三源多缆高密度地震采集技术在中国海域水合物调查中的应用

李 斌，顾 元，黄福强，冯奇坤

（1. 中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海 201208；2. 同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092；3. 广州海洋地质调查局，广州 510075）

针对海域天然气水合物的调查方法中，海洋地震调查是使用最多、最可靠的勘探技术[1]。Katzman（1994）利用海底高频地震仪（HF-OBS）技术方法得到的单道及近道宽角海底地震反射剖面资料，对布莱克海岭天然气水合物BSR及其上下速度结构进行分析[2]。1997年印度利用GI枪组合震源技术，采用二维长排列与海底检波（OBH）相结合的方法，在印度洋北部海域发现天然气水合物。日本于1999、2000年在西南海槽、东南海槽进行了单源单缆、线距100 m的高分辨率地震调查，经过处理获得三维地震数据体[3-4]。日本在Nankai海槽开展了高分辨率三维与海底高频地震联合采集，进行多道地震数据与OBS数据联合分析，圈定日本海海槽天然气水合物范围。英国BP公司2004年在新Hebrides海槽与澳大利亚东部之间的Fairway盆地，采集3.3 km长电缆记录和海底地震检波器记录的高分辨率地震数据，得到天然气水合物BSR特征[5]。

中国地质调查局广州海洋地质调查局于1999年利用多道高分辨率地震勘探技术，在南海海域发现了天然气水合物存在的各项重要标志，并分析了水合物形成条件和分布特征[6]。从2001年开始进行天然气水合物的地震调查方法研究，通过大量的试验认为南海北部陆坡水合物地震勘探最有利频带为10～120 Hz，主频40～70 Hz，相应的震源和电缆沉放深度为5 m和6 m的组合最为合适[7]。2005～2006年广州海洋地质调查局采用单源单缆、线距75 m的三维地震勘探技术，在南海北部东沙和神狐海域，进行了地震调查（采集参数见表1），为井位优选提供了丰富的地球物理信息，无论是BSR、振幅空白带还是BSR下的增强反射都得到比二维资料更清晰的反映[8]。其后广州海洋地质调查局采用单源单缆高分辨率三维地震和高频海底地震仪进行了联合采集[9]。

表 1 单源单缆三维地震采集参数Table 1 3D seismic acquisition parameters of single-source and single-cable

随着水合物研究的不断深入，二维或稀疏三维地震调查技术已不能满足对水合物矿体精细刻画、确定钻探井位的需求，需要采用更小面元尺寸的高密度高分辨率三维地震采集技术。

本文介绍了在中国海域针对水合物调查首次采用的三源多缆三维地震采集技术，它的技术特点是：小面元、高覆盖、高密度、高分辨率，其三维叠前深度偏移处理结果信噪比、分辨率、成像效果较以往资料有了非常大的提高，为研究区水合物矿体研究奠定了基础。

1 研究区天然气水合物赋存特征

研究区海域水深变化很大，从几百米到上千米不等，海底地形起伏大，主要发育海丘、海谷、冲蚀沟、反坡向台坎，以及海底沟槽等地貌类型。研究区地层总体表现为典型的断陷裂谷和坳陷沉降双层结构，地层结构复杂。

研究区水合物赋存分为块状、层状、离散状三种类型：块状水合物埋深一般较深，主要分布在海床下100～200 m，厚度较厚（厚度主要集中于30～60 m），饱和度超过30%；层状水合物厚度也较大，单层厚度多在10 m以上，饱和度多在20%以上；离散状水合物分布广泛，具有单层厚度小（基本上不到10 m），饱和度小的特点（多数饱和度不到25%）。层状和离散水合物孔隙度值差异不明显的特点，体现出纵向上厚-薄的变化特点。总体而言，水合物矿体外形不规则，分布范围不均匀。与水合物赋存相关的浅部地层可以划分三个主要反射界面，对应晚中新世以来的三个地震层序[10]。

本次调查的目的是为了确定天然气水合物分布范围、厚度，预测水合物层的孔隙度及饱和度，实现对水合物矿体精细刻画，提出上钻井位。同时为了弄清水合物气体来源，需要查明水合物下部、中深部地层的结构、断层、裂缝等分布情况。

2 采集方案

在采集参数选取上，既要考虑浅部天然气水合物刻画及其物性预测的需求，又要兼顾中深部地层地质特征研究需要。

2.1 观测系统

根据研究区水合物储层特点，建立了三维地球物理模型。在模型的基础上开展观测系统优化分析，主要是满足横向分辨率的面元尺寸。

面元大小是水合物三维地震调查技术关键内容之一，主要考虑以下三种因素。

（1） 水合物目标尺寸：面元边长=目标尺度/3。

（2）最高无混叠频率：每个倾斜同相轴都有一个偏移前可能的最高无混叠频率，高于这个值的频率在偏移前产生混叠现象，只有低于这个值的频率才能保持同相轴的真实倾角。计算公式为：b≤Vint/(4×fmax×sinθ)（b为面元尺寸，Vint为反射层层速度，fmax为最大有效波频率，θ为地层倾角）。研究区水合物调查中最大频率取值120～150 Hz，地层倾角取值范围0°～15°。为了获得更高的分辨率，将计算频率取150 Hz，地层倾角取15°，层速度取2 200 m/s，计算得到的面元边长为14.1 m。

（3）横向分辨率：b=Vint/2Fdom（b为面元边长，Vint为层速度，Fdom为优势频率）。根据水合物地震调查特点，最大频率取120 Hz，Fdom取60 Hz，Vint取值范围2 200～3 000 m/s，计算的面元边长为15～25 m。

综合考虑水合物目标体大小、最高无混叠频率和横向分辨率等因素，面元大小需为6.25 m×12.5 m。

考虑到安全操作，海上三维拖缆地震采集的电缆间距一般为75～100 m，常规双源多缆地震采集的面元为6.25 m×25m（或18.75 m），无法满足上述小面元尺寸要求。双源激发条件下，减小电缆间距至50 m，可以得到6.25 m×12.5 m小面元，但陡增了野外作业的安全风险。在保持电缆安全间距75 m情况下，增加震源数也可减小地下采集面元尺寸。结合地震作业装备情况，确定采用三源十二缆技术进行地震资料采集：电缆间距75 m，震源数3，震源间距25 m，震源容量1 160 CI。

结合前文所述，震源与电缆沉放深度为5 m、6 m的组合可满足高分辨率要求，因此本次三维采集也选择了该沉放深度组合。为了兼顾中深层研究，电缆长度选择了5 100 m。为了提高覆盖次数，炮间距为12.5 m，并采用连续记录方式，覆盖次数达到68次。具体采集参数见表2。

表 2 高分辨率高密度三维地震采集参数Table 2 Acquisition parameters of high-resolution and high-density 3D seismic

2.2 气枪震源

根据水合物矿体赋存特点和勘探目的，结合以往水合物调查经验，本次调查设计了1 160 CI的组合震源，气枪采用G枪，由两排枪阵组成（图1），沉放深度5 m，压力2 000 psi。从震源远场子波（图2）和子波频谱（图3）可知，震源主峰值为39.5 bar·m（1 bar=0.1 MPa），峰峰值为80.5 bar·m，初泡比为32；-6 dB时低截频为7 Hz，高截频达118 Hz，频宽为111 Hz；-20 dB时低截频为4 Hz，高截频高达143 Hz，频宽达139 Hz。震源性能完全达到高分辨率地震调查的技术要求。

相对于以往开展水合物勘探的三维地震采集技术，本次三源多缆三维采集技术具有覆盖次数高、面元小、枪阵能量大、频带宽等特点。

图 1 1 160 CI震源配置图Fig. 1 1 160 CI air gun schematic diagram

图 2 1 160 CI震源远场子波Fig. 2 Far field wavelet of 1 160 CI source

图 3 1 160 CI震源远场子波频谱Fig. 3 Spectrum of the far field wavelet

2.3 现场施工

采集中采用3源12缆作业方案，拖带方案见图4。三个震源各由两排枪阵组成，两个枪阵之间距离为10 m；三个震源中心点距离为25 m。记录系统为SEAL428，电缆采用SERCEL的Sentinel固体电缆，电缆间距为75 m。电缆上安装5011E-2型水鸟、横向控制鸟（DigiFIN），7500水速记录仪、CTX、CMX、尾标RGPS等声学定位设备，组成全声学网络，用以精准确定每一道的位置。枪控采用新加坡SEAMAP公司生产的GUNLINK-4000数字气枪控制器，精度达到0.1 ms。导航系统采用星站差分C-NAVGPS双频RTG接收机为主导航（设备定位精度优于15 cm），以ION公司开发的ORCA软件为综合导航系统。施工过程中进行同步测深，并收集施工期间的潮位数据。

图 4 三维施工拖带方案图Fig. 4 Towing system layout of 3D seismic survey

本次采集为三个震源，按照国际三维作业惯例，保证在后续处理和解释时方便对应激发震源编号和炮号，采用正向施工顺序激发震源，反向施工逆序激发震源，并锁定震源编号和炮号的方式进行震源激发：即正向施工（炮号增加）时，震源激发顺序为1-2-3（右-中-左），反向施工（炮号递减）时，震源激发顺序为3-2-1（左-中-右）。

3 采集效果分析

对采集的单炮记录（图5）进行了分时窗的频谱分析。单炮浅层高频可达108 Hz，随着深度加深，高频成分有所衰减，频带变窄，单炮深层高频仍可达100 Hz左右。整体来说，资料频率较高，有效信号的频带较宽，分辨率高。

图 5 单炮记录与分时窗频谱分析Fig. 5 A shot record and its spectrum

图 6 单炮信噪比分析Fig. 6 A shot record and SNR analysis

对单炮记录（图6）从浅至深分5个时窗进行信噪比分析，资料浅层的信噪比非常高，但随深度增加信噪比迅速降低。总体资料信噪比仍属较高。

通过对原始资料分析，具有如下特点：

（1）资料品质较好，信噪比较高、频带相对较宽；

（2）单炮能量比较均匀，与海底深度变化相关性强，能量衰减比较快；

（3）从浅至深高频成分有所衰减，信噪比降低明显；

（4）资料整体上存在低频背景噪声、涌浪噪声、线性噪声等干扰；

（5）海底面较深，海底构造变化较大，自由表面多次波非常发育。

由于本次是采用高分辨率、高密度采集技术获取的三维地震数据，为了更好地刻画水合物矿体，资料处理以“高分辨率、高信噪比、高保真及精细化处理”为思路，采用保幅去噪、虚反射压制、组合去多次波、采集脚印消除及多轮精细速度分析，取得高信噪比数据和高精度速度模型，并引入Q的深度域速度场，最终成像质量得到较大提升，构造形态更加合理，大断裂成像也更清晰，气云区下的成像能量得以恢复，下拉现象得以较好地改善，水合物矿体边界清晰（图7）。

利用处理后三维数据体进行波阻抗反演，结合测井数据，能够很好地将水合物顶底反射面进行识别（图8）。

图 7 最终处理PSDM成果剖面Fig. 7 A profile of PSDM data

图 8 海底拉平水合物矿体刻画（波阻抗数据体）Fig. 8 Gas hydrates characterization with flattened seabed（inverted wave impedance data）

4 结语

由于天然气水合物具有埋藏浅、横向变化快的特点，对水合物矿体的精细刻画及物性预测，需要采用小面元三维地震调查技术。针对水合物调查，国内海域首次采用三源多缆的高密度、高分辨率三维地震采集技术获得了高质量地震资料，面元达到6.25 m×12.5 m，震源与电缆沉放深度为5 m、6 m组合，分辨率较以往资料有了非常大的提高。