拖缆与海缆联合宽频采集设计*

2014-06-07李艳青

西南石油大学学报(自然科学版) 2014年3期

关键词：面元拖缆波点

李艳青

中海油服物探研究院，天津塘沽 300451

拖缆与海缆联合宽频采集设计*

李艳青

中海油服物探研究院，天津塘沽 300451

传统的海洋地震勘探采用拖缆进行数据采集，拖缆采集数据的信噪比受外部环境影响较大，通过改变拖缆的沉放深度，可以降低环境对采集地震数据的影响。受国内海洋地震勘探装备作业能力的限制，在中国海域实现海洋宽频地震采集相对较困难。为了打破这一限制，探讨了拖缆与海缆联合宽频采集设计的方法，对联合采集的参数论证、面元合并、羽角对宽频的影响和深度优化求解等4项关键技术进行了分析。在参数论证方面，论证了如何通过最浅目的层深度设计线间距的方法；针对拖缆和海底电缆检波器间距差异设计了面元合并方案，同时考虑了面元合并对信噪比的改变；在羽角存在的情况下，讨论了横向变化率对采集数据限波点频率和能量的影响；最后论述了深度变化试验求取拖缆最优沉放深度的方法。通过对拖缆与海底电缆联合宽频采集设计4项关键技术的分析，搭建了拖缆与海缆联合宽频采集设计的基本流程。

宽频；鬼波；海底电缆；水检；组合

李艳青．拖缆与海缆联合宽频采集设计[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（3）：82–86．

Li Yanqing．Combined Broad-seis Survey Design of Streamer and OBC[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：82–86．

引言

传统的海洋地震勘探采用拖缆进行数据采集，拖缆采集数据的信噪比受外部环境影响较大，在不同风力和海浪影响下数据的背景噪音不同，一般规律是风力和海浪越大，噪音背景越强。海水是天然的屏蔽层，对有效信号有削弱作用，但同时也对背景噪音有屏蔽作用。通过改变拖缆的沉放深度，可以降低环境对采集地震数据的影响。随着拖缆沉放深度的增加，鬼波的限波作用逐渐向低频端移动，此时鬼波限波破坏有效频带内的信号。

为了获得低背景噪音并同时能抑制鬼波限波，出现了海底电缆双检采集方法[1]，双检采集将电缆布设在海底，利用水听器和陆检对下行波接收的方向性对与海面相关的多次波进行压制，实现低背景噪音采集的同时对鬼波进行了压制，做到了“鱼”和“熊掌”兼得。随着对地下地质构造认识程度的加深，地球物理学家提出了宽频地震采集[2]的概念，随之而来的包括双检采集[3]在内的宽频系列采集技术得到了飞速的发展，其中通过控制拖缆形态和深度获得宽频地震数据的技术在生产中进行了应用，如上下缆采集技术[4]，斜缆采集技术[5]等。目前国内海洋地震勘探同行对拖缆深度控制技术掌握的较好，但受到仪器装备和拖缆横向控制技术的限制，上下缆采集技术和斜缆采集技术在生产中实现起来相对困难。作者根据国内海洋地震勘探实际能力研发了拖缆和海底电缆联合采集设计方法，对拖缆和海底电缆联合采集的关键技术进行了剖析。

1 宽频作业基本原理

拖缆和海底电缆联合作业进行宽频地震数据采集，主要涉及到水陆检合并技术和上下缆组合两项关键技术，这两项技术的起源应当追溯到1950年兹维达也夫对组合法的探讨上[6]，利用组合检波器之间存在的时间差提高地震波的采集质量。水陆检合并和上下缆源组合技术在组合理论的基础上，构建了反射系数与延迟时系统（式（1）），通过改变参与组合检波器的沉放深度，达到拓宽有效波频带压制鬼波的目的。

式中：S(t)—地震记录；R(t)—有效波；τ—鬼波延迟时，ms；r0—反射系数，取值区间[−1，1]。

对式（1）进行傅里叶变换，得到宽频采集设计系统的频率域特征

式中：R(f)—有效信号的频谱；H(f)—宽频采集设计系统的响应函数；f—频率，Hz。

求取式（1）的能量谱

式中：P(f)—能量谱响应函数。

激发的地震波在传播过程中，有一部分能量反射到海面之后再被检波器接收。由于海面的反射系数近似为−1，此时地震信号发生了一次相位翻转。水听器在水中接收信号时不存在方向性，而陆检对上行波和下行波的接收存在一个相反的相位。此时陆检和水检采集到的鬼波存在相位差，此时对水检和陆检的信号进行加和就会将这部分能量抵消掉，只保留了地层的一次反射。式（3）在反射系数r0=−1的情况下，得到水检的响应函数

和陆检的响应函数

水陆检合并后由于水深带来的限波被明显压制掉（图1）。

图1 水陆检合并能量谱响应Fig.1 Responses of energy spectrum of geophone and hydrophone combination

拖缆和海底电缆联合作业要设计上下缆组合的方式，根据式（3）可以求得

式中：d—炮点深度，m；v—海水中的波速，m/s。

上（缆深5.00 m）、下（缆深11.68 m）缆组合后0～40 Hz的能量得到相对加强，下缆在63 Hz处存在的限波能量得到明显抑制（图2）。在实际设计中，海底电缆（下缆）布设在海底空间位置不可改变，可通过调节拖缆的沉放深度完成宽频设计。

图2 上下缆组合响应Fig.2 Array responses of up/down streamers

2 宽频设计关键技术

2.1 参数论证

某工区目的层埋藏较深，地层厚度大，地震波能量衰减较快，使得中深层成果剖面信号偏弱，成像模糊，在施工时考虑提高目的层的频带宽度，有效获取中深层地震资料，拟采用宽频采集设计。但工区内平均水深30 m，采用拖缆上、下缆作业受空间限制不能施展开，下缆沉放深度过大，前导段工作部分容易碰触海底，长时间拖拉容易损坏电缆。在此情况下，考虑采用拖缆与海底电缆联合宽频采集作业。此时固定海底电缆的沉放深度为30 m，改变拖缆的沉放深度求取最合适的组合深度。

根据以往采集资料及从解释获得的解释模型对采集参数进行论证[7]，建议采集参数如表1。综合考虑直达波对有效波的干扰、目的层的埋深、最大动较拉深和AVO必需的炮检距[8]，确定电缆长度为4 500～5 000 m，结合此工区海域以往施工参数，确定电缆长度为4 500 m。采集系统使用Sercel公司的Seal系统，道间距为12.5 m。根据勘探要求的最浅目的层埋深300 m，最小偏移距（Xmin）确定在200～300 m，综合考虑施工要求，确定线间距（Line Interval）为300 m（图3）。

表1 工区建议采集参数Tab.1 Acquisition parameters of work area

图3 根据Xmin确定线间距Fig.3 Line spacing determined according to Xmin

2.2 面元合并

国内现有海上拖缆地震采集电缆的道间距多为12.5 m，而新引进的海底电缆设备的固有道间距为25.0 m。对拖缆道集野外覆盖次数监控和后期处理过程中需要在inLine方向面元合并，面元大小同海底电缆进行统一。拖缆面元合并前面元大小为6.25×25.00 m，满覆盖次数为48次，面元合并后面元大小为12.5×25.00m，满覆盖次数为96次。面元合并后对数据带来直接的影响是数据信噪比的降低，如图4面元合并后正演CMP道集的背景噪音得到明显削弱，从合并后的频谱上可以看到，合并后信噪比由8 dB变为12 dB，提高了4 dB。

2.3 羽角对宽频采集的影响

拖缆在海上施工过程中，受海流的影响，电缆的方位角与实际设计测线发生偏离，产生羽角[9]。对于拖缆与海底电缆联合作业来说，羽角的存在直接导致上缆的空间位置与理论设计发生偏差，此时对拖缆与海缆进行组合处理必然影响频谱的形态。当上缆与下缆在三维空间控制在一个切面上时（图5），式1中鬼波延迟时τ的精确求解如下式

式中：x，z—鬼波点坐标，m。

实际运算过程中τ=2d/v[10]，在电缆羽角存在的情况下，电缆发生横向偏移，拖缆与海底电缆不能保持在一个切面上，此时τ值不能近似为2d/v，引入横向变化率a。根据海上地震施工规范[11]，海上拖缆三维地震勘探作业电缆羽角要求控制在12◦以内，此时对于缆长6 000 m的电缆，横向变化率a的变化区间为[−0.2，0.2]，如图6，随着横向变化率a的增加，限波点的频率是降低的，使得有效频带变窄，因此，野外施工时尽量减小羽角。拖缆与海底电缆在空间位置保持在一个切面上，不发生偏移时限波点能量衰减最大。

图4 面元合并前后CMP道集信噪比变化Fig.4 Variation of Signal-to-Noise Ratio before and after CMP combination

图5 检波器鬼波延迟时求取示意Fig.5 Schematic diagram of ghost delay time

图6 拖缆横向变化率a对限波频率与能量的影响Fig.6 Variation of notch frequency and energy with a

2.4 深度优化求解

拖缆和海底电缆联合采集过程中，海底电缆的沉放深度固定，需通过调解上缆的沉放深度对频谱进行控制，实现上下缆的组合，而通过频谱对方案进行筛选成为解决问题的主要手段，限波点频率位置和限波点能量的变化成为判断拖缆和海底电缆组合优劣的主要指标，在本工区海底电缆布设在30 m深的海底，拖缆的沉放深度可以在0到30 m变化，从图7可以看出当拖缆的深度增加时，限波点的频率不是线性增加，在拖缆沉放20 m左右时限波点的频率取到最大值28 Hz，此时有效频带最宽，拖缆沉放深度在15 m左右时，限波点能量衰减最小。可见限波点能量和频率不是在同一沉放深度同时达到峰值，此时要根据实际的施工需求对拖缆的沉放深度进行选取。

图7 拖缆沉放深度对限波频率与能量的影响Fig.7 Variation of notch frequency and energy with depth

3 结语

在拖缆沉放深度受限制的工区，采用拖缆和海底电缆联合采集可以实现宽频地震采集，为了实现宽频地震采集，在实际施工设计过程中要固定海底电缆的深度，通过调节拖缆的沉放深度拓宽地震频带。在施工过程中应考虑洋流引起的拖缆羽角偏差，尽量避免空间变化给联合宽频采集带来影响。

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编辑：杜增利

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Combined Broad-seis Survey Design of Streamer and OBC

Li Yanqing
Geophysical Research&Development Institute，China Oilfield Service Limited，Tanggu，Tianjin 300451，China

Towed streamer seismic acquisition is used in the traditional marine seismic exploration，and the signal-to-noise ratio of the collected data are greatly influenced by external environment.The influence of environment on seismic data can be reduced by changing the depth of the streamer.It´s difficult to collect broad-seis data in China sea due to the limitations of seismic equipment.In order to break the limitation，a combined broad-seis survey of streamer and ocean bottom cable（OBC）was discussed in the article.There are four key techniques in survey design，including parameter argumentation，bin combined，feather angle and depth optimization.In parameter argumentation the method to compute line spaces through the most shallow purpose layer is discussed.For the space differences between towing and submarine cable detector，bin combined method was designed.In the situation of feather angle existence，we discussed the effect of horizontal change rate on limited wave point frequency and energy in data collection.In the end，we discussed the optimization of sinking depth of towing through depth changing test.Through analysis of these techniques，we have established the basic process of survey design of combined broad-seis acquisition of streamer and OBC.

broad-seis；ghost；ocean bottom cable（OBC）；hydrophone；array

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2012.09.29.01.html