海洋二维双船拖缆与宽频带地震采集实验

李福元 韦成龙* 胡家赋 邓桂林 易 海 钟广见

(①自然资源部海底矿产资源重点实验室，广东广州 510075； ②广州海洋地质调查局，广东广州 510760)

1 引言

在某些海域，发育冲积厚层或碳酸盐岩层。冲积厚层往往发育泥底辟、生物礁体、火山岩体侵入等，地震波的散射、绕射作用强烈；碳酸盐岩层顶界面则是高波阻抗界面，对地震波的穿透产生明显的屏蔽作用。这些地震地质条件给下伏地层和勘探目标的探测带来了挑战。

在这些海域利用常规单船拖缆地震方法，常会获得屏蔽层下方不连续的反射层成像剖面，导致该界面之下的反射波组的层位追踪变得非常困难，甚至不能进行对比。其主要原因有二：一是地震波的高频成分在覆盖层下方急剧衰减，窄带低频成分对薄层的成像分辨率不足；二是单船地震观测系统仅提供一个方向的照明，在地下复杂构造区域产生参差不齐的波组成像效果。

针对单方位角勘探存在的照明不足问题，最初是反复优化速度模型，改进数据处理技术以提高单方位角数据的成像质量。但大部分深水区块的盐下构造非常复杂，单方位角或窄方位角数据成像不能满足需求，为此开始尝试使用双方位角、多方位角等地震采集方法。如墨西哥湾Mad Dog区块深水盐下油田双方位角勘探，对盐层内部、盐下构造有了更加清晰的照明，减少了盐下地层界面解释的模糊性[1]。双方位角地震采集,覆盖次数的增加和激发方向的变化,可以使总的信噪比大约提升30%,其中激发方向的变化带来的效果改善可以达到50%，能够极大地减小相干噪声,有助于补充单方位角数据成像剖面上的照明缺口,显著提高信噪比和改善目标成像效果[2,3]。

针对窄频带、低频信号对冲积厚层或碳酸盐岩层下方成像模糊的问题,近年来业界开展了较多的地震采集技术创新。目前，记录完整频率范围地震信号(低频至高频)的重要性已被广为接受，高保真的低频数据提供更强的穿透力，有利于深层目标体的清晰成像，得到更加稳定的地震反演结果。同样丰富的低频和高频信号可获得更尖锐的子波，有利于提高分辨率，突出薄层和地层圈闭等重要地质特征[4,5]。

海水表面的鬼波效应是影响拓展频宽的最主要因素，在数据采集阶段对鬼波效应的补偿成为多年来地球物理勘探研究的主题。震源激发端的补偿方法目前一般基于气枪阵列沉放深度的差异以及激发延时，即多层级气枪震源[6]或称立体延迟气枪震源[7]；拖缆接收端的补偿方法相应地发展了上下双拖缆、双检波器拖缆、变深度、“犁式”拖缆等采集技术，可以增强低频信号，同时保持数据的高频信息。如WesternGeco采用上中下缆(缆深分别为5、17、23m)和上下源(源深分别为6m和12m)联合探测技术在中国南海进行采集,通过不同深度数据的联合成像，压制了海水表面的鬼波影响，可以拓宽低频信号，提高高频端信号的信噪比[8]。中海油与PGS公司合作，利用双检波器电缆在南黄海和南海潮汕拗陷区块开展调查，在压制鬼波的同时增加了低频成分，改善了火山岩、石灰岩体和硬质海底以下的成像效果[9]。

CGGVeritas公司推出了比较方便的采集方法，即采用变深度拖缆记录多样化的鬼波信号，经过联合反褶积鬼波压制核心算法的数据处理技术，增强低频和高频端能量，改善成像效果[10]。理论推导和正演分析表明，相对于等深度缆，斜缆在一定程度上更能抑制海面虚反射，有效扩宽频带[11]。斜缆宽频地震勘探采集处理技术增大了地震资料的高低频能量、拓宽了地震资料频带，使中深层地震资料品质及成像效果明显改善[12]。在墨西哥湾的中生界深层成像中采用了大炮检距排列斜缆宽频地震采集方法，取得了明显的效果[13]。在南海深水油气勘探和开发中，基于变深度拖缆的优势，提出结合变深度拖缆低频成分与流体流动属性预测油气藏分布，低频成分提高了流体预测准确性，与解释结果的匹配程度更高[14,15]。

宽频采集装备需要具备宽频激发源和宽频接收拖缆条件。设计不同容量单枪组合形成的气枪震源，其带宽可达6～200Hz；当前采用的固体拖曳电缆，检波器响应带宽可达2～1000Hz，同时抑制噪声的能力大大增强，对高频微弱信号的检测拾取非常有利[16]。

采用双船和较短的拖缆，并配合智能记录技术，相当于增加了缆数和缆长，该技术适用于水深大于500m的深水地震采集[17]。以往常规双船地震的排列方式主要有合成排列方式(SAP)和扩展排列方式(ESP)。随着勘探技术的进步，近年来逐步形成的双船地震技术有双船连续长炮检距(CLO)技术、双船宽方位采集技术、双船广角反射采集技术等[18]。由于激发震源与接收电缆可以分别由不同船只拖曳，所以观测系统的选择很灵活。当双船行进在同一条直线上、均拖曳着震源和接收电缆时，可以组成双源交替放炮双缆同时接收、单源放炮双缆接收等多种观测方式。对于一前一后的单缆地震船，当采取后船震源单独激发、前后两船同时接收时，对地下同一反射点可以获得两个方向的照明。在数据处理阶段，再将前后船获得的剖面叠合，进一步提高信噪比，获取深部目标层的成像。

通过双船地震观测方式，联合大容量宽频气枪震源、变深度拖缆采集技术，可实现目标地层的双方位角宽频探测。笔者基于以上采集技术方法，在南海开展了实验。

2 实验区条件

实验地点位于南海的东沙上陆坡台地区域。该区新生界基底埋深总体较浅，厚度为250～1300m，岩性以碳酸盐岩和泥岩为主，浅表层断裂发育，局部发育生物礁，呈环礁或点礁分布。台地中部发育众多断距不大的正断层，台地西部断阶带和东南部断阶带则发育切割基底的深大断裂，易产生较强的绕射波干扰，对中深层地震反射资料品质有较大影响。在以往地震剖面上，新生界以高连续、强振幅反射，或大套弱振幅反射为特征，可见新生界与海底呈角度不整合接触的现象。该区在新生界之下发育有巨厚的中生界，是中生界的主要存留范围，中生界厚度大致为2000～8000m。

在上陆坡台地区，浅层新生界碳酸盐岩顶形成强波阻抗界面，产生层间多次波，造成地震能量快速衰减；中—深层的中生界，由于压实紧密，内部地层间的波阻抗差较小，反射能量较弱，且内部构造较复杂，断裂较多，形成多种干扰波，反射品质较差，仅浅部波组较连续，中深部局部可见断续的有效反射波组，多为杂乱反射(图1)。由于区内大部分地震剖面上中生界内部地层和基底反射品质不佳，难以准确追踪解释区内中生界，目前尚不能绘出较准确的中生界厚度图。

3 技术试验

20世纪90年代双船地震受同步及数据实时传输技术限制，两船在船速、时序等控制上较难把握，一般以等时间放炮为主。双船双方位角地震采集采用等距离放炮，对震源、电缆道实时定位，必须做到：

图1 实验区地震地质解释剖面

①时钟同步及时序同步，即双船的时钟同步要准确，用于导航与地震系统的起点控制、震源触发、数据记录等时序同步；②双船状态控制，即监控双船航行速度、间距协调、保证作业过程中炮检距及导航系统对电缆形状解算的一致性；③可靠的主副船数据无线传输；④按照三维地震的导航定位面元叠加与扩展方法，进行震源和电缆定位。

根据以上需求，通过将基于插件式的GIS二次开发技术、以太网通信技术、大椭圆航法及电子海图显示技术等进行集成，解决了双船作业时双船间距的控制及电缆形态的实时显示问题[19]，开发了满足双船作业控制的实时状态观测系统及无线数传设备。在双船地震施工中，利用双船实时状态观测系统，通过控制主、副船航行状态，使导航定位误差不大于设计的允许误差[20]，作业中双船相对距离尽可能保持稳定，误差应在半个炮间距(如18.75m)以内。

采集配置的软硬件主要包括：RFU900MHz和RFU2.4GHz点对点无线通讯设备、ORCA导航定位系统、大容量宽频BOLT气枪震源、SEAL地震采集记录系统、SENTINEL固体接收电缆、双船实时状态观测系统等。其中ORCA导航定位系统具有以往SPECTRA导航系统的技术特点并做了改进。可将采集、定位、震源、QC系统数据管理和控制功能集成于一个无缝平台上，为2D 和3D采集提供简易高效的作业流程，简化处理了可见度和控制功能，能够实施复杂环境条件下的多船作业[21]。以上述软硬件配置及相关重要参数设置为基础，使用“探宝号”船(主船)和“奋斗四号”船(副船)于2015年6～8月在南海海域开展了双船双方位角地震采集(图2)[22]。

两船设计的采集参数见表1，宽频气枪震源的激发特性见图3。副船拖缆的炮检距范围为2250～4500m，主要考虑因素为：①两船之间安全操控距离，主船船头与副船拖缆尾标距离约为1860m；②副船的拖缆炮检距范围，应增强对中深目标层的信号接收。主船炮集记录海底反射波为1.0～4.0s，副船炮集记录海底反射波为1.5～2.5s，副船炮检距范围选择有利于海底以下3.0～6.0s反射波接收，与主船对应记录结合形成对目标层位两个方向的接收。

图2 双船宽频地震采集示意图

采集参数“奋斗四号”船双船共有参数“探宝号”船两船相对位置副船(前)主船(后)两船电缆道最小距离/m2475震源容量/in3无6400气枪压力/psi2000炮点间隔/m37.5震源深度/m无10-7-7-10激发延迟/ms无2-0-0-2电缆道数/道360480道间距/m6.2512.5电缆深度/m5～26(参考缆深度为16m)5～26(参考缆深度为16m)最小炮检距/m2250225最大炮检距/m45006225覆盖次数3080双船合并覆盖次数110

图3 大容量宽频气枪震源子波(a)及频谱(b)特性

4 数据成像分析

4.1 单船变深度拖缆数据拓频处理

在对单船变深度斜缆地震数据的处理流程中，激发端采用不等深延时激发震源，激发端鬼波被压制，陷波点能量得到了补偿，因此核心问题是衰减电缆接收端鬼波。业界对鬼波压制提出了多种方法[23]，本文采用镜像偏移和联合反褶积技术，即

(1)

式中：dnorm(t,x)为原始地震数据，t为反射时间，x为炮检距；gnorm(t,x)为最小相位鬼波算子；r(t,x)为一次反射剖面；dmirr(t,x)为镜像偏移后的地震数据；gmirr(t,x)为最大相位鬼波算子。最小和最大相位鬼波算子定义如下

(2)

式中：δ(t,x)为单位脉冲函数；τ为鬼波的延时。

鬼波衰减压制了检波点端的鬼波，一定程度上拓宽了资料的频带，补充了原始资料的低频成分。图4显示鬼波衰减后，炮集记录上紧随一次反射波之后的鬼波反射基本得到消除，同相轴得到细化突出。由图5可见,鬼波衰减后低频和高频端频谱均得到一定程度的补偿。由图6鬼波衰减后的剖面可见，反射界面波组得到收敛，分辨率有了提高。

图4 鬼波衰减前(a)、后(b)的炮集记录

图5 鬼波衰减前(红色)、后(蓝色)的频谱对比

4.2 双船资料合成处理

经过以上单船变深度拖缆数据拓频处理，频带拓宽，分辨率得到提高，随后对双船变深度拖缆资料合成处理，主要关注以下两个方面。

4.2.1 三维面元定义方式

在双船的单源双缆采集模式中，受施工中两船距离变化、电缆羽角的影响，炮点与检波点位置关系存在变化。要准确识别共反射点位置，宜采用三维观测系统宽面元的定义方式，以确保包含反射点所有信息，使面元覆盖次数比较均匀。图7为横向面元分别为200m和500m的共反射点分布。因羽角变化，横向面元为200m时会漏掉较多的共反射点，而500m可保证垂直测线方向的发散反射点信息完全被包含，保证了较均匀的覆盖次数。通过面元尺寸试验发现，对于单个面元，发散的反射点来源宽度不会超过200m，对比发现500m横向面元尺寸可避免叠加剖面产生混波效应，因此选择面元尺寸为500m×6.25m。

图6 单船变深度拖缆去鬼波处理前(a)、后(b)剖面

图7 不同面元定义下的共反射点分布图(黑色线)

4.2.2 双方位波场速度拾取

利用多个窄方位角地震数据，可构建更精确的速度模型，即双方位角数据对于复杂构造的成像效果要优于单方位角数据[24]。Huang等[25]提出了基于TTI介质模型成像方法，改善了共成像道集中的残余弯曲部分，盐层陡倾侧翼的双方位数据成像聚焦效果得到了提升。双方位角采集提供两个方位的照明优势,但难点是如何获得一个满足两个方位的各向异性速度模型进行成像，即核心问题是如何获得一个满足两个不同方位剖面成像的速度场。

图8为主船(前)与副船(后)采集的不同炮号的炮集记录。两个记录来自同一反射区域两个方向入射，当反射界面倾斜时，对于相同炮检距的接收范围，由于射线路径差异，炮集记录有明显区别，得到同一反射界面同相轴的斜率、连续性存在差异。在拾取速度时，两个方位数据的速度场会存在一定差异。因此，在两个方位数据的速度分析过程中，需紧密结合地质认识，指导宏观速度趋势的解释，识别干扰波速度，提高速度分析的合理性。中深层信噪比低，速度谱能量团难以集中，采取常速和变速相结合的叠加扫描方法，解释和确定深层叠加速度。速度的分析、对应的叠加、去噪叠加及低频能量补偿叠加是一个反复迭代过程，直到速度场变化规律和对应的叠加剖面比较合理。副船与主船拖缆长度与最小炮检距为不对称结构，副船最小炮检距为2250m，双程旅行时1.8s以上浅层反射与折射等干扰混合较严重，不利于速度拾取，叠加时会影响浅层的成像效果。本例中将副船双程旅行时为1.8s以上的叠加剖面切除(图9)，对于同一速度场形成的副船及主船的叠加剖面，视觉效果有一定差异，也体现了不同方向入射时层速度的各向异性。

图8 主船(a)与副船(b)相同反射区域的炮集记录

图10a、图11a是主船单船水平缆采集叠前时间偏移剖面，水平缆沉放深度为16m，记录道数为480道，其余采集观测参数见表1的“探宝号”船参数。图10b、图11c是双船双方位变深度拖缆采集的合成叠前时间偏移剖面，对单船拖缆数据经过了去鬼波拓频处理和双船资料合成处理，其他处理流程与图10a、图11a一致。

在图10b所示的合成剖面上，提高了0.6～1.8s双程旅行时之间更多薄层的清晰度，高速不整合面也可连续呈现，说明双船变深度拖缆采集的频带拓展对浅层的分辨率提高比较明显。

图11清晰地展示了2.0～6.0s双程旅行时段的数个倾斜反射层，深层结构得到了较好的揭示。可见双方位照明成像方式在一定程度上改善了中深层反射界面的成像效果，有利于对该区中生界目的层的认识和研究。

图10 单船水平缆(a)与双船变深度缆(b)叠前时间偏移剖面(浅层)

图11 单船水平缆(a)、双船水平缆(b)、双船变深度缆(c)叠前时间偏移剖面

为了解双船变深度缆与双船水平缆对中深层的揭示效果,开展了双船水平缆的采集,除了沉放深度不同,其余采集参数与变深度缆一致。图11b、图11c为双船水平缆与变深度缆叠前时间偏移剖面对比，可看出两种采集方式没有明显差异，层位的波组特征比较一致。说明在中深层勘探中，变深度拖缆数据虽然采用了去鬼波的拓频处理，但由于地层对高频部分的衰减，同时对低频成分的拓展有限，信噪比的改善并不明显。图12为双船水平缆与变深度缆叠前时间偏移剖面平均频谱对比，也显示在中深层(双程旅行时为3.0～6.0s)双船变深度缆在低频和高频端均有一定拓展，但效果不太明显。除了以上原因，另外一个因素可能是变深度缆的缆深变化不大，相邻道的鬼波变化不明显，对鬼波压制效果造成一定的影响。张振波等[12]认为：宽频采集不等于在任何深度目的层都容易获得频带足够宽的数据，因此针对更深的目的层，宽频采集的最大意义在于有能力获得更多低频信号的能量，更有利于刻画中深部目的层的断层、基底以及内幕反射特征和主要的构造形态。需要注意的是，由于宽频地震资料的低频能量较强，导致地层内部阻抗差异小的地震反射成层性差，尤其是陆相沉积层的内幕反射结构，不利于沉积微相的解释和储层描述。因此宽频地震资料的使用需要继续研究和认识，如分频使用宽频地震资料[26]。

图12 双船水平缆(a)与双船变深度缆(b)叠前时间偏移剖面平均频谱对比(3.0～6.0s)

5 结论与建议

南海东沙上陆坡台地区存在浅层碳酸盐岩顶形成强波阻抗界面、层间多次波发育、中—深层反射能量快速衰减等地震地质问题，在海洋二维地震勘探技术方法上，结合双船拖缆双方位角勘探和宽频地震采集方式开展了实验。在野外采集阶段，因涉及到双船的实时船舶参考点、震源及检波点位置，需采用三维方法进行水下定位；在数据处理阶段，主要采用了单船变深度缆数据拓宽频带、双船数据合成处理技术。对比分析认为：

(1)从地震资料效果看，双船拖缆双方位角优于单船拖缆单方位角，宽频采集及处理方法优于常规二维地震方法；

(2)相对于单船拖缆地震，双船拖缆双方位角地震勘探采集观测系统一方面可形成双方位角照明，同时也增加了地下同一反射点的覆盖次数，在数据处理时试验采用合适的宽面元尺寸，使反射面元叠加次数均匀，避免混波效应，可在一定程度上提高反射信噪比；

(3)对于浅层探测，采用大容量宽频震源与变深度拖缆组合的宽频采集方式，综合处理阶段的去鬼波技术，可以拓展频带，反射信号的低频端和高频端同时得到补偿，因而浅层的分辨率得到较明显的提高；

(4)对于中—深层探测，特别是在上覆屏蔽层、界面存在剥蚀等不利于能量穿透条件下，中—深层反射信号的高频部分被快速衰减，宽频采集的主要贡献在于低频能量的拓展。从双船水平缆与变深度缆剖面对比来看，这种效果不太明显，仅在频谱对比上有所显示，除了地质因素，还可能与变深度缆沉放深度变化较小、鬼波压制效果不佳有关。

双船双方位角宽频采集方式观测系统相对复杂，同时双船拖缆施工受到海上不确定因素影响较大，对野外采集提出了更加苛刻的要求。如海况较差时，对双船间距与方位的准确把握就比较困难，可考虑在地震资料亟待改进的复杂区域尝试使用。