海上宽频地震采集技术新进展

1、海上宽频地震采集技术新进展文|余本善   等中国石油集团经济技术研究院【摘要】：海上宽频地震采集技术不但能改善盐下、玄武岩下等深层构造成像,还能提高薄层、隐蔽圈闭、特殊岩性体等难识别油区成像品质,因而能有效提高地震资料的解释精度,降低勘探风险。近年来市场的迫切需求极大地推动了海上宽频地震采集技术的快速发展,国外相继出现了倾斜电缆采集、上下双缆采集、双检电缆采集、四分量拖缆采集等多种采集方法,国内在这一研究领域尚处于起步阶段。本文通过介绍上述几种技术的基本原理及效果,以期对国内相关研究起到参考和指导作用。【作者单位】： 中国石油集团经济技术研究院; 【关键词】： 宽频地震 鬼

2、波 倾斜电缆 上下双缆 双检电缆 【基金】：国家科技重大专项“我国油气及煤层气勘探开发技术发展战略研究”(编号:2008ZX05043-003) 【分类号】：P631.46海洋油气资源十分丰富。据最新资料显示，海洋油气探明储量约占全球探明储量的34%，而探明率仅有30%。随着陆上常规可采资源储量的不断减少，全球油气需求快速增加与油气资源相对匮乏的矛盾日益突出,为满足人类日益增长的能源需求，走向海洋是未来油气勘探开发的必然选择。近几年，全球海洋油气年均投资突破1000亿美元，越来越多的石油公司、服务公司把海洋油气作为未来发展的重要战略接替区和技术创新的主攻方向。海上拖缆地震技术是目前海洋油气勘查

3、的主要手段，常规的海上拖缆采集一般是配置单一类型的水检，且各个检波器排列处于同一水平面上，这种采集方式具有施工灵活、作业效率高等特点，但是随着海上开发油气藏类型日益复杂，常规作业方式取得的资料已越来越难以满足海上精细化勘探的要求。海上宽频地震勘探技术不但能改善盐下、玄武岩下等深层构造成像，还能提高薄层、隐蔽圈闭、特殊岩性体等难识别油区成像品质，因而能提高地震资料的解释精度，帮助寻找遗漏油藏，降低勘探风险。宽频地震作为提高地震成像精度的重要方法，已经成为物探学界的研究热点问题。近5年来国外海上宽频地震采集技术取得了飞速发展，出现了上下双缆采集、倾斜电缆采集、双检电缆采集、四分量拖缆采集等多种方法

4、。1 海上地震采集“鬼波”海上拖缆地震采集一般是将震源和检波器沉放到水下一定深度，当震源激发出子波后，地震波在向下传播（简称下行波）的同时也向上传播（简称上行波）。由于海水面是一个很强的波阻抗界面，当上行波到达海面会产生强烈反射，再向下传播；同理，由地下反射回来的地震波，有的直接到达检波器，有的继续向上传播，经海面反射后到达检波器，这种海面反射波称为虚反射（也称鬼波）（下图）。研究表明，由于鬼波的陷频作用，在一定的水深范围内，震源沉放较浅，震源子波频谱较宽，高频效果越好，但低频部分相对缺失；震源沉放较深，低频成分相对丰富，但频带较窄。同理，检波器沉放深度对地震资料的频带也有着类似的影响。2 倾

5、斜电缆采集技术倾斜电缆技术理论最早由C.Ray于1982年提出，倾斜采集数据处理主要难点是如何处理各种各样的地震鬼波，由于缺少可靠的处理算法，一直以来实际应用得很少，直到2010年Soubaras首次提出了镜像偏移和联合反褶积相结合的处理方法并通过软件得以实现，倾斜电缆技术才逐渐开始走向商业应用,以CGG公司的BroadSeis、斯伦贝谢公司的ObliQ技术为代表。倾斜电缆采集技术是通过先进的拖缆操控技术将采集电缆倾斜布置（下图右上），检波器的深度（650m）随着偏移距的增大而变深。理论研究表明，陷波频率响应公式为：式中：f陷波频率；Vc海水波速；h1，h2分别为震源和检波器的深度。根据上述公

6、式可得知倾斜采集陷波的频率随着检波器深度的变化而变化（上图右下），而常规采集中鬼波可认为是包含于同一个地震子波中，因此常规的去鬼波处理方法并不适合倾斜电缆采集得到的地震数据。Soubaras提出的方法，其原理是进行一次常规偏移和一次镜像偏移（上图），常规偏移是为了突出有效反射波，假定地震子波为最小相位，因此常规偏移对一次反射进行了完美的叠加，与此同时，没有得到很好叠加的虚反射以一种因果剩余子波来呈现，镜像偏移是为了突出鬼波，假定子波为最大相位，这样虚反射通过极性反转得到了很好的叠加，与此同时没有得到很好叠加的一次反射通过非因果剩余子波来呈现。然后，将常规偏移和镜像偏移进行联合反褶积，这样得到的

7、结果能在低频和高频段同时增加频谱宽度，因此能极大地提高地震记录分辨率。研究结果表明，Soubaras方法适合于任何宽频带地震数据采集技术，对噪声也不敏感，有保幅作用，能够提供真实的虚反射剔除以后的大地响应，非常适合倾斜拖缆采集。2011年Sablon在此基础上又提出了一种新的解法。此外，倾斜电缆采集随着拖缆深度的增加，拖拽噪声、膨胀波干扰和波浪噪声也会得到很大程度上的弱化，这样噪声对地震信号的影响更小，相应地采集信噪比也会有明显提高。下图为常规采集与倾斜电缆采集技术应用效果对比图，采用倾斜拖缆可采集到2.5200Hz宽频地震数据，地震资料信噪比、分辨率具有明显的提高。3 上下双缆采集技术上下双

8、缆采集技术是同时采用双层电缆接收地震波，两层电缆深度保持一定的距离以保证上下鬼波能被区分开，一般浅层深度为58m，深层为1530m。为达到最佳效果，理论上上下双层电缆缆数一样，且对应电缆在同一个垂直面上，2009年Kragh等研究认为，因深层电缆地震资料主要是用来提取低频，因此实际操作过程中只需使用少量深层电缆，这样既可保证数据质量，又可提高效率，降低采集成本（下图）。上下双缆采集技术理论最早由Sonneland于1986年提出，由于受到拖缆控制技术的限制进展缓慢，直到最近几年随着固体拖缆的出现及控制技术的成熟，双缆采集技术才逐渐走向市场应用，以斯伦贝谢公司的DISCover技术为代表。双缆采

9、集技术最初的目的是减少恶劣天气的影响，最大程度降低膨胀噪声。随着信号处理理论的发展，业界才逐渐认识到：由于陷波点位置不同，浅层电缆地震资料频带较宽，高频能量强；而深层电缆地震资料低频信息丰富，通过合并处理可以压制鬼波，提高频宽。上下双缆采集的地震数据与常规海上拖缆采集数据的处理方法差异主要体现在与采集参数相关的一些处理步骤上，如地震子波归一化处理、不同深度拖缆地震数据合并处理等,其处理流程见下图。从下图可以看出，与常规拖缆法相比，上下双缆合并处理地震数据的频谱得到拓宽；合并处理对于中深层地震资料的能量和分辨率有明显的提高。4 双检电缆采集技术双检电缆采集技术的基本原理是在同一观测点上利用压力检

10、波器和垂直速度检波器同时接收地震记录（下图），两种检波器集成于拖缆同一位置。因为压电检波器和速度检波器接收到的上行波的极性是相同的，而下行波的极性是相反的（“海上地震采集鬼波示意图”），所以可根据地震波极性对两类检波器接收的地震记录分别处理，再将两者相加，即可达到拓宽资料频谱、提高分辨率的效果（下图）。双检电缆采集技术最早是在20世纪80年代末由Barr等人提出，不过Barr等人提出的理论是用水检测量压力场，用运动传感器测量垂直分量速度。2007年Carlson等通过实验研究提出用万向架固定的垂直检波器代替运动传感器测量垂直分量速度，这种改变的优点是能测量所有偏移距上下行波压力场。目前应用双检

11、技术最成熟的系统是PGS公司的GeoStreamer采集系统。5 四分量拖缆采集技术四分量拖缆宽频采集技术理论由Robertsson于2008年首次提出，其基本原理是在拖缆内同时布置一个压力检波器和一个三分量MEMS数字检波器（下图），在记录垂直分量压力场的同时记录3个相互正交的加速度波场梯度分量。四分量拖缆采集技术可看做是双检采集技术的延伸和发展。这种采集方法不但能够消除鬼波，提高频宽，而且可以利用横向的分量进行数据重构，解决横向数据密度不足的问题。因此，四分量拖缆采集技术不但能增加时间频带宽，还能增加空间频带宽，极大提高资料信噪比（下图）。WesternGeo公司的IsoMetrix海洋地

12、震系统是目前世界上唯一的一款采用该技术的商业化拖缆采集系统，据了解其采集面元最小达到6.25m×6.25m。6 同步多级震源采集技术上述4种方法严格意义上都仅限于消除接收鬼波（见“海上地震采集鬼波示意图”）。PGS、CGG等公司于2011年相继推出了采用同步多级震源激发以消除激发鬼波的技术。目前主要是将枪阵按炮间距前后布置并分别沉放于同一垂直平面内的不同深度（下图），两个枪阵交替激发形成同一激发位置上两个不同激发深度的单炮记录，然后通过信号分离技术拾取激发鬼波特性参数，从而达到去除震源鬼波的目的（下图）。理论上，同步多级震源技术结合其他的宽频采集技术可获得非常大的频宽，其极限频率是时

13、间采样间隔。7 结论与建议海洋油气是维护世界油气安全不可替代的重要生产基地，目前全球1/3以上的油气产量和1/2以上的油气储量来自海洋。随着海洋油气勘探开发不断向着更深、更复杂油藏结构发展，海上宽频地震技术作为提高地震成像精度的利器，能有效拓宽资料频带，改善信噪比，提高分辨率,未来市场应用前景广阔。我国海洋油气勘探以新生代碎屑岩油气藏为主，面临着地下构造复杂、小断块小构造发育、储层薄等诸多不利条件，对宽频地震资料有着很现实的需求。海上宽频采集技术是以一定的拖缆控制技术为基础的，对拖缆铺设深度有一定的要求，因为拖缆具有一定的军事用途，为了防止该设备应用到军事领域，西方国家对出口到中国的电缆都安装了深度锁闭装置，即当电缆沉放到一定深度后，在电缆中的检波器就不工作了，这种限制严重地制约了国内海洋物探业务的发展。当今，随着物探行