波初泡比；三是得到平坦而又平滑的子波頻譜；四是具有較高的穩(wěn)定性；五是更加趨于球形的方向性。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的氣槍陣列在實(shí)際中應(yīng)用，是保證采集到優(yōu)質(zhì)的海上地震勘探原始資料的先決條件。

3 氣槍組合震源選擇及應(yīng)用

圖2 沉放深度相同的兩個(gè)不同陣列子波振幅譜對(duì)比

3.1氣槍震源選擇

目標(biāo)靶區(qū)位于國(guó)內(nèi)某海域，大部分水深在20～ 40 m，勘探目的層深度3 000 ～ 4 000 m。由于水深較淺，考慮到海底多次波等問(wèn)題，初步確定氣槍陣列容量在3 500 CI左右。

結(jié)合現(xiàn)有G氣槍設(shè)備，采用Nucleus震源模擬軟件設(shè)計(jì)了60余組平面氣槍陣列。模擬參數(shù)為：氣槍工作壓力為13 790 kPa（138 bar），海水溫度為7 ℃，海水中聲波速度為1 478.9 m/s，海面虛反射系數(shù)為-1，濾波器類型為DFS V Out -128.0/72，采樣間隔為0.5 ms。通過(guò)模擬分析后，優(yōu)選了其中四組震源，分別統(tǒng)計(jì)了沉放深度6 m、8 m的時(shí)震源性能參數(shù)（表1）。

從表1可以看出，總?cè)萘? 000 CI氣槍震源雖然總?cè)萘肯鄬?duì)其他震源小，但其子波主峰值最高，初泡比較大，頻寬最寬，主頻偏高。深度上，沉放6 m時(shí)氣槍陣列子波總體性能好，同時(shí)考慮到勘探區(qū)域水深較淺，因此采用3 000 CI氣槍陣列沉放深度6 m進(jìn)行施工。圖3為3 000 CI氣槍陣列激發(fā)子波及頻譜圖，圖4為3 000 CI氣槍震源子波方向性圖。

對(duì)3 000 CI的氣槍震源，通過(guò)震源模擬軟件分析其關(guān)槍對(duì)震源性能的影響。通過(guò)分析，得到如下關(guān)槍標(biāo)準(zhǔn)：

（1）關(guān)槍后槍陣容量不低于2 700 CI；

（2）除250 CI氣槍之外，其他任何單槍都可以關(guān)閉；

（3）任何兩個(gè)槍可以同時(shí)關(guān)閉，但下列情況除外：①任何包含250 CI兩槍組合，②非相干位置上的兩個(gè)150 CI槍組合，③非相干位置上的兩個(gè)100 CI槍組合，④非相干位置上的兩個(gè)60 CI槍組合；

（4）任何三個(gè)槍不可以同時(shí)關(guān)閉，但下列情況除外：①相干位置上的兩個(gè)100 CI槍和一個(gè)40 CI槍組合，②相干位置上的兩個(gè)60 CI槍和一個(gè)40 CI槍組合，③兩個(gè)40 CI槍和一個(gè)150 CI槍組合，④兩個(gè)40 CI槍和一個(gè)100 CI槍組合；

（5）任何四個(gè)及四個(gè)以上槍不可以同時(shí)關(guān)閉。

從以上關(guān)槍標(biāo)準(zhǔn)看，此震源對(duì)關(guān)槍要求并不很高。在目前設(shè)備條件下，容易做到，因此該震源適合外業(yè)作業(yè)使用。

表1 平面氣槍陣列子波參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖3 3 000 CI氣槍陣列沉放6 m時(shí)子波及頻譜

圖4 3 000 CI氣槍陣列沉放6 m時(shí)方向性

3.2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

采用3 000 CI震源，沉放深度6 m，共采集二維地震測(cè)線745.3 km。選取一段地震測(cè)線進(jìn)行處理分析，進(jìn)一步分析所設(shè)計(jì)氣槍陣列的應(yīng)用情況。

（1）頻譜分析

圖5 為原始數(shù)據(jù)頻譜。從頻譜可以看出，原始單炮記錄主頻約為46 Hz，頻率分布范圍基本在10 ～ 95 Hz之間。

圖5 原始單炮及頻譜圖

（2）疊加剖面分析

圖6 為初疊剖面。從剖面可以看出，處理后的剖面中深部信息得到了體現(xiàn)，有效勘探深度可達(dá)到4 s（4 500 m）以上，并且成像清晰，信噪比較高，符合預(yù)期效果。

圖6 初疊剖面

4 結(jié)論

海上地震勘探采用氣槍組合震源作為震源進(jìn)行地震資料采集。一個(gè)氣槍組合震源性能的優(yōu)劣，主要通過(guò)激發(fā)能量、振幅頻譜特性、初泡比、方向性、關(guān)槍分析等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判。一個(gè)高性能的震源，除了滿足勘探目的外，需具有強(qiáng)的輸出能量，較寬的頻帶，高的初泡比，各方向能量一致的點(diǎn)震源；同時(shí)為了方便外業(yè)施工，需要具有較寬松的關(guān)槍標(biāo)準(zhǔn)，減少因氣槍損壞而頻繁收起震源進(jìn)行維修。因此在震源設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)模擬來(lái)評(píng)價(jià)震源各項(xiàng)性能，指導(dǎo)設(shè)計(jì)出優(yōu)異的槍陣。

[1] 劉兵．氣槍震源子波數(shù)值模擬及其應(yīng)用[D]．中國(guó)海洋大學(xué)碩士論文，2005．

[2] 陳浩林，全海燕，於國(guó)平，等．氣槍震源理論與技術(shù)綜述（上）[J]．物探裝備，2008，18（4）：211-217．

[3] 陳浩林，全海燕，於國(guó)平，等．氣槍震源理論與技術(shù)綜述（下）[J]．物探裝備，2008，18（5）：300-312．

[4] 趙秀鵬．海洋氣槍震源組合及子波模擬[J]．油氣地質(zhì)與采收率，2004，11（4）：36-38．

[5] 何漢漪．海上高分辨率地震技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京：地質(zhì)出版社，2001．

[6] 周寶華，劉威北．氣槍震源的發(fā)展與使用分析（下）[J]．物探裝備，1998，8（2）：3-4．

[7] 云美厚，丁偉．地震子波頻率淺析[J]．石油物探，2005，44（6）：578-580．

Numerical Simulation and Application of Air Gun Array Seismic Source

LI Changqin, LI Bin, LI Yujian, LIU Luchen
（No.1Marine Geological Investigation Party of Shanghai Offshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai201208,China）

The air gun array seismic source has been widely used in offshore seismic exploration. Nowadays the air gun source is often evaluated by numerical simulation technique. After getting the far-field seismic wavelet, the performance of air gun source is evaluated by evaluating the parameters of the far-field seismic wavelet. The evaluation criteria on the performance of air gun array source have been discussed in this paper. Through evaluation on many air gun seismic sources with numerical simulation software, 3 000 CI air gun seismic source is considered best in these seismic sources, and was put into use in real seismic data acquisition. The geologic exploration purposes have been reached, and quality of seismic data is excellent.

air gun array seismic source; numerical simulation; evaluating indicator; choose and application, seismic exploration

P631.4+6

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.101

1008-2336（2014）03-0101-05

2014-04-19；改回日期：2014-06-04

李長(zhǎng)勤，男，1976年生，工程師，工程勘察與技術(shù)專業(yè)，主要從事海洋工程勘察工作。E-mail：markting@sopgc.com。