海洋空气枪点震源阵列优化组合设计与应用

张 鹏,李 欣,杨 凯,陈 磅

(中海油田服务股份有限公司物探事业部,天津塘沽300451)

海洋空气枪点震源阵列优化组合设计与应用

张 鹏,李 欣,杨 凯,陈 磅

(中海油田服务股份有限公司物探事业部,天津塘沽300451)

应用气枪震源子波模拟软件,通过不同气枪阵列组合的震源子波模拟试算进行海上宽方位地震数据采集的点震源阵列设计。阐述了阵列组合对于点震源阵列优化设计的意义;分析了阵列间距和沉放深度对子波模拟结果的影响;针对渤海某工区海底复杂断裂带中、深层目的层成像问题,并结合BH518震源船的实际生产条件,设计了四子阵非对称分布点震源阵列并选出其最优阵列参数,使得其激发的远场子波在子波性能、频谱质量和能谱分布上达到各方面兼顾。将此点震源阵列应用于研究工区的地震采集试验,所获资料的最终成像效果得到显著改善,表明所设计的四子阵非对称分布点震源阵列是适用于实际宽方位地震资料采集作业的较优点震源阵列。

气枪震源;点震源阵列;远场子波;子阵间距;沉放深度;四子阵

空气枪具有精度高、重复性好、经济适用、环保等诸多优点,已成为海上油气勘探中应用最广泛的震源。空气枪震源激发的远场子波是震源的一个重要参数。随着勘探靶区逐步向深水区延伸,在深水区复杂地质条件下实现海上高分辨率、高信噪比地震勘探,要求震源激发的远场子波主脉冲强、初泡比大、频带宽[1],并且要求低频能量强、陷波点频谱能量相对较强、有效频带范围内的频谱光滑。前人对优选气枪阵列激发参数以提高震源子波性能做了大量的研究工作,陈浩林等[2]、杨怀春等[3]研究了海洋地震勘探中空气枪震源激发特征;李绪宣等[4]先后进行了平面气枪阵列参数的优选研究,以及立体阵列远场子波数值模拟初步研究;杨凯等[5]、王建花等[6]进行了非常规六子阵立体延迟激发震源设计研究。但是,前人优选出的气枪阵列震源激发的子波能谱分布在平面上都具有明显的方位特性,在深度剖面上也具有明显的方向性,难以满足海上宽方位地震采集的要求。随着宽方位地震资料采集技术以其独特的优势越来越受重视,针对宽方位地震资料采集对震源激发特性的需求,激发子波不存在方向性差异的点震源阵列设计是一个重要的研究方向。对于点震源阵列设计,国外一些学者做了初步的研究,Hopperstad等[7]提出了无方向性震源的设计理念;Moldoveanu等[8]详细阐述了点源激发的优势;Quigley[9]对点震源阵列进行了描述;Saunders等[10]进一步讨论了点震源阵列设计方法;Niang等[11]对气枪震源能量指向性进行了研究。

在前人研究的基础上,针对海底复杂断裂带中深层目的层成像及分辨率问题,并结合BH518震源船实际震源设计条件,提出了适应于实际生产条件和勘探环境的四子阵点震源阵列组合排列方式,其模拟的远场子波能够满足特定海上勘探环境下的宽方位地震数据采集作业的要求。

1 气枪阵列组合的意义

受制作工艺的限制,单枪激发的子波能量太小,无法满足实际勘探作业的要求。气枪子阵列是由多个气枪单元(单枪或一组相干枪)组合而成,气枪阵列震源则是由多个气枪子阵列以一定阵列间距组合而成。气枪阵列震源实现了各气枪单元间的调谐作用[12],使其激发脉冲得到有效叠加,以保证子波具有足够强的能量;气泡脉冲得到有效压制,使远场子波具有足够大的初泡比,以保证所采集的地震资料具有较高的信噪比;频谱光滑程度较好,以保证子波信号的稳定性;具有不同容量的气枪单元,以保证子波具有较宽的带宽和足够强的高、低频能量。

一个气枪单元可视为理想的点震源,其激发的远场子波能谱分布在极坐标中表现为不同能量带均呈圆环状分布,不同方位角对应的能谱呈对称分布并且差别不大。由多个气枪单元组合而成的气枪子阵列激发的远场子波是各气枪单元的叠加子波,其能量也是各气枪单元的子波叠加能量。如图1 所示,气枪子阵列在空间分布上就有明显的方位特性,其激发的子波叠加信号因方位角和出射角不同而不同,这就造成远场子波能谱分布具有明显的方向性差异[13]。图2是图1所示子阵列(sub1)激发的远场子波不同频率对应的极坐标能谱分布图以及不同方位角对应的能谱分布图,图中不同能量带整体不再是圆环形分布而是椭圆形分布,并且存在明显的方位性差异,频率越高方向性差异越明显,不同方位角对应的频谱分布差异也很大,不再是点震源的能谱分布特征。

图1 某子阵列(sub1)平面排列示意(1in3≈16.4cm3)

将多个子阵列进行合理的组合形成双子阵或多子阵震源阵列,可以有效减小其激发的远场子波因方位角或出射角的不同而产生的差异,从而使子波能谱分布的方向性差异变小,使震源阵列更接近点震源阵列。如图3所示,双子阵震源阵列由两个子阵列(sub1)以10m的阵列间距(子阵列之间的距离)组合而成,其激发的远场子波能谱分布如图4 所示。相对单子阵列而言,双子阵震源阵列子波能谱分布方向性差异明显变小,特别是高频对应的能谱图已不再是扁平椭圆分布而是更接近圆形的正方形分布,不同方位角下的能谱分布差异也明显变小。

由多个子阵列以相同沉放深度(子阵列沉放在海水中距离海面的距离)组合而成的平面阵列震源,相对于由多个子阵列以不同沉放深度组合而成的立体阵列震源而言,平面阵列震源的优势在于在实际勘探作业中具有更强的可操作性和可控制性,使其在海洋环境中具有更好的稳定性,其激发的子波主脉冲叠加效果更好;平面阵列的“相位中心”[14]位于海平面上,与沉放深度无关,可以最大限度地减小出射角的变化对能量分布的影响。立体阵列的“相位中心”不在海平面上,而是与各子阵列的沉放深度有关,且立体点震源阵列的设计难度大。因此,本文基于平面阵列进行点震源阵列设计研究。

图2 子阵列(sub 1)10Hz(a),30Hz(b),60Hz(c)和90Hz(d)远场子波对应的能谱分布及0方位角(e)和90°方位角(f)对应的能谱分布

图3 双子阵震源阵列平面排列示意(1in3≈16.4cm3)

图4 双子阵震源阵列10Hz(a),30Hz(b),60Hz(c)和90Hz(d)远场子波对应的能谱分布及0方位角(e)和90°方位角(f)对应的能谱分布

2 阵列参数对子波模拟结果的影响

气枪阵列震源的阵列参数包括子阵间距、阵列沉放深度、不同容量气枪分布位置等,各项阵列参数对子波模拟结果都有较大的影响,并且他们之间是相互关联的,在阵列震源优化设计过程中,要考虑各方面影响因素综合选取较优的阵列参数[15]。在传统的阵列震源优化设计中,选取多种不同容量的气枪单元交错排列,不同容量的气枪选取合适的分布位置,使其激发的远场子波具有较高的子波质量和频谱质量。对于点震源阵列优化设计而言,在遵循传统阵列优化设计规律的基础上,更要注重其激发子波的能谱分布特征,因而子阵间距和阵列沉放深度的选取就显得尤为重要。

3.1 子阵间距对子波模拟结果的影响

子阵间距对子波模拟结果的影响更侧重于其对子波能谱分布的影响。如图5所示,在四子阵震源阵列中,不同容量的气枪单元整体分布呈上下、左右对称,在其他阵列参数不变的前提下,改变阵列的子阵间距进行子波模拟。图6至图11是分别对应子阵间距D分别为4,6,8m时的子波能谱分布；通过对比可见,子阵间距对子波能谱分布影响很大,选取适当的子阵间距可以使阵列激发子波能谱分布呈现圆形(图7),而过大或过小的子阵间距都会造成能谱的椭圆形分布,这点在高频处尤为突出。大量模拟试验结果表明,对于平面阵列震源而言,阵列整体长宽比直接影响能谱分布是否呈现圆形,当阵列长宽比为1∶1,即阵列整体趋于正方形分布时,其能谱分布最接近圆形。

图5 四子阵震源阵列平面排列示意(子阵间距6m—6m—6m，1in3≈16.4cm3)

图6 子阵间距4m—4m—4m的子波能谱分布(从左至右依次为10,30,60和90Hz远场子波)

图7 子阵间距6m—6m—6m的子波能谱分布(从左至右依次为10,30,60和90Hz远场子波)

图8 子阵间距8m—8m—8m的子波能谱分布(从左至右依次为10,30,60和90Hz远场子波)

图9 子阵间距4m—4m—4m时方位角对应的能谱分布

图10 子阵间距6m—6m—6m时方位角对应的能谱分布

图11 子阵间距8m—8m—8m时方位角对应的能谱分布

3.2 沉放深度对子波模拟结果的影响

沉放深度对子波模拟结果的影响更加侧重于其对子波质量和频谱质量的影响,其对子波能谱分布的影响不大。表1列出了某阵列震源只改变沉放深度情况下的子波模拟结果各项参数数值,图12 显示了不同沉放深度情况下子波频谱统一归一化后的对比图。通过表1参数数值对比结合图12 频谱对比可见,沉放深度对子波模拟结果影响的规律为:随着气枪阵列震源沉放深度变深,初泡比逐渐变小,陷波点向低频方向移动,带宽逐渐变小,能量向中低频部分集中,高频部分效果变差,而低频部分能量逐渐升高。

表1 某阵列震源不同沉放深度模拟结果的各项参数数值对比

图12 某阵列震源不同沉放深度的子波频谱对比

3 四子阵点震源阵列优化设计与应用试验

在实际勘探作业中,不同震源船对应的气枪类型、能够使用的不同容量的气枪单元总个数、子阵列个数、各子阵列气枪挂点位置都是固定的,因此需要根据具体震源船的生产条件进行适用于实际勘探作业的点震源阵列的优化设计。同时,还要考虑实际的勘探环境,选取综合较优的阵列参数。因为不同的勘探环境所要求的子波性能参数也不一样,比如当目的层较浅时,所要求的阵列震源激发子波的初泡比越大越好;当目的层较深时,所要求的阵列震源激发子波在具有一定大的初泡比的同时要有足够强的低频能量,以保证其具有足够强的穿透能力。

能够适用于实际勘探作业的较优点震源阵列,其激发的远场子波信号质量要求较高,要在子波性能、频谱质量和能谱分布上能够达到各方面兼顾。上下、左右对称分布的阵列震源虽然在能谱分布特征上近乎为理想的点震源阵列,但由于其使用的气枪单元种类较少并且分布位置较为固定,不能有效地压制气泡脉冲,从而造成其激发的远场子波从子波性能和频谱质量上看还达不到高质量的水平。因此需要改变阵列对称分布方式,使用更多不同容量的气枪单元,合理安排其在阵列排列中的位置,使其非对称交错排列,从而提高阵列震源激发远场子波的质量,达到各方面兼顾。

渤海某工区为油公司地震采集处理重点攻关的探区,经过拖缆、海底电缆等多次地震采集及处理攻关试验,采用了高密度、宽方位等采集技术,仍然难以解决复杂断裂带成像问题以及分辨率问题。本文针对此问题,结合BH 518震源船实际震源设计条件,进行了四子阵非对称分布点震源阵列设计及阵列参数优选。如图13所示,组成四子阵非对称分布点震源阵列的气枪单元为容量分别为210，150，70，40in3的相干枪和容量分别为300，210，150，100，70，40in3的单枪10种类型,合理安排其空间位置,子阵间距选取为5m,阵列中各气枪单元非对称分布,整体容量为4700in3,考虑目的层为中深层要求较高的低频能量,选取阵列整体沉放深度为7m。

图14和图15给出了该阵列震源方位角与出射角都为0处的远场子波模拟结果。由图14a可见,其主脉冲为84.6MPa·m,初泡比为22.1;由图14b可见,其有效带宽为6～95Hz,谱线较为光滑,特别是低频部分能量较高。由图15可见,其中、低频对应的能谱分布均成圆环形分布,90Hz高频(图15d)对应的能谱呈接近圆形的正方形分布,不同方位角下的能谱分布差异不大。从图15能谱分布上看,此项设计方案符合点震源阵列设计要求,并且远场子波信号的子波主脉冲能量和低频部分能量足够强,初泡比也较大,在子波性能和频谱质量方面也都达到了高质量的水平。因此,可以认为此气枪阵列震源是较优的点震源阵列。

在原观测系统不变的情况下,采用上述四子阵非对称分布点震源阵列进行激发试验,针对此工区进行宽方位地震资料采集作业。图16a为该区以前激发系统所采集地震资料的成像剖面,图16b为采用四子阵非对称分布点震源阵列激发系统采集地震资料的新剖面。新、老剖面对比可以看出,以前的地震剖面中深部成像较差,分辨率低,洼陷底界波组连续性较差,洼陷内幕能量较弱;而新的点震源阵列试验剖面上浅层分辨率和断层成像质量显著提高,断点清晰,中深层波组特征连续,成像效果得到明显改善。

图13 四子阵非对称分布点震源阵列平面排列(1in3≈16.4cm3)

图14 四子阵非对称分布点震源阵列远场子波波形(a)及其频谱(b)模拟结果(1in3≈16.4cm3,1psi=6.895×10-3MPa)

图15 四子阵非对称分布点震源阵列10Hz(a),30Hz(b),60Hz(c)和90Hz(d)远场子波对应的能谱分布及0方位角(e)和90°方位角(f)对应的能谱分布模拟结果

图16 以前的地震成像剖面(a)与四子阵非对称分布点阵源试验成像剖面(b)对比

4 结束语

多子阵组合震源阵列可以有效减小其激发的远场子波因方位角或出射角的不同而产生的方向性差异,使震源阵列更接近点震源阵列。

子阵间距和沉放深度是影响子波模拟结果的两个重要阵列参数,其中子阵间距更加侧重于对子波能谱分布的影响,而沉放深度更加侧重于对子波质量和频谱质量的影响。在进行点震源阵列的优化设计时,要根据实际的勘探环境和具体震源船的生产条件选取综合较优的阵列参数。

根据特定的生产条件和勘探环境设计了四子阵非对称分布点震源阵列,并选出其最优阵列参数,其激发的远场子波在子波性能、频谱质量和能谱分布上能达到各方面兼顾。渤海某工区应用试验的结果表明,四子阵非对称分布点震源阵列激发系统采集资料的成像效果得到明显改善,可以认为是适用于实际宽方位地震资料采集勘探作业的较优点震源阵列。

[1] Ziolkowski A.A method for calculating the output pressure waveform from an air-gun[J].Geophysical Journal Royal Astronomical Society,1970,21(2):137-161

[2] 陈浩林,宁书年,熊金良,等.气枪阵列子波数值模拟[J].石油地球物理勘探,2003,38(4):363-368 Chen H L,Ning S N,Xiong J L,et al.Numerical simulation of air-gun array wavelet [J].Oil Geophysical Prospecting,2003,38(4):363-368

[3] 杨怀春,高生军.海洋地震勘探中空气枪震源激发特性研究[J].石油物探,2004,43 (4):323-330 Yang H C,Gao S J.The signatures of seismic wavelet excited by air guns in marine seismic survey [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2004,43 (4):323-330

[4] 李绪宣,温书亮,顾汉明,等.海上气枪阵列震源子波数值模拟研究[J].中国海上油气,2009,21(4):216-220 Li X X,Wen S L,Gu H M,et al.A numerical simulation of wavelets from offshore air-gun array seismic source[J].China Offshore Oil and Gas,2009,21(4):216-220

[5] 杨凯,陈华,顾汉明.深水立体延迟激发气枪震源的设计与应用[J].工程地球物理学报,2011,8(6):641-647 Yang K,Chen H,Gu H M.The design and application of tridimensional delayed excitation air-gun arrays to deep water seismic exploration[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2011,8(6):641-647

[6] 王建花,李绪宣,顾汉明.海上多子阵立体组合气枪震源优化设计[J].地质科技情报,2012,31(2):133-138 Wang J H,Li X X,Gu H M.The optimal design of 3D air-gun arrays combination in marine seismic exploration [J].Geological Science and Technology Information,2012,31(2):133-138

[7] Hopperstad J F,Synnevaag J,Vermeer P.An azimuth-invariant source array[J].Expanded Abstracts of 71stAnnual Internat SEG Mtg,2001,52-55

[8] Moldoveanu N,Uribe J.Point-source/point-receiver land acquisition:Torrecillas-Mexico experiment[J].Expanded Abstracts of 74thAnnual Internat SEG Mtg,2004,21-24

[9] Quigley J.An integrated 3D acquisition and processing technique using point sources and point receivers[J].Expanded Abstracts of 74thAnnual Internat SEG Mtg,2004,17-21

[10] Saunders M,Howe D,Kommedal J,et al.An efficient compact omni-directional air gun array for the Valhall 4D/4C seismic survey[J].Expanded Abstracts of 66thEAGE Annual Conference,2004,1-5

[11] Niang C,Ni Y,Svay J.Monitoring of air-gun source signature directivity [J].Expanded Abstracts of 83rdAnnual Internat SEG Mtg,2013,41-45

[12] 陈浩林,全海燕,刘军,等.基于近场测量的气枪阵列模拟远场子波[J].石油地球物理勘探,2005,40(6):703-707 Chen H L,Quan H Y,Liu J,et al.Simulation of far-field wavelet based on near-field measuring gun-array [J].Oil Geophysical Prospecting,2005,40(6):703-707

[13] 陈浩林,全海燕,於国平,等.气枪震源理论与技术综述(下)[J].物探装备,2008,18(5):300-308,312 Chen H L,Quan H Y,Yu G P,et al.Summary of airgun source theory and technology(2) [J].Equipment for Geophysical Prospecting,2008,18(5):300-308,312

[14] Hopperstad J F,Laws R.Where is the center of a multi-depth marine source array [J].Expanded Abstracts of 78thAnnual Internat SEG Mtg,2008,40-44

[15] 李绪宣,王建花,杨凯,等.海上深水区气枪震源阵列优化组合研究与应用[J].中国海上油气,2012,24(3):1-6 Li X X,Wang J H,Yang K,et al.A study on optimization of seismic air-gun array source and its application in offshore deep water[J].China Offshore Oil and Gas,2012,24(3):1-6

(编辑：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。

张鹏(1981—),男,工程师，主要从事海上地震勘探方法研究。

国家重大科技专项项目“南海深水区油气勘探地球物理关键技术”(2011ZX05025-001)资助。

P631

A

1000-1441(2015)03-0292-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.007