南海北部海域油氣資源調(diào)查技術(shù)及其應(yīng)用研究
——低頻地震震源技術(shù)研究

曾憲軍，韋成龍，翟繼鋒，張如偉

（國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075）

南海北部海域油氣資源調(diào)查技術(shù)及其應(yīng)用研究
——低頻地震震源技術(shù)研究

曾憲軍，韋成龍，翟繼鋒，張如偉

（國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075）

低頻地震震源技術(shù)在野外地震調(diào)查中起著舉足輕重的作用，特別是在南海北部海域油氣勘探目標(biāo)埋藏深的條件下，如何改善中生界地層成像效果至關(guān)重要。文中通過對"立體"結(jié)構(gòu)低頻震源技術(shù)的研究，結(jié)合海上試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，綜合分析了立體低頻震源的頻帶寬度較常規(guī)震源相比有所拓寬，在抗噪和信噪比方面也有較大優(yōu)勢，這些關(guān)鍵參數(shù)的提高，有助于獲得較強(qiáng)的中深部有效反射信號，增強(qiáng)信噪比，提高中生界地震采集的野外資料的總體質(zhì)量和后期解釋。因此，通過研究，可以選擇設(shè)計(jì)最佳的組合方案，為南海北部海域油氣資源調(diào)查提供技術(shù)支撐。

低頻震源；立體；信噪比；頻寬；沉放深度

南海北部海域油氣勘探目標(biāo)埋藏深的條件下，采用目前裝備的5080 cu.in震源，在低頻端的能量較弱，致使激發(fā)的地震波穿透性不理想；目前采集的地震剖面中深部有效反射信號弱，信噪比低，尤其中生界地層成像效果差。如果通過提高震源容量雖可在一定程度上可以提高輸出能量峰值，但由于現(xiàn)有物探船空壓機(jī)等設(shè)備能力的限制，提高了震源容量就必須加大放炮間距，進(jìn)而降低了疊加覆蓋次數(shù)，仍然無法達(dá)到提高中深層信噪比的目的。要解決此難題，需在增強(qiáng)震源低頻輸出能量和低頻端的頻寬等方面作出改進(jìn)。

1 低頻震源設(shè)計(jì)

國內(nèi)外研究表明，要提高中深層反射質(zhì)量，需增強(qiáng)震源低頻發(fā)射能量，盡量拓寬激發(fā)子波的絕對頻寬[1]。在震源的選擇上，需要利用較大容量、震源低頻豐富、頻帶寬的震源陣列來激發(fā)信號，以利于深層信號的信噪比提高。

氣泡振蕩理論是氣槍信號數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，Ziolkowski提出了常規(guī)氣槍近場聲波壓力場的計(jì)算方法，成為計(jì)算單槍壓力波場的經(jīng)典。為了提高氣泡脈沖的能量，可通過增加氣槍總體容量的方式提高子波信號的能量，此外可通過選擇合適的激發(fā)時(shí)刻，使得不同槍的氣泡脈沖疊加以增強(qiáng)氣泡脈沖，達(dá)到提高低頻能量的目的。

研究區(qū)調(diào)查目標(biāo)為中生界地層，存在目標(biāo)埋藏深度大，崎嶇海底、傾斜地層等對反射波的吸收和衰減作用大；地層接觸界面存在剝蝕、反射波速度變化大等特點(diǎn)，調(diào)查難點(diǎn)是中深層反射波微弱。對震源進(jìn)行設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其輸出能量，加大低頻端的能量輸出。

根據(jù)已有地震資料信息，南海北部中生界目的層地震反射主頻在5～40 Hz之間，為盡量加強(qiáng)該頻率范圍內(nèi)的信號強(qiáng)度，有必要重新對現(xiàn)有的震源進(jìn)行設(shè)計(jì)。

氣槍沉放深度較淺時(shí)，激發(fā)的子波其頻帶寬，高頻端能量豐富；沉放深度較深時(shí)，激發(fā)的子波其頻帶窄，但低頻端能量豐富[2]。利用該特點(diǎn)，海洋物探公司采用“雙震源”，主要提供高頻信號的震源，沉放深度較淺；而主要提供低頻信號的震源，沉放深度較深。

國內(nèi)外對子陣沉放深度的差異化組合也進(jìn)行了研究。不同深度組合形式的陣列模型如圖1所示。凸型模型在子波能量輸出上有所減弱，但在頻譜低頻段更加光滑，頻帶有所拓寬。

圖1 不同深度組合形式的陣列模型

將單震源不同子陣沉放在不同深度，組成“立體”震源，在硬件和技術(shù)上是可行的。經(jīng)過多次模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)凸型立體震源具有較好的輸出特性。基于5080 cu.in震源基礎(chǔ)上，子陣一、子陣二、子陣三、子陣四的沉放深度分別為10 m，7 m，7 m，10 m。表1、圖2為Bolt-5080 cu.i“n立體”震源與子陣在同一深度震源之間的輸出特性比較。

表1 BOLT-5080 cu.in震源不同沉放深度特性比較表

震源沉放深度為7 m時(shí)，峰峰值為115.6 bar.m，波泡比14.9，頻寬為5～90 Hz，主頻為50 Hz，18 Hz以下頻率能量在210 dB以下，震蕩較明顯，陷波點(diǎn)出現(xiàn)在110 Hz處，陷波點(diǎn)頻率能量為165 dB。

震源沉放深度為10 m時(shí)，峰峰值為121.9 bar.m，波泡比10.1，頻寬為5～63 Hz，主頻為30 Hz，18 Hz以下頻率能量部分超過210 dB，震蕩較明顯，陷波點(diǎn)出現(xiàn)在78 Hz處，陷波點(diǎn)頻率能量為162 dB。

圖2 Bolt-5080“立體”震源特性圖

震源沉放深度為8.5 m時(shí) (子陣10-7-7-10 m等效深度)，峰峰值為118.9 bar.m，波泡比12.4，頻寬為5～80 Hz，主頻為35 Hz，18 Hz以下頻率能量在210 dB附近震蕩，第一個(gè)陷波點(diǎn)出現(xiàn)在90 Hz處，陷波點(diǎn)頻率能量為168 dB。

震源沉放深度為10-7-7-10 m時(shí)，峰峰值為108.8 bar.m，波泡比17.9，頻寬為5～80 Hz，主頻為40 Hz，18 Hz以下頻率能量保持在210 dB附近，低頻端信號頻率能量曲線明顯平滑，第一個(gè)陷波點(diǎn)出現(xiàn)在90 Hz處，陷波點(diǎn)頻率能量為178 dB。

從震源方向性圖上看出，10-7-7-10 m沉放深度震源能量團(tuán)邊緣較光滑。

經(jīng)過比較認(rèn)為，10-7-7-10 m沉放深度“立體”震源，在子波峰峰值輸出上降低了大約10 dB，但18 Hz以下頻率能量有所增強(qiáng)，曲線更加光滑；第一個(gè)陷波點(diǎn)頻率能量比8.5 m的等效沉放深度震源提高了10 dB，相當(dāng)于相應(yīng)提高了高頻端的能量輸出?？傮w來說，“立體”震源子波峰峰值有所降低，但加強(qiáng)和擴(kuò)展了頻寬。

對于研究區(qū)水深較淺(1 000 m以內(nèi))，或者中生界目的層埋藏在雙程旅行時(shí)5～6 s以內(nèi)，對震源輸出能量的要求在100 bar.m左右時(shí)，利用該“立體”震源更寬的頻帶的優(yōu)勢，可以改善地震采集資料的質(zhì)量。

南海北部陸坡深水區(qū)中深層油氣資源地震調(diào)查，需要低頻輸出好、頻帶較寬的大容量震源。在前期相關(guān)研究中，對低頻震源進(jìn)行過較多地模擬計(jì)算及海上試驗(yàn)，獲得了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[3]。在此基礎(chǔ)上，提出了“立體”結(jié)構(gòu)的低頻震源設(shè)計(jì)。

“立體”槍陣是基于現(xiàn)有Bolt長壽槍5080 cu.in震源基礎(chǔ)上，通過改變各子陣沉放深度的組合，達(dá)到增強(qiáng)震源低頻能量，并拓寬震源主頻的目的。利用PGS Nucleus軟件對“立體”槍陣進(jìn)行模擬（第一、四子陣深度為10 m，第二、三子陣深度為7 m，等效深度為8.5 m）。從模擬激發(fā)的振幅-頻譜圖可看出，5 080 cu.i“n立體”凸型槍陣的有效主頻帶在18～68 Hz之間，且低頻端能量輸出的波動(dòng)較小，相比平面震源沉放8.5 m時(shí)的特性，具有低頻能量較強(qiáng)、輸出穩(wěn)定、并保持了較寬的主頻帶的特點(diǎn)(圖2)。

2 海試參數(shù)設(shè)計(jì)及資料采集

低頻輸能量高、頻帶較寬的大容量震源有利于提高中深層油氣資源地震資料信噪比。在以往實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合國外立體震源技術(shù)，設(shè)計(jì)了“立體”結(jié)構(gòu)的低頻震源（圖3），該“立體”槍陣是基于廣海局“探寶號”船現(xiàn)有Bolt長壽槍5080 cu.in震源基礎(chǔ)上，通過改變各子陣沉放深度的組合，達(dá)到增強(qiáng)震源低頻能量，并拓寬震源主頻的目的。其模擬輸出特性見表2。

圖3 立體震源各子陣沉放深度示意圖

表2 同步激發(fā)氣槍震源特性

低頻組合震源對比試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在南海海域，并設(shè)計(jì)一條試驗(yàn)測線，開展平面震源和“立體”震源采集對比[4]，兩次試驗(yàn)走航方向一致。震源等效沉放深度7 m，電纜沉放深度為9 m，炮間距25 m。平面氣槍陣列的四個(gè)子陣列沉放深度為7 m，“立體”氣槍陣列的四個(gè)子陣列沉放深度為8-6-6-8 m的凸型組合。

3 采集資料效果分析

用平面震源采集的測線命名為NHB272，用“立體”震源采集的測線命名為NHB272A，對試驗(yàn)線資料進(jìn)行了頻率掃描、頻譜分析，確定處理流程[5]；在同樣的流程下得到兩條試驗(yàn)測線的疊加剖面。為使分析結(jié)果有較好的可比性，在處理中要求：（1）對兩次試驗(yàn)，采用同樣的流程和參數(shù)，不使用參數(shù)隨機(jī)變化的處理模塊；（2）同一方向的試驗(yàn)線使用同樣的速度庫；（3）疊后不作任何修飾處理，避免人為因素影響剖面。

首先，通過對比兩組參數(shù)的頻譜能量和范圍、剖面的品質(zhì)等，采用8-6-6-8 m深度組合的氣槍震源在抗噪能力上優(yōu)于平面震源，圖4為頻率譜圖分析對比，圖5為疊加剖面效果分析。

圖4 立體震源與平面震源頻率譜對比

圖5 疊加剖面效果分析

其次，通過綜合對比，采用8-6-6-8 m深度組合的“立體”氣槍震源，主頻信號獲得了一定增強(qiáng)，主頻信號的信噪比，也有一定優(yōu)勢，見圖6。在中深部地層的局部，8-6-6-8 m組合的震源得到的資料信噪比有所提升（圖7）。

圖6 7-7-7-7 m與8-6-6-8 m組合信噪比對比

圖7 7-7-7-7 m(左)與8-6-6-8 m(右)組合采集剖面對比

4 結(jié)論

海上試驗(yàn)結(jié)果表明，“立體”槍陣在低頻端的曲線比較平滑，在高頻端陷波點(diǎn)附近能量有所提高（圖8），相當(dāng)于激發(fā)信號的頻帶寬度有所拓寬，見圖9；另在抗噪和信噪比方面也有較大優(yōu)勢，獲得了初步的預(yù)期成果。

圖8 立體震源(紅色)與平面震源(藍(lán)色)頻譜對比

圖9 常規(guī)陣列(左)與上下陣列(右)震源采集剖面對比

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

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

[3]韋成龍,郝小柱,易海，等.南海北部中生界地震勘探震源設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油地球物理勘探,2012,47(S.1):1-7.

[4]韋成龍，等.南海北部陸坡深水區(qū)油氣資源普查（2012年探寶號船）生產(chǎn)技術(shù)總結(jié)報(bào)告[R].2012.

[5]羅文造，韋成龍，王立明，等.海上地震勘探主要采集參數(shù)的選取與驗(yàn)證[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2009,28(4):93-101.

Exploration of Oil and Gas Resources in the Northern Part of the South China Sea: Study on the Low-Frequency Seismic Source Technology

ZENG Xian-jun,WEI Cheng-long,ZHAI Ji-feng,ZHANG Ru-wei
MLR Key Laboratory of Marine Mineral Resoures,Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510075,Guangdong Province, China

Low-frequency seismic source technology plays an important role in field earthquake investigation, especially in oil and gas exploration in the northern sea area of the South China Sea where targets are deeply buried.It is essential to improve the imaging effect of Mesozoic stratigraphy.Based on the research on lowfrequency source technology of"three-dimensional structure"and the data from sea tests,this paper comprehensively analyzes that the bandwidth of three-dimensional low-frequency source is widened compared with conventional source,and there is also a great advantage in anti-noise and signal-to-noise ratio.The improvement of these key parameters will help to obtain a strong middle and deep effective reflection signal, enhance the signal to noise ratio,improve the Mesozoic seismic acquisition of the overall quality of the field data and post-interpretation.Therefore,through research,it is able to choose the optimal combined scheme,so as to provide technical support for exploring oil and gas resources in the northern waters of the South China Sea.

low-frequency seismic source;three-dimensional;SNR;bandwidth;sinking depth

P744.4

A

1003-2029（2017）03-0112-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.021

2016-05-12

國家“729”專項(xiàng)資助（GZH201200508）

曾憲軍（1981-），男，高級工程師，主要從事電子信息工程和海洋物探調(diào)查。E-mail:13660343708@139.com