張 鵬,李 欣,楊 凱,陳 磅

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津塘沽300451)

海洋空氣槍點(diǎn)震源陣列優(yōu)化組合設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 鵬,李 欣,楊 凱,陳 磅

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津塘沽300451)

應(yīng)用氣槍震源子波模擬軟件,通過(guò)不同氣槍陣列組合的震源子波模擬試算進(jìn)行海上寬方位地震數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)震源陣列設(shè)計(jì)。闡述了陣列組合對(duì)于點(diǎn)震源陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義;分析了陣列間距和沉放深度對(duì)子波模擬結(jié)果的影響;針對(duì)渤海某工區(qū)海底復(fù)雜斷裂帶中、深層目的層成像問(wèn)題,并結(jié)合BH518震源船的實(shí)際生產(chǎn)條件,設(shè)計(jì)了四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列并選出其最優(yōu)陣列參數(shù),使得其激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波在子波性能、頻譜質(zhì)量和能譜分布上達(dá)到各方面兼顧。將此點(diǎn)震源陣列應(yīng)用于研究工區(qū)的地震采集試驗(yàn),所獲資料的最終成像效果得到顯著改善,表明所設(shè)計(jì)的四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列是適用于實(shí)際寬方位地震資料采集作業(yè)的較優(yōu)點(diǎn)震源陣列。

氣槍震源;點(diǎn)震源陣列;遠(yuǎn)場(chǎng)子波;子陣間距;沉放深度;四子陣

空氣槍具有精度高、重復(fù)性好、經(jīng)濟(jì)適用、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),已成為海上油氣勘探中應(yīng)用最廣泛的震源。空氣槍震源激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波是震源的一個(gè)重要參數(shù)。隨著勘探靶區(qū)逐步向深水區(qū)延伸,在深水區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)海上高分辨率、高信噪比地震勘探,要求震源激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波主脈沖強(qiáng)、初泡比大、頻帶寬[1],并且要求低頻能量強(qiáng)、陷波點(diǎn)頻譜能量相對(duì)較強(qiáng)、有效頻帶范圍內(nèi)的頻譜光滑。前人對(duì)優(yōu)選氣槍陣列激發(fā)參數(shù)以提高震源子波性能做了大量的研究工作,陳浩林等[2]、楊懷春等[3]研究了海洋地震勘探中空氣槍震源激發(fā)特征;李緒宣等[4]先后進(jìn)行了平面氣槍陣列參數(shù)的優(yōu)選研究,以及立體陣列遠(yuǎn)場(chǎng)子波數(shù)值模擬初步研究;楊凱等[5]、王建花等[6]進(jìn)行了非常規(guī)六子陣立體延遲激發(fā)震源設(shè)計(jì)研究。但是,前人優(yōu)選出的氣槍陣列震源激發(fā)的子波能譜分布在平面上都具有明顯的方位特性,在深度剖面上也具有明顯的方向性,難以滿足海上寬方位地震采集的要求。隨著寬方位地震資料采集技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受重視,針對(duì)寬方位地震資料采集對(duì)震源激發(fā)特性的需求,激發(fā)子波不存在方向性差異的點(diǎn)震源陣列設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的研究方向。對(duì)于點(diǎn)震源陣列設(shè)計(jì),國(guó)外一些學(xué)者做了初步的研究,Hopperstad等[7]提出了無(wú)方向性震源的設(shè)計(jì)理念;Moldoveanu等[8]詳細(xì)闡述了點(diǎn)源激發(fā)的優(yōu)勢(shì);Quigley[9]對(duì)點(diǎn)震源陣列進(jìn)行了描述;Saunders等[10]進(jìn)一步討論了點(diǎn)震源陣列設(shè)計(jì)方法;Niang等[11]對(duì)氣槍震源能量指向性進(jìn)行了研究。

在前人研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)海底復(fù)雜斷裂帶中深層目的層成像及分辨率問(wèn)題,并結(jié)合BH518震源船實(shí)際震源設(shè)計(jì)條件,提出了適應(yīng)于實(shí)際生產(chǎn)條件和勘探環(huán)境的四子陣點(diǎn)震源陣列組合排列方式,其模擬的遠(yuǎn)場(chǎng)子波能夠滿足特定海上勘探環(huán)境下的寬方位地震數(shù)據(jù)采集作業(yè)的要求。

1 氣槍陣列組合的意義

受制作工藝的限制,單槍激發(fā)的子波能量太小,無(wú)法滿足實(shí)際勘探作業(yè)的要求。氣槍子陣列是由多個(gè)氣槍單元(單槍或一組相干槍)組合而成,氣槍陣列震源則是由多個(gè)氣槍子陣列以一定陣列間距組合而成。氣槍陣列震源實(shí)現(xiàn)了各氣槍單元間的調(diào)諧作用[12],使其激發(fā)脈沖得到有效疊加,以保證子波具有足夠強(qiáng)的能量;氣泡脈沖得到有效壓制,使遠(yuǎn)場(chǎng)子波具有足夠大的初泡比,以保證所采集的地震資料具有較高的信噪比;頻譜光滑程度較好,以保證子波信號(hào)的穩(wěn)定性;具有不同容量的氣槍單元,以保證子波具有較寬的帶寬和足夠強(qiáng)的高、低頻能量。

一個(gè)氣槍單元可視為理想的點(diǎn)震源,其激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波能譜分布在極坐標(biāo)中表現(xiàn)為不同能量帶均呈圓環(huán)狀分布,不同方位角對(duì)應(yīng)的能譜呈對(duì)稱分布并且差別不大。由多個(gè)氣槍單元組合而成的氣槍子陣列激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波是各氣槍單元的疊加子波,其能量也是各氣槍單元的子波疊加能量。如圖1 所示,氣槍子陣列在空間分布上就有明顯的方位特性,其激發(fā)的子波疊加信號(hào)因方位角和出射角不同而不同,這就造成遠(yuǎn)場(chǎng)子波能譜分布具有明顯的方向性差異[13]。圖2是圖1所示子陣列(sub1)激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波不同頻率對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)能譜分布圖以及不同方位角對(duì)應(yīng)的能譜分布圖,圖中不同能量帶整體不再是圓環(huán)形分布而是橢圓形分布,并且存在明顯的方位性差異,頻率越高方向性差異越明顯,不同方位角對(duì)應(yīng)的頻譜分布差異也很大,不再是點(diǎn)震源的能譜分布特征。

圖1 某子陣列(sub1)平面排列示意(1in3≈16.4cm3)

將多個(gè)子陣列進(jìn)行合理的組合形成雙子陣或多子陣震源陣列,可以有效減小其激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波因方位角或出射角的不同而產(chǎn)生的差異,從而使子波能譜分布的方向性差異變小,使震源陣列更接近點(diǎn)震源陣列。如圖3所示,雙子陣震源陣列由兩個(gè)子陣列(sub1)以10m的陣列間距(子陣列之間的距離)組合而成,其激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波能譜分布如圖4 所示。相對(duì)單子陣列而言,雙子陣震源陣列子波能譜分布方向性差異明顯變小,特別是高頻對(duì)應(yīng)的能譜圖已不再是扁平橢圓分布而是更接近圓形的正方形分布,不同方位角下的能譜分布差異也明顯變小。

由多個(gè)子陣列以相同沉放深度(子陣列沉放在海水中距離海面的距離)組合而成的平面陣列震源,相對(duì)于由多個(gè)子陣列以不同沉放深度組合而成的立體陣列震源而言,平面陣列震源的優(yōu)勢(shì)在于在實(shí)際勘探作業(yè)中具有更強(qiáng)的可操作性和可控制性,使其在海洋環(huán)境中具有更好的穩(wěn)定性,其激發(fā)的子波主脈沖疊加效果更好;平面陣列的“相位中心”[14]位于海平面上,與沉放深度無(wú)關(guān),可以最大限度地減小出射角的變化對(duì)能量分布的影響。立體陣列的“相位中心”不在海平面上,而是與各子陣列的沉放深度有關(guān),且立體點(diǎn)震源陣列的設(shè)計(jì)難度大。因此,本文基于平面陣列進(jìn)行點(diǎn)震源陣列設(shè)計(jì)研究。

圖2 子陣列(sub 1)10Hz(a),30Hz(b),60Hz(c)和90Hz(d)遠(yuǎn)場(chǎng)子波對(duì)應(yīng)的能譜分布及0方位角(e)和90°方位角(f)對(duì)應(yīng)的能譜分布

圖3 雙子陣震源陣列平面排列示意(1in3≈16.4cm3)

圖4 雙子陣震源陣列10Hz(a),30Hz(b),60Hz(c)和90Hz(d)遠(yuǎn)場(chǎng)子波對(duì)應(yīng)的能譜分布及0方位角(e)和90°方位角(f)對(duì)應(yīng)的能譜分布

2 陣列參數(shù)對(duì)子波模擬結(jié)果的影響

氣槍陣列震源的陣列參數(shù)包括子陣間距、陣列沉放深度、不同容量氣槍分布位置等,各項(xiàng)陣列參數(shù)對(duì)子波模擬結(jié)果都有較大的影響,并且他們之間是相互關(guān)聯(lián)的,在陣列震源優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,要考慮各方面影響因素綜合選取較優(yōu)的陣列參數(shù)[15]。在傳統(tǒng)的陣列震源優(yōu)化設(shè)計(jì)中,選取多種不同容量的氣槍單元交錯(cuò)排列,不同容量的氣槍選取合適的分布位置,使其激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波具有較高的子波質(zhì)量和頻譜質(zhì)量。對(duì)于點(diǎn)震源陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)而言,在遵循傳統(tǒng)陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上,更要注重其激發(fā)子波的能譜分布特征,因而子陣間距和陣列沉放深度的選取就顯得尤為重要。

3.1 子陣間距對(duì)子波模擬結(jié)果的影響

子陣間距對(duì)子波模擬結(jié)果的影響更側(cè)重于其對(duì)子波能譜分布的影響。如圖5所示,在四子陣震源陣列中,不同容量的氣槍單元整體分布呈上下、左右對(duì)稱,在其他陣列參數(shù)不變的前提下,改變陣列的子陣間距進(jìn)行子波模擬。圖6至圖11是分別對(duì)應(yīng)子陣間距D分別為4,6,8m時(shí)的子波能譜分布；通過(guò)對(duì)比可見(jiàn),子陣間距對(duì)子波能譜分布影響很大,選取適當(dāng)?shù)淖雨囬g距可以使陣列激發(fā)子波能譜分布呈現(xiàn)圓形(圖7),而過(guò)大或過(guò)小的子陣間距都會(huì)造成能譜的橢圓形分布,這點(diǎn)在高頻處尤為突出。大量模擬試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于平面陣列震源而言,陣列整體長(zhǎng)寬比直接影響能譜分布是否呈現(xiàn)圓形,當(dāng)陣列長(zhǎng)寬比為1∶1,即陣列整體趨于正方形分布時(shí),其能譜分布最接近圓形。

圖5 四子陣震源陣列平面排列示意(子陣間距6m—6m—6m，1in3≈16.4cm3)

圖6 子陣間距4m—4m—4m的子波能譜分布(從左至右依次為10,30,60和90Hz遠(yuǎn)場(chǎng)子波)

圖7 子陣間距6m—6m—6m的子波能譜分布(從左至右依次為10,30,60和90Hz遠(yuǎn)場(chǎng)子波)

圖8 子陣間距8m—8m—8m的子波能譜分布(從左至右依次為10,30,60和90Hz遠(yuǎn)場(chǎng)子波)

圖9 子陣間距4m—4m—4m時(shí)方位角對(duì)應(yīng)的能譜分布

圖10 子陣間距6m—6m—6m時(shí)方位角對(duì)應(yīng)的能譜分布

圖11 子陣間距8m—8m—8m時(shí)方位角對(duì)應(yīng)的能譜分布

3.2 沉放深度對(duì)子波模擬結(jié)果的影響

沉放深度對(duì)子波模擬結(jié)果的影響更加側(cè)重于其對(duì)子波質(zhì)量和頻譜質(zhì)量的影響,其對(duì)子波能譜分布的影響不大。表1列出了某陣列震源只改變沉放深度情況下的子波模擬結(jié)果各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值,圖12 顯示了不同沉放深度情況下子波頻譜統(tǒng)一歸一化后的對(duì)比圖。通過(guò)表1參數(shù)數(shù)值對(duì)比結(jié)合圖12 頻譜對(duì)比可見(jiàn),沉放深度對(duì)子波模擬結(jié)果影響的規(guī)律為:隨著氣槍陣列震源沉放深度變深,初泡比逐漸變小,陷波點(diǎn)向低頻方向移動(dòng),帶寬逐漸變小,能量向中低頻部分集中,高頻部分效果變差,而低頻部分能量逐漸升高。

表1 某陣列震源不同沉放深度模擬結(jié)果的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值對(duì)比

圖12 某陣列震源不同沉放深度的子波頻譜對(duì)比

3 四子陣點(diǎn)震源陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用試驗(yàn)

在實(shí)際勘探作業(yè)中,不同震源船對(duì)應(yīng)的氣槍類型、能夠使用的不同容量的氣槍單元總個(gè)數(shù)、子陣列個(gè)數(shù)、各子陣列氣槍掛點(diǎn)位置都是固定的,因此需要根據(jù)具體震源船的生產(chǎn)條件進(jìn)行適用于實(shí)際勘探作業(yè)的點(diǎn)震源陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí),還要考慮實(shí)際的勘探環(huán)境,選取綜合較優(yōu)的陣列參數(shù)。因?yàn)椴煌目碧江h(huán)境所要求的子波性能參數(shù)也不一樣,比如當(dāng)目的層較淺時(shí),所要求的陣列震源激發(fā)子波的初泡比越大越好;當(dāng)目的層較深時(shí),所要求的陣列震源激發(fā)子波在具有一定大的初泡比的同時(shí)要有足夠強(qiáng)的低頻能量,以保證其具有足夠強(qiáng)的穿透能力。

能夠適用于實(shí)際勘探作業(yè)的較優(yōu)點(diǎn)震源陣列,其激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波信號(hào)質(zhì)量要求較高,要在子波性能、頻譜質(zhì)量和能譜分布上能夠達(dá)到各方面兼顧。上下、左右對(duì)稱分布的陣列震源雖然在能譜分布特征上近乎為理想的點(diǎn)震源陣列,但由于其使用的氣槍單元種類較少并且分布位置較為固定,不能有效地壓制氣泡脈沖,從而造成其激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波從子波性能和頻譜質(zhì)量上看還達(dá)不到高質(zhì)量的水平。因此需要改變陣列對(duì)稱分布方式,使用更多不同容量的氣槍單元,合理安排其在陣列排列中的位置,使其非對(duì)稱交錯(cuò)排列,從而提高陣列震源激發(fā)遠(yuǎn)場(chǎng)子波的質(zhì)量,達(dá)到各方面兼顧。

渤海某工區(qū)為油公司地震采集處理重點(diǎn)攻關(guān)的探區(qū),經(jīng)過(guò)拖纜、海底電纜等多次地震采集及處理攻關(guān)試驗(yàn),采用了高密度、寬方位等采集技術(shù),仍然難以解決復(fù)雜斷裂帶成像問(wèn)題以及分辨率問(wèn)題。本文針對(duì)此問(wèn)題,結(jié)合BH 518震源船實(shí)際震源設(shè)計(jì)條件,進(jìn)行了四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列設(shè)計(jì)及陣列參數(shù)優(yōu)選。如圖13所示,組成四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列的氣槍單元為容量分別為210，150，70，40in3的相干槍和容量分別為300，210，150，100，70，40in3的單槍10種類型,合理安排其空間位置,子陣間距選取為5m,陣列中各氣槍單元非對(duì)稱分布,整體容量為4700in3,考慮目的層為中深層要求較高的低頻能量,選取陣列整體沉放深度為7m。

圖14和圖15給出了該陣列震源方位角與出射角都為0處的遠(yuǎn)場(chǎng)子波模擬結(jié)果。由圖14a可見(jiàn),其主脈沖為84.6MPa·m,初泡比為22.1;由圖14b可見(jiàn),其有效帶寬為6～95Hz,譜線較為光滑,特別是低頻部分能量較高。由圖15可見(jiàn),其中、低頻對(duì)應(yīng)的能譜分布均成圓環(huán)形分布,90Hz高頻(圖15d)對(duì)應(yīng)的能譜呈接近圓形的正方形分布,不同方位角下的能譜分布差異不大。從圖15能譜分布上看,此項(xiàng)設(shè)計(jì)方案符合點(diǎn)震源陣列設(shè)計(jì)要求,并且遠(yuǎn)場(chǎng)子波信號(hào)的子波主脈沖能量和低頻部分能量足夠強(qiáng),初泡比也較大,在子波性能和頻譜質(zhì)量方面也都達(dá)到了高質(zhì)量的水平。因此,可以認(rèn)為此氣槍陣列震源是較優(yōu)的點(diǎn)震源陣列。

在原觀測(cè)系統(tǒng)不變的情況下,采用上述四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列進(jìn)行激發(fā)試驗(yàn),針對(duì)此工區(qū)進(jìn)行寬方位地震資料采集作業(yè)。圖16a為該區(qū)以前激發(fā)系統(tǒng)所采集地震資料的成像剖面,圖16b為采用四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列激發(fā)系統(tǒng)采集地震資料的新剖面。新、老剖面對(duì)比可以看出,以前的地震剖面中深部成像較差,分辨率低,洼陷底界波組連續(xù)性較差,洼陷內(nèi)幕能量較弱;而新的點(diǎn)震源陣列試驗(yàn)剖面上淺層分辨率和斷層成像質(zhì)量顯著提高,斷點(diǎn)清晰,中深層波組特征連續(xù),成像效果得到明顯改善。

圖13 四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列平面排列(1in3≈16.4cm3)

圖14 四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列遠(yuǎn)場(chǎng)子波波形(a)及其頻譜(b)模擬結(jié)果(1in3≈16.4cm3,1psi=6.895×10-3MPa)

圖15 四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列10Hz(a),30Hz(b),60Hz(c)和90Hz(d)遠(yuǎn)場(chǎng)子波對(duì)應(yīng)的能譜分布及0方位角(e)和90°方位角(f)對(duì)應(yīng)的能譜分布模擬結(jié)果

圖16 以前的地震成像剖面(a)與四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)陣源試驗(yàn)成像剖面(b)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

多子陣組合震源陣列可以有效減小其激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波因方位角或出射角的不同而產(chǎn)生的方向性差異,使震源陣列更接近點(diǎn)震源陣列。

子陣間距和沉放深度是影響子波模擬結(jié)果的兩個(gè)重要陣列參數(shù),其中子陣間距更加側(cè)重于對(duì)子波能譜分布的影響,而沉放深度更加側(cè)重于對(duì)子波質(zhì)量和頻譜質(zhì)量的影響。在進(jìn)行點(diǎn)震源陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),要根據(jù)實(shí)際的勘探環(huán)境和具體震源船的生產(chǎn)條件選取綜合較優(yōu)的陣列參數(shù)。

根據(jù)特定的生產(chǎn)條件和勘探環(huán)境設(shè)計(jì)了四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列,并選出其最優(yōu)陣列參數(shù),其激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)子波在子波性能、頻譜質(zhì)量和能譜分布上能達(dá)到各方面兼顧。渤海某工區(qū)應(yīng)用試驗(yàn)的結(jié)果表明,四子陣非對(duì)稱分布點(diǎn)震源陣列激發(fā)系統(tǒng)采集資料的成像效果得到明顯改善,可以認(rèn)為是適用于實(shí)際寬方位地震資料采集勘探作業(yè)的較優(yōu)點(diǎn)震源陣列。

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(編輯：朱文杰)

The optimal design of four sub-arrays point-source air-gun array in offshore seismic exploration

Zhang Peng,Li Xin,Yang Kai,Chen Pang

(GeophysicalAffairsDepartment,ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300451,China)

We apply air-gun source wavelet simulation software to test the point-source array design pressure signal of offshore wide-azimuth seismic data acquisition with different air-gun array combinations.The meaning of array combinations on the point-source array optimization design is characterized.Moreover,the impact of array spacing and array depth on wavelet simulation result is analyzed.Aiming at the target imaging problem of the middle-deep layers in ocean-bottom complex faulted zone at Bohai Area,combining with the actual operation conditions of BH518 geophysical vessel,four sub-arrays asymmetric distribution point-source array is proposed to adapt to offshore seismic exploration.The far-field wavelet stimulated by the point-source array meets the requirements in the wavelet performance,spectrum quality and spectral energy distribution.The results show that four sub-arrays asymmetric distribution point-source array is suitable for the offshore wide-azimuth seismic data acquisition.

air-gun source,point-source array,far-field wavelet,sub-array spacing,array depth,four sub-arrays

2014-07-31;改回日期：2014-11-05。

張鵬(1981—),男,工程師，主要從事海上地震勘探方法研究。

國(guó)家重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目“南海深水區(qū)油氣勘探地球物理關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05025-001)資助。

P631

A

1000-1441(2015)03-0292-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.007