海洋论坛▏海上OBC-OBN技术发展与关键问题
海上油气田勘探开发进入到深层、复杂构造、岩性油气藏勘探阶段，对地震资料的要求越来越高。海底多分量地震具有接收多个分量数据、宽方位角、噪音小、宽频、多次测量等优势，在精细勘探、开发油气田油气藏监测得到越来越多的应用。近些年海底电缆（OBC）与海底节点（OBN）地震技术得到快速发展，被认为是海上地震发展趋势。尤其浅水区绳系OBN施工技术的发展，大大降低了施工成本，已实施了多块三维地震采集。国内也开展了海底多分量地震采集处理研究，具备了技术服务能力。
虽然近些年海底多分量地震勘探技术得到快速发展，但在数据处理，尤其转换波处理方面仍存在一定问题，尚不能充分挖掘多分量数据信息。降低外业施工成本、完善数据处理技术，提取更多多分量信息是海底多分量地震勘探今后研究方向。
一、海上多分量地震发展史
在海上利用海底电缆（OBC）进行转换波地震勘探，最初由挪威国家石油公司于20世纪80年代开发出海底地震记录法（SUMIC）技术专利，它利用置于海底的四分量检波器（压力检波器及三分量速度检波器），通过数传电缆，将由海水中激发、海底接收的纵波和转换波等传输到海面接收船的记录仪上。
1993～1994年，Geco-Prakl公司同挪威区Statoil公司合作，进行了SUMIC-OBC试验，1996年秋这项技术在北海半商业性地亮相。到1996年底，海上多分量采集已经商业化，在北海和西非海岸获得了一些数据集，数据处理也在几个月后商业化。
1997年该公司用Nessie-4cmultiwre Array沿挪威海岸做了称为世界上第一次高性能4C海底勘探。同年，西方地球物理公司提出OBC双传感器技术，双传感器数据能实现比海洋拖缆技术更高分辨率的地下图像。图1展示了三种海上地震的采集方式。1998年中，第一块3D/4C的处理结果已经被提交，标志着4C技术从采集到处理已经完全商业化。到1998年下半年，已经可以对3D/4C地震数据进行有效处理。
图1 海上地震方式采集示意
20世纪90年代以来，海上多波地震勘探这项高新技术在国际上迅猛发展到产业化阶段，取得了可观的经济效益。在1994年的EAGE会议上，挪威国家石油公司展示了于20世纪90年代在挪威北部海域的最西南部获取的海洋多分量数据。到1996年秋季，已经开发了四种不同的系统来获取海洋四分量数据。自1997年以来，挪威国家石油公司一直使用OBS数据来改善复杂领域的结构成像。该公司1999年发布了1997年在Statfjord油田完成的海上四分量地震勘探成果，并得出结论，P/Z数据似乎比Statfjord勘探北部的传统三维数据提供了更好的图像，部分原因是由于真实的三维OBC采集几何结构以及在处理中通过水听器和地震检波器数据的总和来优化抑制了水层混响。1997年的3DOBS勘探成功后，2002年，挪威国家石油公司在东面的其余部分和东部的Statfjord油田进行了勘探范围更大的3DOBS勘探采集，如图2所示。
图2 1997年3D常规海洋地震（a）与2002年3DOBS（b）对比
由于海底电缆采集（OBC）方法的广泛应用，多波多分量地震资料处理解释的新技术开发研究在20世纪90年代得到了普遍重视。1998年，在第68届SEG年会上，Holvik E和Amundsen L等人，开发出了将海底多分量地震数据转换成通常用P波震源和S波震源激发接收数据的方法。这种方法同时消除了数据中水层引起的所有多次波和散射能量。同在68届SEG年会中，斯仑贝谢公司的Richard B.等人提出了海底地震数据（OBC）的转换波叠前深度偏移需要考虑的几点因素。
2000年，英国石油公司开始了一个为期多年的项目，以了解学术界少数人使用的OBS节点的优缺点；到2004年，完成了三个小型样机的海上试验，如图3所示。
图3 窄方位拖缆（a）和节点数据（b）成像比较
2008年，英国石油公司决定在Atlantis油田进行一次全面的海底采集试验。并且英国石油公司专门为这些深海盐下节点数据集开发了叠前深度成像算法。2009年，英国石油公司在墨西哥湾的Atlantis油田获得了世界上第一个海底地震节点—节点延时（4维）监测勘探结果，超过90％的节点位置与2005年的位置偏差在5m以内，表明基于ROV的OBS采集系统是获取广角反射地震信息的首选方法，特别适用于对类似油藏的高度可重复地震监测，可用于复杂深水油田评估和开发。
2001年，Hydro公司在Grane油田北部采用了海底电缆的多分量（4C）勘测，这是北半球的第一次3D/4C勘探，2003年在南部开展了一个新的4C勘探。两次勘探一起覆盖整个Grane地区。在2005年春季初完成了对合并数据的处理，包括PP波、PS波、处理方位各向异性等。2004年10月，壳牌公司在墨西哥湾Mars油田部署了一条6km长的4C Geospace电缆，且得出结论，放置在海底的节点传感器相比于未埋入的电缆传感器显示了更佳的矢量保真度。
2008年，壳牌公司和Fairfield工业公司合作，利用海底地震（OBS）节点在墨西哥湾的Deimos油田上进行地震数据采集，利用波动方程模型确定节点的最优位置。2008～2009年，安哥拉勘探开发总公司（Total E＆P Angola）在几内亚湾利用OBN技术对Dalia油田进行油藏监测试验，采集的OBN数据中全方位和全波场特征要明显好于传统拖缆数据，使得利用下行波进行镜像成像以及共偏移距矢量成像成为可能。2010年，挪威国家石油公司在Kvitebjørn凝析气田利用海底电缆（OBC）测量方法记录压力数据（PZ）和转换剪切（PS）地震数据，如图4所示。
a—PP压力数据；b—PZ压力数据；c—PS转换数据
图4 利用海底电缆（OBS）记录压力数据和转换剪切波数据
2011年，中国科学院与中国国家海洋局联合在南海西南次盆地与南沙地块进行了OBS探测，布设了南海南部海底地震仪广角反射与折射深地震测线，最终获得了一条新的地壳结构剖面，填补了在这之前位于南海南部的OBS深地震勘探的空缺。
2012年，壳牌尼日利亚勘探生产公司在位于尼日利亚近海的Bonga油田进行了海底节点地震（OBN）勘探，并取得了很大的成功，为未来的Bonga OBN的上倾角油气藏监测提供了4维数据集基线，如图5所示，展示了Bonga油田采集的基础设施。
图5 Bonga油田采集的现有基础设施示意
二、国内外研究现状
中国南海、东海和渤海等海域油气资源十分丰富，勘探开发中遇到许多难题，亟需海上多波地震这一高新技术的支持。20世纪90年代初，由中国海洋石油总公司渤海联营公司率先从美国Syntron公司引进二分量海底电缆，并组建过海上作业地震队，也试制过一段海底电缆，但一直没有打破外国的垄断，1998年又雇佣Geco-Prakla在中国南海承担100km的勘探任务，为解决莺琼大气区中深层泥底构造带上“气污染”和构造变形问题，利用480道四分量的海底电缆，进行了海底多波地震勘探，与此同时还组织了处理、解释技术的研究，耗资200余万美元，从勘探结果看，四分量地震技术能够很好地解决某些纵波所不能解决的问题。在国家“863”计划的支持下，自1997年开始有计划地自行研制、自主开发海上多波地震勘探技术（采集装备、采集技术、处理及解释），取得较大进展，研制出了480道四分量海底电缆采集系统，其中海底拖曳式一体化采集单元，明显优于国外插结式海底电缆，独具特色；24位数包畸变指标达到百万分之二，优于国外最好水平；研制的水听器打破了国外深水产品向我国禁运的封锁，三分量检波器整体指标及万向平衡装置性能已达到国外同类产品技术水平；研制的海上多波地震施工仿真系统，实现了多波海上施工参数优化设计等配套技术，可在室内预估实现勘探目标，大大节约了采集成本，减少了海上施工的盲目性。但总体看来，中国在这一领域里起步晚，技术水平暂时落后于西方。
2013年，中国地质大学（北京）海洋学院、国土资源部、中国科学院和国家海洋局合作在胶东、渤海和南黄海沿线进行了OBS海陆联合地震探测（如图6所示），清晰地辨识出了Ps、Pg、PmP等多组震相，并首次观察到了来自千里岩隆起带上的P波震相，填补了南黄海深地震探测的空白。该项成果对南黄海以及华北、扬子块体结合带地区的深部地壳结构研究具有重要意义。
图6 海陆联合深地震探测示意
截至2015年，多家公司在研发新型海底节点采集装备。seabed Geosoultion公司开发的Spicr Rack海底节点项目，主要研究海底节点自动化地震数据采集装备及技术方法，以提高采集精度、降低采集成本、减少作业时间为目标。壳牌公司研发的Flying Node新一代海底节点地震装备，采用GoScience公司专有的环形水下自动运载装备，将检波器布设到设计好的位置，采集完数据后回到船上进行数据回收，克服了节点装备采用水下机器人进行节点布设的速度慢等问题。目前，西方能生产海底地震采集装备的公司主要有Sercel、Western Geco、ION、PGS、Fairfield Nodal公司等。除海底地震仪之外，国内尚未商业化利用OBN技术进行海洋油气勘探。
目前，西方国家研究海上多波多分量采集技术的公司主要有美国PGS（石油地球物理服务公司）、法国CGG（地球物理服务公司）、美国Western（西方公司）以及挪威GECO（能源勘探公司）等。这些研究机构自己生产采集设备，并在世界各地（如北海、中东、中国南海等）开展了大量海上多波地震的研究和实际生产工作，取得了良好效果。
数据处理方面，近年来受到行业内的热切关注，例如，2014年，Whitebread等人使用表面相关多重消除（SRMR）方法，证明了北海OBC勘测数据水平分量的倍数衰减。2017年，CGG公司展示了一个在巴西近海桑托斯盆地采集的OBN数据进行多次成像的逆时偏移的例子，提出使用RTMM方法成像能改善图像质量以及降低成本。2016年，斯伦贝谢公司和英国石油公司发表了使用数据驱动的多重预测方法，通过多维卷积结合OBN和拖缆数据，勘测了墨西哥湾深海海底节点（OBN）数据自由表面倍数衰减的案例研究结果。
近年来，绳系OBN施工使得海底地震采集效率得到大幅提高，OBN技术有了质的飞跃。2016年，中石油东方地球物理有限公司（BGP）承担沙特阿美S78红海三维深水节点地震采集处理一体化项目，施工中在复杂的海域用钢索将各自独立的节点串接并沉放到海底，并有针对性地研究了共反射点叠加、镜像成像以及多域去噪等方法技术。2017年8月10日至2018年3月30日，东方物探（BGP）实施了英国BP公司印尼OBN项目，共完成196万炮，面积884.93km2。2019年6月中石油东方物探完成了雪佛龙尼日利亚OBN项目，作业区水深3～25m，是截至目前东方物探承担的全球范围内最为复杂的油田区OBN项目。2017年，针对东海复杂构造油气圈闭问题，中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司在秋月探区利用绳系OBS完成了440km的海底节点地震数据采集。2019年6月东方物探合资公司Caspian Geo与英国石油公司BP签署里海OBN项目合同，该项目作业水深范围100～400ｍ，工区内平台林立、管线密布，施工难度大。2019年8月中海石油在渤海实施了国内首个三维OBN地震采集项目，采集面积150km2。可见，OBN在中国海上油气勘探的实践刚刚开始，在浅海有障碍物的海域以及深海油气勘探中具有广阔的应用前景，但由于OBN观测环境的特殊性、海底地质条件及地下构造的复杂性，海底节点地震资料处理与成像还有许多问题亟待解决。
三、海上OBC⁃OBN存在问题
海底地震技术的劣势主要是成本高、生产周期长，这也是目前海底地震技术商业应用市场规模不大的主要原因之一。浅滩海地区地震地质条件复杂，激发设备和条件难以保持一致等，造成炮集之间记录信噪比、能量、子波特征等方面的差异。该项技术的装备不足或相对落后，因三分量检波器价格昂贵，检波器数量较少，组合时只用1个或2个，信噪比大为降低。目前，仪器道数尽管已超过千道，但如果做三分量三维采集，因需要偏移距比纵波采集大，所以采集道数要求较多。对野外采集观测系统、参数及三维转换波处理的特殊问题需要进一步深入研究。
相对于海上拖缆三维地震，海底地震数据处理还包括检波器二次定位、检波器定向、水陆检合并、转换波等特殊处理。
在OBC⁃OBN施工过程中，检波器并不一定放置在设计的位置，因此需要进行二次定位，确定检波器真实位置。二次定位有两种方法，一是利用水下声学定位设备进行定位，二是利用接收到的初至波通过计算得到检波器位置。就精度而言，显然利用水下声学定位设备定位精度更高，但其成本相对大。
通过初至波分析进行定位，在浅水区只有近道几道的初至波为直达波，其他可能为折射波。如何识别初至波类型，并利用折射波提高浅水区检波器二次定位精度是需要研究的内容。
海底地震接收四分量地震数据，通过水、陆双检合并消除鬼波。但由于水、陆检接收数据的频带宽度、信噪比不同，还存在一定的相位差，需要对两者进行匹配处理后才能进行叠加去鬼波。交叉鬼波化虽然可以解决水、陆双检的波场不一致问题，但是匹配因子的精度受数据信噪比影响较大，当数据的信噪比过低时，水陆检数据的标定效果会受到较大的影响；同时Ｚ分量数据中含有大量的泄露的转换波噪声不易去除，对匹配因子的精确求取影响较大；所以如何避免信噪比的影响，求得更稳定的匹配因子，需要继续进行研究。
OBC浅水区水层多次波压制技术是建立在二维模型基础上的，对于宽方位数据，需要一种三维的多次波建模技术，可以提高多次压制的效果与精度，所以这也是一个需要进一步研究的方面。转换波数据处理虽然取得了一定的效果，但是还没有应用到实际生产中去，除了地质原因阻碍了转换波优势的发挥，主要是因为转换波偏移参数求取的精度和没有进行纵、横波联合反演，得到更多的地质信息。所以转换波数据的处理技术在偏移参数的精确求取和纵、横波联合反演方面还需要做较多的工作。
四、发展展望
与陆地多分量勘探相比，海上多分量勘探在作业效率、勘探成本以及资料品质等多方面具有更大的优势，因而近年来发展迅猛。国外在这一领域的研究与应用已经实现了重大的突破，采集装备的研制、专门的处理软件等重大技术难题已相继被攻克，实际应用已取得了重要成果。
海底地震技术由于有着海上拖缆地震无法比拟的功用和优势，未来市场应用前景广阔。随着我国对海洋油气资源勘探的日益重视，未来对海底地震技术也有着迫切需求。目前我国的油气海底地震技术仅处于初步应用阶段，除海底地震仪之外，其他相关核心装备研发几乎处于空白状态。
随着海洋油气勘探开发的不断深入，由寻找构造油气藏转向复杂构造、盐下、岩性、复合圈闭、深层油气藏为勘探目标，这就要求地震资料具有更高的信噪比、更宽的频带、更大的方位角信息等。海底地震勘探提供多于单分量勘探的信息，可以获得拖缆地震无法实现的宽方位，甚至全方位数据，有利于构造复杂、岩性复杂地区的勘探，是未来海洋油气勘探的发展方向，符合物探技术发展潮流。由于滩浅海绳系OBN采集技术大大降低了施工，必将在浅滩海地区勘探中发挥作用。
对于海上已开发油气田，由于钻井平台、各种水下设备的存在，拖缆地震实施难度非常大。海底地震技术可以实现成熟油气田区的地震施工，以寻找新的勘探目标及监控油气开采情况，为老油气田延长生命周期提供基础资料。
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【作者简介】文/李斌 冯奇坤 张异彪 黄福强，分别来自中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司和同济大学海洋与地球科学学院；第一作者李斌，男，1977年出生，高级工程师，主要从事海洋地质、地球物理方面的生产、研究工作；本文为基金项目，国家科技重大专项下属课题“深层立体震源—斜缆—OBS联合二维地震采集处理技术”（2016ZX05027-002-004）；文章来自《物探与化探》（2019年第6期），参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。
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