深海地震探测技术

浅析海洋深部高分辨率地震勘探技术

摘要：从国内外海洋油气资源的勘探开发来看，海洋深部地震勘探技术是海洋探测和油气勘探的一种支柱技术 ,也是获取海洋环境、资源、能源、权益信息的重要技术手段。文中阐述了海上深部高分辨率地震勘探数据采集和处理方面的若干关键技术。文中列举的若干重点技术 ,特别是在采集处理方面的相关问题也是国际上研究的重点和难点。发展海上中深部地震勘探技术，可以提高我国海上油气资源勘探和地质调查的整体水平 ,增加国际上的竞争实力。

关键词：海洋深部；油气资源；地震勘探；数据采集；数据处理

引言：我国有近 300万 km2的管辖海域，50年来，特别是一期海洋 863 计划实施以来,我国海洋地质调查和资源勘探水平有了长足进步，取得了许多有意义的成果。

基于海洋能源、环境、国家权益，本文结合国内外有关文献资料，围绕海洋区域构造与物质环境、基础地质调查，特别是我国海洋油气资源勘探现状及发展趋势 ,提出了发展我国海洋深部地震勘探技术的认识和观点。发展这一技术，会使我国海洋地震探测和资源勘探技术整体性、系统性臻于完善,有力促进我国海洋探测和资源勘探整体技术水平的提高。海洋深部地震勘探技术同常规海洋地震勘探技术是有区别的 ,有其自身的特殊性。文中提出了海洋深部地震勘探的主要技术要求 ,叙述了主要研究内容和关键问题。

1 海洋深部高分辨率地震勘探技术研究意义

深部地震勘探中的“深部”定位是一个“相对的动态”概念。我国海上主要沉积盆地厚度一般为4000～6000 m ,盆地沉积基底最厚可达8000～12000 m 。鉴于上述情况及阶段性的发展需要,目前海洋深部地震勘探技术现状是穿透能力一般为4000～6000 m(大约3.5s)的海上地震资料采集、处理、解释技术。实现勘探盆地目标是区域沉积底界面反射同相轴在时空位置正确前提下能够辨认, 较为清楚或清楚。

发展海洋深部地震勘探技术主要有两个目的:(1)带动并促进我国海洋基础地质调查与研究事业的发展。这里包含海洋区域地质构造与物质环境、生态环境、周边海域海洋岩石圈、上地幔等地质问题的调查和研究。(2)完善我国海洋油气

资源地震勘探技术，改变我国现有的地震剖面上难以识别厚度较深、内部结构复杂的一类盆地形态的局面,为在整体上深入系统的大背景下，从宏观的视野认识我国海域油气资源的规律性, 进而指导海洋油气勘探工作。

图1 中国近海油气田分布图

深层高分辨率地震若作为一种适用技术所提供的信息对两种目的应该是共享的“它提供的信息应该既可以用于海洋基础地质调查研究,也可以用于海洋油气资源勘探,因为海洋基础地质调查研究可以从大背景大环境时空动态关系上服务于油气勘探”。

2 海洋深部地震勘探技术的发展历史和趋势

海洋中深层地震探测和资源勘探技术的发展,其最基本的动因来源于人类生

存发展对海洋环境!气候!资源!工程!灾害防治,特别是海洋油气资源的需求的依赖"海洋油气资源占海洋资源总产值一半以上"1950年全球海洋油气产量仅占世界石油总产量的5.5%,1995年达到23%,目前己达到3%0以上"石油和天然气是世界范围内得到广泛开发利用的海洋资源"。

已有研究显示,绝大部分油气盆地的形成与发展均受到地球深部动力过程及构造的控制与制约,并且深部流体对成岩和成矿有着重要作用"最典型的例子是欧洲能源委员会的非核能源研究与开发计划所资助的深部储集体地质领域内的BABEL计划"该计划于1989年开始实施,研究来自岩石圈内对BaltiC与Bothnina 海域油气盆地的综合地球科学响应,其主要目的是研究沉积盆地结构与深部地壳结构的关系!区域构造与盆地形成历史如何决定盆地的性质!形成与发展过程以及地壳与上地慢内流体作用,以提高欧洲油气资源的评价与描述的全面性与可靠性。该计划所获得的地震剖面一般都大于10s；最深的可以达到20多s。这些地震资料和剖面也都可以用于海洋基础地质调查和研究工作。

1993年下半年全球经济复苏,油气勘探趋于活跃,世界油气探明储量呈稳步增长态势，新增储量除了陆上已知油气区周边及深部勘探的新发现外,另一个重要来源是海上油气资源的比例增大,其中海洋中深部油气资源占有很大份额[2]。据统计,目前有近百个国家从事海洋油气勘探[21"世界海洋油气勘探的活跃地区有墨西哥湾、北海、西非几内亚湾、里海、南中国海、我国渤海盆地、西朝鲜湾(首次发现大油藏)、菲律宾近海、印度孟买海区、澳大利亚近海和巴西堪普斯盆地等。

海洋深水区中深部地震勘探是油气勘探的主要技术,近几年国际SGE年会, 《Gepohysics》《TheLedaing Edge》等油气勘探权威刊物都提供了这样的信息，例如:墨西哥湾出现的第二次找油热,在墨西哥Gulf深水海域采用长排列地震数据接收,数据纪录长度一般都是8-10s,这是目前海洋中深部地震勘探数据纪录的典型长度。北海油田也是在周边及深部地震勘探基础上出现了新生机。2003年,在墨西哥湾深水区AC951区块,ChevronTexaeo任作业者,Transoeean作为承包商,由DISeovererDeepSea钻机执行的一口探井,作业水深己达3051m,创造了新的世界纪录。这种局面预示了本世纪海洋油气资源勘探正向着更深水域和更深地层领域迈进,这也是海洋地震勘探技术向更深水域和更深地层领域发展的趋

势。

经过40余年的努力,我国海洋地震勘探技术得到了长足发展"渤海湾1965-1990年完成地震测线224306km.至今,上海海洋地质调查局在东海共采集包含地震等各类地球物理测线50万km，渤海湾盆地至90年代已经完成全区1km*1km地震详查等等。常规地震勘探基本上己经能够满足中浅海水、中浅地层油气勘探的需要,同时也能够根据勘探目的需要开展海上三维地震勘探。中国海洋石油总公司在1999年和国外石油公司合作开展了海底四分量地震采集试验工作,获得了好的结果"同上述各种地震采集技术配套的地震数据处理技术、解释方法技术也都取得了程度不同的进步发展。

综上所述,我国海洋地震勘探技术基本现状是:(1)单分量方式数据采集方面:勘探目的层设计均小于2500-3000m；接收排列,单船单缆长度均小于8000m；接收道数均小于360；多次覆盖次数均小于50；16位或24位浮点数字地震仪器；时间纪录均小于或等于6s；有关震源激发条件!仪器接收参数选择均限于并服从于中浅层地震勘探的设计；(2)数据处理方面:除个别处理技术环节(如:多次波处理)外,数据处理整体技术均能满足浅中层地震勘探要求。

3 海洋深部地震勘探技术的技术要求

结合我国目前实际情况,海上中深部地震勘探的主要技术要求大体如下:(1)单分量方式数据采集方面:勘探目的层设计均大于2500一3000m；接收排列,单船单缆长度均大于8000m,一般在8000-10000m；接收道数均大于或等于360；多次覆盖次数均大于或等于50,3.5s左右(或更深一些)的主要目的层信噪比)≥1；24位浮点数字地震仪器；时间纪录大于6s,均在6-7s,或更长；有关震源激发条件、仪器接收参数选择均服从于深部地震勘探的设计；(2)数据处理方面:数据处理整体技术能够匹配并满足深部地震勘探要求；3.5s左右(或更深一些)的主要目的层同相轴较清楚或能够辨认。

4海洋深水区深层高分辨率地震资料采集

高分辨率、高信噪比、高保真度是地震工作人员长期追求的主要目标。针对我国深水油气资源重要赋存海域—南海北部陆坡区及南部海域重点盆地油气勘探面临的技术难题,我们重点研究集成长排列大震源地震采集技术。

针对勘探区域目的层选出一定数量以往的地震资料进行试处理,以获得相关背景参数,最后研究出选定海区最佳的地震采集参数。首先对选定海区的地质及

地球物理特征进行分析，选定海区为南海北部陆坡潮汕凹陷和珠二凹陷区,水深范围300-3000米,勘探目的层埋深3-15公里。

其次进行野外采集参数的理论分析及论证。根据以往该海域的地震测线建立典型的地球物理模型，此模型再依据地震地质模型及对选定测线使用FOCUS处理得到各地震界面的双程反射时间、叠加速度、深度、地层倾角、最大频率、主频等数据；为了使倾斜地层和断点在偏移后能正确归位,进一步计算绕射归位距离,不同界面反射系数,并给出反射系数与排列长度关系曲线,同时进行频率特征和频带分布分析。

再进行采集方法论证"根据上述地球物理模型参数的各目的层主频率和地震波速度以及偏移前两个绕射的距离和最高频率的一个空间波长之间关系,可计算目的层纵横向分辨率,给出分辨率与频率关系曲线;为了取得目的层满覆盖资料,同时考虑南海北部工区水深、海况条件和调查船电缆数量限制,分析确定出最大炮检距；分析动校拉伸与排列长度关系,给出关系曲线分析计算偏移距,取得偏移距可选范围值,通过对工区二维叠加剖面分析可得到基底反射最深处反射时间,同时考虑到目的层下面的资料及资料的延续性,增加记录时间将使得基底绕射具有更长的尾巴,可以改善成像的效果,从而取得合理的记录长度;分析速度精度与排列长度关系,得到相应关系曲线;分析多次波剩余时差与炮检距的关系,得出相应关系曲线。

施工试验和采集参数

采用24位模数转换地震仪,该仪器的主要特点是:动态范围大,为132dB；理论瞬时动态范围可达144dB，可以记录下在数据处理中得以复原的更高频弱信号。

通过优化观测系统设计,经试验,根据勘探目标的工作需要,共用多支SLEEVE枪(套筒式气枪),固定在四个浮筒上,形成一个立体的近点源枪阵。我们采用的枪阵总容量为5080立方英寸、工作压力Z000Psl。该枪阵的主要优点是激发子波的频带宽(40-500Hz)、频率高、穿透能力也比较强。我们对地震分辨率基础理论的研究知道,较宽的频带和较高的主频可以提高地震勘探的分辨率,这样的震源就满足了海洋深水区深层高分辨率地震勘探的需要。

地震波能量衰减与地震波的频率有关,如能量以分贝d(B)表示,则衰减与频

率成正比,频率越高,衰减越快"为分析新枪阵在主要目的层自激自收后的频谱,对子波吸收衰减进行了模拟，模拟结果表明,最深目的层处主频降到40d左右,基本满足海洋深水区深层高分辨地震勘探的需要。

（a）能量扩散俯视图

（b）能量扩散垂直剖面图

图2 模拟震源激发时能量扩散示意图

地震采集的质量监控

海流引起电缆羽角,造成反射点的偏散"假如电缆长9000m,如羽角达到10°,则最远一道偏离测线位置为1563m,反射点偏离测线达782m,特别是地层有一定倾角时,叠加效果将明显逊色,尤其是高分辨率地展"作业中在电缆上装了电罗盘,随时记录不同电缆段的羽角情况,导航系统根据炮间距时间每炮实时计算羽角,随时监测,超标停炮或返工。

为了尽量减少低频的干扰,作业船速应控制在满足要求的速度(对地速度)以内,超速停炮或返工。

为了增加气枪的穿透能力,压缩子波宽度,增加频宽,要严格控制气枪同步,作业中设定枪阵同步误差为士.03ms,超标量超过规定时,停炮或返工。

施工过程中,电缆沉放深度是比较难控制的,而电缆沉放深度又是影响高频成分的关键因素,施工中尽量保持平稳的航速,注意海流的影响,使电缆保持在设计要求之内,同时加强监视,如超标则停炮或返工。

以上质量控制参数,可以在综合导航系统记录数据中发现,综合导航系统不仅提供羽角、电缆深度、船速等基本资料,而且,它还能提供水深、气枪压力和震源深度等资料,所以海上地震勘探要充分利用综合导航资料。一切质量监控,都是为了保证采集资料的质量,也就是叠加后的地震剖面的质量,现场资料处理系统是必不可少的,它是叠加剖面分析与频谱分析的有力工具。

5海洋深水区深层高分辨率地震资料处理

多次波问题是海洋地震勘探中最突出的问题之一。多次波的存在,影响地震成像的真实性和可靠性,干扰地震资料的解释"多次波问题在我国海洋地震中普遍存在,其中某些地区相当严重,另外,在有些地区进行深层勘探时也会遇到多次波问题。在油气藏地震勘探领域,短程多次波对于储层研究的影响已是不可忽视的问题。这种多次波会使目的层反射波的振幅!频率和相位发生畸变,而且较难发现和辨识。如何有效地压制多次波是海洋深水区深层高分辨率地震勘探中的一个关键问题。

压制多次波的方法可分为两大类:一类是基于有效波和多次波之间差异的滤波方法,简称为滤波方法;另一类是基于波动方程的预测减去法,简称为波动方程预测减去方法,这种方法通过波动方程模拟实际波场或反演地震数据来预测多次波,然后把它从原始地震数据中减去。

滤波方法是利用多次波和有效波之间在波传播运动学方面,把时间空间域含有多次波的地震数据映射到其他特殊的区域,这时,有效波与多次波在“新域”会呈现出较之“日域”更为明显的差异性,如两种波在剖面上分布位置的不同,就可以通过各种变换手段,把有效波和多次波分离开,进而滤除多次波。

地震勘探资料处理的主要任务之一就是消除记录数据中的相关噪声和随机噪声。产生于地层之间的多次反射波(多次波)是一种相关噪声。多道滤波原则上比叠加能更有效地消除相关噪声,其有效程度取决于数据的质量。

当基于波传播运动学基础的滤波方法使用条件满足,并有较好的压制多次波效果时,通常滤波法作为首选而被使用,这主要是因为滤波方法一般比波动方程压制多次波方法易于实现,资料处理耗时少成本低。然而,当介质的速度梯度较小或速度倒转时,有效波和多次波之间的时差很小,特别是小偏移距的数据,这时如果用基于时差的滤波方法,则会严重损伤有效波。

波动方程方法由于几乎不需要先验信息和具有较好的应用效果,己经成为压制多次波方法和技术发展的主要趋势。基于波动方程压制多次波的方法,目前主要有三种,它们是:(1)波场外推法；(2)反馈环法,简称反馈法；(3)反散射级数法,简称反散射法。波场外推法是用波场外推来模拟多次波；而反馈环和反散射级数法是通过叠前反演来预测多次波。也可以认为:波场外推法是模型驱动的,而反馈环和反散射级数法是数据驱动的。

6海洋深部高分辨率地震勘探技术的优点与前景

对海洋深水区深层高分辨率地震勘探技术的研究和应用, 在数据采集方面,重点研究长排列大震源地震采集技术。采用这项技术,可以获得选定海区最佳的地震采集参数,然后根据选定的参数进行海洋深水区地震数据采集,控制好电缆羽角、作业船速、气枪同步和电缆沉放深度等关键因素,就可以获得优良的地震资料。通过南海北部陆坡区及南部海域重点盆地的采集试验,获得了良好的效果,取得了突破性的地质成果资料,为今后南海深水区的深部高分辨率地震资料采集指明了方向。长排列大震源地震采集技术解决了生产中的难题,具有广阔的应用前景。

在深水区深层地震资料处理方面,对地震资料的多次波消除和成像方面作了深入的研究。提出了聚束滤波方法,它与Rdano变换方法类似,是一种包括信号和相关噪声的模型拟合的处理方法"这种方法没有因数字化导致的假变换,象变换

域里的采样和截断问题转化为模型拟合问题"它根据数据来调整模型,这样,聚束滤波模型能够包括振幅和相位随偏移距的变化(Avo和VPo),以及远偏移距处因切除直达波和折射波造成的记录道损失,因而,这样的设计可避免畸变。实例表明自适应聚束滤波方法比Rdano变换这样的常用方法更能有效地消除海上地震资料的多次波。

聚束滤波方法和波动方程多次波压制技术已经成为在资料处理中的有力武器,应用效果很好"随着油气能源经济风险的不断增加和对更新技术应用的不断挑战,多次波消除方法仍然会继续发展!演化和成熟"基于运动学的滤波方法将朝着更为有效的方向发展,而基于波动方程的波场预测方法将会有助于解决一些复杂地质情况的问题。

7海洋深部高分辨率地震勘探技术的要求与局限性

按照海上深部地震勘探基本技术要求 ,海洋中深部地震勘探具体技术及研究内容大体包含采集和处理两部分，要求颇高。

(1)单分量方式数据采集方面 :①震源整体特性好, 保证深部需要的能量。单枪小容量 ,集束特性好 ,频带宽、能量足、延迟短 ,源点沉放水深度较之要稍深些。要有好的实时监控系统。应该多模拟多试验做探索。②低噪高灵敏度数字电缆。中深部发射信号弱 ,因此,要尽量减少所有产生人为规则干扰源的能量。

③24 位浮点数字地震仪器。动态范围大，5 ～ 10 s 纪录长度, 以便保证中深部弱信号能够被纪录。④观测系统参数 :单缆长排列 8 000 ～ 10 000 m ,360 道数以上,覆盖次数 50 以上。⑤仪器相关纪录参数选择要合理。单分量方式数据采集方面, 海洋电缆和数字地震仪器可以通过与国外合作或国外技术加以解决。震源和观测系统在向国外学习的同时, 要结合我国海洋地震地质的实际情况加以研究试验探索, 这两项技术环节是海洋中深部地震数据采集的关键技术。

(2)数据处理方面：海洋深部地震勘探处理技术同目前海上常规地震处理技术有很大的不同。浅中层重点是突出分辨率。深部除了满足浅中层处理的一般要求外 ,要重点研究深部处理的特殊问题。主要是排列加长、记录加长。波场深部反射能量较弱、干扰特别是线性规则干扰较强，即两长一强一弱的特点。因而,深部的重点应该是突出有效层位和有效信息, 即深部的信噪比要解决好。①长周期鸣震处理技术。长周期鸣震也是与自由表面有关的一种多次波。由于排列加长、

记录加长，与自由表面有关的多次波问题凸现明显。长周期多次波的(a)时间展布范围加大。②在①基础上 ,影响较明显的复杂多次波。海床倾斜与自由表面有关的长周期多次波和层间多次波处理技术也是应该加以研究和解决的处理技术。③多次折射波的压制和处理技术。中深部地震勘探由于电缆加长、记录加长，折射波成分相对发育, 而且同反射波有较大范围的重叠。因此 ,要研究折射与反射信息的分离处理技术，同时还要深入研究如何同时使用反射和折射信息的方法和处理技术。④深部去噪和能量补偿处理技术。由于中深部反射能量相对较弱, 消除施工中人为线性干扰和某些客观随机干扰，补偿有效信号的能量,这也是一项重要处理技术环节。⑤海底静校正处理技术。(6)偏移、成像处理技术。

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