气枪：水下震源理论与操作(Ⅲ)----枪阵*

2016-01-31PaulM.Krail,王林

地震科学进展 2015年12期

Paul M. Krail

(德克萨斯州立大学奥斯汀分校，奥斯汀，美国)

3枪阵性能

我们测试的最大单枪，容量为2000立方英寸，不能提供足够的能量来获取地表下3 km的反射波。使用单枪作为震源，更严重的不足是其产生的是单一的压力脉冲，仅有一些环形振荡。因此，反射脉冲也仅形成一些环形振荡，这就不可能将主脉冲与次峰分离开。对于地震探测来说，重要的要得到压力峰值，而不仅仅是图8中所示的压力变化的连续波。

我们通过利用枪阵来解决振幅不足和振荡问题。由于气枪数量的增加，振幅得以增强。我们发现，不同容量尺寸的气枪会产生不同振荡周期的气泡。因此，如果我们利用不同容量气枪构建枪阵，且所有气枪同时激发，我们就能解决这两个问题。

单枪特性的叠合可以产生压力脉冲的第一峰值。由于每个不同容量单枪具有不同的振荡周期，存在相位差，因此, 后续峰值相互抵消。

图9是6枪组成的枪阵图，每支单枪具有不同容量，沉放深度为7.5 m。为了阐述上述观点，图10显示了图9中每支气枪的压力脉冲，独立激发和所有气枪同时激发的情形。枪阵的远场信号看起来与单枪差异较大。如果我们将图10的枪阵远场信号与图8的单枪进行对比，我们会发现气泡振荡已经大大减少。

图9　枪阵(6枪)

图10　图6所示气枪的信号

图10显示整个枪阵的气枪特性。此信号显示枪阵克服了单枪的气泡振荡问题，并增强了主脉冲的振幅。

初始最大正脉冲被称为主脉冲，最大的负峰值是虚波，主脉冲后的较小的振幅被认为是全部气泡的共同振荡。由于海面反射，负峰值后到来正峰值，也叫虚波。如果气枪具有不同容积，因此形成的气泡体积也存在差异，那么气泡峰值出现的时间也会不同。通过合适的容量搭配，不同气泡的脉冲可以在远场相互抵消。选择调整枪阵容量，以致使得单枪的气泡脉冲可以通过较小容量单枪的气泡脉冲的虚波得以抵消。所有气枪在同一深度，虚波脉冲发生在相同时间。如前所述，调整枪阵设计可以减少气泡振荡。

4枪阵效能

考虑和对比不同枪阵类型的效能是很有意思的研究。已有研究表明，对于一个相互作用较弱的调整枪阵和GI枪(在气枪类型章节讨论的)来说，气泡振荡衰减的代价是大约为60%的效能。通过将未调整气枪和已调整气枪的主振幅进行对比，我们发现，已调整气枪的振幅大约是未调整气枪值的60%。也就是说，调整去除气枪振荡影响的代价是降低了主脉冲的振幅至60%。同样，在GI气枪也发现此情况。

4.1　远场信号

震源物探船：

M/U A.NEMCHINOV；

实验时间： 91.5.1；

物探船员： 1006420/231AVG001；

位置：北海；

震源类型： SLEEVE枪；

容量： 3000立方英寸；

气枪数量： 32；

从9999记录到9999记录；

震源-水听器距离： 1 m；

气枪深度： 7.5 m；

激发压力： 2000 psi；

记录者： SN3580MX；

采样率： 1 ms；

LC 滤波器：未使用；

HC 滤波器： 154.4 Hz 720 B/oct；

水听器： RREFTEX 17；

灵敏度： 7.50v/MPR；

强度比 P-P模式；

强度： 9.531；

主波气泡比： 15.892；

气泡周期： 59 ms。

图11　远场信号记录

5性能说明

水下震源特性不仅取决于震源的单个要素的特性，而且也受到整个震源系统具体结构的影响。虚波延迟时间依赖于气枪的沉放深度，如图12所示，随着沉放深度的减少，虚波负脉冲的时间更接近主波。图12的右图，我们看到随着沉放深度的降低，虚波波谷振幅谱向高频移动。当前实验是将枪放置于6 m深的位置，虚波波谷超过地震频率。另一例子是如果枪阵信号稳定，其几何结构也是稳定的。假设沉放装置的海洋工程已经具备稳定的结构，还有以下这些因素可能影响震源稳定性：

图12　不同沉放深度下的信号变化

(1) 枪阵中单个要素的时间同步精确度；

(2) 几何结构稳定性；

(3) 单个要素的重复性；

(4) 天气情况。

5.1　时间同步性

枪阵中单一要素的时间同步性受到地震勘探船上电脑系统的控制，称为枪控器，其接收来自气枪内部传感器的输入值和近场水听器的信号。同一类型气枪由于机械磨损，在同一时间收到激发指令后，将在不同时间激发。时间准确度的要求取决于气枪时间传感器，这个传感器可能是压力传感器，水听器或是磁力位置传感器。总之，与单一震源的主脉冲持续时间相比，时间误差必须要小。对于多数震源来说，可忽略的误差大约为1 ms或者更少。对于DigiSHOT系统而言，忽略误差大约为+/-100 ms。精确时间的目的是为了在每个单一要素发射脉冲后进行主峰值排序。气枪控制系统必须考虑枪阵中的每个要素，甚至对于同一容量的气枪由于具有不同使用年限、磨损、温度和空气污染等情况，激发时间和脉冲发射都不可能同步。

震源触发和震源激发的时间通常存在时间差。触发和激发之间的时间差会随着年限、磨损、温度和电压而变化。

枪控系统考虑了以上所有因素，所以枪控系统监控的是主峰值或零交叉的实际开始时间，正如一些气枪供应商利用压力传感器或位置传感器和相应的时间变化来控制。

通过地震勘探船上枪控系统的连续监控，校准了在实际气枪激发时的时间差。

5.2　稳定性

结构稳定性取决于其设计、保持设计要素空间相对稳定和在不同海洋状况下的沉放深度。轮机工程师们都明白大海总会给那些不熟悉她的人带来不愉快的体验。枪阵、锚锁和安全链条漂浮在海水里，长期受海水的腐蚀，海水不断拖曳这些物品，造成磨损和破坏，虽然这些对于近海工程设计并未常见，但对于需要放置为90°转弯的电缆而言，这种持续的影响特别敏感。

5.3　天气效应

由于风速变化，海面常常呈现从风平浪静到波涛汹涌。大波浪会造成两个影响，一是震源结构稳定性的恶化，二是空气-海面反射系数不再保持为-1。

海面反射系数的变化对于震源信号有重要影响。在远场垂直运动的脉冲中，大约一半能量是来自平静海面反射。起伏海面的影响会形成合成的平滑脉冲，导致虚波脉冲振幅大幅减少。图12A(a)显示, 在天气状况良好的条件下，近似平静海面的远场特性。图12A(b)是在天气状况较差的情况下测定的。由于起伏海面较差的反射属性导致虚波振幅缩小。

起伏海面对反射系数的影响可以认为是两种射线，一种是来自平静海平面，另一种是来自浪高为x的波(图12B)。这两种射线的传播路径差可以用2xcos(θ)表示。相位差pd可以简单地表示为路径差除以波长，如下所示：

图12A　天气影响下的虚波脉冲振幅

图12B　起伏表面下波传播路径差的简化模型

其中f和c分别是频率和速度。假定浪高为x，且海面波浪为高斯分布，因此, 我们可以利用波形求出海面平均反射值：

其中pd是海浪振幅的均方根，R0是平面反射率。

我们利用中心频率20 Hz作为地震信号脉冲。首先，我们先利用在平静海面下的反射系数-1时得到脉冲。然后我们将此脉冲与10英尺高海面的相同反射脉冲进行对比。将这些值代入到Rave方程，结果表明, 10英尺高海面的虚波反射平均振幅下降为平静海面反射的45%。

5.4　枪阵模拟

利用电脑模拟枪阵设计比实地进行大量实验成本低得多。然而，你必须确保模拟是准确的。已有文献表明，利用电脑模拟能很好地实现传统的弱互动枪阵设计，传统设计中大约每支单枪间隔1 m。我们会在后续章节中探讨气枪相互作用的问题，同时当我们谈到集群气枪时我们也会探讨气枪间的强烈相互作用。

通过输入位置(x，y)进行枪阵模拟，气枪容量、气压和枪阵中每支气枪的沉放深度如图13所示。利用前面所述的气泡运动方程进行模拟，计算所有气枪合成效果和产生的远场信号。远场信号如图14所示。Bar-m表示振幅特征。由于球面波振幅从震源中心缩减为1/R，对距离枪阵1 m的振幅进行归一化处理，因此用bar-m(bar是压力单位)。

图13　设计枪阵的结构

图14　图10的枪阵的远场特性

通过以下3个参数测定枪阵性能：

(1) 峰值到波谷的振幅;

(2) 主波与气泡比(称为P/B);

(3) 频谱。

峰谷振幅可以表征输出能量值。主波与气泡比可以测定设计的枪阵对于抵消气泡振荡的情况，即为枪阵调整的好坏情况。图15中频谱显示虚波波谷所在位置，以及设计者如何判断震源频带宽度，确定高低截止频处理。

图15　远场特性的振幅谱

频率过滤器适用于此信号研究，可以匹配那些被用于记录实际数据的信息，否则将无法给出枪阵振幅图。震源方向图显示震源能量的三维传播，与震源物探船的航海线相关，如图16~18所示。

图16　震源方向性----水平方向

图17　震源方向性----垂直方向

图18　震源方向性----水平交叉方向

海洋远场信号也直接得以测定。由于通常的地震实验不允许较深沉放水听器，因此，通过测试模型得以实现。远场测定可以验证模拟的准确度，并得到设计枪阵输出的实际测定值。为了完成测定工作，一个单一的水听器被放置于鳍形压板上，或是其他类似装置上，当地震勘探船在航行过程中，水听器被垂直沉放在枪阵以下数百米处。这个实验必须在深水区域开展，使来自洋底的反射波不会在震源激发期间到达，也不会干扰震源。

对枪阵模拟时，气枪之间微弱的相互作用，可以利用气泡方程获取。这对于研究枪阵集群是有必要的。同时, 需要考虑后续流体研究和实际的气泡整体运动，以及当气泡相互靠近时，必须考虑增加的扰动。

5.5　实验中的性能说明

气枪在实验中的性能规格通常由合法契约管理，立契人包括石油公司客户和地球物理承包商。说明中称为“中断说明”的文档，写明了在地震探测必须停止前，枪阵性能可以允许多大程度的老化。典型的中断说明如下所示：

(1) 允许出现峰峰振幅以及主波与气泡比偏离小于全部枪阵的10%的中断信号。

(2) 全部枪阵的峰峰振幅以及主波与气泡比在85%~90%，或是111%~115%之间的中断信号可以作为需要与公司代表商量的边缘值。

(3) 峰峰振幅以及主波与气泡比小于85%，且大于全部枪阵的115%的中断信号将导致地震实验停工，直到修复好。

其他造成枪阵故障，不符合规范的具体细则包括：枪阵中的单枪无法激发，气枪未完成全部激发。自动激发指气枪自主激发(一次或多次)。双枪激发指的是当仅触发一次，而气枪发射两次。这也是双枪激发和自动激发的差异。双枪激发是在时间窗内完成两次激发。自动激发是在时间窗开始计时，且在下一次激发时间前，完成两次激发或更多次激发。

6气枪间相互作用

正如我们所知道的，当单枪激发时，气泡膨胀，扰动了海水的静水压。如果两支气枪相继激发，我们不能将它们附近的静水压假定为周围环境的静水压。因此, 根据两支单枪之间的间隔距离，我们可以说它们是弱或强相关。首先，多数枪阵设计为弱相关。弱相关枪阵是以主波与气泡比的值10~14:1作为特征值。目前许多枪阵由气枪集群构成，气枪之间间隔小于1 m是很普遍的。集群与单枪相比的一个优点是，它能获得较高的主波与气泡比。

当两支气枪相继激发时，两组气泡相互接触并部分融合。这就是所谓的气泡合并。当两支气枪激发如此接近时，气泡合并不会发生但相互作用主导了气泡运动，即所谓的强相关。1 m的间隔看起来能区别弱和强作用。

在如此接近的集群中，气泡脉冲的相互作用比弱相关的枪阵强得多，因为气泡相互更为接近。

多数枪阵由强相关集群和弱相关气枪(间隔大于1 m)共同构成。对于强相关来说，气泡间隔的另一种测定方式是两枪之间的气泡直径。

7集群气枪

在1990年前，多数枪阵是属于弱相关类型。通过增加枪阵气枪数量以获得更多气枪能量和调整枪阵气枪组合以提高主波和气泡比的方法，已经无法获得更好的效果。原因是10~14:1的值是传统弱相关枪阵的极限值。两支或更多气枪构成的，我们称之为集群气枪，其分隔距离比弱相关气枪更为接近，但不会接近到造成气泡合并。在本章节中我们探讨的相关关系是对于两组气泡间强相关的距离大约1 m。

为了解释n支气枪组成的集群能胜过同样容量的单枪，进行以下简单假设。来自单枪的主脉冲与枪压和容量的立方根成正比。n枪集群的主振幅表示为：

而容量为nV的单枪的主振幅表示为：

因此, 相同容量的气体分解到n支气枪中，主振幅增加了n2/3。

主波和气泡比如何呢？ 1980年后期的实验利用两支完全相同的Sleeve气枪，沉放深度5 m，实验表明距离小于1 m且随着间距缩小，呈现以下3个特征：

(1) 主振幅实际上不受影响。

(2) 随着间距缩小，气泡振幅减小。

(3) 随着间距缩小，气泡周期逐渐增大。

因此, 气枪集群可以用于增加主振幅和提高气泡比。因为在集群中无论它们的容量多少，所有气泡具有单一的振荡周期，所以我们不能设计一个可调整集群。由于每个集群具有不同的总容量，我们可以调整集群排列组合方式。

资料来源： Krail P M. Airguns:Theory and operation of the marine seismic source. 2010. http:∥hdl.handle.net/2152/11226

(福建省地震局王林译，黄宏生校)

(译者电子信箱，王林: wl_0117@163.com)

收稿日期：*2015-05-05。