地震勘探在海洋石油勘探中的基本原理.doc

题 目地震勘探在海洋石油勘探中的基本原理 学生姓名 邵 鑫 学 号 2702100423 指导教师 孙_渊 学 院_地球科学与资源学院 专业班级_ 资源勘查（石油与天然气） 地震勘探在海洋石油勘探中的基本原理1、 引言从19世纪中叶，马利特用人工激发的地震波来测量弹性波在地壳的传播速度为地震勘探萌芽的开始，经历了数百年的应用于发展，地震勘探已经在生产生活的各个领域发挥着越来越多、越来越重要的作用。 中国于1951年开始进行地震勘探，并将其广泛的应用于石油与天然气、每天勘探、工程地质勘查已经金属矿的勘查当中。从国内外的近几十年勘探实践表明，没有物探技术的进步，就没有更多圈闭的发现，就没有钻探成功率的提高，也就更不会有油田和储产量的快速增长。宏观看，物探的作用在勘探阶段是客观的目标评价，在开发阶段是精细的油藏描述。因此，油气勘探开发离不开地震技术和地震技术的进步与发展。如果说勘探技术是石油工业的第一生产力，那么物探技术就是获得油气储量的第一直接生产力。纵观近些年的勘探技术的具体运用，最常见的莫过于地震勘探，所谓地震勘探就是通过人工方法激发地震波，研究地震波在地层中传播的情形，以查明地下的地质构造，为寻找油气田或其它勘探目的服务的一种物探方法！21世纪是海洋的世纪，海洋对于人类，对于中国未来几十年甚至数百年的发展的重要性非同小可。目前，石油已经成为世界各国发展中必不可少的战略性资源，世界各国对石油资源的消费量逐年递增，据统计和预测，全世界石油消费在1990一一2010年将以每年1.3%的速度增长;国土资源部的资料显示，近十年来，我国原油消费量以年均5.7%的速度增加，高出全世界石油消费总增长速度4.4个百分点。近几年来，我国对石油的需求量越来越大，国内石油产量和需求量之间的差距日益拉大，1993年我国成为石油净进口国;200()年我国原油产量是1.5亿吨，进口5983万吨;2003年产量1.7亿吨，进口9112万吨，预计2015年我国原油需求缺口将达到2亿多吨。目前，我国已经成为世界第二大石油消费国。为了解决石油需求缺口逐年加大的问题，必须从三个方面来考虑:一是加强勘探，增加国内石油储量和产量;二是进口;三是促进海外石油投资，建立海外石油基地。而作为资源勘查专业的学生的我认为第一项：加强石油勘探是重中之重。中国现有的几大油田：如塔里木油田、延长油田、中原油田、长庆油田、胜利等等所开发的的确绝大部分为陆相生油盆地。据数据调查，世界上70%的油田是海相生油盆地。而中国拥有着299.3万平方公里的海域面积，有着珠江三角洲盆地，渤海湾盆地，东海盆地以及广阔的还未详细勘察的南海。这里面蕴藏着丰富的油气资源和可燃冰资源。可以为我们国家未来近百年的发展奠定坚实的资源基础。海洋蕴藏着很多丰富的资源、宝藏，随着生产技术的日趋进步，世界各国(包括中国在内)目前都在积极寻求开发海洋资源，在海洋的勘探开发中离不开物探，而且运用最广泛也最有效的是地震勘探。 地震勘探是近代发展变化最快的地球物理方法之一，它的原理是利用人工激发的地震波在弹性不同的地层内的传播规律，来勘探地下的地质情况。在地面某处激发的地震波向地下传播时，遇到不同弹性的地层分界面就会产生反射波或折射波返回地面，用专门的仪器可记录这些波，分析所得记录的特点，如波的传播时间、振动形状等，通过专门的计算或仪器处理，能较准确地测定这些界面的深度和形态，判断地层的岩性，是勘探含油气构造甚至直接找油的主要物探方法，也可以用于勘探煤田、盐岩矿床、个别的层状金属矿床以及解决水文地质、工程地质等问题。2、 海洋地震勘探在茫茫大海里寻找石油最有效的技术方法是地球物理方法，其中主要是地震勘探方法。近几十年来，随着电子计算机的广泛应用，海洋地震勘探的数据采集和装备得到了极大的改进，数据处理技术和解释方法也得到迅速的发展。在油气勘探中，利用地震资料不仅能确定地下的构造形态、断裂分布，而且能了解地层岩性、储层厚度、储层参数甚至能直接指示地下油气的存在。在油气开发中，地震资料同测井、岩芯资料以及其它地下地质资料相结合能对油藏进行描述和监测。地震技术远远超出了石油勘探领域，已向石油开发和生产领域渗透。 用于寻找海上石油的地震反射法，和陆地的地震反射法相比，在方法基本原理、资料处理和解释方法等方面基本上是一样的。其中， 测量原理在这类方法中，地震波在介质中传播的物理模型如图1所示。从震源O激发出的弹性波投射到反射界面上产生反射波，其条件是：入射角 等于反射角。能够形成反射的界面，必须具备这样的条件，即在弹性波垂直入射时，界面R上的反射系数不等于零。 公式公式中、分别为地层的密度和弹性波的传播速度，它们的乘积称为波阻抗，角标1、2分别表示界面上下的地层。因此，反射界面存在的条件为：2211。所以,反射界面也称为波阻抗界面。反射波返回地表，为检波器(s1，s2，s3，)接收，并由地震仪记录下来。反射地震记录内包含着多种信息，其中反射波的旅行时间和震源到检波器之间距离的关系，称为时距曲线t(x)。用时距曲线可反演出地下反射界面的几何形态（地质构造）；而在地震反射信息中，还包含有地震波的振幅、相位、频率、速度、极性以及其他一些参数，表现出反射波的动力学特点，它能给出地层岩性的特征，有助于判断沉积环境，甚至还能给出油气的直接指示。数据处理和资料解释方面对共深点反射记录磁带，必须应用电子计算机处理。机器完成动静校正、振幅调整、滤波、相关和组合等程序之后，再分别进行水平叠加、偏移叠加和振幅保持，提供水平叠加时间剖面、偏移叠加时间剖面，作为常规处理成果。根据时间剖面图和时间深度转换关系编制反映某个地震层位空间展布的构造图。在有利构造上进行反射振幅比、瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率、 子波反褶积、 伪声阻抗和烃类检测（亮点技术）等特殊处理，并进行速度分析和层速度计算，提取各种地震参数，进而利用地震波的动力学特点来研究地层的岩性，为发现地层圈闭或隐伏油气藏提供依据。但在野外工作方面，由于海洋与陆地有很大的差别，海上地震工作也有许多特殊性。海上地震工作是以地震队(船)的组织形式来完成的。可把地震仪器安装在船上，使用海上专用的电缆和检波器，在地震船航行中连续地进行地震波的激发和接收。海上地震工作具有下述几方面的特点：1使用非炸药震源，如空气枪。2野外记录数字化，使用 96、120、240、480、720、或960道数字地震仪。3使用等浮数字电缆。为了适应高覆盖的需要，等浮电缆的道数不断增加。4一般为单船作业，记录仪器和震源在同一条船上，目前多船作业也逐渐增多。5采用高次覆盖，例如在部分海域的地震勘探最高已达120 次。6采用导航定位技术实时确定船的位置和炮点的位置。 而现在我们在海洋地震勘探方面广泛应用的是OBS技术 海洋地震勘探流程示意图3、 OBS（ 一 )，BOS勘探原理 OBS 作为广角地震的一种，较海洋调查中其它常规地震方法的显著特点和优势在于它实现了海洋地震的海底接收，这样就避免地层返回来的地震波能量在海水中的大量吸收和衰减，并可同时记录来自地壳中的P波和转换S波信息，且海底是较为安静的环境，这样就大大提高了所得数据的信噪比，减少了反演结果的多解性。此外S波数据采集的实现使我们可以探讨地壳的物质组成，这在相对缺少岩石证据的海区具有重要的意义。 海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer，OBS）是将检波器直接放置在海底的一种地震观测系统，既可用于天然地震的观测(长周期或宽频带)，也可用于人工地震剖面探测(短周期)，是研究边缘海和大洋深部结构的有效手段。 海底地震勘探:先将OBS等仪器投放到确定好的待测海底，利用人工方法在海水表面激发的波动在海水中和海底岩层中传播的规律（速度），来确定海底构造及岩层的分层状况特征等，研究地下地质问题；主要研究海底地形构造、大洋中脊等，并可为寻找油气及其他矿物资源提供服务。 OBS 进行的研究一般是广角地震，是大面积大范围的研究，所以对于寻找油气及其他矿物不是很方便，但是放置密集点仍旧可以进行小范围，较薄岩层的划分。OBS主体部分包括由一个三分量地震仪和一个深海水听器组成的传感器、一台数字化记录器、一个声学应答释放器，外加无线电发射器、闪光灯、罗经和压力表。辅助设备包括释放器的甲板单元和传感器、GPS定位单元、镇重锚、电池和旗子。OBS探测的一个重要技术特点是地震检波器具有三分量功能，即一个垂直分量，两个水平分量。检波器安装在一个充满高粘度硅油的玻璃圆柱内的阻尼万向平衡支架上，使检波器在海底面倾斜时保持其原来的平衡位置，圆柱被固定在玻璃球底部。应用纵横波资料进行综合解释可获得很多有用信息，进行纵横波联合地震勘探最好的办法是做三分量地震勘探。简单地说，就是同时接收纵波和两个横波分量的勘探叫三分量地震勘探，所得到的记录叫三分量记录。以往常规地震勘探是接收垂直地面振动的纵波（用P表示），仅得到一个方向的资料-纵波剖面。而横波（用S表示）不像纵波那样简单，它有两个分量，一个是沿测线方向振动向地下传播的分量，用SV表示；另一个是垂直测线方向振动向地下传播的分量，用SH表示。频率范围是2100Hz。SEDIS IV型短周期自浮式海底地震仪除了上述三分量检波器外，还配有一个深海水听器，其作用一是当地震检波器由于海底面过于倾斜或其它原因而失效时，水听器可以保证通过水压变化记录到地震信号；二是将水听器信号（只含P波信息）与检波器信号（三道均含P波和S波信息）进行对比，可以比较容易地提取S波信号。OBS 作为广角地震的一种，较海洋调查中其它常规地震方法的显著特点和优势在于它实现了海洋地震的海底接收，这样就避免地层返回来的地震波能量在海水中的大量吸收和衰减，并可同时记录来自地壳中的P波和转换S波信息，且海底是较为安静的环境，这样就大大提高了所得数据的信噪比，减少了反演结果的多解性。此外S波数据采集的实现使我们可以探讨地壳的物质组成，这在相对缺少岩石证据的海区具有重要的意义。海底地震仪除了上述三分量检波器外，还配有一个深海水听器，水听器又称水下传声器，是把水下声信号转换为电信号的换能器，其作用一是当地震检波器由于海底面过于倾斜或其它原因而失效时，水听器可以保证通过水压变化记录到地震信号；二是将水听器信号（只含P波信息）与检波器信号（三道均含P波和S波信息）进行对比，可以比较容易地提取S波信号。进行声学释放时，作业船开到OBS原先的投放位置，将计算机与甲板单元相连接，通过电缆和水中传感器发送释放信号，OBS应答释放部分收到信号后发出释放命令，使燃烧线熔断，OBS与镇重锚脱钩，依靠玻璃球及塑料套的浮力以 0.51m/s 的速度上浮到海面。借助漂浮在海面OBS发出的无线电信号、闪光灯指示器和荧光旗子来进行海上搜寻。当遇到特殊情况时，对放置在海底的OBS采取定时释放。在设定的释放时刻，OBS内置的备用时钟-定时器会独立发出释放命令，将燃烧线熔断，OBS与镇重锚脱钩上浮。图3 海底地震仪内部结构图4 海底地震仪整体构造图5 投放前安装好的海底地震仪图6 台湾产四合一海底地震仪空气枪它是将压缩空气在短暂的瞬间内释放于水中，形成气泡造成强烈的地震振动。 气枪工作原理：空气压缩后送进气枪的气室中,并达到一定的压力。工作时用电磁阀打开气室，其中的压缩空气迅速进入水中形成气泡,产生振动。主要类型：按气枪的工作压力可分为高压枪和低压枪；按用途可分为深水工作枪、浅水工作枪、陆地枪等；按枪的结构可分为BOLT枪、G枪、GI枪、套筒枪、RLS-6000高压枪等。图8 正在海上作业中的气枪源( 二 )、OBS应用原理地震波的传播路径：直达波路径透射波路径反射波路径折射波路径地震勘探的基本方法：折射波法（Refraction）反射波法（Reflection）透射波法（Transmission） 图9 地震波传播路径OBS 最常用的作业方式和应用之一即是OBS 广角地震调查。OBS 广角折射/反射(Wide Aperture Reflection and Refraction Profiling, 简称WARRP)的地震调查方法，是研究边缘海和大洋深部结构的最有效手段之一，较多道地震等常规地震其具十分鲜明的特点。图11 在弯曲界面上的反射和透射图12 在多层介质中，一个基本反射的射线图13 OBS剖面海上探测示意图折射波与反射波相比，其主要差别在于：（1）折射波有一个盲区，而盲区的大小取决于界面的埋藏深度，因此，在地震勘探中要观测到折射波，炮检距应该大于折射波盲区；（2）折射波法通常只能研究其速度大于上面所有各层波速的地层，在实际的地层剖面中，往往只有某些层能满足这个条件，因此折射层的数目要比反射层数目少得多，这点也正是目前石油地震勘探中广泛使用反射波法的原因之一；（3）如果地层剖面中存在速度很高的厚层，就不能使用折射波法研究更深处的低速地层，这种现象称为“屏蔽效应”。如果高速层厚度小于地震波的波长，则实际上并不发生屏蔽作用。图14发射波法地震勘探方法原理(三)、OBS工作流程OBS调查工作大体包括测线设计；OBS参数设置，部件组装，密封，投放和回收；后续的数据处理、建模和反演计算等三大部分。3.1海上作业前每个OBS被投放前，必须彻底检查仪器以确保所有连接是正确的，然后设置好仪器参数，主要是工作起始时间、结束时间、频率、采样间隔、水平分量的方向和记录通道编号。随后密封玻璃球并将其放置在甲板上，对仪器每隔半个小时进行一次气压和电压（燃烧线与负极之间）检查。在投放前给每台OBS装上镇重锚，插上小旗子，固定深海水听器、回收信号发射天线及燃烧线，并再次对声学释放器进行检查。当船接近预定位置时（100m），用绞车、撑竿使OBS缓慢下降到水面上并保持空中稳定姿态，在预定投放点（5m）被松开，投放时船速最好不要超过1kn，以使OBS垂直自由沉降到海底。在航次探测中，我们遵循如下步骤：首先在预定的测线投放点依次放下OBS，开出测线外一个台站的距离，沿测线返回，在测线外一个台站距离处以固定的间隔 (200m ) 激发气枪开始放炮（枪阵总容量84.55725L）。最后，沿测线回收OBS，这样就得到一条完整的人工地震剖面。 3.2数据采集 每个OBS被投放前，必须彻底检查仪器以确保所有连接是正确的，然后设置好仪器参数，主要是工作起始时间、结束时间、频率、采样间隔、水平分量的方向和记录通道编号。随后密封玻璃球并将其放置在甲板上，对仪器每隔半个小时进行一次气压和电压检查。在投放前给每台OBS装上镇重锚，插上小旗子，固定深海水听器、回收信号发射天线及燃烧线，再次对声学释放器进行检查。当船接近预定位置时，用绞车、撑竿使OBS缓慢下降到水面上并保持空中稳定姿态，在预定投放点被松开，投放时船速最好不要超过1kn，以使OBS垂直自由沉降到海底。 在航次探测中遵循如下步骤：首先在预定的测线投放点依次放下OBS，开出测线外一个台站的距离，在测线外一个台站距离处以固定的间隔 激发气枪开始放炮。最后，沿测线回收OBS，这样就得到一条完整的人工地震剖面。3.3数据处理对每个回收上来的OBS，要立刻用GPS重新校准它的内部时钟，并且显示和记录仪器存储器里的故障记录，以便观察是否存在问题。数据拷贝后，一般还要显示仪器存储器里的内容，再次观察数据是否存在问题，以确保正确记录了所要求的数据。如果发现问题，在重新投放设备前必须纠正过来。重新放置OBS前需彻底检查、组装仪器，并更换电池组和设置参数。SEDIS IV型海底地震仪原始数据为IMG格式，要综合运用导航数据、甲板上便携式地震仪记录的炮时对原始数据进行截载处理。首先是进行放炮时间处理，主要步骤为：（1）从导航文件中获取粗糙的地震放炮时间；（2）将甲板记录的炮时文件变成SU格式，并检查导航炮时记录的误差，从甲板炮时记录中拾取更精确的放炮时间；（3）显示所拾取的炮时时间，并改正拾取不正确的测道，从而再次修改放炮时间。其次是进行偏移距处理，方法是：从导航数据中获取炮点的坐标（x, y），从回收时导航数据中获取OBS的水平坐标（x, y），从而计算偏移距。最后用得到的炮时数据和偏移距数据处理原始数据以获取各OBS记录的SEGY格式和SU格式文件，并对SU格式文件进行处理得到所对应的PS图像文件。从单道地震测深数据中获取OBS站位临近两点的水深资料并取平均值得OBS站位水深，通过公式看记录时间是否准确，若不准确，就需要在处理过程中对OBS站位水深进行进一步校正。南海中北部测线2中OBS8台站的站位水深3.31255km，计算理论记录时间约为2.208s，与图2记录时间相对应，图2显示了南海中北部测线2中OBS8台站的垂直分量地震记录剖面，可见信号最强的是分布于海底地震仪(0km)附近的直达水波，海底地震仪两侧的地震相基本呈对称分布，清晰记录到5120km远的折射波和广角反射波。3.4资料解释 图15 南海中北部测线2中OBS8台站的地震记录剖面图（垂直分量） 图16 数据处理结果图 3.5 总结运用海底地震仪进行海洋深部地壳结构调查具有高风险性，如果一台海底地震仪不能成功回收，不仅损失大量财力物力，更会损失一批国家急需的宝贵数据。根据多次投放实践及数据处理经验，我们有以下体会：（1）在电池组组装前后和OBS组装过程中，要多次检测电池组所提供电压是否符合规定要求。（2）玻璃球密封的好坏直接影响OBS能否顺利被回收，从OBS组装设置完成到投放前一段时间内，一般每半个小时要检查一次OBS内的气压（已被抽成负压），查看密封的玻璃球是否漏气，测量燃烧线与负极之间电压是否漏电。若发现漏气或者漏电，都要检查原因并重新密封，再进行跟踪检查。（3）出海前要搜集资料，仔细了解每个OBS投放点的海底地形特点，尽量避免在海底地形复杂地点投放OBS。我们的做法是出海前收集测线附近的多波束资料、沉积资料，根据沿测线的水深变化程度、沉积物状况，估算是否投放OBS。（4）由于导航所记录的炮时不准确，精度较低，误差很大，而甲板记录炮时精度很高，在整个炮时校正中起关键作用。因此，如果可能的话，在放炮时最好在甲板上放一个地震仪同时记录炮时。我们在甲板上应用了两种型号的地震仪：一种是陆地用的便携式地震仪（采样率为100Hz的EDAS-3M型16位数据采集器和将信号放大4倍的891-2型工作摆），一种是我们富裕的SEDIS IV型海底地震仪。（5）电池组能提供电源是有限的（2030d），而海况随时可能发生变化，为了数据的完整及仪器的安全回收，每次以一次做完一条测线为原则，要根据海况及完成一条测线所需的时间合理进行作业顺序调整。4、 海洋物探船海洋物探船是海上进行地震数据采集的基本条件，所有的仪器的正常工作和采集的完成都离不开物探船！物探船除了具有一般船只的构造和装备基本要求外，由于地震仪器都安装在船上，使用海上专用的电缆和检波器(这些器件长而重)，在地震船航行中连续地进行地震波的激发和接收，所以船应足够的大，并且要有足够大的马力，这样才能拖得动这些设备。常规的海洋地震勘探时由一条或两条地震勘探专用船拖着多个震源和一条(二维)或多条(三维)水用检波器拖缆，在工区内往返航行采集数据。 物探船主要用于海洋地球物理勘探，与海洋调查船、科学考察船、水文测量船、工程勘查船等同属于调查船。 物探船船队状况 有关物探船船队数量，目前并没有一致的统计数据，不同机构对物探船船队规模的估计在160艘至210艘之间。 据Offshore Magazine的统计，目前全世界物探船保有量为164艘，由26家物探船船东持有。物探船船东主要集中在欧洲，尤以挪威为甚。挪威同时也是物探船配套设备和建造船厂最集中的国家。欧洲之外拥有较多物探船的国家是美国、中国和阿联酋。 物探船船东主要为专业的物探服务承揽商。英国Western Geco、法国CGGVeritas和挪威Petroleum Geo-Services是传统的三大物探作业承揽商，随着Western Geco收购EasternEcho和Petroleum Geo-Services收购Arrow Seismic的完成，物探船运营市场更加集中。上述“三大”加上荷兰Fugro和挪威TGS-Nopec等五家海洋物探服务商占全球海洋物探服务市场份额的75%以上。 中国有物探船船东5家，拥有19艘物探船。主要集中在中国海洋石油总公司旗下的中海油田服务股份有限公司，此外中国石油天然气集团公司下属东方地球物理勘探有限责任公司、中国石油化工集团公司下属上海海洋石油局、国土资源部广州海洋地质调查局也拥有少量物探船。国内物探船队不仅数量少，而且物探能力也不高，仅有12缆3维物探船1艘、8缆三维物探船1艘、6缆三维物探船2艘、4缆三维物探船2艘，其余皆为二维2-3缆的小型物探船。五 导航定位海洋物探船在海上从事物探工作时，导航定位是十分重要的。没适当的导航定位设备和技术保证，所获得的地震资料会因为缺乏关于测线位置的数据而变得毫无价值。导航定位设备必须使其测线的位置能够在作图比例尺的精度范围之内，并用地理坐标表示出来，否则将会给编制成果图件造成困难。随着生产技术的不断提高和发展，对定位技术和精度的要求也就越来越高。这就要求我们必须使用专门的定位设备和特殊方法。在生产中通常采用综合定位方法，也就是说采用的设备越来越多，即同时使用DGPS、电罗经、磁罗盘、声学定位系统、激光跟踪系统和RGPS尾标跟踪系统构成综合定位网络。综合导航系统是海上地震勘探的控制核心，其作用为： 为地震船行驶提供导航信息；为地震测线、炮点、检波点定位；控制点火放炮；共反射点面元计算；实时质量控制；与地震勘探仪器交换信息。综合导航系统实时采集所有定位传感器的数据，对其进行实时计算处理，在此基础上进行实时控制。六、海洋地震波的激发关于海洋地震波的激发人们首先想到的是海上震源，最早的海上震源是简单地把陆上炸药震源引入到海上，但很快暴露出了它的缺陷：炸药在海水中爆炸会产生气泡效应，为了不产生重复冲击，要通过试验确定炸药的最佳沉放深度；施工不方便，它不能自动化操作，人工操作很危险；对环境污染严重，尤其