海洋空氣槍點震源陣列優(yōu)化組合設(shè)計與應(yīng)用

張 鵬,李 欣,楊 凱,陳 磅

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津塘沽300451)

海洋空氣槍點震源陣列優(yōu)化組合設(shè)計與應(yīng)用

張 鵬,李 欣,楊 凱,陳 磅

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津塘沽300451)

應(yīng)用氣槍震源子波模擬軟件,通過不同氣槍陣列組合的震源子波模擬試算進(jìn)行海上寬方位地震數(shù)據(jù)采集的點震源陣列設(shè)計。闡述了陣列組合對于點震源陣列優(yōu)化設(shè)計的意義;分析了陣列間距和沉放深度對子波模擬結(jié)果的影響;針對渤海某工區(qū)海底復(fù)雜斷裂帶中、深層目的層成像問題,并結(jié)合BH518震源船的實際生產(chǎn)條件,設(shè)計了四子陣非對稱分布點震源陣列并選出其最優(yōu)陣列參數(shù),使得其激發(fā)的遠(yuǎn)場子波在子波性能、頻譜質(zhì)量和能譜分布上達(dá)到各方面兼顧。將此點震源陣列應(yīng)用于研究工區(qū)的地震采集試驗,所獲資料的最終成像效果得到顯著改善,表明所設(shè)計的四子陣非對稱分布點震源陣列是適用于實際寬方位地震資料采集作業(yè)的較優(yōu)點震源陣列。

氣槍震源;點震源陣列;遠(yuǎn)場子波;子陣間距;沉放深度;四子陣

空氣槍具有精度高、重復(fù)性好、經(jīng)濟(jì)適用、環(huán)保等諸多優(yōu)點,已成為海上油氣勘探中應(yīng)用最廣泛的震源?？諝鈽屨鹪醇ぐl(fā)的遠(yuǎn)場子波是震源的一個重要參數(shù)。隨著勘探靶區(qū)逐步向深水區(qū)延伸,在深水區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下實現(xiàn)海上高分辨率、高信噪比地震勘探,要求震源激發(fā)的遠(yuǎn)場子波主脈沖強(qiáng)、初泡比大、頻帶寬[1],并且要求低頻能量強(qiáng)、陷波點頻譜能量相對較強(qiáng)、有效頻帶范圍內(nèi)的頻譜光滑。前人對優(yōu)選氣槍陣列激發(fā)參數(shù)以提高震源子波性能做了大量的研究工作,陳浩林等[2]、楊懷春等[3]研究了海洋地震勘探中空氣槍震源激發(fā)特征;李緒宣等[4]先后進(jìn)行了平面氣槍陣列參數(shù)的優(yōu)選研究,以及立體陣列遠(yuǎn)場子波數(shù)值模擬初步研究;楊凱等[5]、王建花等[6]進(jìn)行了非常規(guī)六子陣立體延遲激發(fā)震源設(shè)計研究。但是,前人優(yōu)選出的氣槍陣列震源激發(fā)的子波能譜分布在平面上都具有明顯的方位特性,在深度剖面上也具有明顯的方向性,難以滿足海上寬方位地震采集的要求。隨著寬方位地震資料采集技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢越來越受重視,針對寬方位地震資料采集對震源激發(fā)特性的需求,激發(fā)子波不存在方向性差異的點震源陣列設(shè)計是一個重要的研究方向。對于點震源陣列設(shè)計,國外一些學(xué)者做了初步的研究,Hopperstad等[7]提出了無方向性震源的設(shè)計理念;Moldoveanu等[8]詳細(xì)闡述了點源激發(fā)的優(yōu)勢;Quigley[9]對點震源陣列進(jìn)行了描述;Saunders等[10]進(jìn)一步討論了點震源陣列設(shè)計方法;Niang等[11]對氣槍震源能量指向性進(jìn)行了研究。

在前人研究的基礎(chǔ)上,針對海底復(fù)雜斷裂帶中深層目的層成像及分辨率問題,并結(jié)合BH518震源船實際震源設(shè)計條件,提出了適應(yīng)于實際生產(chǎn)條件和勘探環(huán)境的四子陣點震源陣列組合排列方式,其模擬的遠(yuǎn)場子波能夠滿足特定海上勘探環(huán)境下的寬方位地震數(shù)據(jù)采集作業(yè)的要求。

1 氣槍陣列組合的意義

受制作工藝的限制,單槍激發(fā)的子波能量太小,無法滿足實際勘探作業(yè)的要求。氣槍子陣列是由多個氣槍單元(單槍或一組相干槍)組合而成,氣槍陣列震源則是由多個氣槍子陣列以一定陣列間距組合而成。氣槍陣列震源實現(xiàn)了各氣槍單元間的調(diào)諧作用[12],使其激發(fā)脈沖得到有效疊加,以保證子波具有足夠強(qiáng)的能量;氣泡脈沖得到有效壓制,使遠(yuǎn)場子波具有足夠大的初泡比,以保證所采集的地震資料具有較高的信噪比;頻譜光滑程度較好,以保證子波信號的穩(wěn)定性;具有不同容量的氣槍單元,以保證子波具有較寬的帶寬和足夠強(qiáng)的高、低頻能量。

一個氣槍單元可視為理想的點震源,其激發(fā)的遠(yuǎn)場子波能譜分布在極坐標(biāo)中表現(xiàn)為不同能量帶均呈圓環(huán)狀分布,不同方位角對應(yīng)的能譜呈對稱分布并且差別不大。由多個氣槍單元組合而成的氣槍子陣列激發(fā)的遠(yuǎn)場子波是各氣槍單元的疊加子波,其能量也是各氣槍單元的子波疊加能量。如圖1 所示,氣槍子陣列在空間分布上就有明顯的方位特性,其激發(fā)的子波疊加信號因方位角和出射角不同而不同,這就造成遠(yuǎn)場子波能譜分布具有明顯的方向性差異[13]。圖2是圖1所示子陣列(sub1)激發(fā)的遠(yuǎn)場子波不同頻率對應(yīng)的極坐標(biāo)能譜分布圖以及不同方位角對應(yīng)的能譜分布圖,圖中不同能量帶整體不再是圓環(huán)形分布而是橢圓形分布,并且存在明顯的方位性差異,頻率越高方向性差異越明顯,不同方位角對應(yīng)的頻譜分布差異也很大,不再是點震源的能譜分布特征。

圖1 某子陣列(sub1)平面排列示意(1in3≈16.4cm3)

將多個子陣列進(jìn)行合理的組合形成雙子陣或多子陣震源陣列,可以有效減小其激發(fā)的遠(yuǎn)場子波因方位角或出射角的不同而產(chǎn)生的差異,從而使子波能譜分布的方向性差異變小,使震源陣列更接近點震源陣列。如圖3所示,雙子陣震源陣列由兩個子陣列(sub1)以10m的陣列間距(子陣列之間的距離)組合而成,其激發(fā)的遠(yuǎn)場子波能譜分布如圖4 所示。相對單子陣列而言,雙子陣震源陣列子波能譜分布方向性差異明顯變小,特別是高頻對應(yīng)的能譜圖已不再是扁平橢圓分布而是更接近圓形的正方形分布,不同方位角下的能譜分布差異也明顯變小。

由多個子陣列以相同沉放深度(子陣列沉放在海水中距離海面的距離)組合而成的平面陣列震源,相對于由多個子陣列以不同沉放深度組合而成的立體陣列震源而言,平面陣列震源的優(yōu)勢在于在實際勘探作業(yè)中具有更強(qiáng)的可操作性和可控制性,使其在海洋環(huán)境中具有更好的穩(wěn)定性,其激發(fā)的子波主脈沖疊加效果更好;平面陣列的“相位中心”[14]位于海平面上,與沉放深度無關(guān),可以最大限度地減小出射角的變化對能量分布的影響。立體陣列的“相位中心”不在海平面上,而是與各子陣列的沉放深度有關(guān),且立體點震源陣列的設(shè)計難度大。因此,本文基于平面陣列進(jìn)行點震源陣列設(shè)計研究。

圖2 子陣列(sub 1)10Hz(a),30Hz(b),60Hz(c)和90Hz(d)遠(yuǎn)場子波對應(yīng)的能譜分布及0方位角(e)和90°方位角(f)對應(yīng)的能譜分布

圖3 雙子陣震源陣列平面排列示意(1in3≈16.4cm3)

圖4 雙子陣震源陣列10Hz(a),30Hz(b),60Hz(c)和90Hz(d)遠(yuǎn)場子波對應(yīng)的能譜分布及0方位角(e)和90°方位角(f)對應(yīng)的能譜分布

2 陣列參數(shù)對子波模擬結(jié)果的影響

氣槍陣列震源的陣列參數(shù)包括子陣間距、陣列沉放深度、不同容量氣槍分布位置等,各項陣列參數(shù)對子波模擬結(jié)果都有較大的影響,并且他們之間是相互關(guān)聯(lián)的,在陣列震源優(yōu)化設(shè)計過程中,要考慮各方面影響因素綜合選取較優(yōu)的陣列參數(shù)[15]。在傳統(tǒng)的陣列震源優(yōu)化設(shè)計中,選取多種不同容量的氣槍單元交錯排列,不同容量的氣槍選取合適的分布位置,使其激發(fā)的遠(yuǎn)場子波具有較高的子波質(zhì)量和頻譜質(zhì)量。對于點震源陣列優(yōu)化設(shè)計而言,在遵循傳統(tǒng)陣列優(yōu)化設(shè)計規(guī)律的基礎(chǔ)上,更要注重其激發(fā)子波的能譜分布特征,因而子陣間距和陣列沉放深度的選取就顯得尤為重要。

3.1 子陣間距對子波模擬結(jié)果的影響

子陣間距對子波模擬結(jié)果的影響更側(cè)重于其對子波能譜分布的影響。如圖5所示,在四子陣震源陣列中,不同容量的氣槍單元整體分布呈上下、左右對稱,在其他陣列參數(shù)不變的前提下,改變陣列的子陣間距進(jìn)行子波模擬。圖6至圖11是分別對應(yīng)子陣間距D分別為4,6,8m時的子波能譜分布；通過對比可見,子陣間距對子波能譜分布影響很大,選取適當(dāng)?shù)淖雨囬g距可以使陣列激發(fā)子波能譜分布呈現(xiàn)圓形(圖7),而過大或過小的子陣間距都會造成能譜的橢圓形分布,這點在高頻處尤為突出。大量模擬試驗結(jié)果表明,對于平面陣列震源而言,陣列整體長寬比直接影響能譜分布是否呈現(xiàn)圓形,當(dāng)陣列長寬比為1∶1,即陣列整體趨于正方形分布時,其能譜分布最接近圓形。

圖5 四子陣震源陣列平面排列示意(子陣間距6m—6m—6m，1in3≈16.4cm3)

圖6 子陣間距4m—4m—4m的子波能譜分布(從左至右依次為10,30,60和90Hz遠(yuǎn)場子波)

圖7 子陣間距6m—6m—6m的子波能譜分布(從左至右依次為10,30,60和90Hz遠(yuǎn)場子波)

圖8 子陣間距8m—8m—8m的子波能譜分布(從左至右依次為10,30,60和90Hz遠(yuǎn)場子波)

圖9 子陣間距4m—4m—4m時方位角對應(yīng)的能譜分布

圖10 子陣間距6m—6m—6m時方位角對應(yīng)的能譜分布

圖11 子陣間距8m—8m—8m時方位角對應(yīng)的能譜分布

3.2 沉放深度對子波模擬結(jié)果的影響

沉放深度對子波模擬結(jié)果的影響更加側(cè)重于其對子波質(zhì)量和頻譜質(zhì)量的影響,其對子波能譜分布的影響不大。表1列出了某陣列震源只改變沉放深度情況下的子波模擬結(jié)果各項參數(shù)數(shù)值,圖12 顯示了不同沉放深度情況下子波頻譜統(tǒng)一歸一化后的對比圖。通過表1參數(shù)數(shù)值對比結(jié)合圖12 頻譜對比可見,沉放深度對子波模擬結(jié)果影響的規(guī)律為:隨著氣槍陣列震源沉放深度變深,初泡比逐漸變小,陷波點向低頻方向移動,帶寬逐漸變小,能量向中低頻部分集中,高頻部分效果變差,而低頻部分能量逐漸升高。

表1 某陣列震源不同沉放深度模擬結(jié)果的各項參數(shù)數(shù)值對比

圖12 某陣列震源不同沉放深度的子波頻譜對比

3 四子陣點震源陣列優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用試驗

在實際勘探作業(yè)中,不同震源船對應(yīng)的氣槍類型、能夠使用的不同容量的氣槍單元總個數(shù)、子陣列個數(shù)、各子陣列氣槍掛點位置都是固定的,因此需要根據(jù)具體震源船的生產(chǎn)條件進(jìn)行適用于實際勘探作業(yè)的點震源陣列的優(yōu)化設(shè)計。同時,還要考慮實際的勘探環(huán)境,選取綜合較優(yōu)的陣列參數(shù)。因為不同的勘探環(huán)境所要求的子波性能參數(shù)也不一樣,比如當(dāng)目的層較淺時,所要求的陣列震源激發(fā)子波的初泡比越大越好;當(dāng)目的層較深時,所要求的陣列震源激發(fā)子波在具有一定大的初泡比的同時要有足夠強(qiáng)的低頻能量,以保證其具有足夠強(qiáng)的穿透能力。

能夠適用于實際勘探作業(yè)的較優(yōu)點震源陣列,其激發(fā)的遠(yuǎn)場子波信號質(zhì)量要求較高,要在子波性能、頻譜質(zhì)量和能譜分布上能夠達(dá)到各方面兼顧。上下、左右對稱分布的陣列震源雖然在能譜分布特征上近乎為理想的點震源陣列,但由于其使用的氣槍單元種類較少并且分布位置較為固定,不能有效地壓制氣泡脈沖,從而造成其激發(fā)的遠(yuǎn)場子波從子波性能和頻譜質(zhì)量上看還達(dá)不到高質(zhì)量的水平。因此需要改變陣列對稱分布方式,使用更多不同容量的氣槍單元,合理安排其在陣列排列中的位置,使其非對稱交錯排列,從而提高陣列震源激發(fā)遠(yuǎn)場子波的質(zhì)量,達(dá)到各方面兼顧。

渤海某工區(qū)為油公司地震采集處理重點攻關(guān)的探區(qū),經(jīng)過拖纜、海底電纜等多次地震采集及處理攻關(guān)試驗,采用了高密度、寬方位等采集技術(shù),仍然難以解決復(fù)雜斷裂帶成像問題以及分辨率問題。本文針對此問題,結(jié)合BH 518震源船實際震源設(shè)計條件,進(jìn)行了四子陣非對稱分布點震源陣列設(shè)計及陣列參數(shù)優(yōu)選。如圖13所示,組成四子陣非對稱分布點震源陣列的氣槍單元為容量分別為210，150，70，40in3的相干槍和容量分別為300，210，150，100，70，40in3的單槍10種類型,合理安排其空間位置,子陣間距選取為5m,陣列中各氣槍單元非對稱分布,整體容量為4700in3,考慮目的層為中深層要求較高的低頻能量,選取陣列整體沉放深度為7m。

圖14和圖15給出了該陣列震源方位角與出射角都為0處的遠(yuǎn)場子波模擬結(jié)果。由圖14a可見,其主脈沖為84.6MPa·m,初泡比為22.1;由圖14b可見,其有效帶寬為6～95Hz,譜線較為光滑,特別是低頻部分能量較高。由圖15可見,其中、低頻對應(yīng)的能譜分布均成圓環(huán)形分布,90Hz高頻(圖15d)對應(yīng)的能譜呈接近圓形的正方形分布,不同方位角下的能譜分布差異不大。從圖15能譜分布上看,此項設(shè)計方案符合點震源陣列設(shè)計要求,并且遠(yuǎn)場子波信號的子波主脈沖能量和低頻部分能量足夠強(qiáng),初泡比也較大,在子波性能和頻譜質(zhì)量方面也都達(dá)到了高質(zhì)量的水平。因此,可以認(rèn)為此氣槍陣列震源是較優(yōu)的點震源陣列。

在原觀測系統(tǒng)不變的情況下,采用上述四子陣非對稱分布點震源陣列進(jìn)行激發(fā)試驗,針對此工區(qū)進(jìn)行寬方位地震資料采集作業(yè)。圖16a為該區(qū)以前激發(fā)系統(tǒng)所采集地震資料的成像剖面,圖16b為采用四子陣非對稱分布點震源陣列激發(fā)系統(tǒng)采集地震資料的新剖面。新、老剖面對比可以看出,以前的地震剖面中深部成像較差,分辨率低,洼陷底界波組連續(xù)性較差,洼陷內(nèi)幕能量較弱;而新的點震源陣列試驗剖面上淺層分辨率和斷層成像質(zhì)量顯著提高,斷點清晰,中深層波組特征連續(xù),成像效果得到明顯改善。

圖13 四子陣非對稱分布點震源陣列平面排列(1in3≈16.4cm3)

圖14 四子陣非對稱分布點震源陣列遠(yuǎn)場子波波形(a)及其頻譜(b)模擬結(jié)果(1in3≈16.4cm3,1psi=6.895×10-3MPa)

圖15 四子陣非對稱分布點震源陣列10Hz(a),30Hz(b),60Hz(c)和90Hz(d)遠(yuǎn)場子波對應(yīng)的能譜分布及0方位角(e)和90°方位角(f)對應(yīng)的能譜分布模擬結(jié)果

圖16 以前的地震成像剖面(a)與四子陣非對稱分布點陣源試驗成像剖面(b)對比

4 結(jié)束語

多子陣組合震源陣列可以有效減小其激發(fā)的遠(yuǎn)場子波因方位角或出射角的不同而產(chǎn)生的方向性差異,使震源陣列更接近點震源陣列。

子陣間距和沉放深度是影響子波模擬結(jié)果的兩個重要陣列參數(shù),其中子陣間距更加側(cè)重于對子波能譜分布的影響,而沉放深度更加側(cè)重于對子波質(zhì)量和頻譜質(zhì)量的影響。在進(jìn)行點震源陣列的優(yōu)化設(shè)計時,要根據(jù)實際的勘探環(huán)境和具體震源船的生產(chǎn)條件選取綜合較優(yōu)的陣列參數(shù)。

根據(jù)特定的生產(chǎn)條件和勘探環(huán)境設(shè)計了四子陣非對稱分布點震源陣列,并選出其最優(yōu)陣列參數(shù),其激發(fā)的遠(yuǎn)場子波在子波性能、頻譜質(zhì)量和能譜分布上能達(dá)到各方面兼顧。渤海某工區(qū)應(yīng)用試驗的結(jié)果表明,四子陣非對稱分布點震源陣列激發(fā)系統(tǒng)采集資料的成像效果得到明顯改善,可以認(rèn)為是適用于實際寬方位地震資料采集勘探作業(yè)的較優(yōu)點震源陣列。

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(編輯：朱文杰)

The optimal design of four sub-arrays point-source air-gun array in offshore seismic exploration

Zhang Peng,Li Xin,Yang Kai,Chen Pang

(GeophysicalAffairsDepartment,ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300451,China)

We apply air-gun source wavelet simulation software to test the point-source array design pressure signal of offshore wide-azimuth seismic data acquisition with different air-gun array combinations.The meaning of array combinations on the point-source array optimization design is characterized.Moreover,the impact of array spacing and array depth on wavelet simulation result is analyzed.Aiming at the target imaging problem of the middle-deep layers in ocean-bottom complex faulted zone at Bohai Area,combining with the actual operation conditions of BH518 geophysical vessel,four sub-arrays asymmetric distribution point-source array is proposed to adapt to offshore seismic exploration.The far-field wavelet stimulated by the point-source array meets the requirements in the wavelet performance,spectrum quality and spectral energy distribution.The results show that four sub-arrays asymmetric distribution point-source array is suitable for the offshore wide-azimuth seismic data acquisition.

air-gun source,point-source array,far-field wavelet,sub-array spacing,array depth,four sub-arrays

2014-07-31;改回日期：2014-11-05。

張鵬(1981—),男,工程師，主要從事海上地震勘探方法研究。

國家重大科技專項項目“南海深水區(qū)油氣勘探地球物理關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05025-001)資助。

P631

A

1000-1441(2015)03-0292-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.007