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氣槍?zhuān)?水下震源理論與操作(Ⅲ)----槍陣*

Paul M. Krail

(德克薩斯州立大學(xué)奧斯汀分校，奧斯汀，美國(guó))

3槍陣性能

我們測(cè)試的最大單槍?zhuān)萘繛?000立方英寸，不能提供足夠的能量來(lái)獲取地表下3 km的反射波。使用單槍作為震源，更嚴(yán)重的不足是其產(chǎn)生的是單一的壓力脈沖，僅有一些環(huán)形振蕩。因此，反射脈沖也僅形成一些環(huán)形振蕩，這就不可能將主脈沖與次峰分離開(kāi)。對(duì)于地震探測(cè)來(lái)說(shuō)，重要的要得到壓力峰值，而不僅僅是圖8中所示的壓力變化的連續(xù)波。

我們通過(guò)利用槍陣來(lái)解決振幅不足和振蕩問(wèn)題。由于氣槍數(shù)量的增加，振幅得以增強(qiáng)。我們發(fā)現(xiàn)，不同容量尺寸的氣槍會(huì)產(chǎn)生不同振蕩周期的氣泡。因此，如果我們利用不同容量氣槍構(gòu)建槍陣，且所有氣槍同時(shí)激發(fā)，我們就能解決這兩個(gè)問(wèn)題。

單槍特性的疊合可以產(chǎn)生壓力脈沖的第一峰值。由于每個(gè)不同容量單槍具有不同的振蕩周期，存在相位差，因此, 后續(xù)峰值相互抵消。

圖9是6槍組成的槍陣圖，每支單槍具有不同容量，沉放深度為7.5 m。為了闡述上述觀(guān)點(diǎn)，圖10顯示了圖9中每支氣槍的壓力脈沖，獨(dú)立激發(fā)和所有氣槍同時(shí)激發(fā)的情形。槍陣的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)看起來(lái)與單槍差異較大。如果我們將圖10的槍陣遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)與圖8的單槍進(jìn)行對(duì)比，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)氣泡振蕩已經(jīng)大大減少。

圖9　槍陣(6槍)

圖10　圖6所示氣槍的信號(hào)

圖10顯示整個(gè)槍陣的氣槍特性。此信號(hào)顯示槍陣克服了單槍的氣泡振蕩問(wèn)題，并增強(qiáng)了主脈沖的振幅。

初始最大正脈沖被稱(chēng)為主脈沖，最大的負(fù)峰值是虛波，主脈沖后的較小的振幅被認(rèn)為是全部氣泡的共同振蕩。由于海面反射，負(fù)峰值后到來(lái)正峰值，也叫虛波。如果氣槍具有不同容積，因此形成的氣泡體積也存在差異，那么氣泡峰值出現(xiàn)的時(shí)間也會(huì)不同。通過(guò)合適的容量搭配，不同氣泡的脈沖可以在遠(yuǎn)場(chǎng)相互抵消。選擇調(diào)整槍陣容量，以致使得單槍的氣泡脈沖可以通過(guò)較小容量單槍的氣泡脈沖的虛波得以抵消。所有氣槍在同一深度，虛波脈沖發(fā)生在相同時(shí)間。如前所述，調(diào)整槍陣設(shè)計(jì)可以減少氣泡振蕩。

4槍陣效能

考慮和對(duì)比不同槍陣類(lèi)型的效能是很有意思的研究。已有研究表明，對(duì)于一個(gè)相互作用較弱的調(diào)整槍陣和GI槍(在氣槍類(lèi)型章節(jié)討論的)來(lái)說(shuō)，氣泡振蕩衰減的代價(jià)是大約為60%的效能。通過(guò)將未調(diào)整氣槍和已調(diào)整氣槍的主振幅進(jìn)行對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)，已調(diào)整氣槍的振幅大約是未調(diào)整氣槍值的60%。也就是說(shuō)，調(diào)整去除氣槍振蕩影響的代價(jià)是降低了主脈沖的振幅至60%。同樣，在GI氣槍也發(fā)現(xiàn)此情況。

4.1　遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)

震源物探船：

M/U A.NEMCHINOV；

實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 91.5.1；

物探船員： 1006420/231AVG001；

位置： 北海；

震源類(lèi)型： SLEEVE槍?zhuān)?/p>

容量： 3000立方英寸；

氣槍數(shù)量： 32；

從9999記錄到9999記錄；

震源-水聽(tīng)器距離： 1 m；

氣槍深度： 7.5 m；

激發(fā)壓力： 2000 psi；

記錄者： SN3580MX；

采樣率： 1 ms；

LC 濾波器： 未使用；

HC 濾波器： 154.4 Hz 720 B/oct；

水聽(tīng)器： RREFTEX 17；

靈敏度： 7.50v/MPR；

強(qiáng)度比 P-P模式；

強(qiáng)度： 9.531；

主波氣泡比： 15.892；

氣泡周期： 59 ms。

圖11　遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)記錄

5性能說(shuō)明

水下震源特性不僅取決于震源的單個(gè)要素的特性，而且也受到整個(gè)震源系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)的影響。虛波延遲時(shí)間依賴(lài)于氣槍的沉放深度，如圖12所示，隨著沉放深度的減少，虛波負(fù)脈沖的時(shí)間更接近主波。圖12的右圖，我們看到隨著沉放深度的降低，虛波波谷振幅譜向高頻移動(dòng)。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)是將槍放置于6 m深的位置，虛波波谷超過(guò)地震頻率。另一例子是如果槍陣信號(hào)穩(wěn)定，其幾何結(jié)構(gòu)也是穩(wěn)定的。假設(shè)沉放裝置的海洋工程已經(jīng)具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，還有以下這些因素可能影響震源穩(wěn)定性：

圖12　不同沉放深度下的信號(hào)變化

(1) 槍陣中單個(gè)要素的時(shí)間同步精確度；

(2) 幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；

(3) 單個(gè)要素的重復(fù)性；

(4) 天氣情況。

5.1　時(shí)間同步性

槍陣中單一要素的時(shí)間同步性受到地震勘探船上電腦系統(tǒng)的控制，稱(chēng)為槍控器，其接收來(lái)自氣槍內(nèi)部傳感器的輸入值和近場(chǎng)水聽(tīng)器的信號(hào)。同一類(lèi)型氣槍由于機(jī)械磨損，在同一時(shí)間收到激發(fā)指令后，將在不同時(shí)間激發(fā)。時(shí)間準(zhǔn)確度的要求取決于氣槍時(shí)間傳感器，這個(gè)傳感器可能是壓力傳感器，水聽(tīng)器或是磁力位置傳感器。總之，與單一震源的主脈沖持續(xù)時(shí)間相比，時(shí)間誤差必須要小。對(duì)于多數(shù)震源來(lái)說(shuō)，可忽略的誤差大約為1 ms或者更少。對(duì)于DigiSHOT系統(tǒng)而言，忽略誤差大約為+/-100 ms。精確時(shí)間的目的是為了在每個(gè)單一要素發(fā)射脈沖后進(jìn)行主峰值排序。氣槍控制系統(tǒng)必須考慮槍陣中的每個(gè)要素，甚至對(duì)于同一容量的氣槍由于具有不同使用年限、 磨損、 溫度和空氣污染等情況，激發(fā)時(shí)間和脈沖發(fā)射都不可能同步。

震源觸發(fā)和震源激發(fā)的時(shí)間通常存在時(shí)間差。觸發(fā)和激發(fā)之間的時(shí)間差會(huì)隨著年限、 磨損、 溫度和電壓而變化。

槍控系統(tǒng)考慮了以上所有因素，所以槍控系統(tǒng)監(jiān)控的是主峰值或零交叉的實(shí)際開(kāi)始時(shí)間，正如一些氣槍供應(yīng)商利用壓力傳感器或位置傳感器和相應(yīng)的時(shí)間變化來(lái)控制。

通過(guò)地震勘探船上槍控系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)控，校準(zhǔn)了在實(shí)際氣槍激發(fā)時(shí)的時(shí)間差。

5.2　穩(wěn)定性

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性取決于其設(shè)計(jì)、 保持設(shè)計(jì)要素空間相對(duì)穩(wěn)定和在不同海洋狀況下的沉放深度。輪機(jī)工程師們都明白大?？倳?huì)給那些不熟悉她的人帶來(lái)不愉快的體驗(yàn)。槍陣、 錨鎖和安全鏈條漂浮在海水里，長(zhǎng)期受海水的腐蝕，海水不斷拖曳這些物品，造成磨損和破壞，雖然這些對(duì)于近海工程設(shè)計(jì)并未常見(jiàn)，但對(duì)于需要放置為90°轉(zhuǎn)彎的電纜而言，這種持續(xù)的影響特別敏感。

5.3　天氣效應(yīng)

由于風(fēng)速變化，海面常常呈現(xiàn)從風(fēng)平浪靜到波濤洶涌。大波浪會(huì)造成兩個(gè)影響，一是震源結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的惡化，二是空氣-海面反射系數(shù)不再保持為-1。

海面反射系數(shù)的變化對(duì)于震源信號(hào)有重要影響。在遠(yuǎn)場(chǎng)垂直運(yùn)動(dòng)的脈沖中，大約一半能量是來(lái)自平靜海面反射。起伏海面的影響會(huì)形成合成的平滑脈沖，導(dǎo)致虛波脈沖振幅大幅減少。圖12A(a)顯示, 在天氣狀況良好的條件下，近似平靜海面的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。圖12A(b)是在天氣狀況較差的情況下測(cè)定的。由于起伏海面較差的反射屬性導(dǎo)致虛波振幅縮小。

起伏海面對(duì)反射系數(shù)的影響可以認(rèn)為是兩種射線(xiàn)，一種是來(lái)自平靜海平面，另一種是來(lái)自浪高為x的波(圖12B)。這兩種射線(xiàn)的傳播路徑差可以用2xcos(θ)表示。相位差pd可以簡(jiǎn)單地表示為路徑差除以波長(zhǎng)，如下所示：

圖12A　天氣影響下的虛波脈沖振幅

圖12B　起伏表面下波傳播路徑差的簡(jiǎn)化模型

其中f和c分別是頻率和速度。假定浪高為x，且海面波浪為高斯分布，因此, 我們可以利用波形求出海面平均反射值：

其中pd是海浪振幅的均方根，R0是平面反射率。

我們利用中心頻率20 Hz作為地震信號(hào)脈沖。首先，我們先利用在平靜海面下的反射系數(shù)-1時(shí)得到脈沖。然后我們將此脈沖與10英尺高海面的相同反射脈沖進(jìn)行對(duì)比。將這些值代入到Rave方程，結(jié)果表明, 10英尺高海面的虛波反射平均振幅下降為平靜海面反射的45%。

5.4　槍陣模擬

利用電腦模擬槍陣設(shè)計(jì)比實(shí)地進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)成本低得多。然而，你必須確保模擬是準(zhǔn)確的。已有文獻(xiàn)表明，利用電腦模擬能很好地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的弱互動(dòng)槍陣設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中大約每支單槍間隔1 m。我們會(huì)在后續(xù)章節(jié)中探討氣槍相互作用的問(wèn)題，同時(shí)當(dāng)我們談到集群氣槍時(shí)我們也會(huì)探討氣槍間的強(qiáng)烈相互作用。

通過(guò)輸入位置(x，y)進(jìn)行槍陣模擬，氣槍容量、 氣壓和槍陣中每支氣槍的沉放深度如圖13所示。利用前面所述的氣泡運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行模擬，計(jì)算所有氣槍合成效果和產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)。遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)如圖14所示。Bar-m表示振幅特征。由于球面波振幅從震源中心縮減為1/R，對(duì)距離槍陣1 m的振幅進(jìn)行歸一化處理，因此用bar-m(bar是壓力單位)。

圖13　設(shè)計(jì)槍陣的結(jié)構(gòu)

圖14　圖10的槍陣的遠(yuǎn)場(chǎng)特性

通過(guò)以下3個(gè)參數(shù)測(cè)定槍陣性能：

(1) 峰值到波谷的振幅;

(2) 主波與氣泡比(稱(chēng)為P/B);

(3) 頻譜。

峰谷振幅可以表征輸出能量值。主波與氣泡比可以測(cè)定設(shè)計(jì)的槍陣對(duì)于抵消氣泡振蕩的情況，即為槍陣調(diào)整的好壞情況。圖15中頻譜顯示虛波波谷所在位置，以及設(shè)計(jì)者如何判斷震源頻帶寬度，確定高低截止頻處理。

圖15　遠(yuǎn)場(chǎng)特性的振幅譜

頻率過(guò)濾器適用于此信號(hào)研究，可以匹配那些被用于記錄實(shí)際數(shù)據(jù)的信息，否則將無(wú)法給出槍陣振幅圖。震源方向圖顯示震源能量的三維傳播，與震源物探船的航海線(xiàn)相關(guān)，如圖16~18所示。

圖16　震源方向性----水平方向

圖17　震源方向性----垂直方向

圖18　震源方向性----水平交叉方向

海洋遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)也直接得以測(cè)定。由于通常的地震實(shí)驗(yàn)不允許較深沉放水聽(tīng)器，因此，通過(guò)測(cè)試模型得以實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)定可以驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確度，并得到設(shè)計(jì)槍陣輸出的實(shí)際測(cè)定值。為了完成測(cè)定工作，一個(gè)單一的水聽(tīng)器被放置于鰭形壓板上，或是其他類(lèi)似裝置上，當(dāng)?shù)卣鹂碧酱诤叫羞^(guò)程中，水聽(tīng)器被垂直沉放在槍陣以下數(shù)百米處。這個(gè)實(shí)驗(yàn)必須在深水區(qū)域開(kāi)展，使來(lái)自洋底的反射波不會(huì)在震源激發(fā)期間到達(dá)，也不會(huì)干擾震源。

對(duì)槍陣模擬時(shí)，氣槍之間微弱的相互作用，可以利用氣泡方程獲取。這對(duì)于研究槍陣集群是有必要的。同時(shí), 需要考慮后續(xù)流體研究和實(shí)際的氣泡整體運(yùn)動(dòng)，以及當(dāng)氣泡相互靠近時(shí)，必須考慮增加的擾動(dòng)。

5.5　實(shí)驗(yàn)中的性能說(shuō)明

氣槍在實(shí)驗(yàn)中的性能規(guī)格通常由合法契約管理，立契人包括石油公司客戶(hù)和地球物理承包商。說(shuō)明中稱(chēng)為“中斷說(shuō)明”的文檔，寫(xiě)明了在地震探測(cè)必須停止前，槍陣性能可以允許多大程度的老化。典型的中斷說(shuō)明如下所示：

(1) 允許出現(xiàn)峰峰振幅以及主波與氣泡比偏離小于全部槍陣的10%的中斷信號(hào)。

(2) 全部槍陣的峰峰振幅以及主波與氣泡比在85%~90%，或是111%~115%之間的中斷信號(hào)可以作為需要與公司代表商量的邊緣值。

(3) 峰峰振幅以及主波與氣泡比小于85%，且大于全部槍陣的115%的中斷信號(hào)將導(dǎo)致地震實(shí)驗(yàn)停工，直到修復(fù)好。

其他造成槍陣故障，不符合規(guī)范的具體細(xì)則包括： 槍陣中的單槍無(wú)法激發(fā)，氣槍未完成全部激發(fā)。自動(dòng)激發(fā)指氣槍自主激發(fā)(一次或多次)。雙槍激發(fā)指的是當(dāng)僅觸發(fā)一次，而氣槍發(fā)射兩次。這也是雙槍激發(fā)和自動(dòng)激發(fā)的差異。雙槍激發(fā)是在時(shí)間窗內(nèi)完成兩次激發(fā)。自動(dòng)激發(fā)是在時(shí)間窗開(kāi)始計(jì)時(shí)，且在下一次激發(fā)時(shí)間前，完成兩次激發(fā)或更多次激發(fā)。

6氣槍間相互作用

正如我們所知道的，當(dāng)單槍激發(fā)時(shí)，氣泡膨脹，擾動(dòng)了海水的靜水壓。如果兩支氣槍相繼激發(fā)，我們不能將它們附近的靜水壓假定為周?chē)h(huán)境的靜水壓。因此, 根據(jù)兩支單槍之間的間隔距離，我們可以說(shuō)它們是弱或強(qiáng)相關(guān)。首先，多數(shù)槍陣設(shè)計(jì)為弱相關(guān)。弱相關(guān)槍陣是以主波與氣泡比的值10~14:1作為特征值。目前許多槍陣由氣槍集群構(gòu)成，氣槍之間間隔小于1 m是很普遍的。集群與單槍相比的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它能獲得較高的主波與氣泡比。

當(dāng)兩支氣槍相繼激發(fā)時(shí)，兩組氣泡相互接觸并部分融合。這就是所謂的氣泡合并。當(dāng)兩支氣槍激發(fā)如此接近時(shí)，氣泡合并不會(huì)發(fā)生但相互作用主導(dǎo)了氣泡運(yùn)動(dòng)，即所謂的強(qiáng)相關(guān)。1 m的間隔看起來(lái)能區(qū)別弱和強(qiáng)作用。

在如此接近的集群中，氣泡脈沖的相互作用比弱相關(guān)的槍陣強(qiáng)得多，因?yàn)闅馀菹嗷ジ鼮榻咏?/p>

多數(shù)槍陣由強(qiáng)相關(guān)集群和弱相關(guān)氣槍(間隔大于1 m)共同構(gòu)成。對(duì)于強(qiáng)相關(guān)來(lái)說(shuō)，氣泡間隔的另一種測(cè)定方式是兩槍之間的氣泡直徑。

7集群氣槍

在1990年前，多數(shù)槍陣是屬于弱相關(guān)類(lèi)型。通過(guò)增加槍陣氣槍數(shù)量以獲得更多氣槍能量和調(diào)整槍陣氣槍組合以提高主波和氣泡比的方法，已經(jīng)無(wú)法獲得更好的效果。原因是10~14:1的值是傳統(tǒng)弱相關(guān)槍陣的極限值。兩支或更多氣槍構(gòu)成的，我們稱(chēng)之為集群氣槍?zhuān)浞指艟嚯x比弱相關(guān)氣槍更為接近，但不會(huì)接近到造成氣泡合并。在本章節(jié)中我們探討的相關(guān)關(guān)系是對(duì)于兩組氣泡間強(qiáng)相關(guān)的距離大約1 m。

為了解釋n支氣槍組成的集群能勝過(guò)同樣容量的單槍?zhuān)M(jìn)行以下簡(jiǎn)單假設(shè)。來(lái)自單槍的主脈沖與槍壓和容量的立方根成正比。n槍集群的主振幅表示為：

而容量為nV的單槍的主振幅表示為：

因此, 相同容量的氣體分解到n支氣槍中，主振幅增加了n2/3。

主波和氣泡比如何呢？ 1980年后期的實(shí)驗(yàn)利用兩支完全相同的Sleeve氣槍?zhuān)练派疃? m，實(shí)驗(yàn)表明距離小于1 m且隨著間距縮小，呈現(xiàn)以下3個(gè)特征：

(1) 主振幅實(shí)際上不受影響。

(2) 隨著間距縮小，氣泡振幅減小。

(3) 隨著間距縮小，氣泡周期逐漸增大。

因此, 氣槍集群可以用于增加主振幅和提高氣泡比。因?yàn)樵诩褐袩o(wú)論它們的容量多少，所有氣泡具有單一的振蕩周期，所以我們不能設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)整集群。由于每個(gè)集群具有不同的總?cè)萘?，我們可以調(diào)整集群排列組合方式。

資料來(lái)源： Krail P M. Airguns:Theory and operation of the marine seismic source. 2010. http:∥hdl.handle.net/2152/11226

(福建省地震局王林譯，黃宏生校)

(譯者電子信箱，王林: wl_0117@163.com)

收稿日期：*2015-05-05。

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.62；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2015.12.006