拖纜與海纜聯(lián)合寬頻采集設(shè)計*

李艷青

中海油服物探研究院，天津 塘沽 300451

拖纜與海纜聯(lián)合寬頻采集設(shè)計*

李艷青

中海油服物探研究院，天津 塘沽 300451

傳統(tǒng)的海洋地震勘探采用拖纜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，拖纜采集數(shù)據(jù)的信噪比受外部環(huán)境影響較大，通過改變拖纜的沉放深度，可以降低環(huán)境對采集地震數(shù)據(jù)的影響。受國內(nèi)海洋地震勘探裝備作業(yè)能力的限制，在中國海域?qū)崿F(xiàn)海洋寬頻地震采集相對較困難。為了打破這一限制，探討了拖纜與海纜聯(lián)合寬頻采集設(shè)計的方法，對聯(lián)合采集的參數(shù)論證、面元合并、羽角對寬頻的影響和深度優(yōu)化求解等4項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。在參數(shù)論證方面，論證了如何通過最淺目的層深度設(shè)計線間距的方法；針對拖纜和海底電纜檢波器間距差異設(shè)計了面元合并方案，同時考慮了面元合并對信噪比的改變；在羽角存在的情況下，討論了橫向變化率對采集數(shù)據(jù)限波點頻率和能量的影響；最后論述了深度變化試驗求取拖纜最優(yōu)沉放深度的方法。通過對拖纜與海底電纜聯(lián)合寬頻采集設(shè)計4項關(guān)鍵技術(shù)的分析，搭建了拖纜與海纜聯(lián)合寬頻采集設(shè)計的基本流程。

寬頻；鬼波；海底電纜；水檢；組合

李艷青．拖纜與海纜聯(lián)合寬頻采集設(shè)計[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，36（3）：82–86．

Li Yanqing．Combined Broad-seis Survey Design of Streamer and OBC[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：82–86．

引言

傳統(tǒng)的海洋地震勘探采用拖纜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，拖纜采集數(shù)據(jù)的信噪比受外部環(huán)境影響較大，在不同風(fēng)力和海浪影響下數(shù)據(jù)的背景噪音不同，一般規(guī)律是風(fēng)力和海浪越大，噪音背景越強(qiáng)。海水是天然的屏蔽層，對有效信號有削弱作用，但同時也對背景噪音有屏蔽作用。通過改變拖纜的沉放深度，可以降低環(huán)境對采集地震數(shù)據(jù)的影響。隨著拖纜沉放深度的增加，鬼波的限波作用逐漸向低頻端移動，此時鬼波限波破壞有效頻帶內(nèi)的信號。

為了獲得低背景噪音并同時能抑制鬼波限波，出現(xiàn)了海底電纜雙檢采集方法[1]，雙檢采集將電纜布設(shè)在海底，利用水聽器和陸檢對下行波接收的方向性對與海面相關(guān)的多次波進(jìn)行壓制，實現(xiàn)低背景噪音采集的同時對鬼波進(jìn)行了壓制，做到了“魚”和“熊掌”兼得。隨著對地下地質(zhì)構(gòu)造認(rèn)識程度的加深，地球物理學(xué)家提出了寬頻地震采集[2]的概念，隨之而來的包括雙檢采集[3]在內(nèi)的寬頻系列采集技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其中通過控制拖纜形態(tài)和深度獲得寬頻地震數(shù)據(jù)的技術(shù)在生產(chǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用，如上下纜采集技術(shù)[4]，斜纜采集技術(shù)[5]等。目前國內(nèi)海洋地震勘探同行對拖纜深度控制技術(shù)掌握的較好，但受到儀器裝備和拖纜橫向控制技術(shù)的限制，上下纜采集技術(shù)和斜纜采集技術(shù)在生產(chǎn)中實現(xiàn)起來相對困難。作者根據(jù)國內(nèi)海洋地震勘探實際能力研發(fā)了拖纜和海底電纜聯(lián)合采集設(shè)計方法，對拖纜和海底電纜聯(lián)合采集的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了剖析。

1 寬頻作業(yè)基本原理

拖纜和海底電纜聯(lián)合作業(yè)進(jìn)行寬頻地震數(shù)據(jù)采集，主要涉及到水陸檢合并技術(shù)和上下纜組合兩項關(guān)鍵技術(shù)，這兩項技術(shù)的起源應(yīng)當(dāng)追溯到1950年茲維達(dá)也夫?qū)M合法的探討上[6]，利用組合檢波器之間存在的時間差提高地震波的采集質(zhì)量。水陸檢合并和上下纜源組合技術(shù)在組合理論的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了反射系數(shù)與延遲時系統(tǒng)（式（1）），通過改變參與組合檢波器的沉放深度，達(dá)到拓寬有效波頻帶壓制鬼波的目的。

式中：S(t)—地震記錄；R(t)—有效波；τ—鬼波延遲時，ms；r0—反射系數(shù)，取值區(qū)間[?1，1]。

對式（1）進(jìn)行傅里葉變換，得到寬頻采集設(shè)計系統(tǒng)的頻率域特征

式中：R(f)—有效信號的頻譜；H(f)—寬頻采集設(shè)計系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)；f—頻率，Hz。

求取式（1）的能量譜

式中：P(f)—能量譜響應(yīng)函數(shù)。

激發(fā)的地震波在傳播過程中，有一部分能量反射到海面之后再被檢波器接收。由于海面的反射系數(shù)近似為?1，此時地震信號發(fā)生了一次相位翻轉(zhuǎn)。水聽器在水中接收信號時不存在方向性，而陸檢對上行波和下行波的接收存在一個相反的相位。此時陸檢和水檢采集到的鬼波存在相位差，此時對水檢和陸檢的信號進(jìn)行加和就會將這部分能量抵消掉，只保留了地層的一次反射。式（3）在反射系數(shù)r0=?1的情況下，得到水檢的響應(yīng)函數(shù)

和陸檢的響應(yīng)函數(shù)

水陸檢合并后由于水深帶來的限波被明顯壓制掉（圖1）。

圖1 水陸檢合并能量譜響應(yīng)Fig.1 Responses of energy spectrum of geophone and hydrophone combination

拖纜和海底電纜聯(lián)合作業(yè)要設(shè)計上下纜組合的方式，根據(jù)式（3）可以求得

式中：d—炮點深度，m；v—海水中的波速，m/s。

上（纜深5.00 m）、下（纜深11.68 m）纜組合后0～40 Hz的能量得到相對加強(qiáng)，下纜在63 Hz處存在的限波能量得到明顯抑制（圖2）。在實際設(shè)計中，海底電纜（下纜）布設(shè)在海底空間位置不可改變，可通過調(diào)節(jié)拖纜的沉放深度完成寬頻設(shè)計。

圖2 上下纜組合響應(yīng)Fig.2 Array responses of up/down streamers

2 寬頻設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 參數(shù)論證

某工區(qū)目的層埋藏較深，地層厚度大，地震波能量衰減較快，使得中深層成果剖面信號偏弱，成像模糊，在施工時考慮提高目的層的頻帶寬度，有效獲取中深層地震資料，擬采用寬頻采集設(shè)計。但工區(qū)內(nèi)平均水深30 m，采用拖纜上、下纜作業(yè)受空間限制不能施展開，下纜沉放深度過大，前導(dǎo)段工作部分容易碰觸海底，長時間拖拉容易損壞電纜。在此情況下，考慮采用拖纜與海底電纜聯(lián)合寬頻采集作業(yè)。此時固定海底電纜的沉放深度為30 m，改變拖纜的沉放深度求取最合適的組合深度。

根據(jù)以往采集資料及從解釋獲得的解釋模型對采集參數(shù)進(jìn)行論證[7]，建議采集參數(shù)如表1。綜合考慮直達(dá)波對有效波的干擾、目的層的埋深、最大動較拉深和AVO必需的炮檢距[8]，確定電纜長度為4 500～5 000 m，結(jié)合此工區(qū)海域以往施工參數(shù)，確定電纜長度為4 500 m。采集系統(tǒng)使用Sercel公司的Seal系統(tǒng)，道間距為12.5 m。根據(jù)勘探要求的最淺目的層埋深300 m，最小偏移距（Xmin）確定在200～300 m，綜合考慮施工要求，確定線間距（Line Interval）為300 m（圖3）。

表1 工區(qū)建議采集參數(shù)Tab.1 Acquisition parameters of work area

圖3 根據(jù)Xmin確定線間距Fig.3 Line spacing determined according to Xmin

2.2 面元合并

國內(nèi)現(xiàn)有海上拖纜地震采集電纜的道間距多為12.5 m，而新引進(jìn)的海底電纜設(shè)備的固有道間距為25.0 m。對拖纜道集野外覆蓋次數(shù)監(jiān)控和后期處理過程中需要在inLine方向面元合并，面元大小同海底電纜進(jìn)行統(tǒng)一。拖纜面元合并前面元大小為6.25×25.00 m，滿覆蓋次數(shù)為48次，面元合并后面元大小為12.5×25.00m，滿覆蓋次數(shù)為96次。面元合并后對數(shù)據(jù)帶來直接的影響是數(shù)據(jù)信噪比的降低，如圖4面元合并后正演CMP道集的背景噪音得到明顯削弱，從合并后的頻譜上可以看到，合并后信噪比由8 dB變?yōu)?2 dB，提高了4 dB。

2.3 羽角對寬頻采集的影響

拖纜在海上施工過程中，受海流的影響，電纜的方位角與實際設(shè)計測線發(fā)生偏離，產(chǎn)生羽角[9]。對于拖纜與海底電纜聯(lián)合作業(yè)來說，羽角的存在直接導(dǎo)致上纜的空間位置與理論設(shè)計發(fā)生偏差，此時對拖纜與海纜進(jìn)行組合處理必然影響頻譜的形態(tài)。當(dāng)上纜與下纜在三維空間控制在一個切面上時（圖5），式1中鬼波延遲時τ的精確求解如下式

式中：x，z—鬼波點坐標(biāo)，m。

實際運算過程中τ=2d/v[10]，在電纜羽角存在的情況下，電纜發(fā)生橫向偏移，拖纜與海底電纜不能保持在一個切面上，此時τ值不能近似為2d/v，引入橫向變化率a。根據(jù)海上地震施工規(guī)范[11]，海上拖纜三維地震勘探作業(yè)電纜羽角要求控制在12?以內(nèi)，此時對于纜長6 000 m的電纜，橫向變化率a的變化區(qū)間為[?0.2，0.2]，如圖6，隨著橫向變化率a的增加，限波點的頻率是降低的，使得有效頻帶變窄，因此，野外施工時盡量減小羽角。拖纜與海底電纜在空間位置保持在一個切面上，不發(fā)生偏移時限波點能量衰減最大。

圖4 面元合并前后CMP道集信噪比變化Fig.4 Variation of Signal-to-Noise Ratio before and after CMP combination

圖5 檢波器鬼波延遲時求取示意Fig.5 Schematic diagram of ghost delay time

圖6 拖纜橫向變化率a對限波頻率與能量的影響Fig.6 Variation of notch frequency and energy with a

2.4 深度優(yōu)化求解

拖纜和海底電纜聯(lián)合采集過程中，海底電纜的沉放深度固定，需通過調(diào)解上纜的沉放深度對頻譜進(jìn)行控制，實現(xiàn)上下纜的組合，而通過頻譜對方案進(jìn)行篩選成為解決問題的主要手段，限波點頻率位置和限波點能量的變化成為判斷拖纜和海底電纜組合優(yōu)劣的主要指標(biāo)，在本工區(qū)海底電纜布設(shè)在30 m深的海底，拖纜的沉放深度可以在0到30 m變化，從圖7可以看出當(dāng)拖纜的深度增加時，限波點的頻率不是線性增加，在拖纜沉放20 m左右時限波點的頻率取到最大值28 Hz，此時有效頻帶最寬，拖纜沉放深度在15 m左右時，限波點能量衰減最小?？梢娤薏c能量和頻率不是在同一沉放深度同時達(dá)到峰值，此時要根據(jù)實際的施工需求對拖纜的沉放深度進(jìn)行選取。

圖7 拖纜沉放深度對限波頻率與能量的影響Fig.7 Variation of notch frequency and energy with depth

3 結(jié) 語

在拖纜沉放深度受限制的工區(qū)，采用拖纜和海底電纜聯(lián)合采集可以實現(xiàn)寬頻地震采集，為了實現(xiàn)寬頻地震采集，在實際施工設(shè)計過程中要固定海底電纜的深度，通過調(diào)節(jié)拖纜的沉放深度拓寬地震頻帶。在施工過程中應(yīng)考慮洋流引起的拖纜羽角偏差，盡量避免空間變化給聯(lián)合寬頻采集帶來影響。

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編輯：杜增利

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Combined Broad-seis Survey Design of Streamer and OBC

Li Yanqing
Geophysical Research&Development Institute，China Oilfield Service Limited，Tanggu，Tianjin 300451，China

Towed streamer seismic acquisition is used in the traditional marine seismic exploration，and the signal-to-noise ratio of the collected data are greatly influenced by external environment.The influence of environment on seismic data can be reduced by changing the depth of the streamer.It′s difficult to collect broad-seis data in China sea due to the limitations of seismic equipment.In order to break the limitation，a combined broad-seis survey of streamer and ocean bottom cable（OBC）was discussed in the article.There are four key techniques in survey design，including parameter argumentation，bin combined，feather angle and depth optimization.In parameter argumentation the method to compute line spaces through the most shallow purpose layer is discussed.For the space differences between towing and submarine cable detector，bin combined method was designed.In the situation of feather angle existence，we discussed the effect of horizontal change rate on limited wave point frequency and energy in data collection.In the end，we discussed the optimization of sinking depth of towing through depth changing test.Through analysis of these techniques，we have established the basic process of survey design of combined broad-seis acquisition of streamer and OBC.

broad-seis；ghost；ocean bottom cable（OBC）；hydrophone；array

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2012.09.29.01.html

李艷青，1982年生，男，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，碩士，主要從事海洋地震勘探新方法及地震數(shù)據(jù)處理工作。E-mail：liyanq@cosl.com.cn

10.11885/j.issn.1674-5086.2012.09.29.01

1674-5086（2014）03-0082-05

TE132；P315.3

A

2012–09–29 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2014–05–26