P-Cable 高分辨率三維地震采集系統(tǒng)的技術(shù)分析

周大森，曾憲軍*，楊 冊，翟繼鋒

（1.自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510075；2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075）

海洋地震調(diào)查是勘探海洋能源的有效技術(shù)手段。早期的海洋地震勘探是通過二維地震進(jìn)行某一剖面的勘查，后來發(fā)展到利用三維地震勘探獲取地質(zhì)體信息。隨著海洋地震勘探技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為準(zhǔn)確圈定礦體和估算儲量，優(yōu)選鉆探目標(biāo)，高分辨率三維地震勘探逐步成為主要技術(shù)手段。

P-Cable 高分辨率三維地震采集系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一種新的高分辨率三維地震勘探技術(shù)，由于其電纜形狀而得名，它具有成本低、易于部署的特點，可提供近偏移距數(shù)據(jù)，具有非常高的采樣率[1]。相比常規(guī)的高分辨率三維地震采集技術(shù)，P-Cable 高分辨率三維地震采集系統(tǒng)不僅可以極大降低勘探生產(chǎn)所需要的成本，而且顯著地提高了采集數(shù)據(jù)的分辨率，獲得了相比常規(guī)三維地震數(shù)據(jù)精細(xì)得多的成像結(jié)果（圖1）。

圖1 在巴倫支海西南部采集的P-Cable 型纜和常規(guī)三維地震數(shù)據(jù)對比圖

P-Cable 高分辨率三維海洋采集系統(tǒng)采用高頻震源、極高的采樣率和極小的面元進(jìn)行三維地震采集[2]。P-Cable 采集系統(tǒng)適合小范圍，如50 km2范圍內(nèi)對海底地形進(jìn)行高分辨率成像，該地震采集關(guān)鍵性研究技術(shù)主要包括短排列、小道間距、窄纜間距、多纜三維地震采集系統(tǒng)，以及綜合導(dǎo)航定位、定位資料后處理等配套系統(tǒng)，還包括進(jìn)行深水小道間距、窄電纜間距地震采集施工的方法和流程的技術(shù)研究。

在高分辨率地震探測方面，我國已開展“近海工程高分辨率多道淺地層探測技術(shù)”“深水高分辨率淺地層探測技術(shù)”和“深水高精度地震勘探技術(shù)”等高分辨率多道地震探測技術(shù)研發(fā)，打破了國外壟斷。2020 年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在神狐海域進(jìn)行了“耙纜”三維地震采集，該技術(shù)通過一條長纜和多條短纜的組合來實現(xiàn)超小面元的地震勘探，通過使用高頻（主頻100～150 Hz）震源來實現(xiàn)高分辨率地震勘探，取得了良好的效果[3]。但國內(nèi)大部分三維地震探測裝備和技術(shù)依賴進(jìn)口，拖纜間距、道間距受到限制，無法滿足高精度探測要求[4-6]。

P-Cable 高分辨率三維海洋采集系統(tǒng)于2003 年獲得專利，并于2008 年商業(yè)化。美國、挪威等國家對該系統(tǒng)研發(fā)較為全面、成熟。國內(nèi)研發(fā)正處于起步階段，尚無相關(guān)應(yīng)用報道。P-Cable 三維地震采集技術(shù)在工程作業(yè)上成本相對較低，具有很高的性價比，目前已成功應(yīng)用于世界各地的許多海洋地質(zhì)調(diào)查中，能夠提供較傳統(tǒng)高分辨大型拖纜更加清晰的地質(zhì)資料，尤其在判斷局部關(guān)鍵的地質(zhì)問題和小范圍勘探但對精度要求很高的場合，如水合物的地質(zhì)成像分析[7]，淺層氣的運移和地質(zhì)風(fēng)險評估[8]，分析板塊運動的微小變化[9]，展現(xiàn)出非常獨到的優(yōu)勢。P-Cable 系統(tǒng)最大的缺點在于其拖纜比較短，因此偏移距短，利用P-Cable 系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)無法通過速度分析獲得速度結(jié)構(gòu)。而速度信息不僅是數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)成像中非常重要的參數(shù)，而且速度信息本身也是水合物儲層非常重要的參數(shù)[3]。本文將結(jié)合國外一些實際案例應(yīng)用來介紹P-Cable 三維地震勘探系統(tǒng)及其在海洋淺層勘探中的技術(shù)優(yōu)勢，并闡述該系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用前景。

1 P-Cable 高分辨率三維采集系統(tǒng)

P-Cable 三維采集系統(tǒng)主要由一系列地震短電纜拖拽在科考船的尾部，進(jìn)行多纜的三維地震數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)主要包括船上設(shè)備系統(tǒng)和水下設(shè)備系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。船上設(shè)備系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實時存儲與顯示系統(tǒng)、拖纜供電系統(tǒng)等。水下設(shè)備系統(tǒng)包括前導(dǎo)段、小道距工作段電纜、數(shù)字包、輔助段、拖帶系統(tǒng)等。與地震采集系統(tǒng)相匹配的其他設(shè)備包括綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、氣槍控制系統(tǒng)、水鳥控制系統(tǒng)和震源系統(tǒng)等。

圖2 高分辨率三維地震P-cable 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

船上設(shè)備系統(tǒng)由室內(nèi)采集記錄系統(tǒng)和實時記錄軟件組成。記錄系統(tǒng)包括主計算機、數(shù)據(jù)采集卡、上位機采集軟件和質(zhì)量控制軟件。船上設(shè)備系統(tǒng)的功能主要是通過上位機控制水下設(shè)備工作，包括控制震源（高壓氣槍）點火放炮，向拖纜系統(tǒng)工作段發(fā)送同步命令信號，控制地震信號的采集和傳輸，并將水下采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，把得到的結(jié)果存儲并顯示在顯示系統(tǒng)上。

水下設(shè)備系統(tǒng)由水下電纜系統(tǒng)和震源系統(tǒng)組成。電纜數(shù)字包采用模數(shù)轉(zhuǎn)換，每個可控制24 通道，采樣率按0.25 ms、0.5 ms、1 ms、2 ms 和4 ms，動態(tài)范圍大于115 dB。電纜水聽器接收的地震信號經(jīng)過調(diào)理和A/D 轉(zhuǎn)換后由數(shù)字包里現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Progammable Gate Array，F(xiàn)PGA） 采集模塊采集，緩存后根據(jù)指令再由FPGA 傳輸模塊上傳到上一級數(shù)字包、電纜頭包，最后經(jīng)過前導(dǎo)段到主機采集卡，由上位機采集軟件記錄到存儲介質(zhì)。水下系統(tǒng)中震源（高壓氣槍）通過接收船上震源控制系統(tǒng)命令進(jìn)行點火放炮，拖纜系統(tǒng)工作段按照船上系統(tǒng)下傳的控制和命令同步信號，由水聽器陣列采集經(jīng)海底反射回來的地震波信號，經(jīng)過數(shù)字包進(jìn)行信號處理后逐級上傳，最終上傳至船上采集系統(tǒng)。

水下電纜系統(tǒng)主要由多條長度為12.5～100 m 短電纜組成，每條電纜有8～16 個信道，道間距為1.525～6.5 m。電纜由跨接電纜牽引在兩個擴(kuò)展器之間，由兩側(cè)的擴(kuò)展器提供張力，電纜的頭部固定在跨接電纜上（圖2），由電纜頂部的轉(zhuǎn)發(fā)模塊和集總模塊相連，形成電纜間的命令和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，每條探測電纜由數(shù)字包前后串聯(lián)組成?？缃与娎|為短電纜提供動力和通訊，并避免了直接從地震船拖動所有拖纜[10]（當(dāng)拖纜數(shù)量巨大或者地震船比較小的時候）。震源由高頻震源組成，深度約2 m，采集船速約為4.5 kn，激發(fā)間隔為3～6 s，炮間距6～12 m。

P-Cable 三維采集系統(tǒng)的主要技術(shù)特點及優(yōu)勢在于：（1）震源頻率高，主頻較高（達(dá)到150 Hz 以上），提高了垂向分辨率；（2）超短排列，小道間距，窄纜間距，從而實現(xiàn)了超小面元的地震勘探，提高了橫向分辨率；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)海底淺部沉積層的高分辨率地震勘探；（4）施工成本較低，性價比高。因此，P-Cable 三維采集技術(shù)是一項具有較強創(chuàng)新性的高分辨率地震勘探采集技術(shù)。

2 P-Cable 系統(tǒng)的應(yīng)用

P-Cable 高分辨率三維地震采集系統(tǒng)可實現(xiàn)超高分辨率地震成像，主要針對海底小目標(biāo)體進(jìn)行詳細(xì)三維地震結(jié)構(gòu)調(diào)查，以描述地表流體（天然氣煙囪）、淺層地質(zhì)和天然氣水合物儲層等地質(zhì)特征[7]。其應(yīng)用包括近淺層地質(zhì)災(zāi)害識別[11]、冰山犁痕成像研究[2]、淺層天然氣水合物的運移與識別等多種目標(biāo)。利用P-Cable 地震采集系統(tǒng)可以獲得超高分辨率三維數(shù)據(jù)。下面根據(jù)國外實際的案例來分析P-Cable 三維地震系統(tǒng)的技術(shù)特點和實際應(yīng)用能力。

2.1 淺層地質(zhì)災(zāi)害識別

傳統(tǒng)的三維地震數(shù)據(jù)由于其有限的時空分辨率，無法對水合物、淺氣層進(jìn)行詳細(xì)的成像和解析。P-Cable 高分辨率地震技術(shù)可更好地用于繪制淺層地質(zhì)圖，并預(yù)防淺層地質(zhì)災(zāi)害。它的時間和空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的三維地震分辨率。

2014 年，美國NCS Subsea 公司在墨西哥灣大陸坡中坡附近進(jìn)行了P-Cable 系統(tǒng)三維地震采集[2]。墨西哥灣大陸坡中坡附近具有復(fù)雜的地質(zhì)和海洋學(xué)特征，其特點是坡內(nèi)盆地被底辟和板狀鹽層切斷[12-14]。在墨西哥灣斜坡上的這一地區(qū)，有許多油氣滲漏、泥丘和天然氣水合物賦存[15-18]。此外，該地區(qū)在海洋學(xué)上受到墨西哥灣環(huán)流和相關(guān)中尺度渦流的影響[19]。

此次采用的P-Cable 系統(tǒng)使用18 條100 m 長的拖纜，拖纜道間距為6.25 m，拖纜間距為12.5 m，沉放深度為2 m。數(shù)據(jù)采集的面元尺寸為3.125 m×6.25 m。震源為0.003 44 m3的GI 槍，炮點間距為12.5 m[2]。記錄系統(tǒng)的采樣率為0.25 ms，記錄長度為4.5 s。氣槍控制系統(tǒng)記錄震源的近場信號，以監(jiān)測槍的狀態(tài)，確保槍的性能和可重復(fù)性。同時還收集了遠(yuǎn)場信號，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行特定處理。

圖3 為P-Cable 系統(tǒng)采集的墨西哥灣大陸坡中坡附近的地震數(shù)據(jù)剖面圖，該圖是一個透視切面圖，表明了數(shù)據(jù)在時間切片和剖面圖中的特征，并對特別相關(guān)的極細(xì)尺度特征進(jìn)行了放大。時間切片的中心可以看到細(xì)微的斷層和褶皺，并有多個排出特征。特別值得注意的是循環(huán)氣體異常，這通常被認(rèn)為是天然氣水合物丘的游離氣[8]。圖3 中放大的圖框顯示了P-Cable 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)具有很好的空間和垂向分辨率。圖3（c）顯示了寬度37.5 m 的斷層和位移塊（內(nèi)線），有限層厚度為1.5～3.0 m（假設(shè)速度為1 600 m/s）。圖3（b）突出了氣體沿著橫貫海底的斷層運移?？梢姎怏w異常的底部跨度約為15.6 m。圖4 顯示了在海底附近記錄的細(xì)節(jié)，從多個尺度揭示了海底地貌的各個方面，與鹽有關(guān)的水深高/低點、復(fù)合體物質(zhì)搬運、裂縫、斷層陡崖、土丘/排出特征和麻坑都清晰可見[2]。

圖3 P-Cable 三維地震獲得的淺地層數(shù)據(jù)

圖4 P-Cable 三維地震記錄的海底附近細(xì)節(jié)

2.2 冰山犁痕成像研究

冰山犁痕是全世界所有冰川大陸邊緣普遍存在的特征，它們是由冰山龍骨沖刷沉積的海底而形成的[20]。它們有各種大小和形狀，通常表現(xiàn)為線性或曲線的幾何形狀。巴倫支海是一個寬廣的大陸架，水深小于500 m。海底以淺灘和過深的跨陸架槽為主，以熊島槽最為突出。在過去的幾十年里，在侏羅紀(jì)砂巖中發(fā)現(xiàn)的幾處商業(yè)性油氣使西南巴倫支海成了一個油氣勘探活躍的地區(qū)[21]。西南巴倫支海同時也是一個典型的冰川邊緣地形，它的海底在其他冰川地貌中顯示出許多犁痕[22]。

2014 年，挪威火山盆地研究中心在西南巴倫支海利用P-Cable 系統(tǒng)采集了高分辨率三維地震數(shù)據(jù)，此次作業(yè)使用16 條25 m 長的短電纜，每條電纜有8 個檢波器，纜間距為12.5 m，這16 條電纜連接在一條彎曲的交叉電纜上，震源為0.003 44 m3的氣槍，震源深度2.5 m，采樣間隔0.5 ms，記錄長度為2 s，面元大小為6.25 m×4.75 m[23]，共采集了約200 km2的地震數(shù)據(jù)。

在此次作業(yè)中，P-Cable 三維地震數(shù)據(jù)的海底最大頻率為325 Hz，第四系沉積物包底部的最大頻率為300 Hz。對比常規(guī)二維地震數(shù)據(jù)和P-Cable 三維地震數(shù)據(jù)，可以看到P-Cable 三維地震數(shù)據(jù)顯著提高了冰內(nèi)層的成像精度，具有超高分辨率。海床和上部區(qū)域不均勻性都可以在這兩個數(shù)據(jù)中得到解釋，但冰川不整合面之下的多邊形斷層及冰川內(nèi)部（比如頂部冰磧及大量與之有關(guān)的搬運堆積物）的內(nèi)反射只能在P-Cable 三維地震數(shù)據(jù)中得到識別。冰川內(nèi)沉積物組主要是一個弱的、不連續(xù)的正振幅反射，映射到深度440～500 m（590～670 ms）（圖5）。該反射被高達(dá)40 m 的地震透反射層所掩蓋。冰磧的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)以一個透聲單元為特征，偶爾被急劇傾斜的連續(xù)正振幅反射中斷[24]。從P-Cable 地震數(shù)據(jù)解釋的冰川不整合形態(tài)非常詳細(xì)，可以識別出米級的冰川地貌，如犁型特征和菱形脊等。PCable 三維地震數(shù)據(jù)在上部區(qū)域不均勻性深度上，可以解釋小到1.5 m 的垂直結(jié)構(gòu)，該精度比常規(guī)三維地震數(shù)據(jù)高5 倍。常規(guī)三維地震數(shù)據(jù)無法解釋水平分辨率小于12 m 的地質(zhì)構(gòu)造，而P-Cable 三維地震數(shù)據(jù)的水平分辨率可以達(dá)到5～6 m（圖6）。這樣的水平分辨率與多波束測深探測儀分辨率相當(dāng)[25]，利用高分辨率P-Cable 地震數(shù)據(jù)，可以在淺層地層中獲得多波束海底成像相當(dāng)?shù)男Ч?。因此，我們可以對淺層地貌進(jìn)行高質(zhì)量的成像，其效果可媲美GoogleEarth 上的景觀成像（圖6（c））。

圖5 研究區(qū)不同采集技術(shù)地震資料垂向分辨率比較

圖6 用不同技術(shù)獲取的熱熔巖構(gòu)造（文獻(xiàn)[25]）

2.3 淺層天然氣水合物的運移與識別

挪威大陸邊緣海底蘊藏著大量深部和淺部天然氣。流體和天然氣不斷地從這些儲層運移到海底。在一些地區(qū)，垂直管道和海底麻坑提供了過去天然氣運移的證據(jù)，在其他地區(qū)，這些構(gòu)造仍然活躍[26]。維斯特內(nèi)薩洋脊是位于斯瓦爾巴特群島西部弗拉姆海峽莫洛伊洋脊東部擴(kuò)張段的年輕熱洋殼上的一個沉積物漂流體[27-29]，洋脊上覆蓋有超過2 km 厚的沉積物，這些沉積物是由晚中新世和上新世期間盛行的向北的等高線洋流沉積而成的[30]。在維斯特內(nèi)薩洋脊存在天然氣水合物，這與淺層天然氣成藏有關(guān)，因為天然氣水合物的形成降低了沉積物的滲透性，導(dǎo)致了下面的天然氣明顯超壓。淺層天然氣和天然氣水合物都具有潛在的危害，在設(shè)計和建造海底設(shè)施或鉆探深層天然氣水合物時，有關(guān)其分布的信息至關(guān)重要。

2007 年，挪威特羅姆瑟大學(xué)在維斯特內(nèi)薩洋脊進(jìn)行了P-Cable 三維地震采集，工區(qū)水深為1 200～1 300 m，使用8～12 條短纜，采集面積為23 km2。震源為0.003 44 m3的GI 槍，以4 kn 的船速，每10 s 放一炮，炮間距約為20 m[7]。

從P-Cable 三維地震采集數(shù)據(jù)中可以看到斯瓦爾巴德群島西部邊緣的層狀沉積層（圖7）被許多垂直管道或者氣煙囪結(jié)構(gòu)穿透，在海床上形成麻坑，這些麻坑代表著聚集的流體流動特征[31-33]。通過分析工區(qū)地震屬性，在海底之下160～170 m，存在似海底反射層[34]，分布在天然氣水合物穩(wěn)定帶的預(yù)測深度上，天然氣水合物沉積層其上的高振幅反射代表了游離氣聚集層。巴倫支海的P-Cable地震數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)能夠提供淺層天然氣和流體運移構(gòu)造的高分辨率成像。淺層地層的成像質(zhì)量非常高，與高分辨率二維地震數(shù)據(jù)相當(dāng)，甚至更好，同時具有三維構(gòu)造控制的優(yōu)勢。這些數(shù)據(jù)有助于繪制淺層地質(zhì)災(zāi)害和油氣成藏圖，并有助于了解沉積物中溫室氣體泄漏的過程和影響。

圖7 來自維斯特內(nèi)薩的P-Cable 三維地震數(shù)據(jù)（文獻(xiàn)[33]）

2.4 P-Cable 系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用前景

目前，P-Cable 三維采集系統(tǒng)在國外海洋地質(zhì)調(diào)查中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在海洋淺層勘探方面取得了良好的效果，但是國內(nèi)還沒有P-Cable 三維采集系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用。結(jié)合國內(nèi)的實際情況，P-Cable 系統(tǒng)將具有廣泛的應(yīng)用前景，例如水合物的精細(xì)成像分析，淺層氣的地質(zhì)風(fēng)險評估，風(fēng)場、橋梁等海底地基基礎(chǔ)勘察，深水（鉆井平臺）井場調(diào)查等方面。P-Cable 系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢及這些應(yīng)用領(lǐng)域預(yù)示著，該項技術(shù)今后在國內(nèi)會有比較廣泛的市場需求。這項技術(shù)能夠逐步替代傳統(tǒng)的二維多道地震的勘探方法，可以獲得資料更加完整細(xì)致的小三維數(shù)據(jù)體。在對施工成本要求非?？量痰捻椖坷铮啾葌鹘y(tǒng)三維采集，可以大幅度降低采集施工的作業(yè)成本。目前，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合多家單位正在攻關(guān)研制P-Cable 三維地震探測系統(tǒng)，以實現(xiàn)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)裝備的國產(chǎn)化，加快我國天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。如在天然氣水合物三維地震采集中獲得成功，將取得創(chuàng)新性的應(yīng)用效果。

3 結(jié) 論

本文對P-Cable 高分辨率三維地震采集系統(tǒng)進(jìn)行了研究，首先介紹了該系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和工作原理，分析了其技術(shù)優(yōu)勢和創(chuàng)新性，并用淺層地質(zhì)災(zāi)害識別、冰山犁痕成像研究和淺層天然氣水合物的運移與識別3 個方面的實際案例證明了P-Cable 高分辨率三維地震采集系統(tǒng)在超高分辨率方面強大的實際應(yīng)用能力。P-Cable 系統(tǒng)之所以能有這樣的技術(shù)優(yōu)勢，主要原因在于應(yīng)用超短排列、小道間距、窄纜間距的采集方式實現(xiàn)了超小面元的地震勘探，提高了橫向分辨率，且應(yīng)用較高的震源頻率提高了垂向分辨率，施工成本也得以明顯降低，從而以一種相對低成本高效的方式實現(xiàn)了超高分辨率三維地震數(shù)據(jù)采集，是一項具有較強創(chuàng)新性的高分辨率地震勘探采集技術(shù)。該系統(tǒng)具有獨特的拖帶方式及享有專利的特殊設(shè)備和電纜，具體配置的纜長跟設(shè)計的橫向距離有關(guān)，獨特的拖帶方式和電纜配置是實現(xiàn)超小橫向間距的關(guān)鍵保障，橫向距離越大，拖纜長度可以配置得越長，反之亦然。對于P-Cable 系統(tǒng)存在的電纜長度較短、采集數(shù)據(jù)無法進(jìn)行速度分析的問題還有待解決。我們或許可以參考耙纜三維地震采集技術(shù)，用一條長拖纜和多條短拖纜來采集地震數(shù)據(jù)，其中長纜采集的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行速度分析、速度反演和數(shù)據(jù)插值。

總的來說，相對于常規(guī)高分辨率三維地震勘探，P-Cable 三維地震勘探不僅成本大大降低，并且分辨率有了質(zhì)的飛躍，特別適用于天然氣水合物、淺層地質(zhì)災(zāi)害識別、斷層活動等淺層目標(biāo)的精細(xì)調(diào)查，有利于不同海域的天然氣水合物詳細(xì)勘查、大洋鉆探井位的選取和井位鉆探時間的評估。