南海北部海域油气资源调查技术及其应用研究——双船折射/广角反射地震勘探研究

曾宪军，韦成龙，翟继锋

(广州海洋地质调查局，广东 广州 510760)

纵观我国油气勘探历程，寻找新油气田是一项长期而艰巨的工作。新油气田的发现需要在具有油气前景的新区和新领域投入大量的基础地质调查工作。

20世纪，我国油气勘探工作者在南海北部珠江口、莺歌海、琼东南和北部湾等盆地相继实现了油气的发现。累计探明石油储量约10.4亿t；探明天然气储量约2 647亿m3。并在珠江口盆地形成了千万吨级的油气年产量。但经过30多年的勘探开发，该区石油产量从1998年开始已逐渐递减，现急需寻找新的油气勘探接替新区。随着油气勘探和开发技术的发展，现有必要将南海北部油气勘探方向逐渐向陆坡和深海盆等深水地区推进。近年的勘探显示，相对于陆架新生代盆地，陆坡深水区盆地，以及中生代地层具有其特殊的地震地质条件，有必要针对新的勘探目的层地震地质条件，发展适用的地震等油气勘探新技术。

1 双船折射/广角反射地震勘探技术

当高速层位于储层之上时，常规地震勘探方法往往会面临各种挑战，主要问题在于，内部反射能量弱，信噪比低，再加上高速层之间，高速层内部的多次波以及各种其他类型波的发育，使得地震勘探十分复杂。在一些地区，高速玄武岩在中新生代地层中重复出现，形成强波阻抗界面。上覆火成岩和碳酸盐岩的屏蔽已成为制约勘探进一步发展的主要问题。

南京大学胡中平、管路平等人在2004年对高速屏蔽层下广角地震波场及成像方法进行了研究，提出了解决问题的方法。首先从理论上探讨了广角地震信号存在的条件以及在应用过程中所面临的问题：利用正演理论模型分析了广角地震信号的运动学特征以及噪声对广角反射的影响，利用物理模型对广角地震的动力学特征、波场特征及动校拉伸现象进行了分析。引入高速层以后地震波场要复杂得多，层间多次波发育，高速层对底层反射影响明显，在模型地震记录中，随机噪音不发育，信噪比较高，可以比较清楚地分析底层反射波特征的变化。

通过模型，验证了当偏移距增大以后高速层内的波形转换。在近中偏移距处可以见到底层反射波，当炮检距逐渐增大，纵波反射逐渐减弱，并开始出现PSPPSP波，即在高速层中发生波型转换，在高速层内以S波形式传输，而且PSPPSP波能量随偏移距增大明显增强，形成极强的广角反射。另外，随偏移距增大，一次反射和多次反射的运动学特征差异增大，增加排列长度可避开多次波及近偏移距的各种干扰。

当地层深度增加时，高速层底的P波反射能量消失，PSPPSP波出现，而且能量逐渐增强。当高速层厚度较大时，在小偏移距处，高速层内有较强的透射能量，但由于高速层和底层界面反射系数较大，能量下传有限，同时在高速层内极易形成层内多次波，对近偏移距的地震反射形成强烈干扰。在这种情况下，当偏移距增大以后，高速层内的波型转换成S波，并且以较大的能量向下传输。因此，在高速层覆盖区，增加野外采集排列长度对研究高速层屏蔽层下构造特征具有重要作用。

对于野外长排列地震资料，利用广角反射叠加方法获取高速层下成像。通过物理模型和实际地震资料，证实了高速层下有广角反射波存在，广角反射波特征明显，可以识别。并认为远偏移距资料的叠加能使高速层下地层的成像好于近偏移距资料叠加结果[1]。图1显示的是单船常规地震与双船远偏移距广角地震的剖面叠加对比图。

图1 常规地震(单船数据)叠加剖面和广角地震(双船数据)叠加剖面对比图

图1（a）和图1（c）是来自常规单船地震采集记录中的叠加数据，图1（b）和图l（d）是来自双船远偏移距广角地震采集记录中的叠加数据，可明显看到双船数据1 s以下的同相轴振幅强、相干性好、频率低、可解释性好。目前，广角地震主要用于地球物理勘探中常规地震难以成像的地区，即用于盐下、火成岩下和推覆体下的地层成像。

依据目前研究成果，广角地震在解决模糊成像区成像方面主要有3种方法：（1）利用折射，可以取得高速屏蔽层顶面和基底的构造形态及基底的速度；（2）利用广角反射，避开近偏移距上的各种难以避免的干扰，提高成像质量；（3）利用高速层中的转换波对高速屏蔽层之下的低速层成像。

折射方法与反射方法在许多方面都是类似的,但也有很多差别[2]。利用折射波勘探可以追踪深层基底的构造形态,可以解决反射勘探中因深层反射能量弱而使有效信息可靠性变差,不能对深层基底成像的问题。我们采用反射和折射波联合地震勘探,以采集为基础,以处理为核心,突出地震成像研究,加强物探、地质结合,实现采集、处理、解释一体化。

在深水区或者区域深部地震勘探，需要连续的炮检大偏移距，才可能得到折射信号或者广角反射信号，双船折射/广角反射地震勘探技术为了适应这种需要而诞生。PGS公司采用连续长偏移距方法(CLO)，CLO方法是一种双船作业法，主船和副船相隔一定距离，这样，即使每条物探船拖缆长度仅为4～6 km，也可以提供8～12 km的大偏移距。这种方法能显著地降低安全和作业方面可能出现的危险，减少等待时间。

2 双船地震勘探的国内外技术现状及趋势

2.1 作业方法介绍

双船作业就是一条船作主船(即记录船Recording vessel),一条船作副船或炮船(即震源船Source vessel),两条船配合采集地震资料的作业方法。作为一个有效的地震勘探手段，已经逐渐受到广泛的重视，可以用来做普通二维地震无法达到效果的特殊地层的地震勘探，也可以用来做面元覆盖的三维地震，也可以对局部的障碍区进行重点勘探。因此，双船地震勘探在海洋地震勘探技术方法中起着举足轻重的作用。

2.1.1 获取障碍区地震资料

在二维、三维地震勘探中,有时工区内会有平台、礁石、小岛等障碍，如图2所示，使用双船作业是获得该障碍区域优良地震资料的一个好方法。根据三维地震勘探原理，只要在勘探面积上获得分布均匀的地下数据点，且具有足够的覆盖次数；检波器网格的大小满足空间采样定理，则三维地震勘探的数据采集就可以满足要求。所以海上的地震电缆(检波点)就可以绕过障碍区而获得足够的地下三维数据[3]。

图2 双船地震作业

在双船作业时,副船通过DGPS系统进行定位。因为副船的位置显示在主船上,所以就可以在主船上一起配置主船上枪阵的通道和副船上枪阵的通道,通过主船给出的序列号,就可以知道枪阵的位置与方向。枪阵的数据通过两船之间的无线通讯系统进行传输。通过调整两船之间的偏移,就可以获得障碍区下的满覆盖。调整偏移要根据工区的海浪的波长和总体安全等因素来决定。

2.1.2 特殊地层地震勘探

地震勘探是寻找大、中型油气田或各种类型油气圈闭的极重要的方法。但在钻探时有时会发现，油气储层(或产层)在地震剖面上无法找出可靠的识别标志，既无可以连续对比追踪的反射同相轴，更难以作构造解释和岩性油气预测[4]。出现上述问题的原因很多，其中最主要的有以下两种：

（1）储层与围岩之间的波阻抗差太小，反射能量太弱，常规观测系统及采集参数达不到最优观测，致使储层反射淹没在强干扰背景之中，而目前所有的去噪处理方法，对信噪比很低的地震记录处理结果都不理想，甚至失去应有的去噪作用，一直制约着对弱反射储层进行油气勘探的进程。

（2）地面地下地质条件十分复杂，用常规的排列长度，有可能采集不到来自复杂截面或断面和高速屏蔽层下面弱反射层的反射信息，因而无法确定高速屏蔽层的正确位置。

南海北部海域中生界埋深大，理论上要求增加电缆长度，采用大偏移距，才能接收到深部有效信号、提高叠加覆盖次数及信噪比。但南海北部浅表急流较多，单船拖曳长电缆（4 km以上），在实际施工时易导致电缆羽角过大，严重影响施工质量和工作效率。因此实际的施工条件，限制了单船拖缆长度的增加。另外从物探船的配置条件考虑，电缆排列长度过大(如超过12 km),实际施工是难以实现的。这种问题和难点的出现，需要在勘探难点区，采用改进的地震勘探方法。因此，采用双船地震勘探，既可以满足长排列电缆的需求，又可以达到大偏移距的目的，可以有效解决单船地震勘探无法解决的技术问题。

2.2 双船折射/广角反射地震勘探技术应用

2.2.1 我局双船地震勘探技术应用

1985年，广州海洋地质调查局“海洋四号”(主船)与美国哥伦比亚大学拉蒙特一多尔蒂观测所“康拉德号”(副船)在南海进行以双船地震方法为主的综合地质、地球物理科学调查。“海洋四号”和“康拉德号”两船各安装一个控制器、微测距仪.雷狄斯特测距仪和VHF对讲机。主船，副船控制器以高精度振荡器为核心，精度达到10～8 s，能保证1 d内时间误差在1 ms内。作业中每天通过VHF对讲机核对两船时钟一次，以保证两船时钟同步。而两船空间上一致工作是通过微测距仪、雷狄斯特测距仪实时测定两船距离“实时”修正船速来实现。“海洋四号”气枪系统总容积41～56.8 L；“康拉德号”气枪系统总容积32 L。

1998年，上海海洋石油局“奋斗七号”(主船)和广州海洋地质调查局“探宝号”(副船)联合在东海进行了以双船地震为主的综合地球物理试验[5]。两船使用遥测遥控导航定位综合系统实现双船控制。遥测遥控系统集导航定位、双船间距测量和地震时序控制于一身。以GPS接收机的1 PPS授时信号(直接来自定位卫星的高精度时间信号)的输出作为该系统的时间标准，根据测试结果，两条作业船(即两台GPS授时接收机)的时差为0.5μs。双船之间控制信号的传递和数据(船位、航速、偏线距等)交换选用230 MHz频段(VHF)的无线电数传系统，数传速率在2 400～9 600 bps之间。双船距离的控制通过相对“固定”主船船速，副船实时接收主船船位、航速、偏线距等有关数据实时修正航速、航向来实现的。“奋斗七号”船气枪系统总容量5 140 cu.in，“探宝号”船气枪系统总容量2 250 cu.in。

采用双船广角反射地震合成排列法(SAP)和折射地震扩展排列法(ESP)进行海上作业。

（1）合成排列方法(SAP)

双船前后相距6 km，同向航行，交替放炮，双船同步记录数据。800 km试验测线一条，为提高SAP双船海上作业的数据质量，有以下要求:

①在作业中双船相对距离尽可能保持稳定(如6 km)，误差应在半个炮间距以内。②由于双船气枪控制器，数字地震仪型号和配置不一，要求解决起动信号的同步问题，特别要解决双船TB信号的同步问题。③为计算双船相对距离，要求双船互相传送位置数据;为保证数据记录质量要求互相传送炮号、地震文件号及同步信号。④要求按“等距离”放炮方式工作，定位精度10 m。⑤方便驾驶员按SAP作业方式要求操船。

（2）扩展排列方法(ESP)

双船在相距100 km时开始，相向而行，过交汇点后，再背向而行，一条船放炮，另一条船接收地震信号。试验100 km测线三条，目的是通过折射地震数据资料测出与SAP测线剖面交界处的地壳声波速度结构。

由于双船相距100 km，无线数传难以实现有效地数据传送，而通信卫星信道租用费用昂贵，因此ESP采用“等时间”放炮方式工作，要求双船采用稳定船速行驶，双船有统一的时标基准和同步时钟，记录延迟时间可按实际需要设定。

2.2.2 国外双船地震勘探

国外双船地震作业发展比较早，目前有英国的CGGVeritas公司、法国的SERCEL公司和美国的ION公司等都在发展双船、多船地震勘探领域。

图3是英国CGGVeritas公司的多船地震勘探示意图。

图3 英国CGGVeritas 公司多船地震勘探示意图

法国SERCEL公司也有配套的双船地震勘探系统和导航配套系统，像SEAL428 XL地震系统和SeaProNav综合导航系统，都具有双船作业的能力。

另外，美国ION公司在双船地震勘探领域也有一定的市场，研制的Gator II综合导航系统具有多功能导航能力。

2.3 双船地震勘探关键技术设备要求

2.3.1 技术要求

双船作业的技术要点主有两点：（1）时间的同步，即时序问题；（2）双船之间的无线数据交换。

双船作业不同于单船作业，单船作业的触发信号（由综合导航系统发给其他系统的采集信号）是通过有线完成的，延迟可以忽略。而双船作业，无线信号之间的传输需要一定的时间。例如地震仪器一般是由FTB触发记录的，如果等到副船的FTB返回，则记录必定延迟，因此时序的设置和时间的同步必须要注意。

副船采集到的信息要通过无线系统传到主船，同时主船的配置信息也要发给副船，双船之间正确的发送和接收数据是必备条件之一。以往的数据传输都是把整个数据打包传送到副船，这样既花费了大量时间，又不够稳定。因此，如何选择性地传输有效地数据就是关键，这样既可以节省同步时间又可以减少系统的故障。

图4 多船地震勘探示意图

2.3.2 设备要求

针对以上的技术要求，对设备需提出以下要求：

（1）必须有一套多船之间的无线通讯系统进行数据的交换和传输；（2）船上必须有高精度的时间系统，us级，因为地震采集是以ms为标准的；（3）船上的综合导航系统必须相同，使得导航数据能够交换并进行时序的控制；（4）船上的综合导航系统必须有足够强的质量控制功能，随时监视时间的同步；（5）船上的综合导航系统软件必须具备支持多船作业的能力；（6）船上的地震采集系统、电缆尽可能相同，使得同一工区采集的地震资料一致。

3 结论

近年的勘探实践表明，由于实际施工时拖缆总长度的限制，目前二维地震勘探技术对于中深层普遍存在信噪比弱的情况。双船折射/广角反射地震勘探技术可大幅度扩展电缆排列长度，满足大偏移距的勘探要求，从而为获取中深部地震反射信息提供了技术保障。同时可在一定程度上减小以往因单船拖缆过长而常导致的羽角超标严重的问题。

[1]王小六，李振春，曹文俊.广角地震采集综述[J].勘探地球物理进展，2004，27（5）:321-326.

[2]谢里夫RE,吉尔达特LP.勘探地震学[M]，北京:石油工业出版社，1999:130-135，523-550.

[3]鲁军,张白林,杨凯.三维地震勘探双船作业中炮船的应用[J].西南石油学院学报，2004，26（1）:16-18.

[4]贺振华,黄德济,等.复杂油气藏地震波场方法理论及应用[M].成都:四川科学技术出版社，1999:59-66.

[5]张亚利.双船地震作业综合导航定位和遥测遥控系统[J].海洋石油，1999，1，19-26.