应对当今地震勘探需求与挑战的高精度可控震源

陶 知 非

中国石油集团东方地球物理勘探公司

0 引言

地球物理勘探技术是目前寻找地下地质目标的一种有效的科学研究手段。早期地震勘探采用的主动震源激发技术主要是应用炸药，但随着社会的发展与进步，炸药源在应用中的一些弊端逐渐显露出来。

可控震源技术源于20世纪50年代，1975年开始进入大规模工业化生产，初步解决了地震作业中如何实现低公害、高效、安全环保作业的难题。但是，由于可控震源采用连续信号激发与炸药震源采用脉冲信号激发在信号特征上的显著区别，提高可控震源的激发信号频宽与改善地震激发信号的信噪比，一直是全球业内技术人员努力攻克的难题。

可控震源的激发能量从早期16 000磅级逐步发展到51 000磅级，随着60 000磅级的大吨位可控震源出现，地球物理工作者仿佛认识到提高激发信号能量的重要性，于是在野外应用中出现了多达8～10台的60 000磅级震源的强组合激发方式，很快超过80 000磅级的更大激发能级的震源也横空出世，但是，实际效果并未朝人们希望的方向发展，原本寄希望大吨位震源能够提高信噪比，实现高分辨率地震勘探效果，却发现大吨位震源在激发高频信号时反而缺失高频能量，更要命的是这种超大吨位的震源在性价比上出现了严重失配，表现为：在复杂地区的应用灵活性受到极大限制，且还在运输过程中受到超重限制。越来越多的人开始意识到这样的投入有点费力不讨好，于是80 000磅级的超级可控震源应用陷入尴尬境地……此时人们转身看到了正在逐渐变热的低频震源市场，进而宣传大吨位震源在低频激发中的优势，其实这更是错觉。

之前多数人一度认为提高地震资料的分辨率必须依靠高频地震信息，所以提高高频成分成为地震数据采集的努力方向，甚至一度使用60 Hz的地震检波器应用于地震数据采集，只接收高频地震信号。实际采集过程中还面临一个特别纠结的问题：不使用震检组合就无法提高接收信号的信噪比，而使用震检组合就会压制高频信号的接收。随着叠前偏移处理技术概念的明晰，基于叠前偏移概念的观测系统设计深入人心，越来越多的人意识到提高偏移孔径内的炮检对密度对改善地震资料品质的重要性，即相对于提高激发能量，提高偏移孔径内的炮检对密度对改善地震资料品质更重要。更多的业内人士已经意识到不应该单纯追求可控震源的激发能级，而是应该考虑改善可控震源的激发信噪比及改善可控震源激发信号的频带宽度，以解决地震信号对地质目标的分辨能力。目前在国内外油气勘探应用中的点激发、点接收成为现代地震采集技术的主流。

中国石油勘探开发研究院姚逢昌教授认为“地震波阻抗反演是高分率地震资料处理的最终表达方式。”因此，提高反演的精度才是最终的目标。早期地震反演的方法主要靠井约束，从井中提取低频信息与地震信息相融合，以降低地震资料解释的多解性，其核心就是补充低频地震信息。所以，如何得到丰富的低频有效信息成为地震采集的关键，也是当今最具有挑战性的科学问题[1]。

1 高精度模型控制技术

高精度可控震源蕴含着高精度模型控制技术。可控震源激发信号的畸变水平与激发能级有关，而激发信号的品质无疑也与激发信号的畸变水平有关。随着激发能量的增加，激发源输出信号的畸变水平也随之增加。因此，如何控制输出信号畸变的增长成为可控震源设计的难题，也是后期应用可控震源地震资料来提高复杂区地震成像的主要研究方向。

为解决这一问题，东方物探的可控震源研究团队从2003年开始启动“低畸变KZ28型大吨位可控震源”重点科研项目，从制约可控震源输出信号频宽的瓶颈问题出发，先后研发设计了降低重力影响的横置伺服阀、降低震动器对激发介质影响的等张力平板提升机构、降低震动机构晃动的低重心振动器结构、提高/改善与地面耦合效果的四导柱压载结构及改善矩形板边角干涉的圆角平板，通过这些综合技术手段来调整振动信号在激发过程中的约束条件，使振动器在激发信号上的输出畸变水平不断得到改善。

但是，随着可控震源激发信号频宽的不断拓展，输出信号的畸变问题已经影响到对信号质量的评价，特别是在高、低频段畸变的非线性因素仍然存在，而可控震源激发信号频带宽度超过120 Hz或低频低于6 Hz时，由于可控震源机械系统非线性因素导致的畸变极大地制约了地震勘探信号激发频带的应用。

为此，在高精度可控震源的研发中，团队技术人员根据可控震源在激发信号过程中的运动学模型和近地表的土壤动力学模型，尝试用变阻尼的方式降低低频固有频率对激发信号低频端的扰动影响，提高低频地震信号激发过程中的稳定性，使低频地震信号的有效成分得到明显改善。当今最新EV56型高精度可控震源车（图1）实现了从低频（1.5 Hz）到高频（160 Hz）地震扫描信号的线性化。

低频地震技术的出现，是40多年来现代可控震源技术发展（1975年以来）里程碑式的标志。在随后的一段应用时间里，低频信号对深部目标体成像效果的改善得到了业内极大认可（图2）。但是，这种改善还只是一种伴生效应，不是低频技术追求的终极目标。因此，初期总有一些人士质疑低频地震技术提高地质目标成像的能力。

图1 东方地球物理勘探公司EV56型高精度可控震源车图片

随后高精度可控震源技术的出现，又让很多人迷惑不解：高精度震源是低频震源吗？为什么不直接说是宽频震源？这些问题的出现，都说明的确还有一些技术概念需要及时澄清，以有利于可控震源事业的健康发展。

1）地球物理技术发展对信号的要求

现代地球物理勘探技术实际上是通过对地下各种反射信息的检测接收与处理辨识，提供地下地质构造与岩性信息的科学手段。有源主动激发地震信号的方法是这种技术手段的基础，而对信号的综合激发、接收、处理、解释的水平则代表解决复杂地质问题的能力。传统的反射地震学得到的数据并不能直接解决油气发现问题，需要加入地质概念与地质家的经验。但低频伴影现象[2]的发现及应用低频进行流体检测技术的出现[3]，却证实了低频现象确实与油气的聚集有关联性。

以人民为中心是习近平新时代中国特色社会主义思想的灵魂。历史和实践表明，人民拥护和支持是党执政的最牢固根基，做好群众工作是巩固党执政地位的“生命工程”，是应对“四大考验”化解“四大危险”的有效武器。因此，群众工作本领怎么样是检验政治领导力强不强的“试金石”。

图2 国内西部沙漠腹地深部成像效果对比图

即便如此，片面地把可控震源未来技术的发展限定在频带宽度上是对这项技术的误解。

2） 地震反演及深部探测对低频的需求

2009年东方地球物理公司在内蒙古与荷兰皇家壳牌公司（SHELL）利用东方地球物理公司自主研发的第1代低频可控震源LFV1合作开展低频地震数据采集试验，是低频可控震源地震技术在全球首次大规模工业性应用。其地质应用效果非常令人鼓舞，在地震反演处理中使用1.5～4 Hz低频信号开展了一系列测试，结果表明低频地震绝对波阻抗数据的低频构成部分与常规反演的低频模型相比发生了结构性的变化（图3），其1.5～10 Hz使用的是采集到的地震低频信息，只有极低频（＜1.5 Hz）部分使用测井模型，合成的低频模型更加接近真实地下岩性体分布情况，空间分辨率得到很大程度提高。低频地震数据的融入降低了反演对井资料的依赖度，提高了地震反演的精度，降低了多解性。地震低频信息在地震反演中为改善速度模型的精度与反演效率发挥了决定性作用，SHELL公司反演专家René-Edouard Plessix总结说 ：“1.5 Hz信息对反演速度模型的精度具有决定性意义[4]。”

2015年，中国科学院陈顒院士主持的长江计划项目先导试验，采用东方公司的863可控震源低频地震采集技术在“郯庐”大断裂附近开展了对莫霍面（－42 km）的研究，南方科技大学张伟教授课题组展示的最终处理成果得到了满意的效果[5]。

图3 测井插值低频与地震低频模型对比图

因此，有效的低频信息是地球物理研究工作的基础，也是宽频概念的基础，没有低频有效信号，就没有足够宽频带（5个倍频程以上）的有效接收信息，也就不可能实现油公司所期待的地质效果。

3） 高精度探测对信号精度与频宽的需求

如何提高地震信号的精度一直是困扰工程人员的难题，究竟有哪些因素影响了地震信号的精度，也是人们一直争论不休的话题。但应用地震技术实现对不同地质目标的有效探测与信号的精度及信号的频带宽度确实有直接关系。激发信号的精度越高，越有利于接收到高保真度的信号，或者说二者之间的相似度（相关性）越高，对弱信号的识别能力就越强；频带越宽，子波的分辨能力就越高；低频信息越丰富，地震反演的准确性越好。理论上，这些都有助于提高对地震数据的处理与解释精度。因此提高地震探测信号的精度，更多的是要减少信号在传递过程中的频率/能量损失。

4） 浅层探测对低频的需求

浅层探测对高频信号的需求是众所周知的。但是，高频信号究竟能高到多少？目前还有许多疑问，特别是怎么合理解决高频信号的信噪比问题，才是扩展高频、满足浅层探测应用的关键。同时，浅层探测也不可以忽视低频的作用，往往浅表层会覆盖一些高速（夹）层，如溢流相火山岩或膏岩，如果没有低频信号，就很难得到好的下伏地层目标成像效果（图4）。因此，低频是宽频的基础，稳定的低频才能保证复杂目标的正确成像。高精度可控震源在低频的稳定性与宽频这2个重要指标上具有突出优势，使得历年在浅表层为火成岩地区采用各种激发、观测手段攻关都难以见效的难题得到破解。

图4 不同震源对浅表火成岩下伏地质目标的成像对比图

2 地震信号激发技术面临的挑战

2.1 低频瓶颈

未来低频能做到多低？经济技术性价比如何做到最优？

低频可控震源定义的低频是指：①全流量下的低频；②使用线性函数实现的低频信号；③地面或井下可直接探测的有效信息，而不是设计信号。

之前在低频地震技术应用中失误的一些项目中，普遍反映地震数据（体）中的有效低频信息表现出时有时无的现象。从这个定义的角度出发，笔者认为之前一些地震采集项目对低频的应用存在投机性，可能这些低频信息的能量在激发设计时就不够，含有太多的非线性因素并引发较大的输出信号畸变。常规可控震源的系统结构对低频的响应较差或大地对激发类似的低频信号几乎无响应，而质量控制又看不到最关键的0～0.5 s的监控数据。因此应用效果才表现为时灵时不灵。

目前看，可控震源的线性低频激发能做到1.5 Hz是个坎（挑战），也是个门槛。这是由现代可控震源系统结构决定的。笔者团队在研究低频信号的激发与检测中做过更深入的探索，研究表明深入下去的成本非常高，可能无法令应用层面接受。

2.2 高频瓶颈

未来影响高频拓展的因素主要有哪些？从可控震源激发的角度看，拓展高频与延展低频是一个相当纠结的矛盾。当低频确定后，实际上就限定了高频的拓展。

前期研究中，当3 Hz低频确定后，高频一度掉到80 Hz才能实现稳定。目前的研究结果可以实现高频稳定在140 Hz，更高的拓展研究还在进行中，难度与挑战相当大。

2.3 信号精度瓶颈

地球物理勘探技术已从早些年的高分辨率勘探、高密度勘探发展到今日的高精度勘探。但之前从未听说过高精度可控震源，许多专业公司强调的都是宽频可控震源。而东方地球物理公司的研发人员早在国家“十二五”的863计划中就提出了高精度可控震源技术的概念，这个概念的提出早于高精度勘探概念的出台（国家“十三五”期间的一些项目设计就是基于高精度勘探的概念）。从这个角度看，高精度可控震源概念比宽频可控震源概念涵盖的范围更广，且更准确。

高精度可控震源必须要有高精度的地震信号源和宽频（6个倍频程的信号能力）可控震源。前者说的是信号的品质，后者说的是信号频宽，二者对高精度概念的描述充分且必要。前期的潜心研究通过对可控震源结构的重构，使其信号品质实现了历史性突破，输出信号畸变水平平均降低10%，而拓展频宽问题也得到了极大改进，有效频宽达到了1.5 ～ 160 Hz（6.737 Oct）。

未来影响地震激发信号精度的瓶颈还是在于对信号品质的提升，降低信号在传输过程中的信号频宽、信号能量的沿程损失与频率及相位的沿程畸变。

2.4 信号辨识度瓶颈

信号辨识度瓶颈也即信噪比、相似度与处理方法的关联性问题。可控震源产生的信号与地震信号中的其他主要信号相比，输出与检测到的信号相似性较高。在之前的应用中，可控震源的能量可以采用多台同步组合与垂直叠加技术来增加下传信号的能量。但是，可控震源激发的地震信号也存在致命的问题，即信噪比不高。因此可控震源信号的辨识度不高。换言之，受可控震源信号辨识度的影响，或受当前地震信号信噪分离处理技术的限制，可控震源信号在解决深部地质目标成像的过程中会受到极大制约，这也是未来深部地震勘探在是否选择可控震源（低频）技术时的纠结之处。

相比之下，一些设备的发射功率非常小（mW～W级），但能够接收的距离却非常远（≥100 km），这里面就涉及到信号编码与信号处理方法上的不同，也是未来研究的工作重点。

2.5 激发能量瓶颈

可控震源的激发存在能量瓶颈问题吗？答案是肯定的。而且制约可控震源激发能量的瓶颈是多方面形成的综合效果。对于从事物探工作的地球物理工作者而言，地震激发作业过程中炸药的药量肯定不是越大越好，大药量与小药量的激发作用明显不同，因此不同的勘探目标、不同的地区、不同的井深对药量的使用是有比较科学和严格的界定的[6]；另外，大药量带来的作业成本与HSE风险的增加也是人所共知的。因此，使用炸药震源激发是有局限性的。

可控震源的应用领域却不断地要求提高激发能量，原因有3点：①处理技术没能满足对类似可控震源类的相关信号的处理要求；②资源不够，无法实现成像需要的观测方式设计，只能用提高激发能量的方式来弥补，而这种空间采样不足，恰恰是弥补不了的；③由于对相关技术缺乏信心，企图用一些极限参数做挡箭牌。其实，震源组合是最伤信号带宽的能量强化方法，也是最容易带来混波效应的方法，参见图5。

3 结束语

图5 震源组合带来的混波效应对比图

高精度可控震源的出现，为地球物理应用带来新的感受：原来真的可以采用点激发来实现深部探测。未来可控震源地震信号的激发不仅仅需要解决高频激发的问题，更要解决低频激发的稳定性问题。因此，高精度可控震源不是简单的宽频可控震源，而是涵盖了2个概念：①高精度可控震源模型控制；②宽频地震信号的激发。