海上寬頻地震采集技術(shù)研究進展

張占輝

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300459)

0 引言

海洋油氣探明儲量在全球探明儲量中占比約為1/3，但是探明程度較低。隨著全球油氣需求快速增長以及陸地勘探開發(fā)難度增大，海上將成為油氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場。近些年，越來越多的石油公司以及服務(wù)公司將海上油氣勘探開發(fā)作為技術(shù)創(chuàng)新的主攻方向。

海上地震數(shù)據(jù)采集是海上油氣勘探開發(fā)的基礎(chǔ)，地震資料品質(zhì)在很大程度上決定了對地下油藏的認(rèn)識程度。過去海上地震數(shù)據(jù)采集主要采用常規(guī)拖纜技術(shù)，該技術(shù)將水檢檢波器按照一定間隔固定在拖纜上，保證所有檢波器在同一水平面，在拖纜船的帶動作用下進行數(shù)據(jù)采集。這種方法具有施工效率高、作業(yè)靈活等特點，但隨著海上油氣勘探開發(fā)精度不斷提高，對地震資料品質(zhì)也提出了更高要求，常規(guī)拖纜采集地震資料已經(jīng)難以滿足高精度勘探開發(fā)需求。

寬頻地震資料是在常規(guī)地震資料基礎(chǔ)上向高頻端和低頻端拓展，覆蓋更多的頻率，不僅能夠提升地震資料對薄層的識別能力，還能夠改善鹽下地震成像，對隱蔽圈閉勘探具有重要意義[1]。鑒于寬頻地震資料在地震勘探開發(fā)中的優(yōu)勢，寬頻地震資料采集技術(shù)成為學(xué)術(shù)研究中的熱點。

1 寬頻地震資料和鬼波

在海上地震資料采集過程中，通常將震源和檢波器沉放到一定深度，震源激發(fā)的地震子波在向下傳播的同時也會向上傳播。由于海水面是一個非常強的波阻抗界面，震源激發(fā)的子波在向上傳播至海面后會被反射回來，再向下傳播，形成震源鬼波。檢波器會直接接收到地下反射信號，也會接收到先到達海面經(jīng)過海面反射作用之后再傳輸至檢波器的信號，即檢波器鬼波[2]。此外，震源激發(fā)子波先傳至海面，經(jīng)過海面反射作用向下傳播，反射上來之后再達到海面，經(jīng)過海面反射作用再傳至檢波器，便會形成震源和檢波器鬼波。因此在海上地震資料采集中，檢波器除了接收到有效反射波外，還會接收到震源鬼波、檢波器鬼波、震源和檢波器鬼波，如圖1所示。

圖1 海上地震資料采集鬼波產(chǎn)生示意圖

鬼波具有陷頻作用，在低頻端和高頻端均會對地震有效信號產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致地震頻譜較窄[3]。鬼波陷頻作用與震源和檢波器沉放深度有關(guān)，沉放深度越淺，陷頻點會向高頻移動，有助于保護高頻信息，但是低頻信息相對缺失。鬼波是海上地震資料采集不可規(guī)避的問題，海上寬頻地震資料采集便是通過壓制鬼波來獲得寬頻帶地震數(shù)據(jù)。

2 海上寬頻地震采集技術(shù)

2.1 傾斜電纜采集技術(shù)

該技術(shù)最早由Ray在1982年提出，但由于當(dāng)時傾斜電纜采集數(shù)據(jù)處理缺乏配套方法，導(dǎo)致該技術(shù)難以實際應(yīng)用。2010年Soubaras創(chuàng)造了鏡像偏移和聯(lián)合反褶積相結(jié)合的處理方法，為傾斜電纜采集技術(shù)推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。在該背景下，很多石油公司推出了具有自身特色的傾斜電纜采集技術(shù)，比如CGG的BroadSeis和Schlumberger的ObliQ技術(shù)等。

在傾斜電纜采集中，通過拖纜操控技術(shù)合理控制電纜傾斜程度，檢波器深度隨著偏移距增大而增大。在常規(guī)拖纜采集時，電纜鬼波與地震有效信號為平行狀態(tài)，在疊前地震道集上難以有效識別，無法徹底去除。而傾斜電纜采集時，由于檢波器深度不在同一水平面上，隨著偏移距增加，電纜鬼波逐漸與有效信號分離，這時可以較為清晰識別電纜鬼波[4]。在對地震資料完成淺水區(qū)多次以及自由表面多次波壓制之后，通過疊前時間偏移將有效反射信號道集拉平，這時電纜鬼波表現(xiàn)為向下彎曲狀態(tài)。然后再開展鏡像疊前時間偏移將有效反射信號道集拉平，這時電纜鬼波表現(xiàn)為向上彎曲狀態(tài)。對疊前時間偏移結(jié)果和聯(lián)合疊前時間偏移結(jié)果進行聯(lián)合反褶積，便可以在保留有效信號的基礎(chǔ)上壓制電纜鬼波。在去除電纜鬼波之后地震資料的低頻端和高頻端均會得到拓展，地震資料品質(zhì)明顯改善[5]。

同時，在傾斜電纜采集中隨著檢波器沉放深度增加，涌浪噪聲、拖拽噪聲等也明顯減弱，信噪比顯著提升。與常規(guī)拖纜采集效果相比，傾斜電纜采集地震資料具有更高的信噪比和分辨率。

2.2 上下雙纜采集技術(shù)

該技術(shù)最早由Sonneland于1986年提出，雖然在理論層面較為完善，但由于缺乏有效的拖纜控制技術(shù)，導(dǎo)致上下雙纜采集技術(shù)難以推廣實際應(yīng)用。近幾年，隨著固體拖纜技術(shù)成熟和完善，上下雙纜采集技術(shù)開始快速發(fā)展，其中具有代表性的是Schlumberger的DISCover技術(shù)。

上下雙纜采集技術(shù)是指在海上地震資料采集過程中采用上下雙層纜來接收地震信號，利用上下雙層纜檢波器沉放深度不同，不同沉放深度所對應(yīng)的陷波頻率不同，來降低陷波影響，拓寬地震頻帶[6]。通常情況下上層拖纜沉放深度為5～8 m，下層拖纜沉放深度為15～30 m。上下雙纜資料處理結(jié)果既保留了淺層的高頻信息，又保留了深層的低頻信息，使得目的層地震反射能量強，具有較高的信噪比。為更為理想的寬頻效果，要確保上下兩層電纜數(shù)量保持一致，并且相應(yīng)的上下纜處于同一垂直平面內(nèi)[7]。有研究表示，在上下雙纜采集過程中，下層拖纜的主要作用是獲取低頻信息，低頻信息對應(yīng)的空間假頻較少，因此只需要較少的深層電纜便可以取得理想的采集效果。

上下纜資料采集效果受到上下纜位置的影響，除盡量讓上下纜在一垂直面外，還要通過有效處理手段消除上下纜之間存在的振幅、頻帶、相位的差異以及拖纜水平方向的偏移影響。上下雙纜采集地震資料在處理方面與常規(guī)拖纜地震資料處理最大的差異是上下纜地震資料合并。圖2為上下雙纜采集示意圖。

圖2 上下雙纜采集示意圖

2.3 雙檢電纜采集技術(shù)

該技術(shù)是指將壓力檢波器和速度檢波器一起集成在電纜同一位置，在地震資料采集中壓力檢波器(水檢)和速度檢波器(陸檢)同時獨立接收信號，圖3為PGS公司的雙檢檢波器。對于上行波來說，壓力檢波器和速度檢波器接收到的信號極性是相同的；但對于下行波來說，壓力檢波器和速度檢波器接收到的信號極性是相反的。這樣將壓力檢波器和速度檢波器接收到的信號相加便可以去除下行波，將兩者接收到的信號相減便可以去除上行波。雙檢電纜采集數(shù)據(jù)完成之后通過壓力檢波器和速度檢波器數(shù)據(jù)合并或者上下行波場分離便可以去除鬼波，拓寬地震資料頻帶[8]。雙檢電纜采集技術(shù)既可以應(yīng)用于拖纜采集中，也可以應(yīng)用于海底電纜采集中。其中，雙檢海底電纜采集相比雙檢拖纜采集更具優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在能夠避開海上采油平臺等障礙物，施工方式更加靈活。與常規(guī)壓力檢波器數(shù)據(jù)、速度檢波器數(shù)據(jù)相比，經(jīng)過雙檢合并之后的寬頻數(shù)據(jù)鬼波得到明顯壓制，地震資料低頻成分和高頻成分能量均得到明顯增強。

圖3 PGS公司的雙檢檢波器

2.4 同步多級震源采集技術(shù)

上述所提到的傾斜電纜采集技術(shù)、上下雙纜采集技術(shù)以及雙檢電纜采集技術(shù)均為在信號接收端來消除鬼波，但主要是消除檢波器鬼波，而不能消除震源鬼波。為了對震源鬼波進行壓制，同步多級震源采集技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)壓制鬼波思想與檢波器端壓制鬼波思想一致，即通過不同震源因所在深度不同導(dǎo)致的陷波點不同，實現(xiàn)對鬼波的壓制[9]。PGS公司以及CGG公司等均先后推出了同步多級震源采集技術(shù)，并且在應(yīng)用中取得了一定成效。同步多級震源采集技術(shù)主要是將槍陣沉放在同一垂直平面內(nèi)的不同深度上，如圖4所示。在采集作業(yè)過程中兩個槍陣交替激發(fā)，得到同一激發(fā)點兩個不同激發(fā)深度炮記錄，采用信號分離技術(shù)分析激發(fā)鬼波特征，進而去除震源鬼波。該技術(shù)與其他寬頻技術(shù)聯(lián)用，通常可以取得更為理想的寬頻效果。

圖4 同步多級震源采集示意圖

3 結(jié)語

綜上所述，寬頻地震采集已經(jīng)成為海上地震數(shù)據(jù)采集的重要發(fā)展方向，其可以有效拓展地震資料頻帶范圍，獲得更為豐富的低頻和高頻信息，特別是對復(fù)雜構(gòu)造區(qū)地震成像具有重要意義，可以顯著提升地震資料的解釋能力，為海上油氣高精度勘探開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

目前關(guān)于海上寬頻地震采集已經(jīng)形成了一系列技術(shù)，包括傾斜電纜采集技術(shù)、上下雙纜采集技術(shù)、雙檢電纜采集技術(shù)、同步多級震源采集技術(shù)等，部分技術(shù)已經(jīng)較為完善和成熟，部分技術(shù)處于探索試驗階段。在海上寬頻地震采集實踐中應(yīng)基于工區(qū)特點，包括水深、平臺障礙物、目的層埋深以及自然環(huán)境等，需要科學(xué)選擇合理的寬頻地震采集技術(shù)，同時還應(yīng)加強寬頻地震數(shù)據(jù)的處理攻關(guān)，助力獲得更為理想的寬頻成像結(jié)果，實現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)體的精細準(zhǔn)確解釋。