氣槍： 水下震源理論與操作(Ⅲ)----槍陣*

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氣槍： 水下震源理論與操作(Ⅲ)----槍陣*

Paul M. Krail

(德克薩斯州立大學(xué)奧斯汀分校，奧斯汀，美國)

3槍陣性能

我們測試的最大單槍，容量為2000立方英寸，不能提供足夠的能量來獲取地表下3 km的反射波。使用單槍作為震源，更嚴(yán)重的不足是其產(chǎn)生的是單一的壓力脈沖，僅有一些環(huán)形振蕩。因此，反射脈沖也僅形成一些環(huán)形振蕩，這就不可能將主脈沖與次峰分離開。對于地震探測來說，重要的要得到壓力峰值，而不僅僅是圖8中所示的壓力變化的連續(xù)波。

我們通過利用槍陣來解決振幅不足和振蕩問題。由于氣槍數(shù)量的增加，振幅得以增強。我們發(fā)現(xiàn)，不同容量尺寸的氣槍會產(chǎn)生不同振蕩周期的氣泡。因此，如果我們利用不同容量氣槍構(gòu)建槍陣，且所有氣槍同時激發(fā)，我們就能解決這兩個問題。

單槍特性的疊合可以產(chǎn)生壓力脈沖的第一峰值。由于每個不同容量單槍具有不同的振蕩周期，存在相位差，因此, 后續(xù)峰值相互抵消。

圖9是6槍組成的槍陣圖，每支單槍具有不同容量，沉放深度為7.5 m。為了闡述上述觀點，圖10顯示了圖9中每支氣槍的壓力脈沖，獨立激發(fā)和所有氣槍同時激發(fā)的情形。槍陣的遠(yuǎn)場信號看起來與單槍差異較大。如果我們將圖10的槍陣遠(yuǎn)場信號與圖8的單槍進(jìn)行對比，我們會發(fā)現(xiàn)氣泡振蕩已經(jīng)大大減少。

圖9　槍陣(6槍)

圖10　圖6所示氣槍的信號

圖10顯示整個槍陣的氣槍特性。此信號顯示槍陣克服了單槍的氣泡振蕩問題，并增強了主脈沖的振幅。

初始最大正脈沖被稱為主脈沖，最大的負(fù)峰值是虛波，主脈沖后的較小的振幅被認(rèn)為是全部氣泡的共同振蕩。由于海面反射，負(fù)峰值后到來正峰值，也叫虛波。如果氣槍具有不同容積，因此形成的氣泡體積也存在差異，那么氣泡峰值出現(xiàn)的時間也會不同。通過合適的容量搭配，不同氣泡的脈沖可以在遠(yuǎn)場相互抵消。選擇調(diào)整槍陣容量，以致使得單槍的氣泡脈沖可以通過較小容量單槍的氣泡脈沖的虛波得以抵消。所有氣槍在同一深度，虛波脈沖發(fā)生在相同時間。如前所述，調(diào)整槍陣設(shè)計可以減少氣泡振蕩。

4槍陣效能

考慮和對比不同槍陣類型的效能是很有意思的研究。已有研究表明，對于一個相互作用較弱的調(diào)整槍陣和GI槍(在氣槍類型章節(jié)討論的)來說，氣泡振蕩衰減的代價是大約為60%的效能。通過將未調(diào)整氣槍和已調(diào)整氣槍的主振幅進(jìn)行對比，我們發(fā)現(xiàn)，已調(diào)整氣槍的振幅大約是未調(diào)整氣槍值的60%。也就是說，調(diào)整去除氣槍振蕩影響的代價是降低了主脈沖的振幅至60%。同樣，在GI氣槍也發(fā)現(xiàn)此情況。

4.1　遠(yuǎn)場信號

震源物探船：

M/U A.NEMCHINOV；

實驗時間： 91.5.1；

物探船員： 1006420/231AVG001；

位置： 北海；

震源類型： SLEEVE槍；

容量： 3000立方英寸；

氣槍數(shù)量： 32；

從9999記錄到9999記錄；

震源-水聽器距離： 1 m；

氣槍深度： 7.5 m；

激發(fā)壓力： 2000 psi；

記錄者： SN3580MX；

采樣率： 1 ms；

LC 濾波器： 未使用；

HC 濾波器： 154.4 Hz 720 B/oct；

水聽器： RREFTEX 17；

靈敏度： 7.50v/MPR；

強度比 P-P模式；

強度： 9.531；

主波氣泡比： 15.892；

氣泡周期： 59 ms。

圖11　遠(yuǎn)場信號記錄

5性能說明

水下震源特性不僅取決于震源的單個要素的特性，而且也受到整個震源系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)的影響。虛波延遲時間依賴于氣槍的沉放深度，如圖12所示，隨著沉放深度的減少，虛波負(fù)脈沖的時間更接近主波。圖12的右圖，我們看到隨著沉放深度的降低，虛波波谷振幅譜向高頻移動。當(dāng)前實驗是將槍放置于6 m深的位置，虛波波谷超過地震頻率。另一例子是如果槍陣信號穩(wěn)定，其幾何結(jié)構(gòu)也是穩(wěn)定的。假設(shè)沉放裝置的海洋工程已經(jīng)具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，還有以下這些因素可能影響震源穩(wěn)定性：

圖12　不同沉放深度下的信號變化

(1) 槍陣中單個要素的時間同步精確度；

(2) 幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；

(3) 單個要素的重復(fù)性；

(4) 天氣情況。

5.1　時間同步性

槍陣中單一要素的時間同步性受到地震勘探船上電腦系統(tǒng)的控制，稱為槍控器，其接收來自氣槍內(nèi)部傳感器的輸入值和近場水聽器的信號。同一類型氣槍由于機械磨損，在同一時間收到激發(fā)指令后，將在不同時間激發(fā)。時間準(zhǔn)確度的要求取決于氣槍時間傳感器，這個傳感器可能是壓力傳感器，水聽器或是磁力位置傳感器?？傊c單一震源的主脈沖持續(xù)時間相比，時間誤差必須要小。對于多數(shù)震源來說，可忽略的誤差大約為1 ms或者更少。對于DigiSHOT系統(tǒng)而言，忽略誤差大約為+/-100 ms。精確時間的目的是為了在每個單一要素發(fā)射脈沖后進(jìn)行主峰值排序。氣槍控制系統(tǒng)必須考慮槍陣中的每個要素，甚至對于同一容量的氣槍由于具有不同使用年限、 磨損、 溫度和空氣污染等情況，激發(fā)時間和脈沖發(fā)射都不可能同步。

震源觸發(fā)和震源激發(fā)的時間通常存在時間差。觸發(fā)和激發(fā)之間的時間差會隨著年限、 磨損、 溫度和電壓而變化。

槍控系統(tǒng)考慮了以上所有因素，所以槍控系統(tǒng)監(jiān)控的是主峰值或零交叉的實際開始時間，正如一些氣槍供應(yīng)商利用壓力傳感器或位置傳感器和相應(yīng)的時間變化來控制。

通過地震勘探船上槍控系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)控，校準(zhǔn)了在實際氣槍激發(fā)時的時間差。

5.2　穩(wěn)定性

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性取決于其設(shè)計、 保持設(shè)計要素空間相對穩(wěn)定和在不同海洋狀況下的沉放深度。輪機工程師們都明白大?？倳o那些不熟悉她的人帶來不愉快的體驗。槍陣、 錨鎖和安全鏈條漂浮在海水里，長期受海水的腐蝕，海水不斷拖曳這些物品，造成磨損和破壞，雖然這些對于近海工程設(shè)計并未常見，但對于需要放置為90°轉(zhuǎn)彎的電纜而言，這種持續(xù)的影響特別敏感。

5.3　天氣效應(yīng)

由于風(fēng)速變化，海面常常呈現(xiàn)從風(fēng)平浪靜到波濤洶涌。大波浪會造成兩個影響，一是震源結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的惡化，二是空氣-海面反射系數(shù)不再保持為-1。

海面反射系數(shù)的變化對于震源信號有重要影響。在遠(yuǎn)場垂直運動的脈沖中，大約一半能量是來自平靜海面反射。起伏海面的影響會形成合成的平滑脈沖，導(dǎo)致虛波脈沖振幅大幅減少。圖12A(a)顯示, 在天氣狀況良好的條件下，近似平靜海面的遠(yuǎn)場特性。圖12A(b)是在天氣狀況較差的情況下測定的。由于起伏海面較差的反射屬性導(dǎo)致虛波振幅縮小。

起伏海面對反射系數(shù)的影響可以認(rèn)為是兩種射線，一種是來自平靜海平面，另一種是來自浪高為x的波(圖12B)。這兩種射線的傳播路徑差可以用2xcos(θ)表示。相位差pd可以簡單地表示為路徑差除以波長，如下所示：

圖12A　天氣影響下的虛波脈沖振幅

圖12B　起伏表面下波傳播路徑差的簡化模型

其中f和c分別是頻率和速度。假定浪高為x，且海面波浪為高斯分布，因此, 我們可以利用波形求出海面平均反射值：

其中pd是海浪振幅的均方根，R0是平面反射率。

我們利用中心頻率20 Hz作為地震信號脈沖。首先，我們先利用在平靜海面下的反射系數(shù)-1時得到脈沖。然后我們將此脈沖與10英尺高海面的相同反射脈沖進(jìn)行對比。將這些值代入到Rave方程，結(jié)果表明, 10英尺高海面的虛波反射平均振幅下降為平靜海面反射的45%。

5.4　槍陣模擬

利用電腦模擬槍陣設(shè)計比實地進(jìn)行大量實驗成本低得多。然而，你必須確保模擬是準(zhǔn)確的。已有文獻(xiàn)表明，利用電腦模擬能很好地實現(xiàn)傳統(tǒng)的弱互動槍陣設(shè)計，傳統(tǒng)設(shè)計中大約每支單槍間隔1 m。我們會在后續(xù)章節(jié)中探討氣槍相互作用的問題，同時當(dāng)我們談到集群氣槍時我們也會探討氣槍間的強烈相互作用。

通過輸入位置(x，y)進(jìn)行槍陣模擬，氣槍容量、 氣壓和槍陣中每支氣槍的沉放深度如圖13所示。利用前面所述的氣泡運動方程進(jìn)行模擬，計算所有氣槍合成效果和產(chǎn)生的遠(yuǎn)場信號。遠(yuǎn)場信號如圖14所示。Bar-m表示振幅特征。由于球面波振幅從震源中心縮減為1/R，對距離槍陣1 m的振幅進(jìn)行歸一化處理，因此用bar-m(bar是壓力單位)。

圖13　設(shè)計槍陣的結(jié)構(gòu)

圖14　圖10的槍陣的遠(yuǎn)場特性

通過以下3個參數(shù)測定槍陣性能：

(1) 峰值到波谷的振幅;

(2) 主波與氣泡比(稱為P/B);

(3) 頻譜。

峰谷振幅可以表征輸出能量值。主波與氣泡比可以測定設(shè)計的槍陣對于抵消氣泡振蕩的情況，即為槍陣調(diào)整的好壞情況。圖15中頻譜顯示虛波波谷所在位置，以及設(shè)計者如何判斷震源頻帶寬度，確定高低截止頻處理。

圖15　遠(yuǎn)場特性的振幅譜

頻率過濾器適用于此信號研究，可以匹配那些被用于記錄實際數(shù)據(jù)的信息，否則將無法給出槍陣振幅圖。震源方向圖顯示震源能量的三維傳播，與震源物探船的航海線相關(guān)，如圖16~18所示。

圖16　震源方向性----水平方向

圖17　震源方向性----垂直方向

圖18　震源方向性----水平交叉方向

海洋遠(yuǎn)場信號也直接得以測定。由于通常的地震實驗不允許較深沉放水聽器，因此，通過測試模型得以實現(xiàn)。遠(yuǎn)場測定可以驗證模擬的準(zhǔn)確度，并得到設(shè)計槍陣輸出的實際測定值。為了完成測定工作，一個單一的水聽器被放置于鰭形壓板上，或是其他類似裝置上，當(dāng)?shù)卣鹂碧酱诤叫羞^程中，水聽器被垂直沉放在槍陣以下數(shù)百米處。這個實驗必須在深水區(qū)域開展，使來自洋底的反射波不會在震源激發(fā)期間到達(dá)，也不會干擾震源。

對槍陣模擬時，氣槍之間微弱的相互作用，可以利用氣泡方程獲取。這對于研究槍陣集群是有必要的。同時, 需要考慮后續(xù)流體研究和實際的氣泡整體運動，以及當(dāng)氣泡相互靠近時，必須考慮增加的擾動。

5.5　實驗中的性能說明

氣槍在實驗中的性能規(guī)格通常由合法契約管理，立契人包括石油公司客戶和地球物理承包商。說明中稱為“中斷說明”的文檔，寫明了在地震探測必須停止前，槍陣性能可以允許多大程度的老化。典型的中斷說明如下所示：

(1) 允許出現(xiàn)峰峰振幅以及主波與氣泡比偏離小于全部槍陣的10%的中斷信號。

(2) 全部槍陣的峰峰振幅以及主波與氣泡比在85%~90%，或是111%~115%之間的中斷信號可以作為需要與公司代表商量的邊緣值。

(3) 峰峰振幅以及主波與氣泡比小于85%，且大于全部槍陣的115%的中斷信號將導(dǎo)致地震實驗停工，直到修復(fù)好。

其他造成槍陣故障，不符合規(guī)范的具體細(xì)則包括： 槍陣中的單槍無法激發(fā)，氣槍未完成全部激發(fā)。自動激發(fā)指氣槍自主激發(fā)(一次或多次)。雙槍激發(fā)指的是當(dāng)僅觸發(fā)一次，而氣槍發(fā)射兩次。這也是雙槍激發(fā)和自動激發(fā)的差異。雙槍激發(fā)是在時間窗內(nèi)完成兩次激發(fā)。自動激發(fā)是在時間窗開始計時，且在下一次激發(fā)時間前，完成兩次激發(fā)或更多次激發(fā)。

6氣槍間相互作用

正如我們所知道的，當(dāng)單槍激發(fā)時，氣泡膨脹，擾動了海水的靜水壓。如果兩支氣槍相繼激發(fā)，我們不能將它們附近的靜水壓假定為周圍環(huán)境的靜水壓。因此, 根據(jù)兩支單槍之間的間隔距離，我們可以說它們是弱或強相關(guān)。首先，多數(shù)槍陣設(shè)計為弱相關(guān)。弱相關(guān)槍陣是以主波與氣泡比的值10~14:1作為特征值。目前許多槍陣由氣槍集群構(gòu)成，氣槍之間間隔小于1 m是很普遍的。集群與單槍相比的一個優(yōu)點是，它能獲得較高的主波與氣泡比。

當(dāng)兩支氣槍相繼激發(fā)時，兩組氣泡相互接觸并部分融合。這就是所謂的氣泡合并。當(dāng)兩支氣槍激發(fā)如此接近時，氣泡合并不會發(fā)生但相互作用主導(dǎo)了氣泡運動，即所謂的強相關(guān)。1 m的間隔看起來能區(qū)別弱和強作用。

在如此接近的集群中，氣泡脈沖的相互作用比弱相關(guān)的槍陣強得多，因為氣泡相互更為接近。

多數(shù)槍陣由強相關(guān)集群和弱相關(guān)氣槍(間隔大于1 m)共同構(gòu)成。對于強相關(guān)來說，氣泡間隔的另一種測定方式是兩槍之間的氣泡直徑。

7集群氣槍

在1990年前，多數(shù)槍陣是屬于弱相關(guān)類型。通過增加槍陣氣槍數(shù)量以獲得更多氣槍能量和調(diào)整槍陣氣槍組合以提高主波和氣泡比的方法，已經(jīng)無法獲得更好的效果。原因是10~14:1的值是傳統(tǒng)弱相關(guān)槍陣的極限值。兩支或更多氣槍構(gòu)成的，我們稱之為集群氣槍，其分隔距離比弱相關(guān)氣槍更為接近，但不會接近到造成氣泡合并。在本章節(jié)中我們探討的相關(guān)關(guān)系是對于兩組氣泡間強相關(guān)的距離大約1 m。

為了解釋n支氣槍組成的集群能勝過同樣容量的單槍，進(jìn)行以下簡單假設(shè)。來自單槍的主脈沖與槍壓和容量的立方根成正比。n槍集群的主振幅表示為：

而容量為nV的單槍的主振幅表示為：

因此, 相同容量的氣體分解到n支氣槍中，主振幅增加了n2/3。

主波和氣泡比如何呢？ 1980年后期的實驗利用兩支完全相同的Sleeve氣槍，沉放深度5 m，實驗表明距離小于1 m且隨著間距縮小，呈現(xiàn)以下3個特征：

(1) 主振幅實際上不受影響。

(2) 隨著間距縮小，氣泡振幅減小。

(3) 隨著間距縮小，氣泡周期逐漸增大。

因此, 氣槍集群可以用于增加主振幅和提高氣泡比。因為在集群中無論它們的容量多少，所有氣泡具有單一的振蕩周期，所以我們不能設(shè)計一個可調(diào)整集群。由于每個集群具有不同的總?cè)萘?，我們可以調(diào)整集群排列組合方式。

資料來源： Krail P M. Airguns:Theory and operation of the marine seismic source. 2010. http:∥hdl.handle.net/2152/11226

(福建省地震局王林譯，黃宏生校)

(譯者電子信箱，王林: wl_0117@163.com)

收稿日期：*2015-05-05。

中圖分類號：P315.62；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2015.12.006