三源多纜高密度地震采集技術(shù)在中國海域水合物調(diào)查中的應(yīng)用

李 斌，顧 元，黃福強，馮奇坤

（1. 中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海 201208；2. 同濟大學海洋與地球科學學院，上海 200092；3. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075）

針對海域天然氣水合物的調(diào)查方法中，海洋地震調(diào)查是使用最多、最可靠的勘探技術(shù)[1]。Katzman（1994）利用海底高頻地震儀（HF-OBS）技術(shù)方法得到的單道及近道寬角海底地震反射剖面資料，對布萊克海嶺天然氣水合物BSR及其上下速度結(jié)構(gòu)進行分析[2]。1997年印度利用GI槍組合震源技術(shù)，采用二維長排列與海底檢波（OBH）相結(jié)合的方法，在印度洋北部海域發(fā)現(xiàn)天然氣水合物。日本于1999、2000年在西南海槽、東南海槽進行了單源單纜、線距100 m的高分辨率地震調(diào)查，經(jīng)過處理獲得三維地震數(shù)據(jù)體[3-4]。日本在Nankai海槽開展了高分辨率三維與海底高頻地震聯(lián)合采集，進行多道地震數(shù)據(jù)與OBS數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，圈定日本海海槽天然氣水合物范圍。英國BP公司2004年在新Hebrides海槽與澳大利亞東部之間的Fairway盆地，采集3.3 km長電纜記錄和海底地震檢波器記錄的高分辨率地震數(shù)據(jù)，得到天然氣水合物BSR特征[5]。

中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于1999年利用多道高分辨率地震勘探技術(shù)，在南海海域發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物存在的各項重要標志，并分析了水合物形成條件和分布特征[6]。從2001年開始進行天然氣水合物的地震調(diào)查方法研究，通過大量的試驗認為南海北部陸坡水合物地震勘探最有利頻帶為10～120 Hz，主頻40～70 Hz，相應(yīng)的震源和電纜沉放深度為5 m和6 m的組合最為合適[7]。2005～2006年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局采用單源單纜、線距75 m的三維地震勘探技術(shù)，在南海北部東沙和神狐海域，進行了地震調(diào)查（采集參數(shù)見表1），為井位優(yōu)選提供了豐富的地球物理信息，無論是BSR、振幅空白帶還是BSR下的增強反射都得到比二維資料更清晰的反映[8]。其后廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局采用單源單纜高分辨率三維地震和高頻海底地震儀進行了聯(lián)合采集[9]。

表 1 單源單纜三維地震采集參數(shù)Table 1 3D seismic acquisition parameters of single-source and single-cable

隨著水合物研究的不斷深入，二維或稀疏三維地震調(diào)查技術(shù)已不能滿足對水合物礦體精細刻畫、確定鉆探井位的需求，需要采用更小面元尺寸的高密度高分辨率三維地震采集技術(shù)。

本文介紹了在中國海域針對水合物調(diào)查首次采用的三源多纜三維地震采集技術(shù)，它的技術(shù)特點是：小面元、高覆蓋、高密度、高分辨率，其三維疊前深度偏移處理結(jié)果信噪比、分辨率、成像效果較以往資料有了非常大的提高，為研究區(qū)水合物礦體研究奠定了基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)天然氣水合物賦存特征

研究區(qū)海域水深變化很大，從幾百米到上千米不等，海底地形起伏大，主要發(fā)育海丘、海谷、沖蝕溝、反坡向臺坎，以及海底溝槽等地貌類型。研究區(qū)地層總體表現(xiàn)為典型的斷陷裂谷和坳陷沉降雙層結(jié)構(gòu)，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

研究區(qū)水合物賦存分為塊狀、層狀、離散狀三種類型：塊狀水合物埋深一般較深，主要分布在海床下100～200 m，厚度較厚（厚度主要集中于30～60 m），飽和度超過30%；層狀水合物厚度也較大，單層厚度多在10 m以上，飽和度多在20%以上；離散狀水合物分布廣泛，具有單層厚度?。ɑ旧喜坏?0 m），飽和度小的特點（多數(shù)飽和度不到25%）。層狀和離散水合物孔隙度值差異不明顯的特點，體現(xiàn)出縱向上厚-薄的變化特點?？傮w而言，水合物礦體外形不規(guī)則，分布范圍不均勻。與水合物賦存相關(guān)的淺部地層可以劃分三個主要反射界面，對應(yīng)晚中新世以來的三個地震層序[10]。

本次調(diào)查的目的是為了確定天然氣水合物分布范圍、厚度，預(yù)測水合物層的孔隙度及飽和度，實現(xiàn)對水合物礦體精細刻畫，提出上鉆井位。同時為了弄清水合物氣體來源，需要查明水合物下部、中深部地層的結(jié)構(gòu)、斷層、裂縫等分布情況。

2 采集方案

在采集參數(shù)選取上，既要考慮淺部天然氣水合物刻畫及其物性預(yù)測的需求，又要兼顧中深部地層地質(zhì)特征研究需要。

2.1 觀測系統(tǒng)

根據(jù)研究區(qū)水合物儲層特點，建立了三維地球物理模型。在模型的基礎(chǔ)上開展觀測系統(tǒng)優(yōu)化分析，主要是滿足橫向分辨率的面元尺寸。

面元大小是水合物三維地震調(diào)查技術(shù)關(guān)鍵內(nèi)容之一，主要考慮以下三種因素。

（1） 水合物目標尺寸：面元邊長=目標尺度/3。

（2）最高無混疊頻率：每個傾斜同相軸都有一個偏移前可能的最高無混疊頻率，高于這個值的頻率在偏移前產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，只有低于這個值的頻率才能保持同相軸的真實傾角。計算公式為：b≤Vint/(4×fmax×sinθ)（b為面元尺寸，Vint為反射層層速度，fmax為最大有效波頻率，θ為地層傾角）。研究區(qū)水合物調(diào)查中最大頻率取值120～150 Hz，地層傾角取值范圍0°～15°。為了獲得更高的分辨率，將計算頻率取150 Hz，地層傾角取15°，層速度取2 200 m/s，計算得到的面元邊長為14.1 m。

（3）橫向分辨率：b=Vint/2Fdom（b為面元邊長，Vint為層速度，F(xiàn)dom為優(yōu)勢頻率）。根據(jù)水合物地震調(diào)查特點，最大頻率取120 Hz，F(xiàn)dom取60 Hz，Vint取值范圍2 200～3 000 m/s，計算的面元邊長為15～25 m。

綜合考慮水合物目標體大小、最高無混疊頻率和橫向分辨率等因素，面元大小需為6.25 m×12.5 m。

考慮到安全操作，海上三維拖纜地震采集的電纜間距一般為75～100 m，常規(guī)雙源多纜地震采集的面元為6.25 m×25m（或18.75 m），無法滿足上述小面元尺寸要求。雙源激發(fā)條件下，減小電纜間距至50 m，可以得到6.25 m×12.5 m小面元，但陡增了野外作業(yè)的安全風險。在保持電纜安全間距75 m情況下，增加震源數(shù)也可減小地下采集面元尺寸。結(jié)合地震作業(yè)裝備情況，確定采用三源十二纜技術(shù)進行地震資料采集：電纜間距75 m，震源數(shù)3，震源間距25 m，震源容量1 160 CI。

結(jié)合前文所述，震源與電纜沉放深度為5 m、6 m的組合可滿足高分辨率要求，因此本次三維采集也選擇了該沉放深度組合。為了兼顧中深層研究，電纜長度選擇了5 100 m。為了提高覆蓋次數(shù)，炮間距為12.5 m，并采用連續(xù)記錄方式，覆蓋次數(shù)達到68次。具體采集參數(shù)見表2。

表 2 高分辨率高密度三維地震采集參數(shù)Table 2 Acquisition parameters of high-resolution and high-density 3D seismic

2.2 氣槍震源

根據(jù)水合物礦體賦存特點和勘探目的，結(jié)合以往水合物調(diào)查經(jīng)驗，本次調(diào)查設(shè)計了1 160 CI的組合震源，氣槍采用G槍，由兩排槍陣組成（圖1），沉放深度5 m，壓力2 000 psi。從震源遠場子波（圖2）和子波頻譜（圖3）可知，震源主峰值為39.5 bar·m（1 bar=0.1 MPa），峰峰值為80.5 bar·m，初泡比為32；-6 dB時低截頻為7 Hz，高截頻達118 Hz，頻寬為111 Hz；-20 dB時低截頻為4 Hz，高截頻高達143 Hz，頻寬達139 Hz。震源性能完全達到高分辨率地震調(diào)查的技術(shù)要求。

相對于以往開展水合物勘探的三維地震采集技術(shù)，本次三源多纜三維采集技術(shù)具有覆蓋次數(shù)高、面元小、槍陣能量大、頻帶寬等特點。

圖 1 1 160 CI震源配置圖Fig. 1 1 160 CI air gun schematic diagram

圖 2 1 160 CI震源遠場子波Fig. 2 Far field wavelet of 1 160 CI source

圖 3 1 160 CI震源遠場子波頻譜Fig. 3 Spectrum of the far field wavelet

2.3 現(xiàn)場施工

采集中采用3源12纜作業(yè)方案，拖帶方案見圖4。三個震源各由兩排槍陣組成，兩個槍陣之間距離為10 m；三個震源中心點距離為25 m。記錄系統(tǒng)為SEAL428，電纜采用SERCEL的Sentinel固體電纜，電纜間距為75 m。電纜上安裝5011E-2型水鳥、橫向控制鳥（DigiFIN），7500水速記錄儀、CTX、CMX、尾標RGPS等聲學定位設(shè)備，組成全聲學網(wǎng)絡(luò)，用以精準確定每一道的位置。槍控采用新加坡SEAMAP公司生產(chǎn)的GUNLINK-4000數(shù)字氣槍控制器，精度達到0.1 ms。導(dǎo)航系統(tǒng)采用星站差分C-NAVGPS雙頻RTG接收機為主導(dǎo)航（設(shè)備定位精度優(yōu)于15 cm），以ION公司開發(fā)的ORCA軟件為綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。施工過程中進行同步測深，并收集施工期間的潮位數(shù)據(jù)。

圖 4 三維施工拖帶方案圖Fig. 4 Towing system layout of 3D seismic survey

本次采集為三個震源，按照國際三維作業(yè)慣例，保證在后續(xù)處理和解釋時方便對應(yīng)激發(fā)震源編號和炮號，采用正向施工順序激發(fā)震源，反向施工逆序激發(fā)震源，并鎖定震源編號和炮號的方式進行震源激發(fā)：即正向施工（炮號增加）時，震源激發(fā)順序為1-2-3（右-中-左），反向施工（炮號遞減）時，震源激發(fā)順序為3-2-1（左-中-右）。

3 采集效果分析

對采集的單炮記錄（圖5）進行了分時窗的頻譜分析。單炮淺層高頻可達108 Hz，隨著深度加深，高頻成分有所衰減，頻帶變窄，單炮深層高頻仍可達100 Hz左右。整體來說，資料頻率較高，有效信號的頻帶較寬，分辨率高。

圖 5 單炮記錄與分時窗頻譜分析Fig. 5 A shot record and its spectrum

圖 6 單炮信噪比分析Fig. 6 A shot record and SNR analysis

對單炮記錄（圖6）從淺至深分5個時窗進行信噪比分析，資料淺層的信噪比非常高，但隨深度增加信噪比迅速降低。總體資料信噪比仍屬較高。

通過對原始資料分析，具有如下特點：

（1）資料品質(zhì)較好，信噪比較高、頻帶相對較寬；

（2）單炮能量比較均勻，與海底深度變化相關(guān)性強，能量衰減比較快；

（3）從淺至深高頻成分有所衰減，信噪比降低明顯；

（4）資料整體上存在低頻背景噪聲、涌浪噪聲、線性噪聲等干擾；

（5）海底面較深，海底構(gòu)造變化較大，自由表面多次波非常發(fā)育。

由于本次是采用高分辨率、高密度采集技術(shù)獲取的三維地震數(shù)據(jù)，為了更好地刻畫水合物礦體，資料處理以“高分辨率、高信噪比、高保真及精細化處理”為思路，采用保幅去噪、虛反射壓制、組合去多次波、采集腳印消除及多輪精細速度分析，取得高信噪比數(shù)據(jù)和高精度速度模型，并引入Q的深度域速度場，最終成像質(zhì)量得到較大提升，構(gòu)造形態(tài)更加合理，大斷裂成像也更清晰，氣云區(qū)下的成像能量得以恢復(fù)，下拉現(xiàn)象得以較好地改善，水合物礦體邊界清晰（圖7）。

利用處理后三維數(shù)據(jù)體進行波阻抗反演，結(jié)合測井數(shù)據(jù)，能夠很好地將水合物頂?shù)追瓷涿孢M行識別（圖8）。

圖 7 最終處理PSDM成果剖面Fig. 7 A profile of PSDM data

圖 8 海底拉平水合物礦體刻畫（波阻抗數(shù)據(jù)體）Fig. 8 Gas hydrates characterization with flattened seabed（inverted wave impedance data）

4 結(jié)語

由于天然氣水合物具有埋藏淺、橫向變化快的特點，對水合物礦體的精細刻畫及物性預(yù)測，需要采用小面元三維地震調(diào)查技術(shù)。針對水合物調(diào)查，國內(nèi)海域首次采用三源多纜的高密度、高分辨率三維地震采集技術(shù)獲得了高質(zhì)量地震資料，面元達到6.25 m×12.5 m，震源與電纜沉放深度為5 m、6 m組合，分辨率較以往資料有了非常大的提高。