曾軍財

（宜昌測試技術研究所，湖北宜昌 443003）

基于氣槍陣列的海洋地震勘探研究

曾軍財

（宜昌測試技術研究所，湖北宜昌 443003）

簡要介紹了海洋地震勘探基本原理，提出了氣槍陣列組合的兩種設計方法，并進行了詳細描述。然后針對影響氣槍陣列激發(fā)效果的多個因素進行了具體闡述，為氣槍陣列的具體設計提供了參考；最后對氣槍陣列的懸掛方式進行了分析說明。

氣槍陣列；懸掛方式；海洋地震

1 概述

海洋地震勘探是由專用船只拖著海上拖纜來完成的。在船只經(jīng)過目標區(qū)域時放炮，由拖纜或儀器記錄信號。標準的拖纜是3 000～8 000 m長，在常規(guī)采集中，它要攜帶幾百個檢波器組。震源產(chǎn)生地震波，震波向下傳播，進入地下，并在巖石之間的界面上產(chǎn)生反射，反射波回到水體介質，被水下檢波器接受，并把反射波到達的時間和反射距離記錄在磁帶記錄儀，經(jīng)計算機處理和地質人員的分析，就可獲知海底地質結構。一般的地震船和水下檢波器電纜的組合形式示意圖如圖1所示。

圖1 地震船和水下檢波器電纜的組合形式示意圖

2 氣槍陣列

目前海洋地震勘探中，為了獲得較好的氣槍子波特性，提高震源能量，基本都采用氣槍陣列組合。依據(jù)不同容積的氣槍其氣泡周期存在差別的特性，把確定容積的氣槍按照設計好的位置進行布置，實現(xiàn)各槍輸出的主脈沖疊加，氣泡脈沖互相抑制，從而實現(xiàn)提高能量及氣槍子波品質，減少氣泡振蕩的目的，組合后輸出子波及頻譜特性良好的組合為組合槍。而目前海洋勘探經(jīng)常采用相干組合與調諧組合[1]。目前對氣槍陣列的設計，主要有以下兩種。

一是依據(jù)已經(jīng)成熟的氣槍陣列組合理論公式，進行計算機編程設計，形成專用的氣槍陣列的計算機軟件，并在計算機中設置好氣槍陣列中各把槍的容量，并模擬出氣槍陣列的子波。然后，對理論設計好的氣槍陣列進行海上拖曳放炮試驗，將實際測出的氣槍陣列的子波與計算機軟件模擬的子波進行對比，如果兩者相似，則說明重新設計的氣槍陣列是可用的，否則要重新調整設計參數(shù)[2]。

二是采用類比法。類比法是在已經(jīng)通過試驗驗證，對確定可用的氣槍陣列進行部分調整。比如：已知一個氣槍陣列為：2×（200+150+120+ 100+80+60），其總容量為0.023 m3共12把槍，如圖2所示。則可運用類比法設計成以下一個新的陣列：2×（2×100+2×75+120+2×50+2×40+60），該陣列共20把槍，此次氣槍陣列的調整，從總容量上來看未發(fā)生變化，但其采用了8組相干槍取代了原有的6個大容量槍，從而使主脈沖和氣泡比都有了顯著提高，有利于數(shù)據(jù)分析。

圖2 氣槍陣列排列圖

3 影響氣槍陣列激發(fā)效果的因素

（1）氣槍同步的影響

國際上通用的氣槍同步標準是：在常規(guī)地震勘探時，氣槍的同步誤差的絕對值小于或等于1 ms，在進行高分辨勘探時，同步誤差的指標為±0.3～±0.5 ms，無論是常規(guī)勘探還是高分辨勘探，小于同步誤差的泡數(shù)都不能低于95%。如果氣槍不同步，會嚴重影響氣槍的子波和頻譜，因為在設計氣槍陣列時，是在考慮氣槍同步的條件下使各槍主脈沖恰好疊加，而氣泡脈沖相互抵消。嚴重時可能會產(chǎn)生廢泡[3]。

（2）氣泡半徑

在氣槍陣列中，各組氣槍產(chǎn)生的氣泡脈沖會相互作用，這將導致氣泡脈沖振幅得到一定的衰減，所以有必要使其降低至一個可以忽略的量級。經(jīng)試驗驗證得出各組氣槍之間的距離，必須大于等于10倍氣泡平衡半徑才能滿足要求。

（3）供氣壓力

氣槍結構尺寸一定，受力情況的分配一定，氣槍的穩(wěn)定工作就有一個壓力范圍。隨著壓力降低，氣槍則容易失穩(wěn)。而且隨著供氣壓力的變化，需要調節(jié)氣槍主控電磁閥的導通氣流時間，以獲得合適的激發(fā)氣槍的送氣量(或壓力)，使氣槍穩(wěn)定工作。氣槍壓力升高后，頻譜中低頻輸出增加，峰-峰值升高，氣泡比增加。故壓力升高后，氣槍子波品質變好，穿透力增加。

（4）主控電磁閥的選配

不同型號的電磁閥，對氣槍的控制效果不同。因為激發(fā)氣槍的氣動力隨電磁閥的不同而不同，致使氣槍工作的穩(wěn)定性和氣槍耗氣量，都有一定的影響。氣槍如用的二位二通電磁閥，其激發(fā)氣槍時的導通時間對氣槍工作穩(wěn)定情況很大。如果進一步合理選用二位三通或二位四通電磁閥，對改善氣槍性能是有好處的。

（5）氣槍陣列耗氣系數(shù)

氣槍陣列耗氣系數(shù)：氣槍陣列實際用氣量與氣槍陣列公稱用氣量之比值。從單把氣槍(bolt型氣槍)的結構形式看出，儲氣室和上氣室是通過活塞桿中心孔相通的，而在整個工作過程中，又是始終與氣源相通。這種氣槍的這一特點，致使氣槍在高壓下工作耗氣系數(shù)明顯增加，低壓時則小。此種現(xiàn)象，已有試驗數(shù)據(jù)證實。而且試驗中還可看到，當氣壓很低時，由于氣槍儲氣室的氣體釋放不徹底，而造成氣槍耗氣系數(shù)小于1，此時氣槍能量沒有完全釋放，被視為是一種特殊情況。同樣從單把氣槍結構可看出，當氣槍排氣口從打開到關閉的整個時間里氣槍所有氣室連同氣源都是與外界暢通的，因此，氣槍陣列的耗氣系數(shù)對氣槍陣列的激發(fā)效果有較大的影響。

（6）氣槍容量

是描述氣槍大小，能量強弱的指標，而針對氣槍陣列，氣槍容量是指所有氣槍容量的總和；

（7）延遲時間

是指從電磁閥開啟到高壓氣體釋放到水中的時間間隔；

影響氣槍陣列激發(fā)效果的因素還有氣槍陣沉放深度、控制器及充氣時間等，這里不再詳細敘述。

4 氣槍陣列的懸掛方式

氣槍陣列在水中的布置方式主要有兩種：一種是船尾后拖式，另一種是船體兩側側吊式。船尾后拖式如圖1所示。這種方式主要是將氣槍陣列安裝在拖纜上，并要保證拖纜在水下一定深度，以達到最佳的勘探效果。船體兩側側吊式如圖3所示[4]。

圖3 氣槍陣列船體兩側側吊式示意圖

當氣槍陣列在靠近岸邊淺水區(qū)進行試驗時，以如圖3所示的方式進行試驗較合適；其中船體兩側氣槍陣列的距離L、船體同側兩氣槍陣列的距離H及氣槍陣列中兩槍之間的間距d都需要在進行試驗時先進行理論計算，以得出最佳的取值。然后在試驗中進行驗證及修改。

5 氣槍陣列在海洋地震勘探中的應用

氣槍陣列是目前海上地震勘探中應用最廣泛的海上震源。氣槍陣列具有綠色環(huán)保、高精度、可重復、經(jīng)濟適用、結構簡單、維修方便、壽命長、性能穩(wěn)定、自動化程度高、同步性好等諸多優(yōu)點，其已占海上震源的95%以上。目前在國內(nèi)，氣槍陣列的運用主要是在石油勘探上，如果水深大于3 m，一般選用氣槍作為勘探震源。石油勘探要求氣槍激發(fā)高頻率的氣槍信號，高分辨率探測淺部海洋地殼的結構。倘若進行遠距離的探測深部地殼甚至是上地幔的結構，則根據(jù)高頻信號的易衰減性的理論，若想在遠距離處，接收到氣槍信號，并進行深部探測，就必須讓氣槍激發(fā)出低頻信號。同時，因為垂直穿透深，水平傳播距離遠，必須要求氣槍激發(fā)的信號能量足夠大，所以，要求得到能激發(fā)低頻高能的氣槍陣列，作為海洋地震勘探的手段和方法，而大容量的氣槍陣列能夠滿足要求，這也是氣槍陣列的一個發(fā)展方向[5]。

6 結論

以氣槍陣列作為海洋地震勘探的人工震源，主動探測深部地下結構，能獲得海量的數(shù)據(jù)，來解決天然地震的有限而使研究區(qū)域的數(shù)據(jù)覆蓋不夠等問題。本文針對氣槍陣列的設計進行了說明，并對影響氣槍陣列激發(fā)效果的因素進行了詳細分析，同時提出了兩種氣槍陣列的懸掛方式，對基于氣槍陣列的海洋地震勘探研究提供了參考。

［1］趙秀鵬.海洋氣槍震源組合及子波模擬［J］.油氣地質與采收率，2004，11（4）：36-38.

［2］狄?guī)妥?，唐博文，陳浩林，?氣槍震源的理論子波研究.石油大學學報：自然科學版，2003，27（5）：32-35.

［3］大港油田科技叢書編委會.地震勘探資料采集技術［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［4］於國平，姜海.將淺水鉆井船改造成淺水小型氣槍震源船［J］.物探裝備，2005，15（3）：153-155.

［5］羅桂純，王寶善，葛洪魁，等.氣槍震源在地球深部結構探測中的應用研究進展［J］.地球物理學進展，2006，21（2）：400-407.

Research on Ocean Seismic Prospecting Based on the Air Gun Array

ZENG Jun-cai
（Yichang Testing Technique Research Institute，Yichang 443003，China）

The paper simply explained the work principles of Ocean Seismic Prospecting，advanced two design methods about air gun array,and particular description of the ways.Then emphases expatiate some influence factors of the fire effect for air gun array,it can provide reference for the design of air gun array and explain the hanging ways of the air gun array.

air gun array；hanging ways；ocean seismic

P715

A

1009－9492(2014)03－0030－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.009

曾軍財，男，1980年生，江西贛州人，碩士，工程師。研究領域：海洋環(huán)境監(jiān)測及地質勘探。

(編輯：阮 毅)

2013－09－03