P-Cable 高分辨率三维地震采集系统的技术分析

周大森，曾宪军*，杨 册，翟继锋

（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 510075）

海洋地震调查是勘探海洋能源的有效技术手段。早期的海洋地震勘探是通过二维地震进行某一剖面的勘查，后来发展到利用三维地震勘探获取地质体信息。随着海洋地震勘探技术的进一步发展，为准确圈定矿体和估算储量，优选钻探目标，高分辨率三维地震勘探逐步成为主要技术手段。

P-Cable 高分辨率三维地震采集系统是近年来发展起来的一种新的高分辨率三维地震勘探技术，由于其电缆形状而得名，它具有成本低、易于部署的特点，可提供近偏移距数据，具有非常高的采样率[1]。相比常规的高分辨率三维地震采集技术，P-Cable 高分辨率三维地震采集系统不仅可以极大降低勘探生产所需要的成本，而且显著地提高了采集数据的分辨率，获得了相比常规三维地震数据精细得多的成像结果（图1）。

图1 在巴伦支海西南部采集的P-Cable 型缆和常规三维地震数据对比图

P-Cable 高分辨率三维海洋采集系统采用高频震源、极高的采样率和极小的面元进行三维地震采集[2]。P-Cable 采集系统适合小范围，如50 km2范围内对海底地形进行高分辨率成像，该地震采集关键性研究技术主要包括短排列、小道间距、窄缆间距、多缆三维地震采集系统，以及综合导航定位、定位资料后处理等配套系统，还包括进行深水小道间距、窄电缆间距地震采集施工的方法和流程的技术研究。

在高分辨率地震探测方面，我国已开展“近海工程高分辨率多道浅地层探测技术”“深水高分辨率浅地层探测技术”和“深水高精度地震勘探技术”等高分辨率多道地震探测技术研发，打破了国外垄断。2020 年，广州海洋地质调查局在神狐海域进行了“耙缆”三维地震采集，该技术通过一条长缆和多条短缆的组合来实现超小面元的地震勘探，通过使用高频（主频100～150 Hz）震源来实现高分辨率地震勘探，取得了良好的效果[3]。但国内大部分三维地震探测装备和技术依赖进口，拖缆间距、道间距受到限制，无法满足高精度探测要求[4-6]。

P-Cable 高分辨率三维海洋采集系统于2003 年获得专利，并于2008 年商业化。美国、挪威等国家对该系统研发较为全面、成熟。国内研发正处于起步阶段，尚无相关应用报道。P-Cable 三维地震采集技术在工程作业上成本相对较低，具有很高的性价比，目前已成功应用于世界各地的许多海洋地质调查中，能够提供较传统高分辨大型拖缆更加清晰的地质资料，尤其在判断局部关键的地质问题和小范围勘探但对精度要求很高的场合，如水合物的地质成像分析[7]，浅层气的运移和地质风险评估[8]，分析板块运动的微小变化[9]，展现出非常独到的优势。P-Cable 系统最大的缺点在于其拖缆比较短，因此偏移距短，利用P-Cable 系统采集的数据无法通过速度分析获得速度结构。而速度信息不仅是数据处理、数据成像中非常重要的参数，而且速度信息本身也是水合物储层非常重要的参数[3]。本文将结合国外一些实际案例应用来介绍P-Cable 三维地震勘探系统及其在海洋浅层勘探中的技术优势，并阐述该系统在国内的应用前景。

1 P-Cable 高分辨率三维采集系统

P-Cable 三维采集系统主要由一系列地震短电缆拖拽在科考船的尾部，进行多缆的三维地震数据采集。该系统主要包括船上设备系统和水下设备系统，总体结构如图2 所示。船上设备系统包括数据采集主控系统、数据实时存储与显示系统、拖缆供电系统等。水下设备系统包括前导段、小道距工作段电缆、数字包、辅助段、拖带系统等。与地震采集系统相匹配的其他设备包括综合导航系统、气枪控制系统、水鸟控制系统和震源系统等。

图2 高分辨率三维地震P-cable 系统结构图

船上设备系统由室内采集记录系统和实时记录软件组成。记录系统包括主计算机、数据采集卡、上位机采集软件和质量控制软件。船上设备系统的功能主要是通过上位机控制水下设备工作，包括控制震源（高压气枪）点火放炮，向拖缆系统工作段发送同步命令信号，控制地震信号的采集和传输，并将水下采集的数据进行处理分析，把得到的结果存储并显示在显示系统上。

水下设备系统由水下电缆系统和震源系统组成。电缆数字包采用模数转换，每个可控制24 通道，采样率按0.25 ms、0.5 ms、1 ms、2 ms 和4 ms，动态范围大于115 dB。电缆水听器接收的地震信号经过调理和A/D 转换后由数字包里现场可编程逻辑门阵列（Field Progammable Gate Array，FPGA） 采集模块采集，缓存后根据指令再由FPGA 传输模块上传到上一级数字包、电缆头包，最后经过前导段到主机采集卡，由上位机采集软件记录到存储介质。水下系统中震源（高压气枪）通过接收船上震源控制系统命令进行点火放炮，拖缆系统工作段按照船上系统下传的控制和命令同步信号，由水听器阵列采集经海底反射回来的地震波信号，经过数字包进行信号处理后逐级上传，最终上传至船上采集系统。

水下电缆系统主要由多条长度为12.5～100 m 短电缆组成，每条电缆有8～16 个信道，道间距为1.525～6.5 m。电缆由跨接电缆牵引在两个扩展器之间，由两侧的扩展器提供张力，电缆的头部固定在跨接电缆上（图2），由电缆顶部的转发模块和集总模块相连，形成电缆间的命令和数据传输结构，每条探测电缆由数字包前后串联组成。跨接电缆为短电缆提供动力和通讯，并避免了直接从地震船拖动所有拖缆[10]（当拖缆数量巨大或者地震船比较小的时候）。震源由高频震源组成，深度约2 m，采集船速约为4.5 kn，激发间隔为3～6 s，炮间距6～12 m。

P-Cable 三维采集系统的主要技术特点及优势在于：（1）震源频率高，主频较高（达到150 Hz 以上），提高了垂向分辨率；（2）超短排列，小道间距，窄缆间距，从而实现了超小面元的地震勘探，提高了横向分辨率；（3）能够实现海底浅部沉积层的高分辨率地震勘探；（4）施工成本较低，性价比高。因此，P-Cable 三维采集技术是一项具有较强创新性的高分辨率地震勘探采集技术。

2 P-Cable 系统的应用

P-Cable 高分辨率三维地震采集系统可实现超高分辨率地震成像，主要针对海底小目标体进行详细三维地震结构调查，以描述地表流体（天然气烟囱）、浅层地质和天然气水合物储层等地质特征[7]。其应用包括近浅层地质灾害识别[11]、冰山犁痕成像研究[2]、浅层天然气水合物的运移与识别等多种目标。利用P-Cable 地震采集系统可以获得超高分辨率三维数据。下面根据国外实际的案例来分析P-Cable 三维地震系统的技术特点和实际应用能力。

2.1 浅层地质灾害识别

传统的三维地震数据由于其有限的时空分辨率，无法对水合物、浅气层进行详细的成像和解析。P-Cable 高分辨率地震技术可更好地用于绘制浅层地质图，并预防浅层地质灾害。它的时间和空间分辨率远远超过传统的三维地震分辨率。

2014 年，美国NCS Subsea 公司在墨西哥湾大陆坡中坡附近进行了P-Cable 系统三维地震采集[2]。墨西哥湾大陆坡中坡附近具有复杂的地质和海洋学特征，其特点是坡内盆地被底辟和板状盐层切断[12-14]。在墨西哥湾斜坡上的这一地区，有许多油气渗漏、泥丘和天然气水合物赋存[15-18]。此外，该地区在海洋学上受到墨西哥湾环流和相关中尺度涡流的影响[19]。

此次采用的P-Cable 系统使用18 条100 m 长的拖缆，拖缆道间距为6.25 m，拖缆间距为12.5 m，沉放深度为2 m。数据采集的面元尺寸为3.125 m×6.25 m。震源为0.003 44 m3的GI 枪，炮点间距为12.5 m[2]。记录系统的采样率为0.25 ms，记录长度为4.5 s。气枪控制系统记录震源的近场信号，以监测枪的状态，确保枪的性能和可重复性。同时还收集了远场信号，以便对数据进行特定处理。

图3 为P-Cable 系统采集的墨西哥湾大陆坡中坡附近的地震数据剖面图，该图是一个透视切面图，表明了数据在时间切片和剖面图中的特征，并对特别相关的极细尺度特征进行了放大。时间切片的中心可以看到细微的断层和褶皱，并有多个排出特征。特别值得注意的是循环气体异常，这通常被认为是天然气水合物丘的游离气[8]。图3 中放大的图框显示了P-Cable 系统采集数据具有很好的空间和垂向分辨率。图3（c）显示了宽度37.5 m 的断层和位移块（内线），有限层厚度为1.5～3.0 m（假设速度为1 600 m/s）。图3（b）突出了气体沿着横贯海底的断层运移。可见气体异常的底部跨度约为15.6 m。图4 显示了在海底附近记录的细节，从多个尺度揭示了海底地貌的各个方面，与盐有关的水深高/低点、复合体物质搬运、裂缝、断层陡崖、土丘/排出特征和麻坑都清晰可见[2]。

图3 P-Cable 三维地震获得的浅地层数据

图4 P-Cable 三维地震记录的海底附近细节

2.2 冰山犁痕成像研究

冰山犁痕是全世界所有冰川大陆边缘普遍存在的特征，它们是由冰山龙骨冲刷沉积的海底而形成的[20]。它们有各种大小和形状，通常表现为线性或曲线的几何形状。巴伦支海是一个宽广的大陆架，水深小于500 m。海底以浅滩和过深的跨陆架槽为主，以熊岛槽最为突出。在过去的几十年里，在侏罗纪砂岩中发现的几处商业性油气使西南巴伦支海成了一个油气勘探活跃的地区[21]。西南巴伦支海同时也是一个典型的冰川边缘地形，它的海底在其他冰川地貌中显示出许多犁痕[22]。

2014 年，挪威火山盆地研究中心在西南巴伦支海利用P-Cable 系统采集了高分辨率三维地震数据，此次作业使用16 条25 m 长的短电缆，每条电缆有8 个检波器，缆间距为12.5 m，这16 条电缆连接在一条弯曲的交叉电缆上，震源为0.003 44 m3的气枪，震源深度2.5 m，采样间隔0.5 ms，记录长度为2 s，面元大小为6.25 m×4.75 m[23]，共采集了约200 km2的地震数据。

在此次作业中，P-Cable 三维地震数据的海底最大频率为325 Hz，第四系沉积物包底部的最大频率为300 Hz。对比常规二维地震数据和P-Cable 三维地震数据，可以看到P-Cable 三维地震数据显著提高了冰内层的成像精度，具有超高分辨率。海床和上部区域不均匀性都可以在这两个数据中得到解释，但冰川不整合面之下的多边形断层及冰川内部（比如顶部冰碛及大量与之有关的搬运堆积物）的内反射只能在P-Cable 三维地震数据中得到识别。冰川内沉积物组主要是一个弱的、不连续的正振幅反射，映射到深度440～500 m（590～670 ms）（图5）。该反射被高达40 m 的地震透反射层所掩盖。冰碛的内部几何结构以一个透声单元为特征，偶尔被急剧倾斜的连续正振幅反射中断[24]。从P-Cable 地震数据解释的冰川不整合形态非常详细，可以识别出米级的冰川地貌，如犁型特征和菱形脊等。PCable 三维地震数据在上部区域不均匀性深度上，可以解释小到1.5 m 的垂直结构，该精度比常规三维地震数据高5 倍。常规三维地震数据无法解释水平分辨率小于12 m 的地质构造，而P-Cable 三维地震数据的水平分辨率可以达到5～6 m（图6）。这样的水平分辨率与多波束测深探测仪分辨率相当[25]，利用高分辨率P-Cable 地震数据，可以在浅层地层中获得多波束海底成像相当的效果。因此，我们可以对浅层地貌进行高质量的成像，其效果可媲美GoogleEarth 上的景观成像（图6（c））。

图5 研究区不同采集技术地震资料垂向分辨率比较

图6 用不同技术获取的热熔岩构造（文献[25]）

2.3 浅层天然气水合物的运移与识别

挪威大陆边缘海底蕴藏着大量深部和浅部天然气。流体和天然气不断地从这些储层运移到海底。在一些地区，垂直管道和海底麻坑提供了过去天然气运移的证据，在其他地区，这些构造仍然活跃[26]。维斯特内萨洋脊是位于斯瓦尔巴特群岛西部弗拉姆海峡莫洛伊洋脊东部扩张段的年轻热洋壳上的一个沉积物漂流体[27-29]，洋脊上覆盖有超过2 km 厚的沉积物，这些沉积物是由晚中新世和上新世期间盛行的向北的等高线洋流沉积而成的[30]。在维斯特内萨洋脊存在天然气水合物，这与浅层天然气成藏有关，因为天然气水合物的形成降低了沉积物的渗透性，导致了下面的天然气明显超压。浅层天然气和天然气水合物都具有潜在的危害，在设计和建造海底设施或钻探深层天然气水合物时，有关其分布的信息至关重要。

2007 年，挪威特罗姆瑟大学在维斯特内萨洋脊进行了P-Cable 三维地震采集，工区水深为1 200～1 300 m，使用8～12 条短缆，采集面积为23 km2。震源为0.003 44 m3的GI 枪，以4 kn 的船速，每10 s 放一炮，炮间距约为20 m[7]。

从P-Cable 三维地震采集数据中可以看到斯瓦尔巴德群岛西部边缘的层状沉积层（图7）被许多垂直管道或者气烟囱结构穿透，在海床上形成麻坑，这些麻坑代表着聚集的流体流动特征[31-33]。通过分析工区地震属性，在海底之下160～170 m，存在似海底反射层[34]，分布在天然气水合物稳定带的预测深度上，天然气水合物沉积层其上的高振幅反射代表了游离气聚集层。巴伦支海的P-Cable地震数据表明，该技术能够提供浅层天然气和流体运移构造的高分辨率成像。浅层地层的成像质量非常高，与高分辨率二维地震数据相当，甚至更好，同时具有三维构造控制的优势。这些数据有助于绘制浅层地质灾害和油气成藏图，并有助于了解沉积物中温室气体泄漏的过程和影响。

图7 来自维斯特内萨的P-Cable 三维地震数据（文献[33]）

2.4 P-Cable 系统在国内的应用前景

目前，P-Cable 三维采集系统在国外海洋地质调查中已经得到了广泛的应用，在海洋浅层勘探方面取得了良好的效果，但是国内还没有P-Cable 三维采集系统的相关产品及应用。结合国内的实际情况，P-Cable 系统将具有广泛的应用前景，例如水合物的精细成像分析，浅层气的地质风险评估，风场、桥梁等海底地基基础勘察，深水（钻井平台）井场调查等方面。P-Cable 系统的技术优势及这些应用领域预示着，该项技术今后在国内会有比较广泛的市场需求。这项技术能够逐步替代传统的二维多道地震的勘探方法，可以获得资料更加完整细致的小三维数据体。在对施工成本要求非常苛刻的项目里，相比传统三维采集，可以大幅度降低采集施工的作业成本。目前，广州海洋地质调查局联合多家单位正在攻关研制P-Cable 三维地震探测系统，以实现相关关键技术装备的国产化，加快我国天然气水合物产业化进程。如在天然气水合物三维地震采集中获得成功，将取得创新性的应用效果。

3 结 论

本文对P-Cable 高分辨率三维地震采集系统进行了研究，首先介绍了该系统的发展现状和工作原理，分析了其技术优势和创新性，并用浅层地质灾害识别、冰山犁痕成像研究和浅层天然气水合物的运移与识别3 个方面的实际案例证明了P-Cable 高分辨率三维地震采集系统在超高分辨率方面强大的实际应用能力。P-Cable 系统之所以能有这样的技术优势，主要原因在于应用超短排列、小道间距、窄缆间距的采集方式实现了超小面元的地震勘探，提高了横向分辨率，且应用较高的震源频率提高了垂向分辨率，施工成本也得以明显降低，从而以一种相对低成本高效的方式实现了超高分辨率三维地震数据采集，是一项具有较强创新性的高分辨率地震勘探采集技术。该系统具有独特的拖带方式及享有专利的特殊设备和电缆，具体配置的缆长跟设计的横向距离有关，独特的拖带方式和电缆配置是实现超小横向间距的关键保障，横向距离越大，拖缆长度可以配置得越长，反之亦然。对于P-Cable 系统存在的电缆长度较短、采集数据无法进行速度分析的问题还有待解决。我们或许可以参考耙缆三维地震采集技术，用一条长拖缆和多条短拖缆来采集地震数据，其中长缆采集的数据可以进行速度分析、速度反演和数据插值。

总的来说，相对于常规高分辨率三维地震勘探，P-Cable 三维地震勘探不仅成本大大降低，并且分辨率有了质的飞跃，特别适用于天然气水合物、浅层地质灾害识别、断层活动等浅层目标的精细调查，有利于不同海域的天然气水合物详细勘查、大洋钻探井位的选取和井位钻探时间的评估。