海上獨立同步震源采集技術應用及進展

李士濤，張 笑，于 寧，劉建為，王夢瑤

(1.東方地球物理勘探有限責任公司 海洋物探分公司，天津 300457；2.湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034；3.東方地球物理勘探有限責任公司 大慶物探二公司，吉林 松原 138000)

1 引 言

混合采集模式的概念最早應用于陸地地震采集，具有代表性的采集方法為滑動掃描[1](Slip-sweep)、高保真可控震源采集[2](HFVS, High Fidelity Vibratory Seismic Method)、分距同步震源模式(DSSS)等。其中，分距同步震源模式(DSSS，Distance-separated Simultaneous Sources)在陸地勘探中得到了廣泛的應用，其要求同步震源激發(fā)距離足夠大，以保證目的層的有效反射信號不被鄰炮干擾信號壓制。該技術的應用需要很大的排列擴展距離，以達到距離分離的效果。并且，為了保持炮點的同步激發(fā)性，要求震源和記錄系統(tǒng)精確匹配。

相比陸地可控震源，海上氣槍震源受缺乏子波整形的能力，以及冗余的震源激發(fā)需要保持一定的船速，海上震源船成本等限制因素[3]，導致海上氣槍震源高效混采技術發(fā)展相對較晚。隨著海洋節(jié)點設備連續(xù)采集性能的不斷推廣和應用，海上混合高效采集技術得到了迅猛發(fā)展。BP石油公司于2006年引入更為靈活的獨立同步震源(ISS，Independent Simultaneous Source)采集技術，采用多個震源在很小的時間間隔內(nèi)獨立激發(fā)，能成功地以較低的采集成本獲得高品質的地震數(shù)據(jù)[4]。2009年BP公司推動該技術由陸地向海上采集的轉變，在墨西哥海域進行了成功試驗[5,6]，后期于2017年在印度尼西亞水域完成了首例世界超大規(guī)模海底節(jié)點采集(OBN，Ocean Bottom Node)項目，推動了海底節(jié)點地震采集生產(chǎn)效率的提高和獲得高品質采集數(shù)據(jù)方法的革新[7,8]。

相對于傳統(tǒng)的采集模式，該技術的應用不僅能夠獲得較高的覆蓋次數(shù)和寬方位的地震數(shù)據(jù)，更為重要的是能夠大大地提高采集效率，減少勘探成本的投入，縮短施工周期，最小化野外作業(yè)安全風險[9]。

2 同步震源(混合)采集原理

混合采集數(shù)據(jù)可以表述為一個線性矩陣方程式[8,10,11]

d=Γm

(1)

其中，d為連續(xù)道集記錄混采數(shù)據(jù);m為所期望分離的有效信號;Γ為混疊算子;描述炮點激發(fā)的時間和位置信息。

同步震源激發(fā)采集數(shù)據(jù)的分離處理，被廣泛認為是處理技術的一大挑戰(zhàn)。通過混疊分離處理將不同激發(fā)源產(chǎn)生的混疊信號相互分開，形成無鄰炮干擾的炮檢道集。目前可使用的基于去噪和基于稀疏反演的兩類混采數(shù)據(jù)分離方法，都是利用數(shù)據(jù)在某種域內(nèi)有效信號的連續(xù)性與混疊噪聲的隨機分布特征。傳統(tǒng)的相干噪聲衰減方法分離干擾炮是可以接受的。但相對而言，稀疏反演方法采用在共檢波點道集上壓制干擾炮噪聲，取得的分離效果相對較好[12,13]。首先通過傅里葉變換來提取相干信號，然后利用主炮相干信號預測鄰炮干擾，并從原始數(shù)據(jù)中減去，通過殘差不斷迭代，最終實現(xiàn)高質量的數(shù)據(jù)分離。并且當?shù)卣饠?shù)據(jù)采集混疊度較高時，更有利于有效信號的分離和提取[14,15]。分離后的地震數(shù)據(jù)，即可采用常規(guī)的處理流程。

由于混采數(shù)據(jù)樣點數(shù)遠少于有效信號樣點數(shù)，該方程式的問題是欠定的。加以額外限制約束以獲得唯一解，Abma提出相干限制方程式[12,13]即,

d=ΓSm

(2)

其中，S為相干限制因子，其假設分離的有效信號與鄰道具有相干性。m有效信號在FK域(Frequency Wave Number Domian)表現(xiàn)為相似頻率特征，隨機干擾炮噪聲表現(xiàn)為分散性，利用這種差異可以在FK域采用稀疏反演法進行噪聲衰減。

3 獨立同步震源(ISS)

ISS高效采集技術是一種降低成本、提高地震采集數(shù)據(jù)質量的方法，在炮點單獨激發(fā)、檢波點持續(xù)記錄的方式下進行地震數(shù)據(jù)采集。ISS高效采集無疑是海上節(jié)點地震高效采集較優(yōu)化的方案，其兩大關鍵影響因素為炮點激發(fā)的隨機延遲時間(Δt，Dither Time)與炮點空間分布的最小激發(fā)距離。該參數(shù)能夠保證炮點激發(fā)充足的自然隨機性和混疊程度，也是后續(xù)地震數(shù)據(jù)處理分離的關鍵。

3.1 隨機延遲時間(Dither Time)

海上震源船施工以導航系統(tǒng)基于點位信息進行炮點激發(fā),激發(fā)時間因船速的實時變化的影響而具有自然的隨機性。然而，隨機延遲時間的應用確保了多船作業(yè)震源激發(fā)的隨機性，有利于進一步的減少地震干擾的影響。該數(shù)值隨機分布在一個±250 ms(或±500 ms)時窗內(nèi)(圖1)，該范圍決定了最大獨立震源數(shù)的投入，每一炮的激發(fā)時間=炮點間距/船速±250 ms。因此，在共檢波點道集上實際激發(fā)炮點有效波是相干性的，鄰炮地震干擾在一定程度上被認為是隨機的。隨機延遲時間參數(shù)是后期炮點分離的關鍵因素，使數(shù)據(jù)在不同域轉換中顯示出了差異性，能有效地進行地震干擾信號的分離與衰減。

3.2 最小激發(fā)距離

震源空間激發(fā)分布的隨機性也是ISS高效采集的關鍵因素，最小激發(fā)距離能夠使記錄的混疊數(shù)據(jù)具有較大的能量差異性，有利于后期數(shù)據(jù)的分離處理。

4 野外采集

4.1 觀測系統(tǒng)設計

本次采集的觀測系統(tǒng)的設計原則如下：

1)最大限度地減少噪聲混合與提高采集效率。觀測系統(tǒng)的設計在高效混合采集模式下起到?jīng)Q定性的作用[16]。受觀測系統(tǒng)本身和采集設備投入成本的限制，較大的最小距離很難實現(xiàn)海上混采高效采集的目的。

2)確保排列持續(xù)滾動、數(shù)據(jù)采集無間斷進行。通過綜合分析不同同步激發(fā)距離的分離后炮檢點道集與頻譜的保真度、殘差均方根振幅的差異，確定ISS采集技術適用最小震源間距。

按這些原則確定了如圖2所示的觀測系統(tǒng)，節(jié)點接收排列長度為9 000 m，炮線長度為21 000 m，檢波線與炮線間隔分別為300 m和50 m。接收排列采用20條滾動1條的方式進行，并且額外鋪設5根排列，確保排列持續(xù)滾動、數(shù)據(jù)采集無間斷進行。確定最小震源間距為6 km[17]。該方案在阿聯(lián)酋某海域地震采集中成功實施。

圖2 同步震源采集方式示意圖

4.2 震源船施工

采用2條單源震源船+1條雙源震源船配合激發(fā)，相互間保持6 000 m以上最小激發(fā)距離。整體施工以雙源船激發(fā)采集為主(Flip-Flop,12.5 m/每炮)，單震源船為輔。采用“追逐” 放炮方式，達到施工效率最大化。圖3為不同震源船炮點激發(fā)間隔時間分布圖，Δt的引入明顯減少了炮點激發(fā)時間的隨機性。

圖3 炮點激發(fā)時間間隔統(tǒng)計

4.3 效率對比

與以往常規(guī)的采集效率相比，本次ISS高效采集的效率約為其的2.5倍(圖4)。常規(guī)采集方式受炮點間距、記錄長度等因素的制約而導致船速存在上限，因此24小時單位時間內(nèi)的炮數(shù)產(chǎn)量也存在上限。ISS高效采集效率與海上采集設備投入的多少有關，并且項目運作前期需對成本投入和效率測算進行平衡評估，以確定最優(yōu)化的海上采集資源配置方案。

圖4 ISS高效采集與常規(guī)采集效率對比

5 最新技術進展

5.1 進展介紹

以周期性的Dither Time替代隨機延遲時間，以模型數(shù)據(jù)為基礎利用地震數(shù)據(jù)空間頻帶寬度的限制將混疊數(shù)據(jù)在頻率波數(shù)域(FK domain, Frequency-Wave Number Domain)進行分離，該技術稱為波場信號呈現(xiàn)(Wavefield Signal Apparition)。其采用拖纜三源激發(fā)模式在挪威北海試驗成功[18,19]。在設計的炮點上三個震源同時激發(fā)，每個震源激發(fā)的隨機延遲時間Δt≤0.020 s(20 ms)(圖5)。

圖5 北海拖纜Signal Apparition采集試驗觀測系統(tǒng)

相對于傳統(tǒng)的雙源、三源交替放炮模式而言，該技術有效地增加了在單位時間、面積內(nèi)采集的炮密度。由Statoil(Equinor)最初研究并應用，后期美孚、康菲公司、Wintershall Norge AS陸續(xù)研究。Viking Graben Dataset and SEAM Open Data、CGG挪威、Shearwater等數(shù)據(jù)處理公司先后對采集的數(shù)據(jù)進行處理。

5.2 原理

波場信號呈現(xiàn)技術采用混疊數(shù)據(jù)分離原理[20,22]，假定第一震源沿著直線均勻采樣產(chǎn)生波場g，第二震源也以固定激發(fā)方式沿著第二條直線方向產(chǎn)生波場h，同一檢波點位置波場干擾記錄的總和為f=g+h。圖6為傳統(tǒng)采集為信號呈現(xiàn)方式采集原理的示意圖。通過時空傅里葉變換，在頻率波數(shù)域(Frequency-Wave Number Domain，F(xiàn)K域)記錄的混疊數(shù)據(jù)以F=G+H表示，在FK域所有信號能量位于信號錐內(nèi)(圖6a)。H部分分為2個部分，H=H++H-，H-為已知，并與尼奎斯特波數(shù)相區(qū)分，H為標尺函數(shù)，通過選擇頻率函數(shù)A(ω)得到轉換的波場H，G=F-H。通過反傅里葉變換，在時空域(XT域, Time Distance Domain, XT domain)將波場g和h進行分離。

圖6 FK域波場信號數(shù)據(jù)集 [19]

5.3 實例

圖7為波場信號呈現(xiàn)技術數(shù)據(jù)分離示例。其中，圖7(a),圖7(d)為XT和FK域混疊數(shù)據(jù)，圖7(b),圖7(c),圖7(e)和圖7(f)為模擬的不同炮點采集數(shù)據(jù)及相應的FK域數(shù)據(jù)，圖7(g), 圖7(h),圖7(j)和圖7(k)為混疊數(shù)據(jù)在FK域成功分離后的結果。從圖7可以看出，混疊數(shù)據(jù)在FK域數(shù)據(jù)差異明顯，通過數(shù)據(jù)分離可以獲得清晰的成像資料。

(a)為XT域采集混疊數(shù)據(jù)；(d)為FK域混疊數(shù)據(jù)；(b)&(e)為模擬的第一震源在XT域和FK域數(shù)據(jù)；(c)&(f)為模擬的第二震源在在XT域和FK域數(shù)據(jù)；(g)&(h)為分離的第一震源在XT域和FK域數(shù)據(jù)；(j)&(k)為分離的第二震源在XT域和FK域數(shù)據(jù)；(i)為第一震源分離誤差；(l)為第二震源分離誤差

6 結 論

獨立同步震源技術(ISS)的發(fā)展和應用，推動了海洋勘探高效率、低成本的進程，具有里程碑的意義。其投入的設備、人員數(shù)較常規(guī)采集方式略大，但取得的效果卻有顯著的差異，為常規(guī)采集效率的2～3倍，大大地縮短了海上勘探的周期，也意味著在很大程度上降低了海上高風險作業(yè)的暴露時間。通過本次研究得出以下結論：

1)隨機延遲時間和最小激發(fā)距離是ISS高效采集技術的關鍵因素，決定了后期混疊數(shù)據(jù)分離的效果。

2)觀測系統(tǒng)的設計不僅決定了后期采集資料的品質和分離效果，而且也是海上勘探資源配置方案的重要參考依據(jù)，以實現(xiàn)低成本、高效率的采集。

3)稀疏反演方法在分離混疊數(shù)據(jù)方面得到了很好的應用，且當混疊度較高時，更有利于有效信號的分離和提取。

4)波場信號呈現(xiàn)采集技術進一步推進了同步震源采集方法的革新。