天然气水合物垂直缆地震系统关键技术与试验*

黄建宇，伍忠良，王伟巍，谢城亮

（1. 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州 510075；2. 广州海洋地质调查局，广州 510075）

天然气水合物垂直缆地震系统关键技术与试验*

黄建宇1,2†，伍忠良1,2，王伟巍1,2，谢城亮1,2

（1. 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州 510075；2. 广州海洋地质调查局，广州 510075）

垂直缆地震（VCS）是构成天然气水合物立体化地震观测系统的观测手段之一。本文从天然气水合物调查及仪器设计角度出发，概述了国内外垂直缆地震发展动态，综合分析了天然气水合物垂直缆地震系统的关键技术，详细叙述了使用海底地震仪（OBS）模拟垂直缆地震系统的设计方式及海上采集试验。通过试验获取了天然气水合物立体探测地震数据，验证了应用超短基线技术（USBL）进行垂直缆水下定位的可行性，数据结果体现出了垂直缆地震相较于常规地震在数据质量上的优点，为垂直缆仪器研发、野外施工方法、数据采集等积累了经验。

天然气水合物；垂直缆地震（VCS）；海底地震仪（OBS）

0　 引 言

垂直缆地震（vertical cable seismic, VCS）是一种将多节点水听器阵列垂直于海底表面布放并记录气枪震源激发的反射地震波场的技术，来源于陆地变井源距垂直地震剖面技术（Walkway-VSP）及美国海军反潜技术[1]。天然气水合物被普遍认为将是21世纪最具潜力的接替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一，同时也是目前尚未开发的储量巨大的一种新能源[2]。

随着天然气水合物资源调查的深入，观测手段向多技术方法互补综合的方向发展。常规拖缆是目前应用最广泛的观测手段之一，但在浅海和较多干扰源的海区施工相对困难，存在信号方位角窄、频带受限、只有纵波单分量信息、常受多次波干扰等诸多问题，垂直缆地震可弥补这些不足，在复杂构造区域成像上有技术优势。垂直缆地震与常规拖缆、海底地震仪（ocean bottom seismograph, OBS）、海底地震电缆（ocean bottom cable, OBC）等多种观测手段的结合，构成了天然气水合物的立体化地震观测系统，如图1所示。

本文从天然气水合物观测目标及仪器设计的角度出发，列举垂直缆地震的国内外发展动态，综合分析天然气水合物垂直缆地震系统中的关键技术，详细叙述利用 OBS模拟垂直缆地震系统的采集试验，包括系统结构、采集参数及试验结果分析等。

图1　综合多观测手段的天然气水合物立体化地震观测系统Fig. 1 Multi-dimensional seismic exploration system for gas hydrate with the help of multi-methods

1　 国内外发展动态

美国等西方国家在垂直缆地震方面研究最早、使用案例最多、技术最成熟。德士古（TEXCO）、壳牌和 PGS等石油公司占市场垄断地位，其中TEXCO公司拥有垂直缆地震技术专利。墨西哥湾是世界上最早开展垂直缆地震调查的区域，自1987年起多次使用多条垂直缆开展油气调查和试验，主要目的是改善区域地震成像和实现精细化勘探，墨西哥湾之外的应用案例是 1997年在北海斯特拉斯贝区域完成的第二次垂直缆地震大型试验[3]。但是，垂直缆地震技术仅仅应用于海洋油气调查，没有得到大规模推广。

日本的垂直缆地震研究尽管起步较晚，但发展很快。2009年起，JGI公司在文化科学省（MEXT）资助的硫化物矿藏勘查项目中进行垂直缆系统与数据处理技术研究。2009年开发了垂直缆综合系统并在琵琶湖完成了二维和三维试验；2010年自主式垂直缆数据采集系统研制成功，并在水深100 ~ 2 000 m区域进行多种震源的试验，掌握了数据处理技术；2013年在日本冲绳海槽使用表面与海底震源进行了三维垂直缆地震调查，资料结果揭示了潜在的硫化物矿藏构造[1,4]。

我国在垂直缆地震方面的研究较为落后，相关仪器研制刚刚起步，国内尚无工程化应用的案例，研究成果主要集中在方法理论上。黄必铭等[5]最早翻译介绍了检验垂直地震采集可行性的Fuji实验及评价结果；中国海洋大学周华伟教授曾指导过利用物理模型研究垂直缆采集与数据处理技术的博士论文[6]；中国海洋大学何勇等[7]对海洋垂直缆观测系统进行了射线照明分析，取得了垂直缆观测系统参数对目标层反射点分布的影响规律；中国地质大学（武汉）卞爱飞等[8]使用多尺度全波形反演提高海洋垂直缆调查的照明覆盖。

2　 垂直缆关键技术分析

天然气水合物调查海域一般水深600 ~ 2 000 m，其中，似海底反射层（bottom simulating reflector, BSR）等特征较明显海域主要集中在水深为1 000 ~ 1 500 m区域，埋深为海底以下1.1 km范围之内[9]。水合物特殊的赋存条件决定了垂直缆地震系统设计的关键要素：（1）水合物的高分辨率调查，要求数据采集单元保证数据资料的保真度和信噪比；（2）水合物的调查频宽和主频范围高于常规油气地震勘探，对水听器及信号记录通道性能具有特定要求；（3）水合物调查区域水深一般较大，必须保证仪器各部件的可靠性、水密性以及仪器回收的安全性；（4）数据后处理要求获取高精度的水下定位信息。下面将详细分析天然气水合物垂直缆地震系统中的关键技术。

2.1高性能数据采集技术

数据采集单元是垂直缆地震系统的核心部件，包括水听器阵列和数据记录器。由于垂直缆特殊应用环境以及天然气水合物观测要求，必须选用深海水听器。性能指标方面要求具有耐高静水压力特性，可适应最大工作水深，工作频带范围包含天然气水合物探测目标的有效频带，具备高声压灵敏度、宽动态范围以满足高分辨率采集要求。数据记录器要实现高精度低功耗数据采集要求，需要配置 24位Sigma-delta高精度模数转换器并实现多通道采集功能，电路整体低功耗化设计以保证垂直缆在海底较长的有效工作时间。

2.2水密性及承力性设计

垂直缆地震系统工作于海底，受静水压力大，必须全面考虑电缆、接插件以及各连接件的水密性。此外，垂直缆通过绞盘进行收放，投放前后均需承受自身、配重锚系及挂载设备等重量，需要考虑电缆的承力性与柔软性。因此，垂直缆在设计时应减少自重，电缆采用柔性凯夫拉（Kevlar）作为加强材料[10]或在垂直缆表面编织钢丝承重缆。

2.3浮力配置及回收技术

垂直缆地震系统在海水中保持近乎垂直状态，一般要求偏移角度不超过5°，深海锚系释放后仪器能自动匀速上浮回到海面，需配置一定数量的浮球或浮体保持垂直状态并提供上浮力。垂直缆地震系统投放海底前，首先测量缆上各部件在空气及海水中的重量，再根据浮力计算结果来配置相应数量的浮球或浮体。垂直缆的安全回收取决于释放机构的可靠性及稳定性，释放器与配重锚系之间必须设置合理的安全距离。

2.4水下定位技术

垂直缆地震系统水下定位的精度对地震数据的后续高分辨率处理效果影响很大。垂直缆水下定位需要获取各接收节点在海底位置坐标及深度、整条电缆的形状姿态等信息，通常借助水声定位系统、倾角罗盘、海流计等辅助设备来实现。另外，从垂直缆地震数据中提取直达波旅行时并结合GPS数据可以计算推导出垂直缆各接收节点的水下位置[4]。

3　 垂直缆地震试验

为研究天然气水合物垂直缆地震技术，广州海洋地质调查局于2015年6月利用现有的多台OBS模拟实现垂直缆地震系统，搭载“奋斗四号”船在南海海域成功完成了海上采集试验。

3.1OBS模拟垂直缆地震系统结构

OBS模拟垂直缆地震系统的总长度为200 m，接收节点数量3个，节点间距25 m，整体结构如图2所示。

数据采集单元由3台法国 Sercel公司生产的高频海底地震仪器MicrOBS_Plus组成，其工作水深最大 5 000 m，含1个深海水听器、1个垂直速度检波器和2个水平速度检波器，采样频率最高达 1 kHz，动态范围大于120 dB，内存容量为 8 GB，最长连续工作时间达 24 d（4 ms 采样）[11]。OBS地震仪之间通过高强度尼龙绳连接，投放前为每台OBS配置一致的采集参数。

承力性设计方面，通过在垂直缆表面绞接钢丝缆实现承重，并在钢丝缆上每隔20 m或25 m设置不锈钢转环以防止垂直缆受海流因素影响发生扭曲打结。

图2　 OBS模拟垂直缆整体结构图Fig. 2 Structure diagram of simulated VCS using OBSs

浮力配置及仪器回收方面，根据浮力计算结果在缆上安装了若干数量的耐压浮球以保持垂直缆垂直及正浮力状态。回收采用串联并置的双声学释放器，当第一个释放器未能成功释放时，可以启动第二个释放器进行释放，实现了双保险。为避免释放器与配重之间相互影响，两者间距达125 m。

水下定位方面，使用超短基线（ultra-short base line, USBL）水声定位系统，USBL定位信标悬接于OBS01与OBS02之间，结合船载导航设备记录垂直缆的水下定位信息。

3.2采集参数

此次试验中，OBS模拟垂直缆地震系统与水平地震拖缆进行联合采集，获取了天然气水合物立体探测地震数据。试验测线共17条，每条长17 km，采集工区面积154 km2，垂直缆的投放位置位于采集工区的中心，地震震源由高能量GI枪阵组成的点震源激发，震源沉放深度5 m。OBS模拟垂直缆地震试验具体采集参数见表1。

表1　OBS模拟垂直缆地震试验采集参数Table 1 Acquisition parameters of simulated VCS using OBSs

3.3试验结果分析

3.3.1水下定位分析

此次试验通过USBL水声定位系统成功获取了定位点的经纬度、深度及对应的日期与时间等数据，证明了利用USBL技术进行垂直缆水下定位的可行性。USBL信标体积小、拆装方便，可以使用多个USBL定位点获取更多节点的水下位置信息。图 3 为2015/6/9 16:00至2015/6/10 22:00（GMT日期及时间）内的垂直缆定位点轨迹图，轨迹点依序用蓝、红、绿颜色表示先后时间段，每一时间段间隔10 h，所有轨迹点的均值坐标用“×”记号标出，定位轨迹点集中在以“×”为中心、半径150 m的圆圈内。从轨迹图上可以看出，垂直缆节点在海底容易受海水运动而产生位置上的偏移。

图3 OBS模拟垂直缆水下定位轨迹

Fig. 3 Underwater moving trajectories of simulated VCS using OBS

3.3.2数据分析

图4为SH300测线中3个接收节点水听器分量（即P分量）的共接收点道集数据。从图上可以看出有效波、多次波、折射波比较清晰，OBS接收节点的直达波到达时间与其节点深度相吻合，直达波和海底一次反射波同相轴无相互干涉。由于各接收节点靠近环境安静的海底且位置相对固定，所采集的数据具有较高的信噪比，体现出了垂直缆地震相较于常规地震的优点。

图4　测线SH300三接收节点水听器分量共接收点道集数据Fig. 4 Common receiving point gather data of three nodes’ hydrophone component in line SH300

OBS接收节点数据既包含压力分量P，还包含速度分量X、Y、Z，由于接收节点不接触海底，速度分量只能接收纵波信息。图5是从SH300测线中提取OBS02节点在不同炮检距下相同检波点的P和Z分量直达波数据对比图，沿测线方向炮检距由近及远分别为检波点SPOT315、SPOT363和SPOT439。从图中看出，P、Z分量均受到激发虚反射的干扰，随着炮检距的增大，虚反射与直达波相位分离明显，在远炮检距处可获得较为纯净的远场子波信号。通过比较还可以辨出水检（水听器）与陆检（速度检波器）的地震波响应差异及水陆检位置导致的P、Z分量约3 ms的相位差，水陆检响应差异表现在对虚反射的响应互为反向，这样在同一检波点将P、Z分量组合起来可压制虚反射，提高地震资料分辨率。

图5　测线SH300 中OBS02不同检波点P、Z分量直达波对比Fig. 5 Direct wave Comparison of OBS02’s P and Z component at different spots of line SH300

4　 结束语

垂直缆地震方法已被证明是一种探索不同类型地质目标的有效方法，尤其是对于高数据质量和全方位覆盖目标区域的复杂构造成像[12]。针对天然气水合物调查目标及其工程应用而设计的垂直缆地震系统，需要考虑水合物特殊的赋存条件，实现高性能数据采集技术、水密性及承力性设计、浮力配置、仪器回收以及水下定位等关键技术。通过OBS模拟垂直缆地震系统采集试验，获取了天然气水合物立体探测地震数据，验证了应用USBL技术进行垂直缆水下定位的可行性，数据结果体现出了垂直缆地震相较于常规地震在数据质量上的优点，此次试验为垂直缆仪器研发、野外施工方法、数据采集等积累了宝贵经验。

[1] ASAKAWA E, MURAKAMI F, SEKINO Y, et al. Vertical cable seismic survey for hydrothermal deposit[C]//Proceedings of EGU General Assembly. Vienna, Austria: EGU, 2012: 2236.

[2] 沙志彬, 梁金强, 苏丕波, 等. 珠江口盆地东部海域天然气水合物钻探结果及其成藏要素研究[J]. 地学前缘, 2015, 22(6): 125-135. DOI: 10.13745/j.esf.2015.06.009.

[3] RODRIGUEZ-SUAREZ C, STEWART R R. Survey design for vertical cable seismic acquisition[J]. CREWES Research Report, 1998, 10: (6-1)-(6-19). DOI: 10.3997/2214-4609.201407680

[4] ASAKAWA E, MURAKAMI F, TSUKAHARA H, et al. Development of vertical cable seismic (VCS) system for seafloor massive sulfide (SMS)[C]//Proceedings of 2014 Oceans. St. John's, NL: IEEE, 2014: 1-7. DOI: 10.1109/ OCEANS.2014.7003171.

[5] WARD J A. 垂直电缆地震的价值[J]. 黄必铭, 译. 石油物探译丛, 1998(5): 81-85.

[6] GUIMARAES M A G. Physical model study of seismic acquisition and processing of vertical cable data[D]. Texas: University of Houston, 1998.

[7] BIAN A F, ZOU Z H, ZHOU H W, et al. Evaluation of multi-scale full waveform inversion with marine vertical cable data[J]. Journal of earth science, 2015, 26(4): 481-486. DOI: 10.1007/s12583-015-0566-3.

[8] 何勇, 张建中. 海洋地震垂直缆观测系统的射线照明分析[J]. CT理论与应用研究, 2015, 24(5): 689-700. DOI: 10.15953/j.1004-4140.2015.24.05.06.

[9] 伍忠良, 曾宪军, 王立明. 海洋天然气水合物调查地震采集技术——调查初始阶段研究[J]. 海洋技术, 2006, 25(4): 79-87. DOI: 10.3969/j.issn.1003-2029.2006. 04.021.

[10] 高凯, 金彦斌, 靳志杰, 等. 一种水下垂直探测系统专用电缆的设计探讨[J]. 现代传输, 2012(4): 55-57. DOI: 10.3969/j.issn.1673-5137.2012.08.003.

[11] 王伟巍, 朱世华, 袁修贵, 等. 海底地震仪的时间同步技术[J]. 海洋信息, 2013(2): 9-12. DOI: 10.3969/j.issn. 1005-1724.2013.02.002.

[12] WANG H J, LI X Y. Application of prestack Kirchhoff migration to vertical cable seismic data[C]//Proceedings of the 63rd EAGE Conference & Exhibition. Amsterdam, Netherlands: EAGE, 2001: 6-8.

Key Techniques and Experimental Study of Vertical Cable Seismic System for Gas Hydrate

HUANG Jian-yu1,2, WU Zhong-liang1,2, WANG Wei-wei1,2, XIE Cheng-liang1,2
(1. Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510075, China; 2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China)

Vertical cable seismic (VCS) is one of the acquisition methods that make up the multi-dimensional seismic exploration system for gas hydrate. In this paper, with the perspective of gas hydrate survey and instrument design, the development trends of VCS at home and abroad were summarized, a comprehensive analysis of the key technologies in the development of VCS system for gas hydrate was made, and the design methods for simulated VCS system by using ocean bottom seismographs (OBSs) as well as the offshore acquisition experiment were explained in detail. Based on the experiment, the multi-dimensional seismic data for gas hydrate was achieved and the feasibility of the application of ultra-short base line (USBL) in VCS positioning underwater was confirmed. The results indicate that the VCS method embodies the advantage in data quality compared with the conventional seismic acquisition methods. Based on this work a number of experiences for VCS system development, field operation and vertical cable data acquisition have been accumulated.

gas hydrate; vertical cable seismic; ocean bottom seismograph

黄建宇（1988-），男，硕士，助理工程师，从事海洋地球物理勘探仪器与数据采集的研究工作。

TK01

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.03.009

2095-560X（2016）03-0219-06

2016-03-28

2016-05-03

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2013AA092501）