前沿：海洋寬頻帶地震勘探新技術(shù)掃描海洋地震勘探寬頻帶地震波激發(fā)技術(shù)接收技術(shù)吳志強文|吳志強國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室

1、概況

海洋地震勘探在海洋地質(zhì)調(diào)查、油氣藏勘探與開發(fā)中起到了無可替代的重要作用。隨著勘探領(lǐng)域的不斷拓展，地震勘探的難度越來越大。在深部地質(zhì)調(diào)查和復雜構(gòu)造、火山巖（或碳酸鹽巖）屏蔽下的油氣藏地震勘探中，為了獲取目的層有效反射信號、實現(xiàn)精確成像，對地震數(shù)據(jù)采集的要求進一步提高，包括采集到低頻、高頻成分豐富的寬頻帶、高信噪比原始地震記錄。地震信號中的低頻信息具有穿透能力強、對深部目的層成像清晰的優(yōu)勢，同時也使地震反演處理結(jié)果更具穩(wěn)定性。寬頻帶可產(chǎn)生更尖銳子波，為諸如薄層和地層圈閉等重要目標體的高分辨率成像提供全頻帶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。理論研究表明：當?shù)卣饠?shù)據(jù)的頻帶寬度不低于兩個倍頻程時，才能保證獲得較高精度的成像效果；頻帶越寬，地震成像處理的精度越高；增加低頻分量的主要作用是減少子波旁瓣，降低地震資料解釋的多解性，提高解釋成果的精度。

圖形象地展示了低頻分量的重要性：高頻分量豐富、但缺少低頻分量的地震子波的主峰尖銳，卻會產(chǎn)生子波旁瓣，使地震資料的精確解釋變得困難且多解；高分辨率子波是在低頻和高頻兩個方向都得到拓展的寬頻帶子波，這樣子波的主峰尖銳、旁瓣少且能量低，能分辨厚度極小的薄層，地震解釋的精度高?，F(xiàn)今地震資料反演處理大多是基于模型的地震反演，成功的關(guān)鍵是能否提取真實子波和建立精確的低頻模型。常規(guī)地震數(shù)據(jù)中缺失低頻信息，只能采用從測井數(shù)據(jù)中提取低頻分量再與地震數(shù)據(jù)反演的相對波阻抗合并處理方式得到絕對波阻抗。在目標地質(zhì)體復雜、鉆井少的探區(qū)，僅靠測井資料提取的低頻分量難以反映復雜地質(zhì)體橫向變化，導致不精確或假的反演結(jié)果。為彌補該缺陷，一般采用從地震疊加速度提取低頻分量方式，而疊加速度只能提供0～5Hz低頻信息，無法彌補常規(guī)地震所缺少的0～10Hz低頻分量?？梢姡卣饠?shù)據(jù)中低頻信息對保證地震巖性反演的精度意義重大。然而，在海洋地震勘探中得到寬頻帶地震數(shù)據(jù)是比較困難的。首先，在常規(guī)海洋地震數(shù)據(jù)采集中，電纜和氣槍都要以固定深度沉放于海平面之下，以保證下傳的激發(fā)能量最大化和降低接收環(huán)境噪聲。由于海平面是強反射界面，在激發(fā)和接收環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生虛反射效應，從而壓制了信號的低頻和高頻能量，并產(chǎn)生了陷波點，限制了地震勘探的頻帶寬度。例如，為了獲得深部目的層有效反射信號，必須增加氣槍陣列容量、加大沉放深度以得到穿透能力大、主頻低的激發(fā)子波，并加大電纜沉放深度以減少對來自深部反射界面的低頻反射信號的壓制效應，由此帶來的副作用是高頻信號受到較大壓制，降低了地震信號的頻帶寬度和分辨率。在海洋高分辨率地震勘探中，一般采用較小氣槍陣列容量和較淺沉放深度以得到高頻成分豐富的激發(fā)子波，同時降低電纜沉放深度以降低接收環(huán)節(jié)對高頻信號的壓制效應，這樣雖然提高了地震信號的頻帶寬度和視覺分辨率，但它是以犧牲低頻信息和勘探深度為代價，處理后的成果數(shù)據(jù)缺少低頻信息，給后續(xù)的反演處理帶來較大困難?？碧皆O(shè)備性能也限制海洋地震勘探獲得寬頻帶地震數(shù)據(jù)的能力，電纜在移動時產(chǎn)生的機械和聲波噪聲掩蓋了微弱的有效地震信號，降低了地震數(shù)據(jù)的頻寬和信噪比，尤其是對高頻段信號的影響幅度更大。到目前為止，常規(guī)海洋地震勘探中尚未找到完全有效壓制虛反射效應的采集和處理方法。近年來，針對海洋寬頻帶地震勘探面臨的主要難題，在勘探設(shè)備方面進行了研發(fā)并取得重要進展。固體電纜的研制成功和工業(yè)化應用，有效地降低了電纜噪聲，提高了對微弱高頻信號的響應和記錄能力；雙檢波器拖纜采集技術(shù)的發(fā)展與應用，壓制了虛反射效應，拓寬了地震頻帶。眾所周知，氣槍和電纜以一定深度沉放于海平面之下，海平面反射在上行波和下行波之間產(chǎn)生交互干涉的鬼波效應，對地震反射信號產(chǎn)生了壓制和陷波作用，降低了原始地震資料的頻帶寬度。氣槍和電纜沉放越深，對高頻信號壓制越大，越有利于低頻信號；沉放越淺，對低頻信號壓制越大，越有利于高頻信號。為了壓制虛反射效應，提高地震數(shù)據(jù)頻帶寬度，在海洋地震激發(fā)時借鑒陸上地震勘探壓制虛反射的成功做法，開發(fā)了多層震源組合新技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平面震源組合方式，激發(fā)地震子波的低頻和高頻分量都得到有效拓展和提升，因此其頻帶展寬、穿透能力增強。在海洋地震信號接收環(huán)節(jié)，為有效削弱由海平面虛反射引起的陷波作用，利用電纜沉放深度的變化對不同頻帶的壓制特性，采用上、下纜接收技術(shù)，既有效地兼顧了獲得不同頻段的信號，也增加了地震數(shù)據(jù)的疊加次數(shù)，提高了地震信號的信噪比。但上、下纜地震采集要求嚴格控制電纜處于同一垂直面上，以確保接收點所獲信息的均勻性和數(shù)據(jù)合并時反射點位置一致性，對設(shè)備和作業(yè)海況的要求較高，常規(guī)地震勘探設(shè)備難以滿足這一要求。電纜變深度沉放（variabledepthstreamer）技術(shù)，是一種施工相對簡單的地震采集技術(shù)，只需將單條電纜按一定斜率或分段沉放于不同深度，使虛反射陷波效應分散化，以達到提升地震信號低頻、拓寬頻帶、提高原始信號振幅能量和信噪比的目的。同樣，采用雙檢電纜進行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)合并處理，可有效地減弱由電纜沉放帶來的虛反射效應對地震信號的高頻段和低頻段的損害。本文通過對海洋寬頻帶地震勘探技術(shù)方法的調(diào)研和總結(jié)，分別在地震波激發(fā)、接收和地震數(shù)據(jù)處理等幾個技術(shù)環(huán)節(jié)進行了闡述，展現(xiàn)了目前國際海洋地震寬頻帶勘探技術(shù)的新進展。

2、多層氣槍陣震源技術(shù)

在常規(guī)海洋地震數(shù)據(jù)采集中，氣槍是經(jīng)濟、實用和符合環(huán)保要求的人工地震震源。為了最大程度地發(fā)揮氣槍震源的優(yōu)勢，避免單槍氣泡效應對地震記錄品質(zhì)的影響，通常將若干個不同容量的單氣槍組成子陣列，再用2～4個子陣列組成一個完整的氣槍震源陣列，每個子陣列都以相同深度沉放在海水中，稱為平面震源或常規(guī)震源。它具有操作方便、排列簡單和能實現(xiàn)子陣列最大能量同時疊加等優(yōu)點。但由于海平面虛反射等因素引起的陷波作用，高頻和低頻信號均受到不同程度的壓制，震源子波的低頻段振幅震蕩幅度大，嚴重影響了原始地震資料的品質(zhì)，同時也難以兼顧穿透深度與頻帶寬度。為了降低氣槍震源激發(fā)產(chǎn)生的虛反射作用，受陸地垂直震源延遲激發(fā)壓制虛反射的啟發(fā)，Moldoveanu提出垂直震源法。即將兩個槍陣按炮間距前后布置并分別沉放于同一垂直平面內(nèi)的不同深度，采集中兩個槍陣交替激發(fā)形成同一激發(fā)位置上兩個不同激發(fā)深度的單炮記錄；處理中采用波場分離方法，剔除兩個連續(xù)炮點記錄的上行震源波場，減弱了震源產(chǎn)生的虛反射，提高了地震分辨率。墨西哥灣試驗資料的頻譜分析結(jié)果表明，低頻端能量得到提升，頻譜相對平滑，提高了資料的分辨率和信噪比。但該方法在采集階段對虛反射的陷波作用有限，且數(shù)據(jù)處理的難度和運算量大。陸地地震勘探井中炸藥激發(fā)方式同樣也存在虛反射問題，它降低了地震記錄的分辨率和信噪比。為了降低虛反射效應，采用組合延遲激發(fā)技術(shù)削弱虛反射效應，將炸藥分別置于井中不同深度處并從淺到深延遲激發(fā)，延遲時間為上一個激發(fā)點形成的下行波到達下一個激發(fā)點的走時，這樣就會在疊合下行波的同時消耗上行波，虛反射（與地表反射相關(guān)的上行波）能量被削弱。該項技術(shù)應用的主要困難是，地表速度變化大，很難得到精確、完整的地表速度結(jié)構(gòu)，炸藥啟爆時間的精度低，無法做到爆炸的延遲精度與地層速度的完全匹配，影響了該技術(shù)在陸地地震勘探的應用效果。借鑒陸地地震勘探中的延遲激發(fā)技術(shù)的思路，在海洋地震勘探中設(shè)計了多層氣槍震源，將氣槍子陣沉放于不同深度，從最上層子陣開始順序地延遲激發(fā)各層子陣，延遲時間是上層子陣激發(fā)的下行波波前到達下一層的走時，這樣在保證下行波波前同相疊加能量不變的同時，到海平面的上行波能量不能同時疊加而受到削弱，降低了虛反射效應（圖）。

與陸地炸藥組合延遲激發(fā)相比，海水的聲波速度基本恒定，且子陣列沉放深度基本穩(wěn)定，其變化可忽略不計，毫秒級的氣槍觸發(fā)精度完全可做到與下行波前同相疊加。該技術(shù)的應用相對簡單，只需對現(xiàn)行氣槍震源激發(fā)方式略作改進。通過對震源遠場子波理論數(shù)值模擬，Cambois等發(fā)現(xiàn)多層（氣槍陣列）震源能有效提高子波品質(zhì)，較好地抑制海面虛反射等因素造成的陷波作用，其子波頻譜較平面震源的光滑，同時它還具有較明顯的低頻能量優(yōu)勢，但在中頻段振幅能量受到一定的壓制（圖）。

多層震源雖然有效地拓寬了震源子波頻帶，但受新組合方式影響，震源子波的信號特征發(fā)生了改變。多層震源遠場子波理論模擬發(fā)現(xiàn)：雖然虛反射效應得到較大壓制，但虛反射對氣泡脈沖的壓制和衰減作用也在降低，其峰值、波泡比都比平面震源低；由于不同深度的子陣列的橫向位置不在一個垂直面上，多層震源延遲組合激發(fā)造成下行波的方向不一致及方位角等向性差的問題更加突出；另外，由于下層槍陣沉放深度較大，在高靜水壓力下激發(fā)，將降低氣泡幅度和震蕩周期，導致圖3所示部分頻率和能量的損失；而氣泡幅度差異的出現(xiàn)，意味著陣列設(shè)計和氣泡脈沖衰減性能的下降。因此，采集前進行多種組合方式的震源遠場子波數(shù)值模擬，是保障多層震源設(shè)計有效性和實用性的關(guān)鍵，加大槍陣總?cè)萘渴潜ＷC震源有效能量的關(guān)鍵。

3、寬頻帶地震數(shù)據(jù)接收裝備

相對于低頻地震信號，高頻地震信號在傳播過程中衰減更快，電纜接收到的高頻信號能量較弱，因此寬頻帶地震數(shù)據(jù)接收對環(huán)境和設(shè)備要求更為苛刻；另外，為了兼顧得到更多（低至2Hz）低頻分量，對電纜的頻率響應特性也提出了更高要求。寬頻帶地震技術(shù)的核心之一是專用固體電纜，它具有良好的低頻響應特性和抗干擾性能，使之能沉放到更大深度；新開發(fā)的水聽器能接收低達2Hz的地震反射波，使數(shù)據(jù)向低頻端拓展1～2個倍頻程，由此帶來的挑戰(zhàn)是記錄的低頻信號含有相當大的噪聲成分，因此必須降低接收階段的低頻環(huán)境噪聲，但常規(guī)的液體電纜難以做到。固體電纜的誕生有效地降低了接收階段的低頻海洋環(huán)境噪聲。

Dowle和Soubaras等介紹了PGS公司開發(fā)的這種專利電纜的優(yōu)勢，它由32個抑制噪聲的壓電元件集成為圓柱形水聽器，并鑲嵌在泡沫塑料套內(nèi)，與電纜的拉伸表皮相隔離（圖），這樣便降低了對電纜震動的敏感性（電纜噪聲），充填的固體塑料泡沫對干擾波起抑制作用，如對固有的沿電纜傳播的膨脹波噪聲的消除效果明顯優(yōu)于液體或凝膠體電纜，噪聲水平比凝膠體電纜低20dB以上（圖）。

固體電纜內(nèi)部充填的材料密度均一、浮力穩(wěn)定，能沉放于更大的深度并保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集時可較容易地設(shè)置不同沉放深度，以便利用不同深度的虛反射陷波差異提升低頻信號能量。為了在接收階段獲得虛反射波場特征，以利于在數(shù)據(jù)處理中消除，PGS公司還開發(fā)出專利雙檢電纜-Geostreamer，除可配置常規(guī)壓力檢波器（水聽器）外，還配置了速度檢波器。

雙檢電纜消除在地震數(shù)據(jù)接收階段虛反射的機理如圖所示：在由一個壓力傳感器（水聽器）和一個垂直速度傳感器同時記錄到的地震波場中，由速度檢波器接收到的垂直分量信息反映的是鉛垂方向上質(zhì)點振動速度，由壓力檢波器接收到的壓力分量信息反映的是由質(zhì)點振動引起的水壓變化特征。壓力分量是全方位變化的信號分量，與速度檢波器產(chǎn)生的垂直分量在上行波（有效反射信號）方向極性相同，在下行波（海水鳴震信號）方向極性相反。上行波（即反射波）在兩個傳感器記錄到的全是正極性；而對于下行波（即虛反射波），在水聽器記錄到的是負極性信號，在速度傳感器記錄到的是正極性信號。兩種傳感器具有相同的虛反射周期，兩者相加下行波被壓制，得到上行波；而兩者相減，則得到下行波。因此，可綜合利用垂直分量與壓力分量信號在方向特征上的差異消除水層鳴震和多次波干擾，避免了海平面虛反射等因素引起的陷波作用，提高了采集數(shù)據(jù)的信噪比，改善了原始數(shù)據(jù)的品質(zhì)。由于Geostreamer雙檢電纜的特殊設(shè)計，能同時記錄到地震波場的上行波信號和虛反射信號，通過處理實現(xiàn)對虛反射壓制影響頻帶的有效補償，這樣就能以較大的沉放深度進行數(shù)據(jù)采集，有效地避免了表層的水流、涌浪對數(shù)據(jù)品質(zhì)的損害。

Tenghamn等對沉放深度為13m的雙檢電纜中水聽器、速度檢波器和二者合并道數(shù)據(jù)振幅譜（圖）進行對比分析后指出：速度檢波器的低頻成分豐富，但中頻段振幅較低（紅色曲線）；水聽器的中頻振幅強、但低頻分量受到壓制（藍色曲線）；二者合并后產(chǎn)生互補效應，合并道低頻振幅高、頻譜光滑（綠色曲線），達到了提升低頻、拓寬頻帶的目的。

4、上下纜和變深度拖纜接收技術(shù)

在海洋地震勘探的數(shù)據(jù)接收環(huán)節(jié)，電纜沉放深度的變化也對地震信號的不同頻帶起壓制作用。當電纜沉放較深時，低頻分量信號得到釋放、高頻分量信號被壓制；當電纜沉放較淺時，高頻分量信號得到釋放、低頻分量信號被壓制。一直以來，物探工作者嘗試利用電纜沉放深度的變化對地震信號不同頻帶的壓制特性，以獲取寬頻帶地震記錄。但在前期的海洋地震勘探中該方法并未取得預期效果。主要原因是當電纜沉放于不同深度時，因海洋洋流在不同深度的流速差異，造成不同深度的電纜無法同時處于同一垂直面，難以保證接收點所獲信息的均勻性和在上下電纜數(shù)據(jù)合并時的相位一致性，降低了地震資料的品質(zhì)。直到電纜橫向控制器的發(fā)明，調(diào)整電纜橫向移動成為可能，保證了不同深度的電纜始終處于同一垂直面，這種上下纜接收的數(shù)據(jù)采集方式才得以實際應用，并顯示出其強大優(yōu)勢。上下纜接收是將一對或多條電纜以不同沉放深度在垂向上排列，在數(shù)據(jù)處理階段進行信號合并，利用不同深度的虛反射陷波差異優(yōu)化低頻和高頻信號品質(zhì)，達到拓寬頻帶的目的。Hill等介紹了上下纜接收方式的施工方法及所具有的寬頻帶采集優(yōu)勢。Kragh等進一步指出：上下纜接收的本質(zhì)是通過沉放較淺電纜達到優(yōu)化中、高頻分量的目的，通過沉放較深的電纜達到優(yōu)化低頻分量的目的。

當電纜沉放深度為20m時，它對20Hz以下低頻信號的提升幅度達到10dB以上（圖a），沉放深度為20ｍ電纜獲得的地震剖面（圖c）深部反射能量和成像品質(zhì)比沉放深度6ｍ電纜（圖b）強。同時由于低頻信號波長增加，因此沉放深度較大的電纜道間距可以更大，以節(jié)省電纜購置費用和采集成本；對這些信號進行合并處理后，能大幅度提高地震記錄的信噪比和分辨率（圖c）。但上下纜接收方式需保持兩條或多條電纜同時在鉛垂面上作業(yè)，對采集設(shè)備性能要求高，施工難度大、效率低；雙檢電纜造價高，速度型水聽器在水中接收時，高能量低頻噪聲干擾嚴重。為了克服上述缺陷，CGGVeritas研發(fā)一種寬頻帶接收數(shù)據(jù)采集與處理專利技術(shù)-BroadSeisTM，它由三個獨立的部分組成：大沉放深度、低噪聲的Sentinel固體電纜、變深度電纜拖放技術(shù)和保持振幅的虛反射壓制與高精度成像技術(shù)。Soubaras等介紹了電纜變深度沉放采集技術(shù)，即采用Sentinel固體電纜以變深度拖曳方式進行數(shù)據(jù)采集，電纜的沉放深度從近道到遠道隨排列長度的增加而線性增加，達到利用不同沉放深度虛反射陷波差異，通過處理獲取低頻和高頻信號，最大限度地拓展原始數(shù)據(jù)頻帶寬度。由于虛反射陷波頻率隨電纜沉放深度的變化而變化，數(shù)據(jù)處理時必須用專門的反虛反射和成像處理技術(shù)予以壓制，應用該技術(shù)能得到高信噪比、寬頻帶原始數(shù)據(jù)和成果剖面，實現(xiàn)對地下不同深度目標體的清晰成像。實踐證明該方法能完全控制電纜的沉放深度并保持穩(wěn)定性，可沉放到電纜允許的最大深度（60ｍ），這樣便可保證低至2Hz的反射信號不被壓制。該技術(shù)的主要優(yōu)勢是，它能發(fā)揮固體電纜的所有優(yōu)勢，只要作業(yè)區(qū)水深條件許可，就能將電纜沉放深度設(shè)置為最深或最淺，以改善水聽器的低頻響應且降低海洋環(huán)境噪聲，還不必配置專用的電纜橫向位置控制裝置。另外，由于電纜形狀和沉放深度的可變性，以及由此帶來的電纜虛反射陷波效應差異，可兼顧不同深度、類型的目標體的成像要求，只需根據(jù)勘探區(qū)的速度特征、水深和勘探目標體分辨率要求，設(shè)計電纜的沉放形態(tài)，就可在勘探中同時做到陷波差異與子波頻譜的最優(yōu)化。該項技術(shù)的靈活性和實用性意味著它具有廣闊的應用前景：低頻段的拓展和穿透深度的增加，有利于深部復雜構(gòu)造目標體的精確成像；頻帶寬度的拓寬，使淺層目標體的成像精度和分辨率也得到有效改善。

5、應用效果

近年來海洋寬頻帶地震勘探技術(shù)在全球各海域的油氣勘探中得到廣泛應用，西方多個地球物理服務公司已形成了專利品牌技術(shù)。如PGS的Geo-Steamer雙檢電纜寬頻帶地震勘探專利技術(shù)，CGGVeritas的BroadSeisTM變深度拖纜采集與精確成像專利技術(shù)和WesternGeco的上下源、上下纜寬頻帶地震勘探技術(shù)。本文限于篇幅，僅介紹其中幾個典型的成功勘探實例。

Tenghamn等介紹了利用雙檢電纜在北海的應用實例。雙檢電纜的沉放深度為15m，而常規(guī)電纜的沉放深度為8m，從沉放深度上看8m深度應該具有更多的高頻成分。圖a為常規(guī)電纜得到的疊加剖面，圖b為雙檢電纜水聽器和速度檢波器數(shù)據(jù)合并處理的疊加剖面?？梢婋p檢電纜數(shù)據(jù)的分辨率和信噪比明顯高于常規(guī)電纜。濾波分析表明，雙檢電纜數(shù)據(jù)的有效波最高頻率達到100Hz，比常規(guī)電纜提高了20Hz。

Long等介紹了澳大利亞西北部陸坡二疊紀—三疊紀氣田勘探中改善深部目的層地震分辨率的成功案例。采用沉放深度為15m的雙檢電纜進行二維地震勘探，與常規(guī)拖纜方式對比，由于水聽器和速度檢波器數(shù)據(jù)的互補性，合并處理后提升了低頻信號能量、拓展了頻帶寬度（圖）。

CGGVeritas公司利用BroadSeisTM變深度拖纜（因電纜在深度上傾斜沉放，又稱斜纜）采集與精確成像專利技術(shù)在澳大利亞西北部、墨西哥灣、西非等多個海域成功地進行了勘探。在西非海域地震勘探中，電纜沉放深度從近炮點道的5m線性增加到最大炮檢距道的48.5m，獲得了超過5個倍頻程帶寬（2.5～150Hz，圖a）的地震數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進行波阻抗反演，與常規(guī)地震（氣槍沉放深度為10m、電纜沉放深度為12m）數(shù)據(jù)波阻抗反演成果相比，寬頻帶地震數(shù)據(jù)明顯地提高了波阻抗反演的精度和分辨率（圖d和圖f）。Cambios等在研究中還發(fā)現(xiàn)，當多層震源結(jié)合雙檢電纜進行地震數(shù)據(jù)采集時，能更有效地提升低頻信號能量并拓展頻帶、壓制水層鳴震和多次波反射，避免了海面虛反射等因素引起的陷波作用，大幅度地提高了地震資料的信噪比及品質(zhì)。Cambios等介紹的PGS公司2008年在澳大利亞西部海域Browse盆地進行了寬頻帶地震勘探。該盆地勘探目的層上覆高速碳酸鹽巖屏蔽層，共進行了三次地震