气枪组合震源模拟分析及其应用

李长勤，李 斌，李玉剑，刘璐晨

气枪组合震源模拟分析及其应用

李长勤，李 斌，李玉剑，刘璐晨

（中国石化集团上海海洋石油局第一海洋地质调查大队，上海 201208）

在海洋地震勘探中，气枪组合震源得到广泛应用。目前气枪组合震源通常是采用模拟技术，得到震源的远场子波后，通过评价远场子波的参数来评价震源的性能。文章对气枪组合震源性能评价标准进行了简单叙述，对采用震源模拟软件模拟一系列震源进行评价后，优选了3 000 CI，并应用于实际地震勘探中，达到勘探地质目的，取得了良好的资料。

气枪组合震源；模拟分析；评价指标；选择应用；地震勘探

气枪震源具有重复性好、经济实用等优点，并且是一种绿色环保的震源，因此在海洋地震勘探中得到广泛应用。对于海上地震勘探而言，气枪组合震源的性能直接决定了采集原始资料质量的好坏。

气枪组合震源的性能通常采用其子波信号及其频谱等进行评价。目前确定震源子波信号的方法有三类[1]：一是通过现场实际测量的方式得到；二是通过数值模拟方法或用实测气枪震源近场子波外推，得到震源远场子波；三是通过地球物理反演方法，从海上地震数据资料中提取震源子波。

实际应用中，无论是单枪还是气枪阵列激发产生的子波信号都可以通过现场实测得到，但测量得到的子波需要耗费大量的人力、物力、财力，要求外部条件也较苛刻。对于第三类方法获取的震源子波真实性，一些地球物理学家们是持怀疑态度的。采用数值模拟方法可以在施工前，对气枪组合震源进行模拟优化，得到想要的震源远场子波。该方法既可以降低成本，又可以在施工前得到较优的震源，因此目前在实际工作中，气枪阵列的设计及实际应用中的优化，大都是基于气枪震源设计模拟软件系统进行模拟，优选出性能优异的组合震源。而PGS公司开发的NUCLEUS震源设计软件是被业内广泛接受的震源模拟软件。

本文通过对气枪组合震源参数的分析，采用震源模拟软件针对勘探目的层，设计了气枪组合枪阵，并应用到实际生产中，取得了很好的效果。

1 气枪震源子波参数

气枪阵列是指将多支气枪或各组气枪子阵结合在一起，以达到提高震源子波主脉冲振幅、压制气泡脉冲和提高初泡比的目的。

气枪组合震源子波按接收信号的距离远近可分为近场子波和远场子波两类[2]。假定震源中心为气枪阵列，在一定半径范围内，震源子波会随其所处位置的不同而不同，一般将小于该半径范围称为近场，记录的子波信号叫做近场子波。在该半径以外区域，各点的震源子波波形趋于稳定不再发生变化，仅仅是压力值随着距离的增大而衰减。一般将该半径以外区域称为远场，接收到的子波信号叫做远场子波。通常实际应用中提到的气枪震源子波，指的是远场子波。

气枪震源子波信号通常用子波脉冲振幅主峰值、峰-峰值、气泡周期、初泡比等表示[3]（图1）。

1.1子波主脉冲振幅主峰值

震源子波主脉冲振幅主峰值是指气枪内的高压气体释放后产生的第一个正压力脉冲振幅值，是表征气枪阵列能量大小的参数。主脉冲振幅主峰值越高，表明气枪阵列输出的能量越强。图1所示的震源子波主脉冲振幅主峰值为38.1 bar·m。

1.2子波主脉冲振幅峰-峰值

震源子波主脉冲振幅峰-峰值是指震源子波信号第一个压力正脉冲与第一个压力负脉冲之差。与子波主脉冲振幅主峰值一样，描述气枪能量的重要指标，子波主脉冲振幅峰-峰值越大，说明震源能量越大。图1所示的震源子波主脉冲振幅峰-峰值为80.0 bar·m。

1.3子波气泡周期

震源子波气泡周期指子波主脉冲波峰与第一个气泡脉冲波峰的时间间隔，及子波主脉冲波谷与第一个气泡脉冲波谷的时间间隔。阵列子波气泡周期随着气枪压力和容量的增加而增大，随着气枪深度的增加而有所减小。图1所示的子波气泡周期为111.4 ms。

1.4子波初泡比

阵列子波初泡比是指子波信号第一个压力脉冲振幅值与第一个气泡脉冲振幅值之比。初泡比越大，气枪阵列激发的信噪比越高，气枪阵列子波及其频谱越好。工业标准要求震源子波初泡比不能低于10.0。图1所示的阵列子波初泡比为24.2。

图1 气枪震源子波

2 气枪阵列性能评价指标

气枪阵列输出子波的性能与工作压力、震源总容量、震源沉放深度、组成枪阵的单枪容量、组合间距、气枪相干方式等有关[4]。在进行气枪阵列设计时要充分考虑这些影响因素。设计的气枪阵列震源需要对其性能进行评价。在实际应用中，气枪震源的性能主要从以下几方面进行评价。

2.1激发能量

一般而言，激发能量越强，就能勘探较深目的层的穿透能力[5]。

考察气枪阵列输出能量指标有子波主脉冲振幅零-峰值和子波主脉冲振幅峰-峰值两个参数。它们越大，表征气枪阵列输出的能量或压力值越大[6]。

2.2振幅频谱特性

气枪阵列子波振幅频谱是考察阵列性能的重要因素，期望子波振幅频谱尽量展平[7]。对于深部地层，期望低频部分的能量强；对于高分辨率地震，期望高频部分的频带范围尽可能宽。图2是沉放深度相同的两个不同阵列子波振幅谱对比。图2b气枪阵列振幅谱输出能量要明显高于图2a的阵列。图2b气枪阵列振幅谱在低频端相对于图2a要平滑。因此图2b所示的气枪阵列振幅谱要明显优于图2a的阵列。

2.3初泡比

气枪阵列子波初泡比反映阵列激发子波的质量，初泡比高表明震源子波信噪比高。在地震勘探中，要求子波初泡比不低于10，有时要求在20以上，高分辨率地震勘探一般要求初泡比大于30。

2.4方向性

由于受各种因素限制，气枪阵列激发的子波信号能量在各个方向上是不同的，也就是能量分布是具有方向性的。在分析评价震源子波方向性，通常分析0°、90°两个方向。

理论上，气枪阵列的方向性越弱越有利于海上地震勘探，这也是气枪阵列设计追求的目标。

2.5关枪分析

由于气枪电缆、气枪突发故障和高压气管等原因，在海上实际勘探作业时，会有一支或几支气枪无法正常工作，导致气枪阵列性能低于其设计的性能指标。对于无法正常工作的气枪，采用关枪处理。为了确保关枪后，枪阵输出子波的性能，需要对设计的枪阵进行关枪分析，明确关枪标准。

综上所述，性能优越的气枪阵列震源应满足如下条件：一是尽可能得到大的子波主脉冲振幅零-峰值；二是尽可能得到高的子波初泡比；三是得到平坦而又平滑的子波频谱；四是具有较高的稳定性；五是更加趋于球形的方向性。这样设计出来的气枪阵列在实际中应用，是保证采集到优质的海上地震勘探原始资料的先决条件。

3 气枪组合震源选择及应用

图2 沉放深度相同的两个不同阵列子波振幅谱对比

3.1气枪震源选择

目标靶区位于国内某海域，大部分水深在20～ 40 m，勘探目的层深度3 000 ～ 4 000 m。由于水深较浅，考虑到海底多次波等问题，初步确定气枪阵列容量在3 500 CI左右。

结合现有G气枪设备，采用Nucleus震源模拟软件设计了60余组平面气枪阵列。模拟参数为：气枪工作压力为13 790 kPa（138 bar），海水温度为7 ℃，海水中声波速度为1 478.9 m/s，海面虚反射系数为-1，滤波器类型为DFS V Out -128.0/72，采样间隔为0.5 ms。通过模拟分析后，优选了其中四组震源，分别统计了沉放深度6 m、8 m的时震源性能参数（表1）。

从表1可以看出，总容量3 000 CI气枪震源虽然总容量相对其他震源小，但其子波主峰值最高，初泡比较大，频宽最宽，主频偏高。深度上，沉放6 m时气枪阵列子波总体性能好，同时考虑到勘探区域水深较浅，因此采用3 000 CI气枪阵列沉放深度6 m进行施工。图3为3 000 CI气枪阵列激发子波及频谱图，图4为3 000 CI气枪震源子波方向性图。

对3 000 CI的气枪震源，通过震源模拟软件分析其关枪对震源性能的影响。通过分析，得到如下关枪标准：

（1）关枪后枪阵容量不低于2 700 CI；

（2）除250 CI气枪之外，其他任何单枪都可以关闭；

（3）任何两个枪可以同时关闭，但下列情况除外：①任何包含250 CI两枪组合，②非相干位置上的两个150 CI枪组合，③非相干位置上的两个100 CI枪组合，④非相干位置上的两个60 CI枪组合；

（4）任何三个枪不可以同时关闭，但下列情况除外：①相干位置上的两个100 CI枪和一个40 CI枪组合，②相干位置上的两个60 CI枪和一个40 CI枪组合，③两个40 CI枪和一个150 CI枪组合，④两个40 CI枪和一个100 CI枪组合；

（5）任何四个及四个以上枪不可以同时关闭。

从以上关枪标准看，此震源对关枪要求并不很高。在目前设备条件下，容易做到，因此该震源适合外业作业使用。

表1 平面气枪阵列子波参数统计

图3 3 000 CI气枪阵列沉放6 m时子波及频谱

图4 3 000 CI气枪阵列沉放6 m时方向性

3.2现场应用情况

采用3 000 CI震源，沉放深度6 m，共采集二维地震测线745.3 km。选取一段地震测线进行处理分析，进一步分析所设计气枪阵列的应用情况。

（1）频谱分析

图5 为原始数据频谱。从频谱可以看出，原始单炮记录主频约为46 Hz，频率分布范围基本在10 ～ 95 Hz之间。

图5 原始单炮及频谱图

（2）叠加剖面分析

图6 为初叠剖面。从剖面可以看出，处理后的剖面中深部信息得到了体现，有效勘探深度可达到4 s（4 500 m）以上，并且成像清晰，信噪比较高，符合预期效果。

图6 初叠剖面

4 结论

海上地震勘探采用气枪组合震源作为震源进行地震资料采集。一个气枪组合震源性能的优劣，主要通过激发能量、振幅频谱特性、初泡比、方向性、关枪分析等指标进行评判。一个高性能的震源，除了满足勘探目的外，需具有强的输出能量，较宽的频带，高的初泡比，各方向能量一致的点震源；同时为了方便外业施工，需要具有较宽松的关枪标准，减少因气枪损坏而频繁收起震源进行维修。因此在震源设计时，通过模拟来评价震源各项性能，指导设计出优异的枪阵。

[1] 刘兵．气枪震源子波数值模拟及其应用[D]．中国海洋大学硕士论文，2005．

[2] 陈浩林，全海燕，於国平，等．气枪震源理论与技术综述（上）[J]．物探装备，2008，18（4）：211-217．

[3] 陈浩林，全海燕，於国平，等．气枪震源理论与技术综述（下）[J]．物探装备，2008，18（5）：300-312．

[4] 赵秀鹏．海洋气枪震源组合及子波模拟[J]．油气地质与采收率，2004，11（4）：36-38．

[5] 何汉漪．海上高分辨率地震技术及其应用[M]．北京：地质出版社，2001．

[6] 周宝华，刘威北．气枪震源的发展与使用分析（下）[J]．物探装备，1998，8（2）：3-4．

[7] 云美厚，丁伟．地震子波频率浅析[J]．石油物探，2005，44（6）：578-580．

Numerical Simulation and Application of Air Gun Array Seismic Source

LI Changqin, LI Bin, LI Yujian, LIU Luchen
（No.1Marine Geological Investigation Party of Shanghai Offshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai201208,China）

The air gun array seismic source has been widely used in offshore seismic exploration. Nowadays the air gun source is often evaluated by numerical simulation technique. After getting the far-field seismic wavelet, the performance of air gun source is evaluated by evaluating the parameters of the far-field seismic wavelet. The evaluation criteria on the performance of air gun array source have been discussed in this paper. Through evaluation on many air gun seismic sources with numerical simulation software, 3 000 CI air gun seismic source is considered best in these seismic sources, and was put into use in real seismic data acquisition. The geologic exploration purposes have been reached, and quality of seismic data is excellent.

air gun array seismic source; numerical simulation; evaluating indicator; choose and application, seismic exploration

P631.4+6

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.101

1008-2336（2014）03-0101-05

2014-04-19；改回日期：2014-06-04

李长勤，男，1976年生，工程师，工程勘察与技术专业，主要从事海洋工程勘察工作。E-mail：markting@sopgc.com。