近场数据在海洋地震采集现场质控中的应用及效果

石孟常, 李慧龙, 韩佳琛, 王广浩, 吴 超

(中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300451)

0 引言

海洋地震勘探主要使用多种容量气枪组合作为震源[1-2]，组合气枪是根据不同容量的气枪具有不同气泡周期的特点而设计的，容量经过选择的气枪同时激发，主脉冲相加，气泡脉冲互相抑制，可以改善震源的频率特性，这对于获得深穿透、高分辨率地震资料具有极其重要的作用[3]。目前，海上一线现场质控人员主要利用安装在空气枪阵列上的近场检波器，来实时监控空气枪震源的工作状态[4-5]，记录阵列上各单元的近场子波数据，通过对近场数据的处理分析，来判断空气枪状态的好坏[6]。气枪震源的优劣及稳定性不仅会影响地震资料的品质，更会影响整个地震勘探项目的效率[7-8]。因此，近场数据对于海洋地震勘探的现场质控工作发挥着越来越重要的作用。笔者从生产应用实例出发，详细总结分析了不同的近场数据处理结果对震源不同属性质控的效果，应用结果表明，近场数据的质控取得了较好的效果，保障了地震数据的质量。

1 近场数据的获得方式

近场信号是指来自海洋震源的直达波与来自周围边界或界面的反射信号相比能量很大(>20 dB)的一种声学子波，通常用来记录一个点震源。空气枪阵列由若干单枪与相干枪组成，而每个枪挂点上都配有一个近场信号检波器，近场检波器一般距离枪距离为1 m，枪阵上的每一个枪都类似于一个点震源，点震源激发的数据被近场检波器记录。近场数据常规的记录长度为512 ms,采样间隔为0.5 ms，常规的记录格式有SEGY和SEGD两种格式，近场子波数据如图1所示，在气枪能量不发生变化的情况下，同一近场检波器记录的子波脉冲和气泡脉冲出现的时间和周期保持一致，目前，近场数据在海洋地震采集中主要是用来进行枪同步性质控、单枪测试和日常枪状态检查。

图1 某近场子波图

2 近场数据应用原理

近场数据就是在空气枪近场范围内接收到的子波信号，对这些子波信号进行不同的处理和组合就可以表现出不同的结果，根据这些结果的变化特征就可以判断枪阵的变化。基于此基本原理就可以达到质控的目的。单枪测试通用于国际上评价空气枪各项指标是否符合采集要求。单枪测试的基本原理就是通过读取实际的单枪子波气泡周期与理论气泡周期进行比较，以此来反映各个气枪压力、气枪容量、沉放深度等情况。此外，该原理同样应用于日常枪状态检查，是否存在漏气、开关枪等其他变化。气泡周期的推算是需要建立在一个子波模型的基础之上的，随着近场子波模型在科学界逐渐演变的过程，子波模型理论不断趋于成熟。依据齐奥尔科夫斯基子波模型，该经验公式为式(1)。

T(P,V,d)=C(P·V)1/3/[P0(d)]5/6

(1)

式中：T为气泡周期， ms;P为气枪压力， psi;d为气枪沉放深度， m;V为气枪容量， cu·in;P0为气枪沉放处的静水压力， bar·m;C为经验常量。

3 应用案例

3.1 枪子阵同步性质控

将同一子阵同一时刻激发的近场数据经过水平叠加处理后，可用于质控震源不同阵列气枪的同步性。目前，海洋三维地震勘探中，一般设计6排阵列，每三个阵列为一个源，分左源和右源，施工时左右源交替响炮，每个阵列每个枪板上都配有近场检波器，一般为8个，在施工时，某一炮激发后产生的近场子波数据，共24个近场子波，如图2所示。

图2 一炮激发产生的近场子波图

将一条测线每个子阵叠加后的数据排列在一起形成共阵列剖面，如果每个空气枪同步激发，不存在激发延迟时差，一炮中每个近场子波的主脉冲起跳时间应该一致。但是一条测线成千上万个单炮，显然不可能通过每个子波起跳时间去进行质控，所以根据共阵列近场数据叠加来质控不同阵列的同步性，每个阵列8个子波叠加后来表征同一阵列的特征。图3中自右向左为1阵列到6阵列的共阵列近场数据叠加图。箭头所示位置可以明显看出存在时差，这就说明1阵列和6阵列与其他阵列存在同步异常。某工区现场质控人员及时检查出枪子阵不同步问题，立即采取措施，避免了质量问题带来的巨大损失，图4为从图3中拾取的近场数据初至时间部分采样图，从图4中可以定量地看到不同步存在的时差，图4中时差约2 ms。这样就达到了准确，快速质控气枪阵列一致性的目的，在实际生产应用中，取得了很好的效果，进一步保证了地震数据的质量。

图3 某测线6个阵列近场数据叠加(有同步异常)

图4 拾取初至时间部分采样点图

3.2 单枪测试

为质控枪阵配置是否正确，保证每条枪状态正常，一般在项目开工前需对所有单枪进行测试。通过单枪逐个响炮的方式，现场质控人员将实际测量的气泡周期与理论气泡周期进行对比，以及相同容量枪气泡周期的对比，通过上述的齐奥尔科夫斯基子波模型公式进行计算，来检查枪容量以及枪深度等状态是否正常。实际测量气泡周期为单枪子波主峰值时间与第一个气泡峰值时间之差，图5为某单枪子波主峰值时间和气泡峰值时间，则气泡周期为70 ms。

图5 测量单枪的气泡周期

3.3 枪状态质控

在资料采集的过程中，现场质控人员及时对近场数据进行处理，将反映出来的枪阵异常情况，第一时间告知震源部门进行原因查找，必要时收枪和修理，同时对严重影响资料质量的枪阵问题，如枪漏气、枪自激等情况对相应的地震数据进行作废处理。近场数据反应的枪状态异常如下：

1)开关枪会造成枪容量突然变化，对开关枪挂点及附近近场检波器影响明显，具体表现为同相轴有明显错断，如图6所示，图中自左向右分别为一阵列到6阵列，蓝色框内的变化表明5阵列中途关枪。

图6 某测线中途关5-2枪(枪容量100 cu.in)

2)枪漏气。容量较小的枪漏气对子波主峰影响较小，基本不改变子波形态，主要在气泡部分有轻微杂乱脉冲显示。容量较大的枪漏气不仅影响主峰，波形也会发生明显变化。对于对资料品质影响大的枪漏气情况，现场质控人员也对相应的地震资料进行作废处理(图7)。

图7 某工区测线近场数据显示枪有漏气

3)枪自激。在生产过程中，若气枪阵列中有一支枪或几支枪失控，气室内压力达到一定程度时，在没有发出触发信号的状态下，枪自行触发释放能量的现象称作气枪自激(图8)。在正常施工中，连续两次或多次枪自激的时间间隔大体相同，能量强度基本一致，枪自激在地震记录上出现的时间也没有规律，可能出现在正常初至波之后，也可能出现在正常初至波之前，这一特征是区别于枪不同步的可靠标志(图9)。

图8 某工区测线近场数据显示枪有自激

图9 气枪自激在单炮上的显示

4)枪连接杆断裂。当空气枪枪体结构发生变化时，异常也会体现在近场数据中，在某工区，现场质控人员在检查近场数据时，发现中途4阵第三至第五个近场检波器波形出现明显的错动(图10)，核查枪控下线报告，没有发生开关枪，枪压力和子阵间距也基本稳定。判断设备可能损害，将异常结果通知震源人员，并敦促收枪检修。震源人员收枪后，发现4阵第三个挂点的枪连接杆断裂。

图10 某工区作业测线近场检查图

4 结论

近场数据的应用成果均来自于海上采集生产作业中，实际应用结果表明，近场数据经过水平叠加处理后，在质控阵列的同步性方面效果显著；近场子波的单枪测试检查对于项目开始前震源的质控检查效果很好，意义较大；枪漏气、自激、开关枪等都会在近场剖面上表现出不同的特征，可以很好地质控气枪的状态；枪阵设备的损伤在处理后的近场剖面上也会表现出一定的特征，经过对比分析可以辅助检查设备安全。随着勘探技术的不断进步，近场数据的应用也将会不断更新和增加。