李福元 韋成龍* 胡家賦 鄧桂林 易 海 鐘廣見

(①自然資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東廣州 510075； ②廣州海洋地質調查局，廣東廣州 510760)

1 引言

在某些海域，發(fā)育沖積厚層或碳酸鹽巖層。沖積厚層往往發(fā)育泥底辟、生物礁體、火山巖體侵入等，地震波的散射、繞射作用強烈；碳酸鹽巖層頂界面則是高波阻抗界面，對地震波的穿透產生明顯的屏蔽作用。這些地震地質條件給下伏地層和勘探目標的探測帶來了挑戰(zhàn)。

在這些海域利用常規(guī)單船拖纜地震方法，常會獲得屏蔽層下方不連續(xù)的反射層成像剖面，導致該界面之下的反射波組的層位追蹤變得非常困難，甚至不能進行對比。其主要原因有二：一是地震波的高頻成分在覆蓋層下方急劇衰減，窄帶低頻成分對薄層的成像分辨率不足；二是單船地震觀測系統(tǒng)僅提供一個方向的照明，在地下復雜構造區(qū)域產生參差不齊的波組成像效果。

針對單方位角勘探存在的照明不足問題，最初是反復優(yōu)化速度模型，改進數(shù)據(jù)處理技術以提高單方位角數(shù)據(jù)的成像質量。但大部分深水區(qū)塊的鹽下構造非常復雜，單方位角或窄方位角數(shù)據(jù)成像不能滿足需求，為此開始嘗試使用雙方位角、多方位角等地震采集方法。如墨西哥灣Mad Dog區(qū)塊深水鹽下油田雙方位角勘探，對鹽層內部、鹽下構造有了更加清晰的照明，減少了鹽下地層界面解釋的模糊性[1]。雙方位角地震采集,覆蓋次數(shù)的增加和激發(fā)方向的變化,可以使總的信噪比大約提升30%,其中激發(fā)方向的變化帶來的效果改善可以達到50%，能夠極大地減小相干噪聲,有助于補充單方位角數(shù)據(jù)成像剖面上的照明缺口,顯著提高信噪比和改善目標成像效果[2,3]。

針對窄頻帶、低頻信號對沖積厚層或碳酸鹽巖層下方成像模糊的問題,近年來業(yè)界開展了較多的地震采集技術創(chuàng)新。目前，記錄完整頻率范圍地震信號(低頻至高頻)的重要性已被廣為接受，高保真的低頻數(shù)據(jù)提供更強的穿透力，有利于深層目標體的清晰成像，得到更加穩(wěn)定的地震反演結果。同樣豐富的低頻和高頻信號可獲得更尖銳的子波，有利于提高分辨率，突出薄層和地層圈閉等重要地質特征[4,5]。

海水表面的鬼波效應是影響拓展頻寬的最主要因素，在數(shù)據(jù)采集階段對鬼波效應的補償成為多年來地球物理勘探研究的主題。震源激發(fā)端的補償方法目前一般基于氣槍陣列沉放深度的差異以及激發(fā)延時，即多層級氣槍震源[6]或稱立體延遲氣槍震源[7]；拖纜接收端的補償方法相應地發(fā)展了上下雙拖纜、雙檢波器拖纜、變深度、“犁式”拖纜等采集技術，可以增強低頻信號，同時保持數(shù)據(jù)的高頻信息。如WesternGeco采用上中下纜(纜深分別為5、17、23m)和上下源(源深分別為6m和12m)聯(lián)合探測技術在中國南海進行采集,通過不同深度數(shù)據(jù)的聯(lián)合成像，壓制了海水表面的鬼波影響，可以拓寬低頻信號，提高高頻端信號的信噪比[8]。中海油與PGS公司合作，利用雙檢波器電纜在南黃海和南海潮汕拗陷區(qū)塊開展調查，在壓制鬼波的同時增加了低頻成分，改善了火山巖、石灰?guī)r體和硬質海底以下的成像效果[9]。

CGGVeritas公司推出了比較方便的采集方法，即采用變深度拖纜記錄多樣化的鬼波信號，經(jīng)過聯(lián)合反褶積鬼波壓制核心算法的數(shù)據(jù)處理技術，增強低頻和高頻端能量，改善成像效果[10]。理論推導和正演分析表明，相對于等深度纜，斜纜在一定程度上更能抑制海面虛反射，有效擴寬頻帶[11]。斜纜寬頻地震勘探采集處理技術增大了地震資料的高低頻能量、拓寬了地震資料頻帶，使中深層地震資料品質及成像效果明顯改善[12]。在墨西哥灣的中生界深層成像中采用了大炮檢距排列斜纜寬頻地震采集方法，取得了明顯的效果[13]。在南海深水油氣勘探和開發(fā)中，基于變深度拖纜的優(yōu)勢，提出結合變深度拖纜低頻成分與流體流動屬性預測油氣藏分布，低頻成分提高了流體預測準確性，與解釋結果的匹配程度更高[14,15]。

寬頻采集裝備需要具備寬頻激發(fā)源和寬頻接收拖纜條件。設計不同容量單槍組合形成的氣槍震源，其帶寬可達6～200Hz；當前采用的固體拖曳電纜，檢波器響應帶寬可達2～1000Hz，同時抑制噪聲的能力大大增強，對高頻微弱信號的檢測拾取非常有利[16]。

采用雙船和較短的拖纜，并配合智能記錄技術，相當于增加了纜數(shù)和纜長，該技術適用于水深大于500m的深水地震采集[17]。以往常規(guī)雙船地震的排列方式主要有合成排列方式(SAP)和擴展排列方式(ESP)。隨著勘探技術的進步，近年來逐步形成的雙船地震技術有雙船連續(xù)長炮檢距(CLO)技術、雙船寬方位采集技術、雙船廣角反射采集技術等[18]。由于激發(fā)震源與接收電纜可以分別由不同船只拖曳，所以觀測系統(tǒng)的選擇很靈活。當雙船行進在同一條直線上、均拖曳著震源和接收電纜時，可以組成雙源交替放炮雙纜同時接收、單源放炮雙纜接收等多種觀測方式。對于一前一后的單纜地震船，當采取后船震源單獨激發(fā)、前后兩船同時接收時，對地下同一反射點可以獲得兩個方向的照明。在數(shù)據(jù)處理階段，再將前后船獲得的剖面疊合，進一步提高信噪比，獲取深部目標層的成像。

通過雙船地震觀測方式，聯(lián)合大容量寬頻氣槍震源、變深度拖纜采集技術，可實現(xiàn)目標地層的雙方位角寬頻探測。筆者基于以上采集技術方法，在南海開展了實驗。

2 實驗區(qū)條件

實驗地點位于南海的東沙上陸坡臺地區(qū)域。該區(qū)新生界基底埋深總體較淺，厚度為250～1300m，巖性以碳酸鹽巖和泥巖為主，淺表層斷裂發(fā)育，局部發(fā)育生物礁，呈環(huán)礁或點礁分布。臺地中部發(fā)育眾多斷距不大的正斷層，臺地西部斷階帶和東南部斷階帶則發(fā)育切割基底的深大斷裂，易產生較強的繞射波干擾，對中深層地震反射資料品質有較大影響。在以往地震剖面上，新生界以高連續(xù)、強振幅反射，或大套弱振幅反射為特征，可見新生界與海底呈角度不整合接觸的現(xiàn)象。該區(qū)在新生界之下發(fā)育有巨厚的中生界，是中生界的主要存留范圍，中生界厚度大致為2000～8000m。

在上陸坡臺地區(qū)，淺層新生界碳酸鹽巖頂形成強波阻抗界面，產生層間多次波，造成地震能量快速衰減；中—深層的中生界，由于壓實緊密，內部地層間的波阻抗差較小，反射能量較弱，且內部構造較復雜，斷裂較多，形成多種干擾波，反射品質較差，僅淺部波組較連續(xù)，中深部局部可見斷續(xù)的有效反射波組，多為雜亂反射(圖1)。由于區(qū)內大部分地震剖面上中生界內部地層和基底反射品質不佳，難以準確追蹤解釋區(qū)內中生界，目前尚不能繪出較準確的中生界厚度圖。

3 技術試驗

20世紀90年代雙船地震受同步及數(shù)據(jù)實時傳輸技術限制，兩船在船速、時序等控制上較難把握，一般以等時間放炮為主。雙船雙方位角地震采集采用等距離放炮，對震源、電纜道實時定位，必須做到：

圖1 實驗區(qū)地震地質解釋剖面

①時鐘同步及時序同步，即雙船的時鐘同步要準確，用于導航與地震系統(tǒng)的起點控制、震源觸發(fā)、數(shù)據(jù)記錄等時序同步；②雙船狀態(tài)控制，即監(jiān)控雙船航行速度、間距協(xié)調、保證作業(yè)過程中炮檢距及導航系統(tǒng)對電纜形狀解算的一致性；③可靠的主副船數(shù)據(jù)無線傳輸；④按照三維地震的導航定位面元疊加與擴展方法，進行震源和電纜定位。

根據(jù)以上需求，通過將基于插件式的GIS二次開發(fā)技術、以太網(wǎng)通信技術、大橢圓航法及電子海圖顯示技術等進行集成，解決了雙船作業(yè)時雙船間距的控制及電纜形態(tài)的實時顯示問題[19]，開發(fā)了滿足雙船作業(yè)控制的實時狀態(tài)觀測系統(tǒng)及無線數(shù)傳設備。在雙船地震施工中，利用雙船實時狀態(tài)觀測系統(tǒng)，通過控制主、副船航行狀態(tài)，使導航定位誤差不大于設計的允許誤差[20]，作業(yè)中雙船相對距離盡可能保持穩(wěn)定，誤差應在半個炮間距(如18.75m)以內。

采集配置的軟硬件主要包括：RFU900MHz和RFU2.4GHz點對點無線通訊設備、ORCA導航定位系統(tǒng)、大容量寬頻BOLT氣槍震源、SEAL地震采集記錄系統(tǒng)、SENTINEL固體接收電纜、雙船實時狀態(tài)觀測系統(tǒng)等。其中ORCA導航定位系統(tǒng)具有以往SPECTRA導航系統(tǒng)的技術特點并做了改進?？蓪⒉杉⒍ㄎ?、震源、QC系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和控制功能集成于一個無縫平臺上，為2D 和3D采集提供簡易高效的作業(yè)流程，簡化處理了可見度和控制功能，能夠實施復雜環(huán)境條件下的多船作業(yè)[21]。以上述軟硬件配置及相關重要參數(shù)設置為基礎，使用“探寶號”船(主船)和“奮斗四號”船(副船)于2015年6～8月在南海海域開展了雙船雙方位角地震采集(圖2)[22]。

兩船設計的采集參數(shù)見表1，寬頻氣槍震源的激發(fā)特性見圖3。副船拖纜的炮檢距范圍為2250～4500m，主要考慮因素為：①兩船之間安全操控距離，主船船頭與副船拖纜尾標距離約為1860m；②副船的拖纜炮檢距范圍，應增強對中深目標層的信號接收。主船炮集記錄海底反射波為1.0～4.0s，副船炮集記錄海底反射波為1.5～2.5s，副船炮檢距范圍選擇有利于海底以下3.0～6.0s反射波接收，與主船對應記錄結合形成對目標層位兩個方向的接收。

圖2 雙船寬頻地震采集示意圖

采集參數(shù)“奮斗四號”船雙船共有參數(shù)“探寶號”船兩船相對位置副船(前)主船(后)兩船電纜道最小距離/m2475震源容量/in3無6400氣槍壓力/psi2000炮點間隔/m37.5震源深度/m無10-7-7-10激發(fā)延遲/ms無2-0-0-2電纜道數(shù)/道360480道間距/m6.2512.5電纜深度/m5～26(參考纜深度為16m)5～26(參考纜深度為16m)最小炮檢距/m2250225最大炮檢距/m45006225覆蓋次數(shù)3080雙船合并覆蓋次數(shù)110

圖3 大容量寬頻氣槍震源子波(a)及頻譜(b)特性

4 數(shù)據(jù)成像分析

4.1 單船變深度拖纜數(shù)據(jù)拓頻處理

在對單船變深度斜纜地震數(shù)據(jù)的處理流程中，激發(fā)端采用不等深延時激發(fā)震源，激發(fā)端鬼波被壓制，陷波點能量得到了補償，因此核心問題是衰減電纜接收端鬼波。業(yè)界對鬼波壓制提出了多種方法[23]，本文采用鏡像偏移和聯(lián)合反褶積技術，即

(1)

式中：dnorm(t,x)為原始地震數(shù)據(jù)，t為反射時間，x為炮檢距；gnorm(t,x)為最小相位鬼波算子；r(t,x)為一次反射剖面；dmirr(t,x)為鏡像偏移后的地震數(shù)據(jù)；gmirr(t,x)為最大相位鬼波算子。最小和最大相位鬼波算子定義如下

(2)

式中：δ(t,x)為單位脈沖函數(shù)；τ為鬼波的延時。

鬼波衰減壓制了檢波點端的鬼波，一定程度上拓寬了資料的頻帶，補充了原始資料的低頻成分。圖4顯示鬼波衰減后，炮集記錄上緊隨一次反射波之后的鬼波反射基本得到消除，同相軸得到細化突出。由圖5可見,鬼波衰減后低頻和高頻端頻譜均得到一定程度的補償。由圖6鬼波衰減后的剖面可見，反射界面波組得到收斂，分辨率有了提高。

圖4 鬼波衰減前(a)、后(b)的炮集記錄

圖5 鬼波衰減前(紅色)、后(藍色)的頻譜對比

4.2 雙船資料合成處理

經(jīng)過以上單船變深度拖纜數(shù)據(jù)拓頻處理，頻帶拓寬，分辨率得到提高，隨后對雙船變深度拖纜資料合成處理，主要關注以下兩個方面。

4.2.1 三維面元定義方式

在雙船的單源雙纜采集模式中，受施工中兩船距離變化、電纜羽角的影響，炮點與檢波點位置關系存在變化。要準確識別共反射點位置，宜采用三維觀測系統(tǒng)寬面元的定義方式，以確保包含反射點所有信息，使面元覆蓋次數(shù)比較均勻。圖7為橫向面元分別為200m和500m的共反射點分布。因羽角變化，橫向面元為200m時會漏掉較多的共反射點，而500m可保證垂直測線方向的發(fā)散反射點信息完全被包含，保證了較均勻的覆蓋次數(shù)。通過面元尺寸試驗發(fā)現(xiàn)，對于單個面元，發(fā)散的反射點來源寬度不會超過200m，對比發(fā)現(xiàn)500m橫向面元尺寸可避免疊加剖面產生混波效應，因此選擇面元尺寸為500m×6.25m。

圖6 單船變深度拖纜去鬼波處理前(a)、后(b)剖面

圖7 不同面元定義下的共反射點分布圖(黑色線)

4.2.2 雙方位波場速度拾取

利用多個窄方位角地震數(shù)據(jù)，可構建更精確的速度模型，即雙方位角數(shù)據(jù)對于復雜構造的成像效果要優(yōu)于單方位角數(shù)據(jù)[24]。Huang等[25]提出了基于TTI介質模型成像方法，改善了共成像道集中的殘余彎曲部分，鹽層陡傾側翼的雙方位數(shù)據(jù)成像聚焦效果得到了提升。雙方位角采集提供兩個方位的照明優(yōu)勢,但難點是如何獲得一個滿足兩個方位的各向異性速度模型進行成像，即核心問題是如何獲得一個滿足兩個不同方位剖面成像的速度場。

圖8為主船(前)與副船(后)采集的不同炮號的炮集記錄。兩個記錄來自同一反射區(qū)域兩個方向入射，當反射界面傾斜時，對于相同炮檢距的接收范圍，由于射線路徑差異，炮集記錄有明顯區(qū)別，得到同一反射界面同相軸的斜率、連續(xù)性存在差異。在拾取速度時，兩個方位數(shù)據(jù)的速度場會存在一定差異。因此，在兩個方位數(shù)據(jù)的速度分析過程中，需緊密結合地質認識，指導宏觀速度趨勢的解釋，識別干擾波速度，提高速度分析的合理性。中深層信噪比低，速度譜能量團難以集中，采取常速和變速相結合的疊加掃描方法，解釋和確定深層疊加速度。速度的分析、對應的疊加、去噪疊加及低頻能量補償疊加是一個反復迭代過程，直到速度場變化規(guī)律和對應的疊加剖面比較合理。副船與主船拖纜長度與最小炮檢距為不對稱結構，副船最小炮檢距為2250m，雙程旅行時1.8s以上淺層反射與折射等干擾混合較嚴重，不利于速度拾取，疊加時會影響淺層的成像效果。本例中將副船雙程旅行時為1.8s以上的疊加剖面切除(圖9)，對于同一速度場形成的副船及主船的疊加剖面，視覺效果有一定差異，也體現(xiàn)了不同方向入射時層速度的各向異性。

圖8 主船(a)與副船(b)相同反射區(qū)域的炮集記錄

圖10a、圖11a是主船單船水平纜采集疊前時間偏移剖面，水平纜沉放深度為16m，記錄道數(shù)為480道，其余采集觀測參數(shù)見表1的“探寶號”船參數(shù)。圖10b、圖11c是雙船雙方位變深度拖纜采集的合成疊前時間偏移剖面，對單船拖纜數(shù)據(jù)經(jīng)過了去鬼波拓頻處理和雙船資料合成處理，其他處理流程與圖10a、圖11a一致。

在圖10b所示的合成剖面上，提高了0.6～1.8s雙程旅行時之間更多薄層的清晰度，高速不整合面也可連續(xù)呈現(xiàn)，說明雙船變深度拖纜采集的頻帶拓展對淺層的分辨率提高比較明顯。

圖11清晰地展示了2.0～6.0s雙程旅行時段的數(shù)個傾斜反射層，深層結構得到了較好的揭示?？梢婋p方位照明成像方式在一定程度上改善了中深層反射界面的成像效果，有利于對該區(qū)中生界目的層的認識和研究。

圖10 單船水平纜(a)與雙船變深度纜(b)疊前時間偏移剖面(淺層)

圖11 單船水平纜(a)、雙船水平纜(b)、雙船變深度纜(c)疊前時間偏移剖面

為了解雙船變深度纜與雙船水平纜對中深層的揭示效果,開展了雙船水平纜的采集,除了沉放深度不同,其余采集參數(shù)與變深度纜一致。圖11b、圖11c為雙船水平纜與變深度纜疊前時間偏移剖面對比，可看出兩種采集方式?jīng)]有明顯差異，層位的波組特征比較一致。說明在中深層勘探中，變深度拖纜數(shù)據(jù)雖然采用了去鬼波的拓頻處理，但由于地層對高頻部分的衰減，同時對低頻成分的拓展有限，信噪比的改善并不明顯。圖12為雙船水平纜與變深度纜疊前時間偏移剖面平均頻譜對比，也顯示在中深層(雙程旅行時為3.0～6.0s)雙船變深度纜在低頻和高頻端均有一定拓展，但效果不太明顯。除了以上原因，另外一個因素可能是變深度纜的纜深變化不大，相鄰道的鬼波變化不明顯，對鬼波壓制效果造成一定的影響。張振波等[12]認為：寬頻采集不等于在任何深度目的層都容易獲得頻帶足夠寬的數(shù)據(jù)，因此針對更深的目的層，寬頻采集的最大意義在于有能力獲得更多低頻信號的能量，更有利于刻畫中深部目的層的斷層、基底以及內幕反射特征和主要的構造形態(tài)。需要注意的是，由于寬頻地震資料的低頻能量較強，導致地層內部阻抗差異小的地震反射成層性差，尤其是陸相沉積層的內幕反射結構，不利于沉積微相的解釋和儲層描述。因此寬頻地震資料的使用需要繼續(xù)研究和認識，如分頻使用寬頻地震資料[26]。

圖12 雙船水平纜(a)與雙船變深度纜(b)疊前時間偏移剖面平均頻譜對比(3.0～6.0s)

5 結論與建議

南海東沙上陸坡臺地區(qū)存在淺層碳酸鹽巖頂形成強波阻抗界面、層間多次波發(fā)育、中—深層反射能量快速衰減等地震地質問題，在海洋二維地震勘探技術方法上，結合雙船拖纜雙方位角勘探和寬頻地震采集方式開展了實驗。在野外采集階段，因涉及到雙船的實時船舶參考點、震源及檢波點位置，需采用三維方法進行水下定位；在數(shù)據(jù)處理階段，主要采用了單船變深度纜數(shù)據(jù)拓寬頻帶、雙船數(shù)據(jù)合成處理技術。對比分析認為：

(1)從地震資料效果看，雙船拖纜雙方位角優(yōu)于單船拖纜單方位角，寬頻采集及處理方法優(yōu)于常規(guī)二維地震方法；

(2)相對于單船拖纜地震，雙船拖纜雙方位角地震勘探采集觀測系統(tǒng)一方面可形成雙方位角照明，同時也增加了地下同一反射點的覆蓋次數(shù)，在數(shù)據(jù)處理時試驗采用合適的寬面元尺寸，使反射面元疊加次數(shù)均勻，避免混波效應，可在一定程度上提高反射信噪比；

(3)對于淺層探測，采用大容量寬頻震源與變深度拖纜組合的寬頻采集方式，綜合處理階段的去鬼波技術，可以拓展頻帶，反射信號的低頻端和高頻端同時得到補償，因而淺層的分辨率得到較明顯的提高；

(4)對于中—深層探測，特別是在上覆屏蔽層、界面存在剝蝕等不利于能量穿透條件下，中—深層反射信號的高頻部分被快速衰減，寬頻采集的主要貢獻在于低頻能量的拓展。從雙船水平纜與變深度纜剖面對比來看，這種效果不太明顯，僅在頻譜對比上有所顯示，除了地質因素，還可能與變深度纜沉放深度變化較小、鬼波壓制效果不佳有關。

雙船雙方位角寬頻采集方式觀測系統(tǒng)相對復雜，同時雙船拖纜施工受到海上不確定因素影響較大，對野外采集提出了更加苛刻的要求。如海況較差時，對雙船間距與方位的準確把握就比較困難，可考慮在地震資料亟待改進的復雜區(qū)域嘗試使用。