海底地震采集技术发展现状及建议

海底地震采集技术发展现状及建议

余本善，孙乃达

（中国石油集团经济技术研究院，北京 100724）

摘 要：与海上拖缆地震采集相比，海底地震采集技术在某些方面具有独特优势，其应用市场日益繁荣，未来发展前景也普遍看好。近些年，海底地震采集技术取得飞速发展，不管是海底电缆采集，还是海底节点采集，新方法、新装备层出不穷，而国内在这一领域仍处于初步应用阶段。除海底地震仪之外，相关核心装备研发更是处于近空白状态，某些掌握前沿核心技术的西方公司多出于商业竞争目的，一般仅提供技术服务，因此国内开展相关装备技术的自主研发势在必行。此文详细介绍了海底地震采集技术的优缺点、装备现状及趋势，以期对国内相关研究提供一定参考。

关键词：海底地震；采集技术；设备介绍；现状与建议

中图分类号：P631.4+6

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.02.001

文章编号：1008-2336（2015）02-0001-05

基金项目：国家科技重大专项“我国油气及煤层气勘探开发技术发展战略研究”（2008ZX05043-003）。

收稿日期：2014-08-15；

作者简介：第一余本善，男，1982年生，博士，工程师，2012年毕业于中国地质大学（北京），从事物探前沿技术跟踪及战略研究工作。E-mail：yubs@cnpc.com.cn。

改回日期：2014-09-29

Current Development Situations and Suggestion on the Techniques of Ocean Bottom Seismic Acquisition

YU Benshan, SUN Naida

（Research Institute of Economics and Technology, CNPC, Beijing 100724, China）

Abstract:Compared with towed streamer seismic acquisition, the technique of ocean bottom seismic acquisition has some significant advantages in some respects. Now there is a booming application market for ocean bottom seismic acquisition, and the development prospects are great. In recent years, great progress has been made in the technology of ocean bottom seismic acquisition. Both the ocean bottom cable(OBC)and ocean bottom node(OBN)are emerging in an endless stream. But the ocean bottom acquisition is still in the initial application stage in domestic, and the research of key equipment is almost in a blank state except ocean bottom seismograph. For the commercial competition, the western companies, which master the cutting-edge technology, only provide technical services instead of selling the technology and equipment. Therefore, independent research and development of the related equipment at home is imperative. This paper aims to provide some useful materials for the relative domestic research by introducing the main advantages and disadvantages, development situation and development tendency of the ocean bottom seismic acquisition technology.

Keywords:ocean bottom seismic; acquisition technology; equipment introduction; current development and suggestion

海洋油气资源十分丰富。目前全球1/3以上的油气产量和1/2以上的油气储量来自海洋，且全球海洋油气开发项目平均盈亏平衡点约为50美元/桶[1]，具有较好的盈利性。随着陆上常规油气资源的不断枯竭，越来越多的石油公司把海洋油气作为重要战略接替区和技术创新的主攻方向。

海上地震技术是目前海洋油气勘查的主要手段，主要可分为两种方式，分别为海上拖缆地震和海底地震。两者都是利用物探船在水中激发震源，只不过前者检波器是密封在漂浮于水中的拖

缆中，而后者是按照一定的方式将检波器布置在海底，其检波器可以铠装在电缆或光缆中（海底电缆采集），也可以置于独立的节点仪器中（海底节点采集）（图1）。

图1　海上地震采集方式示意图

拖缆采集具有成本低、效率高、周期短的特点，是目前海洋油气普查勘探阶段的主要方法，长期以来一直占据着海洋油气资源勘探的主导地位。但是与海底地震采集相比，拖缆采集存在着很多不足之处[2-4]，主要是外界干扰因素多、鬼波影响难以克服、采集脚印严重等，采集资料信噪比、分辨率也明显低于海底地震采集资料。近年来，由于海洋油气勘探市场的强烈需求，同时伴随着材料、电子电路、光纤通讯等领域的进步和发展，海底地震采集技术取得了突飞猛进的发展。

1　海底地震采集的优势和劣势

海底地震采集与拖缆采集相比，具有明显的优势，主要包括以下几个方面：

（1）可在海上有密集生产平台或其它障碍物的区域开展地震采集工作；

（2）由于检波器放置在海底干扰少，位置稳定，适宜进行油藏地震监测；

（3）电缆沉放在海底，噪音小、频带宽，并且易于消除鬼波影响，资料的信噪比有很大提高（图2）；

（4）可以方便地实施长偏移距、宽方位、全方位地震数据采集，降低采集脚印对后期资料处理解释的影响，宽/全方位采集费用甚至低于拖缆宽方位采集；

（5）可采集多波多分量数据，联合纵波和转换横波信息进行油气检测，能提高解释精度，降低勘探风险。

特别是利用海底地震采集技术易于进行4D油藏监测，这也是推动海底地震采集技术快速发展迅速的重要原因之一。通过4D地震监测油藏变化，识别泄油模式和死油区的位置，可以优化油田开发，延长油田寿命，在提高采收率的同时，也能大大降低勘探风险[5, 6]。据估算，海上4D地震技术至少可使油田剩余储量的10%变为可采储量，而由此增加的费用不到1%[7-9]。4D地震技术可使发现石油的几率提高到65%～75%[10, 11]。世界上已经有多个海上油田相继开展了4D地震研究工作[8]。

另外，海底地震采集对天然气水合物探测也是至关重要的，在精确探测海底地质构造、检测海底工程灾害、帮助选取海底核武器试验的最佳位置等诸多方面也都能够发挥重要的作用[12，13]。

图2　拖缆采集（左）和海底采集（右）剖面对比

海底地震技术的劣势主要是成本高，生产周期长，这也是目前海底地震技术商业应用市场规模不大的主要原因之一，但是随着材料、电子、集成电路等相关领域的快速发展，海底地震技术日趋成熟，应用成本不断下降，上世纪90年代海底采集成本是拖缆采集成本的5～10倍，而现在成

本最低仅为拖缆采集的1.5～2倍[14]，性价比优势日渐凸显。

2　国外先进海底地震采集装备发展现状

目前，世界上能生产海底地震采集装备的公司主要有Sercel、WesternGeco、ION、PGS、FairfieldNodal公司等。除海底地震仪之外，国内在这一方面几乎还处于空白，下面简单介绍几种有代表性的海底采集系统：

（1）SeaRay®428电缆采集系统

SeaRay®428系统是法国Sercel公司生产的可回收式海底地震采集系统（图3）。它是在综合408UL系统和428XL采集系统众多优点基础上研发出来的，使用全方位MEMS数字检波器，可进行四分量采集。设计最大工作水深为500 m，电缆半径小，质量轻，电缆长度可达35 km以上，直接通过电缆供电，具有更大的灵活性、更高的分辨率。每个四分量检波器单元都封装在一个定制的铝-青铜合金的外壳中（称作扁平封装，FlatPack），在施工中可保护内部检波器和连接线。具备一定质量的扁平封装可防止铺设后接收点位置移动和滚动。另外，扁平封装外壳上具备孔状结构，允许海水进出以确保水检的声学耦合，同时改善了扁平封装与软沙地和软土地的机械耦合。

图3　SeaRay®428采集系统

（2）Calypso电缆采集系统

Calypso采集系统是美国ION公司最新研制的下一代可回收式海底采集系统（图4）。该系统集成了ION公司的多项专有技术，包括VectorSeis数字全波传感器、噪音消除电缆系统等。该系统最大特点是不需使用专门的数据记录船，而是采用浮标式装备，可大幅度减少人力，降低操作成本。

图4　ION公司Calypso海底电缆采集系统

Calypso系统能获得全波场地震数据（多分量），提供宽频带P波数据，进行高分辨率地震成像和联合C波数据改善油藏描述效果；可进行宽方位采集排列，加强复杂目标体照明效果；能够降低数据采集与处理成本、减少地震采集作业时间，改善成像质量和减少HSE风险，适应极端恶劣的天气。此外，利用专有的声波解耦控制技术分离电缆和传感器，从而提高数据信噪比，改进成像质量。系统拖缆长度为12～24 km，工作水深范围为5～2 000 m。

（3）OptoSeis光纤监测系统

OptoSeis采集系统（图5）是挪威PGS公司研制的海底光纤永久埋藏系统，可进行4D4C采集，先后在墨西哥湾、北海多个海上油田进行了应用，也只需使用一次地震船，风险低，适用于各种极端天气，经多次升级改造后，目前工作最大水深可达3 000 m，设计使用寿命20年。

（4）Z系列节点采集系统

FairfieldNodal公司生产的Z系列采集系统是目前海底节点采集系统中的佼佼者，分有Z100、Z700、Z3000三个型号，工作最大水深达3 000 m，每个节点代表一个接收道，内部集成一个压力检波器、两个水平方向和一个垂直方向的速度检波器。Z100和Z700是通过一定长度的绳子将节点连接起来进行收放，Z3000是通过远程操作潜水器部署节点（图6）。系统各个节点能够独立进行采

集作业，方便实现长偏移距、全方位的地震数据采集。噪音低、可以实现多分量采集。节点放置水下，无缆供电，并且不进行通讯，可适应海底地形比较复杂的地区。

图5　OptoSeis永久埋藏光纤采集系统

图6　Z3000海底节点地震采集技术

（5）Geopro海底地震仪

海底地震仪最初是为观测海底地震、探测海底地壳深部构造而研制的，现在也已经开始用于油气探测，目前有30多家石油公司在开展海底地震仪采集技术研究。美国、日本等国家已经在使用该技术进行探测天然气水合物研究。德国Geopro公司的海底地震仪市场占有率很高，它是放置在一个球形的玻璃罩中，系统包括浮标、海底固定装置、无线传输装置，浮标采用聚乙烯材料制成，厚度达8 mm，水中浮标质量2 400 kg（图7），设计最大应用水深达6 700 m，可进行四分量地震记录，记录数据格式为SEDIS-V。目前采用双地震仪方式，可在海底持续使用2～6个月。国内中科院地质与地球物理研究所早在2003年就开始研制海底地震仪，其自主研发的海底地震仪已经参加了多次海洋探测，应用效果已经达到国际先进水平。

图7　Geopro海底地震仪探测技术

另外，还有WesternGeco公司的Q-Ocean bottom海底电缆采集系统、TGS公司的Stingray光纤系统、CGG公司的OptowaveTM油藏监测系统及Trilobit和Case Abyss Nodes节点系统、MAGSEIS公司的MASS系统以及壳牌公司正在研发的Flying Node新一代海底节点系统，可以说近几年海底地震采集技术发展迅速，新方法、新装备层出不穷。

3　结论与建议

海底地震技术由于有着海上拖缆地震无法比拟的功用和优势，未来市场应用前景广阔。随着我国对海洋油气资源勘探的日益重视，未来对海底地震技术也有着迫切需求。目前我国的油气海底地震技术仅处于初步应用阶段，除海底地震仪之外，其它相关核心装备研发几乎处于空白状态。基于我国目前海底地震技术的发展现状，有以下几点建议：

（1）从战略上高度重视海底地震装备技术的自主研发。目前，海上物探装备制造业务和物探服务业务的协同效应非常明显，装备水平的高低极大地影响服务业的发展。随着物探行业的利润

在不断减少，未来装备制造业务和物探服务业务的协同效应将更明显，各大国外服务公司为抢占技术制高点，遏制其它竞争对手的发展，纷纷实施技术差异化发展战略，通常仅提供技术服务，不外售勘探装备及相关数据采集和处理技术。因此不管是为满足未来我们自身市场的需求，还是为促进我国海洋物探行业的可持续发展，我们都应从战略上高度重视海底地震技术自主研发。

（2）加大国际交流与合作，务实甄选合作对象。考虑到PGS、斯伦贝谢、CGG等国际大服务公司出于市场竞争的需要，不愿意开展全面、深度合作，我们可以采取抓住关键问题，有选择、有针对性地开展合作，依靠集成创新形成竞争力。海底地震采集的核心装备主要包括海底电/光缆、采集系统、导航定位系统等。PGS、TGS的海底光纤传输设备较为先进，代表着目前世界领先水平。ION公司推出的Calypso采集系统市场占有率很高，理念先进，其最大特点是只需使用一次地震船，可大幅度降低劳动力成本，代表着未来海底采集系统的发展方向。CGG公司单项系统不占优势，但是综合实力很强，能生产拖缆系统、海底可回收式系统、海底永久埋藏监测系统、节点系统等几乎所有类型的海洋勘探系统。同时，有些中小公司，比如挪威的MAGSEIS公司，尽管从事海底采集系统研发时间不长，但是科技创新能力很强，其研制的节点采集系统，是通过钢绳将节点连接起来，这样操作简便、性能稳定，应用水深达到3 000 m，在多个海上油田试验应用效果显著。

（3）充分整合国内优势力量，走高起点跨越式发展道路。海底地震勘探技术具有重要的军事和国防意义，世界上第一台海底地震仪就是在20世纪60年代由美国军方研制出来的，主要用于探测海底结构、优选海底核试验位置。TGS公司的Stingray多分量光纤采集系统就是从一个已使用了12年的军事系统的基础上研发出来的。另外，海底电/光缆不仅是海底地震勘探的关键装备之一，更是海上通讯、电力系统的核心部件，应用市场潜力巨大，目前也只有少数几个西方国家能生产耐高压、抗腐蚀的海底电缆。基于海底地震勘探技术的多层战略意义，业界应该联合国内相关科研院所、高校等，共同争取国家科技专项支持，从国家层面调动优势力量，携手推进我国海洋油气勘探水平迈上新台阶。

参考文献：

[1] 中国石油经济技术研究院．世界级石油公司海洋油气发展及启示[R]．内部专题研究报告，2014．

[2] 王守君．海底电缆地震技术优势及在中国近海的应用效果[J].中国海上油气，2012，24（4）：9-13．

[3] Peak Seismic Solutions公司网站．ADVANTAGES OF OCEAN BOTTOM SEISMIC DATA ACQUISITION[OL]. http：// peakseismic.com/content/ocean-bottom-seismic.asp，2014年9月.

[4] PADMOS L，DAVIES D，DAVIES M，et al. Using highdensity OBC seismic data to optimize the Andrew satellites development[J]. FIRST BREAK，2010，28（10）： 61-67.

[5] 崔永谦，刘池洋，张以明．油藏动态监测技术：时延（四维）地震述评[J]．石油与天然气地质，2004，25（1）：81-87．

[6] 张学文，张菊康．四维地震技术与油藏管理[J]．地质科技情报，1998，17（2）：54-58．

[7] Dave G Foster. Lessons Learnt from over 20 Years of 4-D Deployment[R]. SPE 113542，2009.

[8] 邓辉，吕威亮．四维地震及油藏检测中的应用实例[J]．石油物探译丛，1998（2）：38-41．

[9] 张选民，倪光健．4C OBC深海地震采集系统技术发展[J]．物探装备，2006，16（1）：19-24．

[10] Boyd-Gorst J，Fail P，Pointing L. 4-D time elapse reservoir monitoring of Nelson Field，Central North Sea： Successful use of an integrated rock physics model to predict and track reservoir production[J]. The Leading Edge，2001，20（12）： 1336-1350.

[11] 陈志海，陆文明，李林地．四维时移地震监测深水浊积岩油藏动态——以西非安哥拉18区块深水油田为例[C]//西安石油大学，中国石油大学（北京），陕西省石油学会．2014油气藏监测与管理国际会议（2014 ICRSM）论文集．中国北京，2014．

[12] 伍忠良．海洋天然气水合物三维地震与海底地震勘探中的震源技术研究[J]．热带海洋学报，2011，30（1）：49-60．

[13] 栾锡武，赵克斌，孙冬胜，等．海域天然气水合物勘测的地球物理方法[J]．地球物理学进展，2008，23（1）：210-217．

[14] 美国ION公司．2013 Annual Report[R/OL]．http：//ir.iongeo. com/phoenix.zhtml?c=101545&p=irol-irhome