海洋探测▏双船双方位角地震探测技术方法及应用效果

杨蜀冀等溪流之海洋人生 2021-10-08

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在深海中深地层探测过程中，崎岖海底、目标体上覆高速屏蔽层、大厚度沉积、高陡倾角构造和断裂带等，是影响地震成像效果的主要因素。如墨西哥湾的深水盐下油田勘探，最初通过反复优化速度模型，改进成像技术的处理，可以提高窄方位角数据的成像质量，但大部分深水区块有着非常复杂的盐下构造，窄方位角数据成像不能满足需求，为此在麦德道格(Mad Dog)区块尝试使用了双方位角、宽方位角地震采集方法，对于盐层内部、盐下构造有了更加清晰的照明，减少了盐下地层界面的模糊解释。Hill(2009)设计了单船的单源多缆螺旋形航行施工的全方位角采集方法，相比于常规三维窄方位角采集的剖面，效果有明显的提升。双方位角地震采集，覆盖次数的增加和激发方向的变化, 可以使得总的信噪比大约提升30%，其中激发方向的变化引起的效果改善可以达到50%，可以极大地减小相干噪声，有助于填充单方位角数据成像剖面上的照明缺口，对于提高信噪比和目标成像效果比较明显。对深水、复杂海底、中深部高陡构造以及特殊岩体的下伏储层来说，在深海油气勘探中，希望能获得宽方位或全方位的地震数据。

国内外经过多年的勘探实践，认为要获得可靠的中深层地震勘探成像效果，要求有能量足够大的宽频震源，较长排列长度的电缆接收，多方位角或宽方位角的激发接收方式。从海域油气地震勘探技术发展趋势看，由窄方位角向多、宽、全方位角激发接收方式的转变，是未来越来越多的选择。

一、双船双方位角地震概述

当勘探目标层埋深较大，理论上要求加大电缆排列，增加最大偏移距以接收深部信号，提高反射点覆盖次数及信噪比。而南海北部探区，浅表急流频繁且强度大，施工时电缆排列的羽角过大，尤其是单船拖曳长电缆(4km以上)时更加严重，导致反射点分散，难以获得较好的叠加效果。从物探船的配置条件考虑，如果单船的电缆排列长度过大(如超过12km)，实际施工是难以实现的。同时，如果震源与接收电缆由单船拖曳，震源检波器相对位置固定，最小、最大偏移距变化不大，形成单个方位的发射接收观测方式。当地下地层平缓、结构简单、目标埋深小于电缆排列长度时，理论上可以得到较理想的剖面成像；对于南海北部中生界复杂的地震地质条件，单船单方位角地震获取的深部反射微弱、覆盖次数降低、时距曲线不再满足双曲线假设，理论和实际应用表明，单船单方位角地震方法在解决深部成像方面不尽如人意。

双船地震勘探具备灵活的观测系统设计，可以满足长排列电缆、大偏移距的要求。以往常规双船地震的排列方式，主要有合成排列方式(SAP)、扩展排列方式(ESP)。随着勘探技术的进步，近年来，逐步形成的双船地震技术有双船连续长偏移距(CLO)技术，双船宽方位采集技术，双船广角反射采集技术等。

激发震源与接收电缆可以分别由两艘物探船拖曳，可以组成双源交替放炮双缆同时接收、单源放炮双缆接收等多种观测方式。对于一前一后的单缆地震船，当采取后船震源单独激发，前后两船同时接收时，对地下同一反射点，可以获得两个方向的照明(图1)。在数据采集阶段，采用立体延迟气枪震源技术，每个子阵列沉放深度不同，子阵列的激发时刻设置相应的时差，从而达到每个子阵列激发能量波形的不同相叠加，尽量压制震源鬼波的影响，拓展震源激发端带宽，电缆水听器主要记录接收端鬼波。在数据处理阶段，通过去鬼波处理，可以压制接收端的鬼波影响，从而拓宽频带。最后将前后船获得的剖面进行叠合，进一步提高信噪比，获取深部目标层的成像。

图中 RGPS为相对差分全球定位系统的信标，用于实时接收定位信号

图1 双船双方位角地震采集示意图

二、实验区概况

实验地点位于南海的东沙上陆坡台地区。该区新生界基底埋深总体较浅，厚度在250～1300m之间，岩性以碳酸盐岩和泥岩为主，浅表断裂发育众多，局部发育生物礁，呈环礁或点礁分布。台地中部发育众多断距不大的正断层，台地西部断阶带和东南部断阶带则发育切割基底的深大断裂，易形成较强的绕射波干扰，对中深层地震反射采集品质有较大影响。以往地震剖面上，新生界以高连续、强振幅反射，或大套弱振幅反射为特征，可见新生代地层与海底呈角度不整合接触的现象。该区发育有巨厚的中生界，是中生界的主要存留范围，中生界厚度大致在2000～8000m。

在上陆坡台地区，浅层新生界存在碳酸盐岩层易形成强波组抗界面，产生层间多次波，造成地震能量快速衰减；中深层的中生界，由于压实紧密，内部地层间的波组差较小，反射能量较弱，且内部构造较复杂，断裂较多，形成多种干扰波，反射品质较差，仅浅部波组较连续，中深部仅局部可见断续的有效反射波组，多为杂乱反射(图2)。由于区内大部分地震剖面上中生界内部地层和基底反射品质不佳，难以对区内中生界进行准确的追踪闭合解释，目前尚不能做出较准确的中生界厚度图。

图2 东沙上陆坡台地区地形特征剖面图

三、采集配置

20世纪90年代双船地震受同步及数据实时传输技术限制，两船在船速、时序等控制上较难把握，一般采用等时间放炮为主。当前双船双方位角地震采集，需要等距离放炮，并对震源、电缆接收道进行实时定位，为此必须解决以下技术问题: ①时钟与时序同步: 双船准确的时钟同步, 用于导航与地震系统的时序同步及起点控制，震源触发与地震记录同步等控制；②双船状态控制: 监控双船航行速度、间距协调、保证作业过程中偏移距及导航系统对电缆形状解算的一致性；③主副船数据无线可靠传输；④按照三维地震的导航定位面元叠加与扩展方法，进行准确的震源、电缆定位。

根据以上需求，通过将基于插件式的GIS二次开发技术、以太网通信技术、大椭圆航法及电子海图显示技术等进行集成，解决了双船作业时双船间距的控制及电缆形态的实时显示问题，开发了满足双船作业控制的双船实时状态观测系统及无线数传设备。在双船地震施工中，利用双船实时状态观测系统，通过控制主、副船航行状态，使得导航定位误差不大于设计方案的允许误差，作业中双船相对距离尽可能保持稳定，误差应在半个炮间距(如18.75m)以内。

采集配置的软硬件主要包括: RFU900MHz和RFU2.4GHz点对点无线通信设备、ORCA 导航定位系统、大容量宽频BOLT气枪震源、SEAL地震采集记录系统、SENTINEL固体接收电缆、双船实时状态观测系统等。其中，ORCA导航定位系统包含了以往光谱导航系统的技术特点，并做了改进，可将采集、定位、震源、质量控制系统数据管理和控制功能集成于一个无缝平台上，为2D和3D采集提供简易高效的作业流程，对可见度和控制功能作了简化处理，能够实施复杂环境条件下的多船作业。以上述软硬件配置及相关重要参数设置为基础，“探宝号”船和“奋斗四号”船于2015年6月～8月在南海海域开展了双船双方位角地震采集。

我们使用“探宝号”船(主船)和“奋斗四号”船(副船)开展施工，两船设计的采集参数见表1。副船拖缆的偏移距范围为2250～4500m，主要考虑因素为: ①两船之间的安全操控距离，实际上主船船头与副船拖缆尾标的距离约为1860m；②副船的拖缆偏移距范围，应增强对中深目标层的信号接收。

表 1 双船双方位角地震采集参数表

采集参数	“奋斗四号”船	“探宝号”船
两船相对位置	副船(前)	主船(后)
两船电缆道最小距离/m	2475	2475*
船偏线范围/m	±25	±25*
震源容量/m³	无	0.105
气枪压力/MPa	13.8	13.8*
放炮间隔/m	37.5	37.5*
震源深度/m	无等效深度	8.5m
激发延迟/ms	无	1&4子阵列延迟2ms
电缆道数	360	480
道间距/m	6.25	12.5
电缆深度/m	16	16
最小偏移距/m	2250	225
覆盖次数	30	80

注：表中*代表副船与主船的参数相同

四、双方位角数据成像分析

在双船双方位角地震资料的处理成像中，重点关注以下两个方面。

⒈导航定位与地震数据合并的网格定义

双船的单源双缆采集模式中，受施工中两船距离变化、电缆羽角的影响，炮点和检波点位置关系分布存在变化。要准确识别共反射点位置，适宜采用三维观测系统宽面元的定义方式，以保证能够包含反射点所有信息，使面元覆盖次数比较均匀。

⒉双方位角数据的速度场建立

Michell(2004)认为，利用多个窄方位角地震数据开展建模处理，可以建立起一个更为精确的速度模型，也就是说，双方位角数据对于复杂构造的成像效果，要好于单方位角数据。Huang等根据墨西哥湾双方位角地震数据，提出了基于倾斜横向各向同性介质(TTI)模型成像方法，改善了共成像道集中的残余弯曲部分，盐层陡倾侧翼的双方位数据成像聚焦效果得到了提升。可见，双方位角与单方位角数据的区别和特点在于，对同一个反射点或者反射面元，可以获得两个方向的照明。在数据处理阶段，可以将前后船获得的剖面进行叠合，进一步提高信噪比，获取深部目标层的成像。由此可知，双方位角采集提供两个方位的照明优势，同时存在的挑战是如何获得一个满足两个方位的速度模型进行成像，也就是说，核心问题是如何获得一个满足两个不同方位剖面成像的速度场。

b中虚线框表示与a具有相同的偏移距(2250～4500m)

图3 副船(a)与主船(b)在相同反射区域的炮集记录

图3显示副船(前)与主船(后)采集的炮集记录来自地下同一反射区域的两个反方向入射，当反射界面倾斜时，对于相同偏移距的接收范围，由于射线路径差异，炮集记录有明显区别，当声波从不同方位入射时，得到同一反射界面同相轴的斜率、连续性存在差异。在拾取速度时，两个方位数据的速度场必然会存在一定的差异。

因此，在两个方位数据的速度分析过程中，需紧密结合地质认识，来指导宏观速度解释的趋势，识别干扰波速度，提高速度分析的合理性。中深层信噪比低，速度谱能量团难以集中，我们采取常速和变速相结合的叠加扫描方法，解释和确定深层叠加速度。速度的分析、对应的叠加、去噪叠加及低频能量补偿叠加是一个反复迭代过程，直到速度场变化规律和对应的叠加剖面比较合理(图4、图5)。

图4 利用常速和变速扫描微调方法获得的叠加速度场

图5 利用叠加速度场获得的副船(a)及主船(b)叠加剖面

由于副船与主船拖缆长度与最小偏移距为不对称分布，副船最小偏移距为2250m，造成1.8s以内浅层反射波与折射波等干扰混合比较严重，不利于速度的准确拾取，在叠加时会影响到浅层的成像效果，在本例中，将副船1.8s以内的叠加剖面切除(图5)。

图6a是主船(“探宝号”船)自激自收的单船采集叠前时间偏移剖面，图6b是双船双方位角采集的合成叠前时间偏移剖面，单船采集即为本次试验中主船的自激自收记录，采集观测参数见表1的“探宝号”船参数，两种偏移剖面采用相同的处理流程获得。图中黄框从上到下分别表示 1.0～1.5s双程反射对比，1.5～3.0s双程反射对比，3.0～6.0s双程反射对比。

图6 单船(a)与双船双方位角采集(b)的叠前时间偏移剖面

双船双方位角采集的剖面上，1.0～1.5s双程反射之间的浅层高速层不整合面的清晰度和连续性得到加强，1.5～3.0s双程反射之间的数个倾斜反射层有了清晰的显露，3.0～6.0s双程反射之间的深层结构得到了较好的揭示。通过双方位照明的成像方式，对1.5～6.0s双程反射之间的中深层反射界面的刻画，出现了比较明显的改善，有利于对该区中生界目的层的认识和研究，可见该采集方式更适合低信噪比、复杂构造区的偏移成像。

五、结论与建议

在寻求高速屏蔽层下方、高陡倾角构造等复杂区域的更好成像效果时，双方位角地震探测是一个值得尝试的办法。相对于单船窄方位角，其提供的双方位角照射，可以从两个相反的方向、倾斜层下倾、上倾两个入射角同时进行反射接收，通过数据处理阶段的合成, 可以获得更为清晰的成像效果。

为了在数据处理合成时，获得理想的合成剖面，要求在双船双方位角地震采集时，对震源、电缆接收道进行准确定位，也就是不论对于单缆还是多缆，都需要按照三维地震作业方式开展野外施工。

在进行双方位角采集时，需要用到两艘物探船、两套采集记录系统及相应的数据传输监控系统等，施工的时效和成本需要考虑，建议在资料效果急需改善的复杂区域考虑推广使用。

【作者简介】文/杨蜀冀韦成龙伍忠良刘协来杨册王聪，分别来自国土资源部海底矿产资源重点实验室、广州海洋地质调查局和北京晶格恒信科技发展有限公司；第一作者杨蜀冀，1973年出生，男，广州市人，广州海洋地质调查局，工程师，从事海洋地球物理探测与技术方法研究；本文来自《热带海洋学报》（2018年1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。