近海底高分辨率地震探測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

裴彥良,溫明明,劉保華,張連成,于凱本,魏崢嶸,宗 樂,連艷紅,閆克平

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島 266061;2.廣州海洋地質調(diào)查局,廣東 廣州 510000;3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室,山東 青島 266061;4.國家深?；毓芾碇行?山東 青島 266237;5.浙江大學 化學工程與生物工程學院,浙江 杭州 310027;6.浙江理工大學 流體傳輸技術國家地方聯(lián)合工程實驗室,浙江 杭州 310018;7.西安虹陸洋機電設備有限公司,陜西 西安 710100)

天然氣水合物是有望成為替代常規(guī)油氣的清潔能源。天然氣水合物廣泛分布于全球海洋中,發(fā)育區(qū)域的水深一般在1 000 m以上,埋深大多不超過300 m。水合物層厚度小于10 m的情況占很大比例,有的甚至不足1 m[1-2]。我國科學家經(jīng)過十多年的地質地球物理綜合調(diào)查,取得了天然氣水合物勘探、開發(fā)的重大突破。隨著我國主要海域的水合物資源勘查逐步進入詳查和試開采階段,對海底水合物礦體空間分布的探查精度要求顯著提高。天然氣水合物沉積層的橫向展布范圍差異巨大,層狀水合物的橫向延展可達數(shù)千米,而分散狀水合物、斑塊狀水合物的橫向范圍則小很多,甚至不足1 m[3-4]。由于天然氣水合物礦床產(chǎn)狀多樣、發(fā)育地質條件復雜、垂向厚度有限和橫向分布不均勻,導致傳統(tǒng)地震資料難以滿足水合物勘探需求[5]。國外采用多道、三維、深拖等多種方法聯(lián)合作業(yè),綜合解釋區(qū)域地質構造特征,對水合物進行詳細的地球物理研究[6-9]。在國家重點研發(fā)計劃支持下,我國“十三五”期間開展了“近海底高精度水合物探測技術”“天然氣水合物高分辨率三維地震探測技術”等項目的研究工作,本文內(nèi)容基于“近海底高精度水合物探測技術”項目開展研究。

1 系統(tǒng)總體設計

近海底地震探測技術是將震源和接收纜均置于近海底拖曳,進而提高地層分辨率的地質探測方法。在海底高靜壓環(huán)境下,氣槍等震源不能用于近海底激發(fā)。國外成功的近海底地震探測系統(tǒng),包括美國的DTAG系統(tǒng)和法國的SYSIF系統(tǒng)[8-10],均采用赫姆霍茲共振腔作為深拖震源,本項目則采用等離子體震源作為深拖震源。此外,深拖接收纜的采集和控制亦均集成于海底拖體上,也是本項目需要攻克的關鍵技術難點。

1.1 深拖震源系統(tǒng)

1.1.1 主頻

震源系統(tǒng)的子波波長(λ)直接決定了地震采集系統(tǒng)的分辨率,其中包括縱向分辨率(Rz)和橫向分辨率(Rh):

式中,h為震源與探測地層間的距離?？梢?縱向分辨率主要取決于震源主頻,主頻高于200 Hz即可滿足優(yōu)于2 m的分辨率要求;而橫向分辨率則要考慮拖曳高度和頻率兩方面的因素。若在距海底高度100 m拖曳,達到10 m的橫向分辨率,則要求震源主頻要達到750 Hz以上。而在相同主頻條件下,常規(guī)海面拖曳地震探測系統(tǒng)的橫向分辨率則僅有45 m,明顯低于深拖地震系統(tǒng),如圖1所示。為此,將深拖等離子體震源的主頻指標定為400～1 400 Hz,可以提供優(yōu)于10 m的橫向分辨率。

圖1 近海底地震探測系統(tǒng)與常規(guī)海面拖曳地震探測系統(tǒng)橫向分辨率對比Fig.1 Comparison of lateral resolution between conventional and deep-towed seismic systems

1.1.2 能量

根據(jù)主動聲吶方程[11-12]:

式中:SL為聲源級、DI為聲源指向性、GS為接收纜空間增益、GT為接收纜時間增益、DT為檢測閾,這些都是由震源系統(tǒng)決定的參數(shù);H水為拖曳高度,H地為海底地層穿透深度[12],20lg[2(H水+H地)]為聲波球面擴展傳播損失;2αH地為海底地層吸收損失,α為信號帶寬內(nèi)海底的平均聲衰減(dB/m),α=β/λ0,其中λ0為震源中心頻率波長,β為海底地層吸收系數(shù),β約為0.2 dB/λ0;RL為待測界面反射強度,取決于被探測目標,約為-20 dB[13-14];NL為海洋環(huán)境噪聲級,取決于環(huán)境,海面設為100 dB,深海為40 dB。設DI=3 dB;GT=3 dB;接收纜為48道,則GS=17 dB;DT=6 dB[15-16];(NL-DI-GS-GT)表征聲吶系統(tǒng)的工作環(huán)境及自身特性。

可以看出,海底地層吸收損失2αH地與震源中心頻率密切相關,導致震源中心頻率越高,震源達到同等穿透效果所需聲源級越大。設震源中心頻率為750 Hz,則500 m海底地層吸收損失為100 dB,深拖震源所需聲源級為≥205 d B。

由于地層吸收衰減與頻率、水深、地層深度的關系復雜,缺少實際測量數(shù)據(jù)支持,所以只能根據(jù)前人的聲反演結果做出大致推測:將等離子體震源主頻范圍擬定為(750±250)Hz,震源聲源級應≥210 dB。

1.2 深拖接收系統(tǒng)

1.2.1 道間距

道間距與橫向分辨率密切相關,理論上可以從偏移時間剖面上分辨地下尺度大于半個道間距的地質體。此外,道間距大小決定了空間域采樣間隔,空間域采樣間隔過大,會造成空間假頻,影響剖面質量[17]。常規(guī)多道地震儀的道間距一般為12.5 m或更大,因此,在高分辨率地震勘探中,為提高地震記錄的橫向分辨率,應選擇較小的道間距[18],本研究將道間距選定為3.125 m。

1.2.2 排列長度

近年來,AVO技術在天然氣水合物勘探中發(fā)揮著越來越重要的作用[19-20]。疊前AVO反演精度的提高需要保證較好的入射角度范圍,入射角范圍窄會給地震反演,尤其是疊前反演帶來困難。相較于常規(guī)海面拖曳地震勘探系統(tǒng),深拖地震探測系統(tǒng)可以用較短的拖纜排列長度達到較好的入射角度范圍,為地震數(shù)據(jù)精準反演提供數(shù)據(jù)基礎。由圖2可知,震源激發(fā)點S與接收點R的距離的一半為h0,拖曳高度為Z,地震入射角為γ,則:

圖2 常規(guī)拖曳與深拖地震觀測系統(tǒng)反射角與排列長度對比示意圖Fig.2 Comparison of the reflection angles and array lengths between conventional and deep-towed seismic systems

當拖曳高度Z=100 m時,反射角γ=30°和γ=40°時對應的排列長度分別為115和168 m。因此,為了能夠進行AVO反演,深拖地震勘探系統(tǒng)排列長度不能小于115 m。本系統(tǒng)設計研制的地震接收纜有效排列長度為150 m,當以100 m高度拖曳時最大反射角約37°,優(yōu)于美國DTAG深拖系統(tǒng)(拖曳高度300 m,最大反射角36°)和法國SYSIF深拖地震系統(tǒng)(拖曳高度100 m,最大發(fā)射角30°),能夠得到更好的AVO反演效果。

1.2.3 采樣率

震源特性對采集系統(tǒng)提出了不同的要求,例如由于氣槍震源等常規(guī)震源主頻低,采集系統(tǒng)設計的最大采樣率一般為4 k Hz。而本系統(tǒng)深拖震源的主頻高,本采集系統(tǒng)最大采樣率設定值高達16 k Hz。此外,較高的主頻和較小的采樣間隔不僅可以提高地震分辨率,而且可以彌補短排列的缺陷,從而提高速度分析的精度,更好地滿足天然氣水合物勘探的需求[21]。

本設計與國外主要深拖系統(tǒng)(美國DTAG系統(tǒng)和法國SYSIF系統(tǒng))的技術指標對比如表1所示。表中對比了震源系統(tǒng)和接收采集系統(tǒng)的主要技術指標,可見本系統(tǒng)在聲源級、采樣率等指標方面有較大優(yōu)勢,在頻帶和排列長度等指標方面與國外系統(tǒng)相當,雖在作業(yè)深度方面與國外系統(tǒng)仍有較大差距,但可以滿足絕大多數(shù)海域天然氣水合物調(diào)查工作需求。下面就深拖震源和深拖接收系統(tǒng)關鍵技術設計進行論述。

表1 本設計與國外主要深拖系統(tǒng)的技術參數(shù)對比Table 1 Specifications of the domestic and foreign deep-towed seismic systems

2 深拖震源系統(tǒng)關鍵技術

深拖地震系統(tǒng)的設計工作水深為2 000 m,克服超高靜壓對等離子體震源發(fā)射陣的影響是深拖震源研發(fā)的主要技術挑戰(zhàn)。水靜壓對發(fā)射陣的電學特性幾乎沒有影響,但對發(fā)射陣放電激發(fā)產(chǎn)生的氣泡脈動和聲脈沖輻射影響較大,主要表現(xiàn)為發(fā)射聲波基頻升高和幅值降低[22-24]。因此,本研究設計了一套耐壓透聲發(fā)射陣,可在2 000 m水深超高靜壓環(huán)境下實現(xiàn)震源有效激發(fā)。

2.1 耐壓透聲艙材料選擇

為實現(xiàn)在2 000 m水深超高靜壓環(huán)境下震源的有效激發(fā),承載震源發(fā)射陣的容器需要兼具耐壓和透聲特性。應用于海洋深水條件下的耐壓容器多采用不銹鋼或者鈦合金材料,耐壓性能好,但透聲性很差;應用于海洋地質勘探的透聲材料一般包括橡膠、聚氨酯等,水聽器和換能器等都應用到這類材料,然而這類材料透聲性好,但剛性很差,不能用于制作耐壓容器。碳纖維材料透聲性能好,強度高,具有耐腐蝕和高模量等特點。然而,碳纖維材料的耐沖擊性較差,進行開孔、焊接等機械加工難度大。因此,耐壓透聲艙的艙壁主體采用碳纖維材料,兩側端蓋使用不銹鋼材料。碳纖維材料的艙體可以有效抵御外部深層海水靜壓力,并能將內(nèi)部聲波能量輻射出去。

2.2 發(fā)射陣結構設計

耐壓艙抵御了外層海水的高靜壓力,艙內(nèi)保持了常壓條件。但等離子體震源發(fā)射陣激發(fā)的原理是利用強電場和脈沖電流使海水局部氣化產(chǎn)生氣泡,利用氣泡膨脹、收縮的過程向外輻射脈沖聲波。由于碳艙內(nèi)灌裝的海水基本不可壓縮,若無減壓增容措施,多電極放電將導致碳艙內(nèi)壓瞬間急劇抬升,氣泡膨脹將受到抑制,進而導致聲波能量的衰弱。為此,為發(fā)射陣設計了氣體緩沖艙,緩沖艙位于碳艙頂部并與碳艙連通(圖3)。單電極產(chǎn)生氣泡的直徑隨激發(fā)能量提高而增加,本系統(tǒng)每個電極平均最大能量約7.5 J,常壓環(huán)境下產(chǎn)生的氣泡最大膨脹半徑約8 mm[25],單子陣(包含198根電極)產(chǎn)生氣泡的總體積約450 m L。震源未激發(fā)時氣體艙內(nèi)為常壓環(huán)境,震源激發(fā)期間產(chǎn)生的氣泡總體積將擠壓緩沖艙內(nèi)原有氣體體積,為提高緩沖作用,艙容積應遠大于氣泡總體積的5～10倍為宜。

圖3 深拖震源及其發(fā)射陣外形結構Fig.3 Structural design for deep-towed seismic source

在震源激發(fā)瞬間,緩沖艙將提供由于氣泡膨脹所需的額外體積需求。由于震源激發(fā)產(chǎn)生的氣泡壽命很短,常壓下約2.6 ms[26],因此需要在極短的時間內(nèi)將碳艙內(nèi)的海水排到緩沖艙暫存。為此,碳艙與緩沖艙之間的連通管道需要能夠提供足夠大的流量,才能起到緩解瞬時內(nèi)壓的作用。我們分別對連通管道不同的直徑取值進行了模型仿真,仿真結果見圖4。由圖4可知,在直徑為30 mm時,碳纖維艙體內(nèi)部壓力將達到21 MPa,基本沒有起到緩解內(nèi)壓的作用;而直徑為70 mm時,內(nèi)部壓力僅有0.7 MPa。因此,設計采用的連通管道直徑為70 mm,使內(nèi)部壓力維持在1 MPa以下,有效降低了內(nèi)壓對子波的影響。

圖4 不同連通管徑對緩解碳艙瞬時內(nèi)壓作用的對比Fig.4 Comparison of effects of different pipe diameters on relieving instantaneous internal pressure of carbon tank

3 深拖接收系統(tǒng)關鍵技術

常規(guī)近海面多道地震接收系統(tǒng)一般包括多道拖曳電纜和室內(nèi)終端控制平臺兩部分[27]。而深拖多道地震接收系統(tǒng)則還包括一套水下控制中心,這一點是與常規(guī)近海面地震探測系統(tǒng)最主要的區(qū)別。水下控制中心(Operation Control Center,OCC)是深拖地震水下設備的核心,主要由雙核ARM處理器與FPGA構成的SoC片上系統(tǒng)組成,關鍵功能在于控制深拖震源定距激發(fā)和實時連續(xù)記錄地震數(shù)據(jù),兼顧水下設備深度、高度等狀態(tài)信息的轉發(fā)。室內(nèi)終端控制平臺功能被弱化,僅用于參數(shù)的設置、地震數(shù)據(jù)的監(jiān)視和水下設備狀態(tài)信息的監(jiān)視。

3.1 震源激發(fā)控制

OCC接收室內(nèi)終端控制平臺下發(fā)的定位系統(tǒng)NMEA導航數(shù)據(jù),ARM處理器負責語句解析,FPGA根據(jù)語句解析結果和震源激發(fā)參數(shù)(炮間距)自主計算震源激發(fā)時刻。在每個激發(fā)時刻,FPGA發(fā)出觸發(fā)信號給震源和ARM,震源激發(fā)地震波,ARM記錄炮時文件,震源激發(fā)控制具體信息流如圖5所示。在此圖中亦示出了深度計、高度計數(shù)據(jù)經(jīng)由光電復合纜上傳至室內(nèi)終端控制平臺的信息流及深拖震源與震源監(jiān)控主機間的命令與狀態(tài)信息流。

圖5 震源激發(fā)控制信息流示意圖Fig.5 Schematic diagram of seismic source trigger control information flow

3.2 地震數(shù)據(jù)連續(xù)記錄

深拖多道地震數(shù)據(jù)由拖纜上傳至OCC后,由OCC對數(shù)據(jù)進行連續(xù)不間斷記錄。由于深拖地震水下設備無授時秒脈沖(每秒脈沖數(shù)為1)信號,不能進行實時時鐘校正,如何實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)時鐘與震源激發(fā)時鐘的精確同步是本技術的難點。為解決此問題,設計OCC內(nèi)部的FPGA接收到拖纜地震數(shù)據(jù)后,對每一個數(shù)據(jù)點寫激發(fā)標志位,然后發(fā)給ARM進行編排封裝。FPGA根據(jù)RMC解析結果計算炮點激發(fā)時刻,在相應的炮點時刻輸出TTL觸發(fā)脈信號控制深拖震源激發(fā),并對當前地震數(shù)據(jù)點的激發(fā)標志位置位。ARM檢查數(shù)據(jù)點的激發(fā)標志位,當檢測到標志位為“1”時,將當前數(shù)據(jù)點序號寫入炮時文件,實現(xiàn)激發(fā)時刻數(shù)據(jù)點號的準確記錄。地震數(shù)據(jù)連續(xù)記錄具體信息流如圖6所示,圖中亦示出了地震采集設置命令下發(fā)的信息流和地震數(shù)據(jù)水下存儲和室內(nèi)備份存儲的信息流。

圖6 地震數(shù)據(jù)連續(xù)記錄信息流示意圖Fig.6 Schematic diagram of continuous recording information flow

4 系統(tǒng)深海測試

深拖地震設備樣機于2019年完成集成和調(diào)試,并將其命名為“揆洋”號,以紀念自然資源部第一海洋研究所地球物理學家王揆洋研究員。2019年10月對“揆洋”號深拖地震系統(tǒng)在我國南海進行了深海試驗[28](圖7),試驗海區(qū)位于瓊東南海域(圖8),海底地形平緩。處理后得到的深拖多道地震疊加剖面如圖9所示。

圖7 “揆洋”號深拖地震系統(tǒng)海試外業(yè)Fig.7 Photo of Kuiyangdeep-towed seismic system

圖8 “揆洋”號深拖地震系統(tǒng)海試區(qū)域位置Fig.8 Location of the sea trial area of the Kuiyangdeep-towed seismic system

圖9 “揆洋”號深拖地震系統(tǒng)海試地震剖面Fig.9 Seismic profile of the sea trial of the Kuiyangdeep-towed seismic system

試驗中震源激發(fā)能量設置為3 000 J,激發(fā)炮間距6.25 m,最小炮檢距12.5 m。最大拖曳深度為2 025 m,拖體離底高度保持在90～110 m,拖曳速度保持在2～3 kn。由處理后的深拖多道地震疊加剖面結果(圖9)可知,地層穿透深度最大可達雙程時380 ms,從疊加結果對比單道剖面可以看出系統(tǒng)探測時間上達到了約350 ms(雙程時)。疊加剖面海底以下50 ms內(nèi)同相軸連續(xù)性好,波阻清晰;此外疊加剖面中存在多處繞射現(xiàn)象,可能為斷層等不連續(xù)構造或褶皺(黃色圈);有可能有小規(guī)模氣煙囪(紅色三角),在2 415 ms處可能有似海底反射層(Bottom Simulating Reflectors,BSR)特征?？梢婎l帶范圍為200～2 400 Hz,主頻約1 000 Hz。疊加剖面顯示了縱向分辨率＜1 m及橫向分辨率＜10 m的高分辨率特點,基本達到了預期效果。

5 結 語

本文針對我國深水海域天然氣水合物等新資源精細調(diào)查需求,設計了一套近海底高分辨率地震探測系統(tǒng)。不同于國外類似設備設計,該系統(tǒng)采用深拖型等離子體震源激發(fā)地震波。耐壓透聲發(fā)射陣以碳纖維材料為主體,可抵御20 MPa外部高靜壓,獨特的緩沖艙結構使發(fā)射陣內(nèi)壓維持在1 MPa以下,這些技術使得深拖等離子體震源具有高聲源級(214 dB),寬頻帶(200～2 400 Hz)的特點。接收系統(tǒng)方面,FPGA和ARM相結合的水下控制器實現(xiàn)了震源的定距激發(fā)控制和地震數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄,提高了系統(tǒng)作業(yè)效率。深海試驗結果表明,系統(tǒng)具備了在2 000 m水深環(huán)境下近海底地震作業(yè)的能力,穿透深度和分辨率等指標基本滿足我國海域水合物探測需求。