海上深水区气枪震源阵列优化组合研究与应用*

李绪宣 王建花 杨 凯 张金淼

(1.中海油研究总院; 2.中海油田服务股份有限公司物探事业部)

影响深水区复杂地质结构地震勘探成效的关键因素之一是震源地震子波品质。空气枪震源具有性能稳定可靠、子波一致性好的特点，可广泛应用于海上地震勘探。海上深水区油气勘探需要高品质的震源子波，要求子波主脉冲强、初泡比大、频带宽、低频能量强、陷波点频谱能量较大、有效频带频谱光滑。优选气枪阵列激发参数的常用方法是分析实测的海上不同参数激发的震源子波特征，但这一方法耗时费力。由于试验的参数较少，参数优选余地有限，因此需要发展气枪阵列震源子波的理论模拟参数优化方法。Ziolkowski［1-3］提出了一种气枪阵列远场子波数值模拟方法，PGS-Nucleus公司据此研发了相应的气枪阵列子波模拟软件，有效地促进了海上气枪阵列的激发参数优化;而陈浩林［4］、杨怀春［5］、杨光亮［6］、李绪宣等［7］也先后进行了平面气枪阵列参数优化和震源子波特征分析研究，Li［8］开展了多种影响因素下海上单枪震源子波的数值模拟研究，李绪宣等［7］通过数值模拟研究了三子阵立体阵列的远场子波特征，展示了立体阵列明显优于平面阵列。

利用PGS-Nucleus公司的气枪震源子波模拟软件，笔者对海上多子阵不同气枪阵列组合的震源子波进行大量模拟试算，提出了适应深水地震勘探要求的多子阵立体阵列组合方式和2种平面阵列优化组合模式，并对优选的立体四子阵气枪阵列和平面六子阵气枪阵列组合震源进行了不同勘探靶区野外地震采集试验，地震资料品质得到了明显改善，深部地层的反射特征更加突出。

1 气枪子阵列设计方法

分析气枪震源远场子波特征是优化震源激发参数的重要途径。图1是气枪单枪模拟的子波图，评价其优劣的主要参数包括子波的主脉冲、初泡比、有效频带宽度、频谱光滑程度、陷波点频谱能量等。主脉冲越大，震源容量越大;初泡比越大，气泡脉冲越小，震源子波性能就越好。由于单个气枪的子波性能较差，为了提高信号能量和初泡比，压制干扰，实际上海上采集是将相同或不同容量的气枪按照一定的规则进行组合，形成了由不同容量相干枪与单枪组合的单个气枪阵列，即子阵列。为了进一步提高气枪阵列的性能，多个子阵列按照一定的沉放深度和间隔进行组合，形成了多阵列气枪震源。

图1 气枪单枪子波

利用PGS公司研发的基于气泡自由震荡理论的Nucleus软件进行多阵列气枪震源子波模拟，模拟环境参数为:气枪工作压力为2000 psi，海水密度为1030 kg/m3，海水中声波速度为1521.6 m/s，观测点距离阵列9000 m。首先，通过改变子阵列中各气枪容量、气枪间隔等参数，模拟对应的气枪震源子波，从中优选出子波频谱光滑、有效频带宽、初泡比大对应的子阵列;然后，将多个子阵列按照沉放深度、沉放间隔、激发延迟时间等参数组合成多阵列气枪震源，模拟对应的子波;最后，分析对比模拟的子波特征，优选出最优气枪阵列参数。

2 平面阵列和立体阵列子波模拟

传统的气枪阵列都是平面阵列，所有子阵列都排列在同一平面内，具有操作方便，排列简单等优点。目前海上地震勘探均采用传统的平面阵列设计。为了对比平面阵列和立体阵列的差别，本文以三子阵列为例进行讨论。

2.1 气枪阵列模型

图2是平面三子阵列设置图及其简化示意图，图中每一个子阵列的沉放深度h都是一样的，所有子阵列上的气枪都在同一个平面内排列。

图2 平面三子阵列立体图及其简化示意图

对于立体气枪阵列，由于每一个子阵列的沉放深度不同，导致所有的气枪不在同一个平面内，因此，随各子阵列沉放深度的变化，立体阵列的形式变化多样。以三子阵列为例，设计了4种立体阵列模型(图3)，即凸形、凹形和2种弧形(阶梯型)模型;其中，子阵列间距 d和沉放深度 h1、h2、h3是可变量。

图3 几种不同组合形式的立体阵列模型［7］

2.2 平面阵列和立体阵列子波试算及对比

在气枪阵列总容量一定的情况下，影响立体阵列子波特性的因素主要包括模型形状、子阵列间距d、子阵列气枪组合方式、滤波器选择类型、海水密度和温度以及海面虚反射系数等。模型形状主要由各子阵列的沉放深度(h1，h2，h3)来决定，阵列中气枪的组合方式采用相干组合，滤波器选择syntrak-24(out-206/276)，海水密度为1030 kg/m3，海水温度为20℃，海水中声波速度为1521.6 m/s，海面虚反射系数为－1，采样间隔为0.5 ms，气枪工作压力为2000 psi(1 psi=6.894757 kPa)。

2.2.1 凸形模型和平面模型

图4 平面模型1和凸形模型三子阵列平面图(a)及其激发的子波(b)和频谱图(c)

在环境参数不变的情况下，凸形和平面模型三子阵列的平面图如图4a所示，选取表1中的平面模型1和凸形模型分别进行试算，得到2个模型的子波图(图4b)和频谱图(图4c)。对比2种模型的子波和频谱(具体参数见表1):从子波波形来看，凸形模型子波的主脉冲值低于平面模型的主脉冲值1.1%，但其气泡比高于平面模型的气泡比6.5%;从频谱图上分析，凸形模型的频谱低频振荡小，更加光滑，稳定性好，其陷波点(见图4c中频率为134Hz处)明显高于平面模型，大大减小了陷波点的抑制作用，因此凸形模型子波性能优于平面模型。

表1 枪阵模型三子阵列模拟子波和频谱对比

2.2.2 凹形模型和平面模型

在环境参数不变的情况下，对凹形模型和平面模型三子阵列模拟的子波及频谱进行了对比。2种模型的平面图如图4a所示，选取表1中的平面模型2和凹形模型分别进行试算，得到2个模型的子波图(图5a)和频谱图(图5b)。对比2种模型的子波和频谱(具体参数见表1):从子波波形来看，凹形模型子波的主脉冲值低于平面模型的主脉冲值3.3%，其气泡比低于平面模型的气泡比11.1%;从频谱图上分析，凹形模型的频谱低频振荡较平面模型略小，其陷波点(见图5b中频率为142 Hz处)明显高于平面模型，减小了陷波点的抑制作用。因此，对比凹形模型和平面模型的性能时要从子波波形和频谱2个方面综合考虑。

图5 平面模型2和凹形模型三子阵列激发的子波(a)和频谱图(b)

通过实例试算，证明了立体阵列的可行性和优越性。相对于平面阵列，立体阵列具有如下优点:①立体阵列可以对由于海面虚反射等因素引起的陷波作用起到很好的抑制作用，其频谱低频振荡小，更加光滑，陷波点明显高于平面阵列，这是平面阵列所不能比拟的;②立体阵列由于气枪排列错开，可以减少工作中的故障，并有效避免气枪之间由于高压作用而对气枪本身的破坏，从而延长气枪使用寿命。

3 气枪阵列优化组合及现场采集试验

在气枪阵列基础理论研究和大量计算机子波模拟分析基础上，优选了立体阵列组合方式和平面阵列组合方式，最终采用2种震源组合进行了野外采集试验。

3.1 立体阵列优化组合及现场采集试验

根据子阵列数量的不同，立体阵列有多种组合方式，如上、下两层排列的立体四子阵的组合方式，包括矩形、梯形、倒梯形、平行四边形等4种。通过大量计算机子波模拟试验，选用梯形排列的立体四子阵组合方式进行野外采集试验。图6为梯形排列的立体四子阵气枪震源示意图，上层子阵列B和C沉放深度为5 m，下层子阵列A和D沉放深度为8 m。野外施工中，先激发子阵列B和C，延迟2 ms后再激发子阵列A和D，使上、下两层子阵列的波前同相叠加，这种延迟激发的立体震源有效地压制了海面虚反射。该立体阵列组合平面图及其激发的子波和频谱图见图7。

2010年采用梯形排列的立体四子阵列和长电缆在南海崎岖海底区进行了野外采集试验(由中海油田服务股份有限公司物探事业部完成)，共采集了3条二维测线。为了进行对比分析，其中一条测线位置与2004年采集的二维测线位置相同，而且这2次采集针对的目的层一致，所使用的震源容量基本一致。

图8 2次采集的同一条测线偏移剖面对比

对2010年采集资料和2004年采集资料采用相同的处理流程和参数进行了精细处理，对比分析同一条测线上2次采集资料的偏移剖面，如图8所示。由图8可以看出，2010年采集剖面上浅层的信噪比和分辨率明显提高;中等深度上2.8 s附近BY6-1-1井钻遇的第一套目的层成像效果得到了明显改善，且在深层该井钻遇的第二套目的层下方4.8 s附近有一个明显的背斜构造，而在2004年采集剖面上看不到该构造。这表明，2010年立体震源、长电缆采集资料的偏移剖面在浅、中、深层的信噪比和分辨率都比2004年采集资料有明显提高，立体震源在野外采集中取得了良好的应用效果。

3.2 平面阵列优化组合及现场采集试验

除了子阵列的组合会影响气枪震源的子波和频谱以外，子阵列中气枪的排列也会对气枪震源的子波和频谱产生较大影响。通过对气枪不同排列方式的大量试算，得出了如下一些规律性认识:

(1)容量越大的气枪产生的子波主脉冲也越大，但是大容量气枪的频谱曲线锯齿较多，很不平滑;容量小的气枪产生的子波主脉冲小，但是其频谱曲线的平滑性较好。

(2)气枪容量不同，产生的气泡周期也不同，为了加强主脉冲，抑制气泡脉冲，提高气泡比，在气枪排列时要兼顾大小容量的气枪合理排列。

(3)传统的气枪阵列将大容量气枪排列在前面(靠近船的方向)，而本次研究中将大容量气枪放置在中间，得到的子波和频谱更优。如图9所示，改变大容量气枪的排列位置(排放在中间)后，激发的子波主脉冲值低于传统排列主脉冲值0.4%，但气泡比要高于传统排列的16.4%，并且其频谱低频光滑程度明显高于传统排列。综合分析认为，改变大容量气枪的排放位置得到的子波和频谱更优。

(4)传统子阵列都是整齐排列的，x坐标一致。将各子阵列交错排列，也可以提高信噪比。图10中交错排列的平面三子阵列激发的子波主脉冲值低于传统整齐排列的子波主脉冲值0.6%，但交错排列阵列的气泡比高于传统整齐排列的5.2%，并且交错排列的频谱低频光滑程度高于传统排列。综合分析认为，交错排列气枪阵列的子波和频谱更优。

图9 传统排列(即大容量气枪排列在前面)(a)和大容量气枪排列在中间(b)的平面三子阵列平面图及其激发的子波图(c)和频谱图(d)(蓝线为传统排列，红线为大容量气枪排列在中间)

根据上述理论研究结果和平面气枪阵列优化组合设计思想，通过大量计算机试算，选用针对深水区深层勘探的平面六子阵列组合模式进行野外采集试验。图11是该组合模式的平面六子阵列的平面图及其激发的子波和频谱图，特点是将2支300 in3大容量气枪设置在阵列末端，其余大小容量气枪合理排列，枪阵总容量大、震源激发子波的主脉冲和气泡比大，频谱低频丰富、有效频带宽，穿透力强，有利于深部目的层成像。

图10 传统整齐排列(a)和交错排列(b)的平面三子阵列平面图及其激发的子波图(c)和频谱图(d)(蓝线为传统整齐排列，红线为交错排列)

图11 优化组合的平面六子阵列平面图(a)及其激发的子波图(b)和频谱图(c)

2010年采用该组合模式的震源在南海陡坡海底区进行了野外采集试验(同样由中海油田服务股份有限公司物探事业部完成)。野外施工中，气枪阵列沉放深度为9 m，电缆沉放深度为15 m，沿互相垂直的2个方向采集了2条二维测线，且2条测线位置上都有2004年采集的二维资料(采集方向与本次采集相反)可以进行对比。由于本次采集主要针对深部目的层成像，震源容量较2004年明显增加，电缆沉放深度显著增大。

由图12所示的测线2偏移剖面对比可知，2010年采集资料较2004年资料在深层(＞4s)的成像质量有非常显著的提高，2010年采集剖面清楚地展示了沉积凹陷结构、地层充填特征、断裂特征等，为进一步认识该盆地的勘探潜力提供了重要依据，这表明优化后的平面阵列组合震源在本次野外采集试验中取得了良好的应用效果。

图12 2次采集处理的测线2偏移剖面对比

4 结束语

基于海上气枪震源子波模拟方法，对海上多子阵不同气枪阵列组合的震源子波进行了大量的模拟试算，提出了适于海上深水区地震勘探的多子阵立体阵列组合和2种平面阵列优化组合的气枪震源，并对优选的立体四子阵列和平面六子阵列组合震源进行了不同勘探靶区野外地震采集试验，取得了良好的应用效果。

虽然立体阵列气枪震源和优化组合的平面阵列震源具有多方面的优越性和良好的野外采集效果，但是立体阵列和优化组合平面阵列的设计还处于初步阶段，尤其是立体阵列在实际设计和施工中比常规阵列复杂得多，须经更深入的研究和试验后才能进行推广和应用。

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