海底地震采集技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及建議

海底地震采集技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及建議

余本善，孫乃達(dá)

（中國石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100724）

摘 要：與海上拖纜地震采集相比，海底地震采集技術(shù)在某些方面具有獨特優(yōu)勢，其應(yīng)用市場日益繁榮，未來發(fā)展前景也普遍看好。近些年，海底地震采集技術(shù)取得飛速發(fā)展，不管是海底電纜采集，還是海底節(jié)點采集，新方法、新裝備層出不窮，而國內(nèi)在這一領(lǐng)域仍處于初步應(yīng)用階段。除海底地震儀之外，相關(guān)核心裝備研發(fā)更是處于近空白狀態(tài)，某些掌握前沿核心技術(shù)的西方公司多出于商業(yè)競爭目的，一般僅提供技術(shù)服務(wù)，因此國內(nèi)開展相關(guān)裝備技術(shù)的自主研發(fā)勢在必行。此文詳細(xì)介紹了海底地震采集技術(shù)的優(yōu)缺點、裝備現(xiàn)狀及趨勢，以期對國內(nèi)相關(guān)研究提供一定參考。

關(guān)鍵詞：海底地震；采集技術(shù)；設(shè)備介紹；現(xiàn)狀與建議

中圖分類號：P631.4+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.02.001

文章編號：1008-2336（2015）02-0001-05

基金項目：國家科技重大專項“我國油氣及煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究”（2008ZX05043-003）。

收稿日期：2014-08-15；

作者簡介：第一余本善，男，1982年生，博士，工程師，2012年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京），從事物探前沿技術(shù)跟蹤及戰(zhàn)略研究工作。E-mail：yubs@cnpc.com.cn。

改回日期：2014-09-29

Current Development Situations and Suggestion on the Techniques of Ocean Bottom Seismic Acquisition

YU Benshan, SUN Naida

（Research Institute of Economics and Technology, CNPC, Beijing 100724, China）

Abstract:Compared with towed streamer seismic acquisition, the technique of ocean bottom seismic acquisition has some significant advantages in some respects. Now there is a booming application market for ocean bottom seismic acquisition, and the development prospects are great. In recent years, great progress has been made in the technology of ocean bottom seismic acquisition. Both the ocean bottom cable(OBC)and ocean bottom node(OBN)are emerging in an endless stream. But the ocean bottom acquisition is still in the initial application stage in domestic, and the research of key equipment is almost in a blank state except ocean bottom seismograph. For the commercial competition, the western companies, which master the cutting-edge technology, only provide technical services instead of selling the technology and equipment. Therefore, independent research and development of the related equipment at home is imperative. This paper aims to provide some useful materials for the relative domestic research by introducing the main advantages and disadvantages, development situation and development tendency of the ocean bottom seismic acquisition technology.

Keywords:ocean bottom seismic; acquisition technology; equipment introduction; current development and suggestion

海洋油氣資源十分豐富。目前全球1/3以上的油氣產(chǎn)量和1/2以上的油氣儲量來自海洋，且全球海洋油氣開發(fā)項目平均盈虧平衡點約為50美元/桶[1]，具有較好的盈利性。隨著陸上常規(guī)油氣資源的不斷枯竭，越來越多的石油公司把海洋油氣作為重要戰(zhàn)略接替區(qū)和技術(shù)創(chuàng)新的主攻方向。

海上地震技術(shù)是目前海洋油氣勘查的主要手段，主要可分為兩種方式，分別為海上拖纜地震和海底地震。兩者都是利用物探船在水中激發(fā)震源，只不過前者檢波器是密封在漂浮于水中的拖

纜中，而后者是按照一定的方式將檢波器布置在海底，其檢波器可以鎧裝在電纜或光纜中（海底電纜采集），也可以置于獨立的節(jié)點儀器中（海底節(jié)點采集）（圖1）。

圖1　海上地震采集方式示意圖

拖纜采集具有成本低、效率高、周期短的特點，是目前海洋油氣普查勘探階段的主要方法，長期以來一直占據(jù)著海洋油氣資源勘探的主導(dǎo)地位。但是與海底地震采集相比，拖纜采集存在著很多不足之處[2-4]，主要是外界干擾因素多、鬼波影響難以克服、采集腳印嚴(yán)重等，采集資料信噪比、分辨率也明顯低于海底地震采集資料。近年來，由于海洋油氣勘探市場的強(qiáng)烈需求，同時伴隨著材料、電子電路、光纖通訊等領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展，海底地震采集技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

1　海底地震采集的優(yōu)勢和劣勢

海底地震采集與拖纜采集相比，具有明顯的優(yōu)勢，主要包括以下幾個方面：

（1）可在海上有密集生產(chǎn)平臺或其它障礙物的區(qū)域開展地震采集工作；

（2）由于檢波器放置在海底干擾少，位置穩(wěn)定，適宜進(jìn)行油藏地震監(jiān)測；

（3）電纜沉放在海底，噪音小、頻帶寬，并且易于消除鬼波影響，資料的信噪比有很大提高（圖2）；

（4）可以方便地實施長偏移距、寬方位、全方位地震數(shù)據(jù)采集，降低采集腳印對后期資料處理解釋的影響，寬/全方位采集費用甚至低于拖纜寬方位采集；

（5）可采集多波多分量數(shù)據(jù)，聯(lián)合縱波和轉(zhuǎn)換橫波信息進(jìn)行油氣檢測，能提高解釋精度，降低勘探風(fēng)險。

特別是利用海底地震采集技術(shù)易于進(jìn)行4D油藏監(jiān)測，這也是推動海底地震采集技術(shù)快速發(fā)展迅速的重要原因之一。通過4D地震監(jiān)測油藏變化，識別泄油模式和死油區(qū)的位置，可以優(yōu)化油田開發(fā)，延長油田壽命，在提高采收率的同時，也能大大降低勘探風(fēng)險[5, 6]。據(jù)估算，海上4D地震技術(shù)至少可使油田剩余儲量的10%變?yōu)榭刹蓛α浚纱嗽黾拥馁M用不到1%[7-9]。4D地震技術(shù)可使發(fā)現(xiàn)石油的幾率提高到65%～75%[10, 11]。世界上已經(jīng)有多個海上油田相繼開展了4D地震研究工作[8]。

另外，海底地震采集對天然氣水合物探測也是至關(guān)重要的，在精確探測海底地質(zhì)構(gòu)造、檢測海底工程災(zāi)害、幫助選取海底核武器試驗的最佳位置等諸多方面也都能夠發(fā)揮重要的作用[12，13]。

圖2　拖纜采集（左）和海底采集（右）剖面對比

海底地震技術(shù)的劣勢主要是成本高，生產(chǎn)周期長，這也是目前海底地震技術(shù)商業(yè)應(yīng)用市場規(guī)模不大的主要原因之一，但是隨著材料、電子、集成電路等相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展，海底地震技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用成本不斷下降，上世紀(jì)90年代海底采集成本是拖纜采集成本的5～10倍，而現(xiàn)在成

本最低僅為拖纜采集的1.5～2倍[14]，性價比優(yōu)勢日漸凸顯。

2　國外先進(jìn)海底地震采集裝備發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界上能生產(chǎn)海底地震采集裝備的公司主要有Sercel、WesternGeco、ION、PGS、FairfieldNodal公司等。除海底地震儀之外，國內(nèi)在這一方面幾乎還處于空白，下面簡單介紹幾種有代表性的海底采集系統(tǒng)：

（1）SeaRay?428電纜采集系統(tǒng)

SeaRay?428系統(tǒng)是法國Sercel公司生產(chǎn)的可回收式海底地震采集系統(tǒng)（圖3）。它是在綜合408UL系統(tǒng)和428XL采集系統(tǒng)眾多優(yōu)點基礎(chǔ)上研發(fā)出來的，使用全方位MEMS數(shù)字檢波器，可進(jìn)行四分量采集。設(shè)計最大工作水深為500 m，電纜半徑小，質(zhì)量輕，電纜長度可達(dá)35 km以上，直接通過電纜供電，具有更大的靈活性、更高的分辨率。每個四分量檢波器單元都封裝在一個定制的鋁-青銅合金的外殼中（稱作扁平封裝，F(xiàn)latPack），在施工中可保護(hù)內(nèi)部檢波器和連接線。具備一定質(zhì)量的扁平封裝可防止鋪設(shè)后接收點位置移動和滾動。另外，扁平封裝外殼上具備孔狀結(jié)構(gòu)，允許海水進(jìn)出以確保水檢的聲學(xué)耦合，同時改善了扁平封裝與軟沙地和軟土地的機(jī)械耦合。

圖3　SeaRay?428采集系統(tǒng)

（2）Calypso電纜采集系統(tǒng)

Calypso采集系統(tǒng)是美國ION公司最新研制的下一代可回收式海底采集系統(tǒng)（圖4）。該系統(tǒng)集成了ION公司的多項專有技術(shù)，包括VectorSeis數(shù)字全波傳感器、噪音消除電纜系統(tǒng)等。該系統(tǒng)最大特點是不需使用專門的數(shù)據(jù)記錄船，而是采用浮標(biāo)式裝備，可大幅度減少人力，降低操作成本。

圖4　ION公司Calypso海底電纜采集系統(tǒng)

Calypso系統(tǒng)能獲得全波場地震數(shù)據(jù)（多分量），提供寬頻帶P波數(shù)據(jù)，進(jìn)行高分辨率地震成像和聯(lián)合C波數(shù)據(jù)改善油藏描述效果；可進(jìn)行寬方位采集排列，加強(qiáng)復(fù)雜目標(biāo)體照明效果；能夠降低數(shù)據(jù)采集與處理成本、減少地震采集作業(yè)時間，改善成像質(zhì)量和減少HSE風(fēng)險，適應(yīng)極端惡劣的天氣。此外，利用專有的聲波解耦控制技術(shù)分離電纜和傳感器，從而提高數(shù)據(jù)信噪比，改進(jìn)成像質(zhì)量。系統(tǒng)拖纜長度為12～24 km，工作水深范圍為5～2 000 m。

（3）OptoSeis光纖監(jiān)測系統(tǒng)

OptoSeis采集系統(tǒng)（圖5）是挪威PGS公司研制的海底光纖永久埋藏系統(tǒng)，可進(jìn)行4D4C采集，先后在墨西哥灣、北海多個海上油田進(jìn)行了應(yīng)用，也只需使用一次地震船，風(fēng)險低，適用于各種極端天氣，經(jīng)多次升級改造后，目前工作最大水深可達(dá)3 000 m，設(shè)計使用壽命20年。

（4）Z系列節(jié)點采集系統(tǒng)

FairfieldNodal公司生產(chǎn)的Z系列采集系統(tǒng)是目前海底節(jié)點采集系統(tǒng)中的佼佼者，分有Z100、Z700、Z3000三個型號，工作最大水深達(dá)3 000 m，每個節(jié)點代表一個接收道，內(nèi)部集成一個壓力檢波器、兩個水平方向和一個垂直方向的速度檢波器。Z100和Z700是通過一定長度的繩子將節(jié)點連接起來進(jìn)行收放，Z3000是通過遠(yuǎn)程操作潛水器部署節(jié)點（圖6）。系統(tǒng)各個節(jié)點能夠獨立進(jìn)行采

集作業(yè)，方便實現(xiàn)長偏移距、全方位的地震數(shù)據(jù)采集。噪音低、可以實現(xiàn)多分量采集。節(jié)點放置水下，無纜供電，并且不進(jìn)行通訊，可適應(yīng)海底地形比較復(fù)雜的地區(qū)。

圖5　OptoSeis永久埋藏光纖采集系統(tǒng)

圖6　Z3000海底節(jié)點地震采集技術(shù)

（5）Geopro海底地震儀

海底地震儀最初是為觀測海底地震、探測海底地殼深部構(gòu)造而研制的，現(xiàn)在也已經(jīng)開始用于油氣探測，目前有30多家石油公司在開展海底地震儀采集技術(shù)研究。美國、日本等國家已經(jīng)在使用該技術(shù)進(jìn)行探測天然氣水合物研究。德國Geopro公司的海底地震儀市場占有率很高，它是放置在一個球形的玻璃罩中，系統(tǒng)包括浮標(biāo)、海底固定裝置、無線傳輸裝置，浮標(biāo)采用聚乙烯材料制成，厚度達(dá)8 mm，水中浮標(biāo)質(zhì)量2 400 kg（圖7），設(shè)計最大應(yīng)用水深達(dá)6 700 m，可進(jìn)行四分量地震記錄，記錄數(shù)據(jù)格式為SEDIS-V。目前采用雙地震儀方式，可在海底持續(xù)使用2～6個月。國內(nèi)中科院地質(zhì)與地球物理研究所早在2003年就開始研制海底地震儀，其自主研發(fā)的海底地震儀已經(jīng)參加了多次海洋探測，應(yīng)用效果已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖7　Geopro海底地震儀探測技術(shù)

另外，還有WesternGeco公司的Q-Ocean bottom海底電纜采集系統(tǒng)、TGS公司的Stingray光纖系統(tǒng)、CGG公司的OptowaveTM油藏監(jiān)測系統(tǒng)及Trilobit和Case Abyss Nodes節(jié)點系統(tǒng)、MAGSEIS公司的MASS系統(tǒng)以及殼牌公司正在研發(fā)的Flying Node新一代海底節(jié)點系統(tǒng)，可以說近幾年海底地震采集技術(shù)發(fā)展迅速，新方法、新裝備層出不窮。

3　結(jié)論與建議

海底地震技術(shù)由于有著海上拖纜地震無法比擬的功用和優(yōu)勢，未來市場應(yīng)用前景廣闊。隨著我國對海洋油氣資源勘探的日益重視，未來對海底地震技術(shù)也有著迫切需求。目前我國的油氣海底地震技術(shù)僅處于初步應(yīng)用階段，除海底地震儀之外，其它相關(guān)核心裝備研發(fā)幾乎處于空白狀態(tài)。基于我國目前海底地震技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，有以下幾點建議：

（1）從戰(zhàn)略上高度重視海底地震裝備技術(shù)的自主研發(fā)。目前，海上物探裝備制造業(yè)務(wù)和物探服務(wù)業(yè)務(wù)的協(xié)同效應(yīng)非常明顯，裝備水平的高低極大地影響服務(wù)業(yè)的發(fā)展。隨著物探行業(yè)的利潤

在不斷減少，未來裝備制造業(yè)務(wù)和物探服務(wù)業(yè)務(wù)的協(xié)同效應(yīng)將更明顯，各大國外服務(wù)公司為搶占技術(shù)制高點，遏制其它競爭對手的發(fā)展，紛紛實施技術(shù)差異化發(fā)展戰(zhàn)略，通常僅提供技術(shù)服務(wù)，不外售勘探裝備及相關(guān)數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)。因此不管是為滿足未來我們自身市場的需求，還是為促進(jìn)我國海洋物探行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，我們都應(yīng)從戰(zhàn)略上高度重視海底地震技術(shù)自主研發(fā)。

（2）加大國際交流與合作，務(wù)實甄選合作對象。考慮到PGS、斯倫貝謝、CGG等國際大服務(wù)公司出于市場競爭的需要，不愿意開展全面、深度合作，我們可以采取抓住關(guān)鍵問題，有選擇、有針對性地開展合作，依靠集成創(chuàng)新形成競爭力。海底地震采集的核心裝備主要包括海底電/光纜、采集系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)等。PGS、TGS的海底光纖傳輸設(shè)備較為先進(jìn)，代表著目前世界領(lǐng)先水平。ION公司推出的Calypso采集系統(tǒng)市場占有率很高，理念先進(jìn)，其最大特點是只需使用一次地震船，可大幅度降低勞動力成本，代表著未來海底采集系統(tǒng)的發(fā)展方向。CGG公司單項系統(tǒng)不占優(yōu)勢，但是綜合實力很強(qiáng)，能生產(chǎn)拖纜系統(tǒng)、海底可回收式系統(tǒng)、海底永久埋藏監(jiān)測系統(tǒng)、節(jié)點系統(tǒng)等幾乎所有類型的海洋勘探系統(tǒng)。同時，有些中小公司，比如挪威的MAGSEIS公司，盡管從事海底采集系統(tǒng)研發(fā)時間不長，但是科技創(chuàng)新能力很強(qiáng)，其研制的節(jié)點采集系統(tǒng)，是通過鋼繩將節(jié)點連接起來，這樣操作簡便、性能穩(wěn)定，應(yīng)用水深達(dá)到3 000 m，在多個海上油田試驗應(yīng)用效果顯著。

（3）充分整合國內(nèi)優(yōu)勢力量，走高起點跨越式發(fā)展道路。海底地震勘探技術(shù)具有重要的軍事和國防意義，世界上第一臺海底地震儀就是在20世紀(jì)60年代由美國軍方研制出來的，主要用于探測海底結(jié)構(gòu)、優(yōu)選海底核試驗位置。TGS公司的Stingray多分量光纖采集系統(tǒng)就是從一個已使用了12年的軍事系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的。另外，海底電/光纜不僅是海底地震勘探的關(guān)鍵裝備之一，更是海上通訊、電力系統(tǒng)的核心部件，應(yīng)用市場潛力巨大，目前也只有少數(shù)幾個西方國家能生產(chǎn)耐高壓、抗腐蝕的海底電纜。基于海底地震勘探技術(shù)的多層戰(zhàn)略意義，業(yè)界應(yīng)該聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)科研院所、高校等，共同爭取國家科技專項支持，從國家層面調(diào)動優(yōu)勢力量，攜手推進(jìn)我國海洋油氣勘探水平邁上新臺階。

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