南海北部海域油气资源调查技术及其应用研究——低频地震震源技术研究

曾宪军，韦成龙，翟继锋，张如伟

（国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州海洋地质调查局，广东 广州 510075）

南海北部海域油气资源调查技术及其应用研究
——低频地震震源技术研究

曾宪军，韦成龙，翟继锋，张如伟

（国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州海洋地质调查局，广东 广州 510075）

低频地震震源技术在野外地震调查中起着举足轻重的作用，特别是在南海北部海域油气勘探目标埋藏深的条件下，如何改善中生界地层成像效果至关重要。文中通过对"立体"结构低频震源技术的研究，结合海上试验的数据结果，综合分析了立体低频震源的频带宽度较常规震源相比有所拓宽，在抗噪和信噪比方面也有较大优势，这些关键参数的提高，有助于获得较强的中深部有效反射信号，增强信噪比，提高中生界地震采集的野外资料的总体质量和后期解释。因此，通过研究，可以选择设计最佳的组合方案，为南海北部海域油气资源调查提供技术支撑。

低频震源；立体；信噪比；频宽；沉放深度

南海北部海域油气勘探目标埋藏深的条件下，采用目前装备的5080 cu.in震源，在低频端的能量较弱，致使激发的地震波穿透性不理想；目前采集的地震剖面中深部有效反射信号弱，信噪比低，尤其中生界地层成像效果差。如果通过提高震源容量虽可在一定程度上可以提高输出能量峰值，但由于现有物探船空压机等设备能力的限制，提高了震源容量就必须加大放炮间距，进而降低了叠加覆盖次数，仍然无法达到提高中深层信噪比的目的。要解决此难题，需在增强震源低频输出能量和低频端的频宽等方面作出改进。

1 低频震源设计

国内外研究表明，要提高中深层反射质量，需增强震源低频发射能量，尽量拓宽激发子波的绝对频宽[1]。在震源的选择上，需要利用较大容量、震源低频丰富、频带宽的震源阵列来激发信号，以利于深层信号的信噪比提高。

气泡振荡理论是气枪信号数值模拟的基础，Ziolkowski提出了常规气枪近场声波压力场的计算方法，成为计算单枪压力波场的经典。为了提高气泡脉冲的能量，可通过增加气枪总体容量的方式提高子波信号的能量，此外可通过选择合适的激发时刻，使得不同枪的气泡脉冲叠加以增强气泡脉冲，达到提高低频能量的目的。

研究区调查目标为中生界地层，存在目标埋藏深度大，崎岖海底、倾斜地层等对反射波的吸收和衰减作用大；地层接触界面存在剥蚀、反射波速度变化大等特点，调查难点是中深层反射波微弱。对震源进行设计，增强其输出能量，加大低频端的能量输出。

根据已有地震资料信息，南海北部中生界目的层地震反射主频在5～40 Hz之间，为尽量加强该频率范围内的信号强度，有必要重新对现有的震源进行设计。

气枪沉放深度较浅时，激发的子波其频带宽，高频端能量丰富；沉放深度较深时，激发的子波其频带窄，但低频端能量丰富[2]。利用该特点，海洋物探公司采用“双震源”，主要提供高频信号的震源，沉放深度较浅；而主要提供低频信号的震源，沉放深度较深。

国内外对子阵沉放深度的差异化组合也进行了研究。不同深度组合形式的阵列模型如图1所示。凸型模型在子波能量输出上有所减弱，但在频谱低频段更加光滑，频带有所拓宽。

图1 不同深度组合形式的阵列模型

将单震源不同子阵沉放在不同深度，组成“立体”震源，在硬件和技术上是可行的。经过多次模拟计算，发现凸型立体震源具有较好的输出特性。基于5080 cu.in震源基础上，子阵一、子阵二、子阵三、子阵四的沉放深度分别为10 m，7 m，7 m，10 m。表1、图2为Bolt-5080 cu.i“n立体”震源与子阵在同一深度震源之间的输出特性比较。

表1 BOLT-5080 cu.in震源不同沉放深度特性比较表

震源沉放深度为7 m时，峰峰值为115.6 bar.m，波泡比14.9，频宽为5～90 Hz，主频为50 Hz，18 Hz以下频率能量在210 dB以下，震荡较明显，陷波点出现在110 Hz处，陷波点频率能量为165 dB。

震源沉放深度为10 m时，峰峰值为121.9 bar.m，波泡比10.1，频宽为5～63 Hz，主频为30 Hz，18 Hz以下频率能量部分超过210 dB，震荡较明显，陷波点出现在78 Hz处，陷波点频率能量为162 dB。

图2 Bolt-5080“立体”震源特性图

震源沉放深度为8.5 m时 (子阵10-7-7-10 m等效深度)，峰峰值为118.9 bar.m，波泡比12.4，频宽为5～80 Hz，主频为35 Hz，18 Hz以下频率能量在210 dB附近震荡，第一个陷波点出现在90 Hz处，陷波点频率能量为168 dB。

震源沉放深度为10-7-7-10 m时，峰峰值为108.8 bar.m，波泡比17.9，频宽为5～80 Hz，主频为40 Hz，18 Hz以下频率能量保持在210 dB附近，低频端信号频率能量曲线明显平滑，第一个陷波点出现在90 Hz处，陷波点频率能量为178 dB。

从震源方向性图上看出，10-7-7-10 m沉放深度震源能量团边缘较光滑。

经过比较认为，10-7-7-10 m沉放深度“立体”震源，在子波峰峰值输出上降低了大约10 dB，但18 Hz以下频率能量有所增强，曲线更加光滑；第一个陷波点频率能量比8.5 m的等效沉放深度震源提高了10 dB，相当于相应提高了高频端的能量输出。总体来说，“立体”震源子波峰峰值有所降低，但加强和扩展了频宽。

对于研究区水深较浅(1 000 m以内)，或者中生界目的层埋藏在双程旅行时5～6 s以内，对震源输出能量的要求在100 bar.m左右时，利用该“立体”震源更宽的频带的优势，可以改善地震采集资料的质量。

南海北部陆坡深水区中深层油气资源地震调查，需要低频输出好、频带较宽的大容量震源。在前期相关研究中，对低频震源进行过较多地模拟计算及海上试验，获得了宝贵的设计经验[3]。在此基础上，提出了“立体”结构的低频震源设计。

“立体”枪阵是基于现有Bolt长寿枪5080 cu.in震源基础上，通过改变各子阵沉放深度的组合，达到增强震源低频能量，并拓宽震源主频的目的。利用PGS Nucleus软件对“立体”枪阵进行模拟（第一、四子阵深度为10 m，第二、三子阵深度为7 m，等效深度为8.5 m）。从模拟激发的振幅-频谱图可看出，5 080 cu.i“n立体”凸型枪阵的有效主频带在18～68 Hz之间，且低频端能量输出的波动较小，相比平面震源沉放8.5 m时的特性，具有低频能量较强、输出稳定、并保持了较宽的主频带的特点(图2)。

2 海试参数设计及资料采集

低频输能量高、频带较宽的大容量震源有利于提高中深层油气资源地震资料信噪比。在以往实验基础上，结合国外立体震源技术，设计了“立体”结构的低频震源（图3），该“立体”枪阵是基于广海局“探宝号”船现有Bolt长寿枪5080 cu.in震源基础上，通过改变各子阵沉放深度的组合，达到增强震源低频能量，并拓宽震源主频的目的。其模拟输出特性见表2。

图3 立体震源各子阵沉放深度示意图

表2 同步激发气枪震源特性

低频组合震源对比试验地点选择在南海海域，并设计一条试验测线，开展平面震源和“立体”震源采集对比[4]，两次试验走航方向一致。震源等效沉放深度7 m，电缆沉放深度为9 m，炮间距25 m。平面气枪阵列的四个子阵列沉放深度为7 m，“立体”气枪阵列的四个子阵列沉放深度为8-6-6-8 m的凸型组合。

3 采集资料效果分析

用平面震源采集的测线命名为NHB272，用“立体”震源采集的测线命名为NHB272A，对试验线资料进行了频率扫描、频谱分析，确定处理流程[5]；在同样的流程下得到两条试验测线的叠加剖面。为使分析结果有较好的可比性，在处理中要求：（1）对两次试验，采用同样的流程和参数，不使用参数随机变化的处理模块；（2）同一方向的试验线使用同样的速度库；（3）叠后不作任何修饰处理，避免人为因素影响剖面。

首先，通过对比两组参数的频谱能量和范围、剖面的品质等，采用8-6-6-8 m深度组合的气枪震源在抗噪能力上优于平面震源，图4为频率谱图分析对比，图5为叠加剖面效果分析。

图4 立体震源与平面震源频率谱对比

图5 叠加剖面效果分析

其次，通过综合对比，采用8-6-6-8 m深度组合的“立体”气枪震源，主频信号获得了一定增强，主频信号的信噪比，也有一定优势，见图6。在中深部地层的局部，8-6-6-8 m组合的震源得到的资料信噪比有所提升（图7）。

图6 7-7-7-7 m与8-6-6-8 m组合信噪比对比

图7 7-7-7-7 m(左)与8-6-6-8 m(右)组合采集剖面对比

4 结论

海上试验结果表明，“立体”枪阵在低频端的曲线比较平滑，在高频端陷波点附近能量有所提高（图8），相当于激发信号的频带宽度有所拓宽，见图9；另在抗噪和信噪比方面也有较大优势，获得了初步的预期成果。

图8 立体震源(红色)与平面震源(蓝色)频谱对比

图9 常规阵列(左)与上下阵列(右)震源采集剖面对比

[1]陈浩林,全海燕,於国平，等.气枪震源理论与技术综述(上)[J].物探装备,2008,18(4):211-217.

[2]陈浩林,全海燕,於国平，等.气枪震源理论与技术综述(下)[J].物探装备,2008,18(5):300-312.

[3]韦成龙,郝小柱,易海，等.南海北部中生界地震勘探震源设计及应用[J].石油地球物理勘探,2012,47(S.1):1-7.

[4]韦成龙，等.南海北部陆坡深水区油气资源普查（2012年探宝号船）生产技术总结报告[R].2012.

[5]罗文造，韦成龙，王立明，等.海上地震勘探主要采集参数的选取与验证[J].热带海洋学报,2009,28(4):93-101.

Exploration of Oil and Gas Resources in the Northern Part of the South China Sea: Study on the Low-Frequency Seismic Source Technology

ZENG Xian-jun,WEI Cheng-long,ZHAI Ji-feng,ZHANG Ru-wei
MLR Key Laboratory of Marine Mineral Resoures,Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510075,Guangdong Province, China

Low-frequency seismic source technology plays an important role in field earthquake investigation, especially in oil and gas exploration in the northern sea area of the South China Sea where targets are deeply buried.It is essential to improve the imaging effect of Mesozoic stratigraphy.Based on the research on lowfrequency source technology of"three-dimensional structure"and the data from sea tests,this paper comprehensively analyzes that the bandwidth of three-dimensional low-frequency source is widened compared with conventional source,and there is also a great advantage in anti-noise and signal-to-noise ratio.The improvement of these key parameters will help to obtain a strong middle and deep effective reflection signal, enhance the signal to noise ratio,improve the Mesozoic seismic acquisition of the overall quality of the field data and post-interpretation.Therefore,through research,it is able to choose the optimal combined scheme,so as to provide technical support for exploring oil and gas resources in the northern waters of the South China Sea.

low-frequency seismic source;three-dimensional;SNR;bandwidth;sinking depth

P744.4

A

1003-2029（2017）03-0112-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.021

2016-05-12

国家“729”专项资助（GZH201200508）

曾宪军（1981-），男，高级工程师，主要从事电子信息工程和海洋物探调查。E-mail:13660343708@139.com