海上独立同步震源采集技术应用及进展

李士涛，张 笑，于 宁，刘建为，王梦瑶

(1.东方地球物理勘探有限责任公司 海洋物探分公司，天津 300457；2.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034；3.东方地球物理勘探有限责任公司 大庆物探二公司，吉林 松原 138000)

1 引 言

混合采集模式的概念最早应用于陆地地震采集，具有代表性的采集方法为滑动扫描[1](Slip-sweep)、高保真可控震源采集[2](HFVS, High Fidelity Vibratory Seismic Method)、分距同步震源模式(DSSS)等。其中，分距同步震源模式(DSSS，Distance-separated Simultaneous Sources)在陆地勘探中得到了广泛的应用，其要求同步震源激发距离足够大，以保证目的层的有效反射信号不被邻炮干扰信号压制。该技术的应用需要很大的排列扩展距离，以达到距离分离的效果。并且，为了保持炮点的同步激发性，要求震源和记录系统精确匹配。

相比陆地可控震源，海上气枪震源受缺乏子波整形的能力，以及冗余的震源激发需要保持一定的船速，海上震源船成本等限制因素[3]，导致海上气枪震源高效混采技术发展相对较晚。随着海洋节点设备连续采集性能的不断推广和应用，海上混合高效采集技术得到了迅猛发展。BP石油公司于2006年引入更为灵活的独立同步震源(ISS，Independent Simultaneous Source)采集技术，采用多个震源在很小的时间间隔内独立激发，能成功地以较低的采集成本获得高品质的地震数据[4]。2009年BP公司推动该技术由陆地向海上采集的转变，在墨西哥海域进行了成功试验[5,6]，后期于2017年在印度尼西亚水域完成了首例世界超大规模海底节点采集(OBN，Ocean Bottom Node)项目，推动了海底节点地震采集生产效率的提高和获得高品质采集数据方法的革新[7,8]。

相对于传统的采集模式，该技术的应用不仅能够获得较高的覆盖次数和宽方位的地震数据，更为重要的是能够大大地提高采集效率，减少勘探成本的投入，缩短施工周期，最小化野外作业安全风险[9]。

2 同步震源(混合)采集原理

混合采集数据可以表述为一个线性矩阵方程式[8,10,11]

d=Γm

(1)

其中，d为连续道集记录混采数据;m为所期望分离的有效信号;Γ为混叠算子;描述炮点激发的时间和位置信息。

同步震源激发采集数据的分离处理，被广泛认为是处理技术的一大挑战。通过混叠分离处理将不同激发源产生的混叠信号相互分开，形成无邻炮干扰的炮检道集。目前可使用的基于去噪和基于稀疏反演的两类混采数据分离方法，都是利用数据在某种域内有效信号的连续性与混叠噪声的随机分布特征。传统的相干噪声衰减方法分离干扰炮是可以接受的。但相对而言，稀疏反演方法采用在共检波点道集上压制干扰炮噪声，取得的分离效果相对较好[12,13]。首先通过傅里叶变换来提取相干信号，然后利用主炮相干信号预测邻炮干扰，并从原始数据中减去，通过残差不断迭代，最终实现高质量的数据分离。并且当地震数据采集混叠度较高时，更有利于有效信号的分离和提取[14,15]。分离后的地震数据，即可采用常规的处理流程。

由于混采数据样点数远少于有效信号样点数，该方程式的问题是欠定的。加以额外限制约束以获得唯一解，Abma提出相干限制方程式[12,13]即,

d=ΓSm

(2)

其中，S为相干限制因子，其假设分离的有效信号与邻道具有相干性。m有效信号在FK域(Frequency Wave Number Domian)表现为相似频率特征，随机干扰炮噪声表现为分散性，利用这种差异可以在FK域采用稀疏反演法进行噪声衰减。

3 独立同步震源(ISS)

ISS高效采集技术是一种降低成本、提高地震采集数据质量的方法，在炮点单独激发、检波点持续记录的方式下进行地震数据采集。ISS高效采集无疑是海上节点地震高效采集较优化的方案，其两大关键影响因素为炮点激发的随机延迟时间(Δt，Dither Time)与炮点空间分布的最小激发距离。该参数能够保证炮点激发充足的自然随机性和混叠程度，也是后续地震数据处理分离的关键。

3.1 随机延迟时间(Dither Time)

海上震源船施工以导航系统基于点位信息进行炮点激发,激发时间因船速的实时变化的影响而具有自然的随机性。然而，随机延迟时间的应用确保了多船作业震源激发的随机性，有利于进一步的减少地震干扰的影响。该数值随机分布在一个±250 ms(或±500 ms)时窗内(图1)，该范围决定了最大独立震源数的投入，每一炮的激发时间=炮点间距/船速±250 ms。因此，在共检波点道集上实际激发炮点有效波是相干性的，邻炮地震干扰在一定程度上被认为是随机的。随机延迟时间参数是后期炮点分离的关键因素，使数据在不同域转换中显示出了差异性，能有效地进行地震干扰信号的分离与衰减。

3.2 最小激发距离

震源空间激发分布的随机性也是ISS高效采集的关键因素，最小激发距离能够使记录的混叠数据具有较大的能量差异性，有利于后期数据的分离处理。

4 野外采集

4.1 观测系统设计

本次采集的观测系统的设计原则如下：

1)最大限度地减少噪声混合与提高采集效率。观测系统的设计在高效混合采集模式下起到决定性的作用[16]。受观测系统本身和采集设备投入成本的限制，较大的最小距离很难实现海上混采高效采集的目的。

2)确保排列持续滚动、数据采集无间断进行。通过综合分析不同同步激发距离的分离后炮检点道集与频谱的保真度、残差均方根振幅的差异，确定ISS采集技术适用最小震源间距。

按这些原则确定了如图2所示的观测系统，节点接收排列长度为9 000 m，炮线长度为21 000 m，检波线与炮线间隔分别为300 m和50 m。接收排列采用20条滚动1条的方式进行，并且额外铺设5根排列，确保排列持续滚动、数据采集无间断进行。确定最小震源间距为6 km[17]。该方案在阿联酋某海域地震采集中成功实施。

图2 同步震源采集方式示意图

4.2 震源船施工

采用2条单源震源船+1条双源震源船配合激发，相互间保持6 000 m以上最小激发距离。整体施工以双源船激发采集为主(Flip-Flop,12.5 m/每炮)，单震源船为辅。采用“追逐” 放炮方式，达到施工效率最大化。图3为不同震源船炮点激发间隔时间分布图，Δt的引入明显减少了炮点激发时间的随机性。

图3 炮点激发时间间隔统计

4.3 效率对比

与以往常规的采集效率相比，本次ISS高效采集的效率约为其的2.5倍(图4)。常规采集方式受炮点间距、记录长度等因素的制约而导致船速存在上限，因此24小时单位时间内的炮数产量也存在上限。ISS高效采集效率与海上采集设备投入的多少有关，并且项目运作前期需对成本投入和效率测算进行平衡评估，以确定最优化的海上采集资源配置方案。

图4 ISS高效采集与常规采集效率对比

5 最新技术进展

5.1 进展介绍

以周期性的Dither Time替代随机延迟时间，以模型数据为基础利用地震数据空间频带宽度的限制将混叠数据在频率波数域(FK domain, Frequency-Wave Number Domain)进行分离，该技术称为波场信号呈现(Wavefield Signal Apparition)。其采用拖缆三源激发模式在挪威北海试验成功[18,19]。在设计的炮点上三个震源同时激发，每个震源激发的随机延迟时间Δt≤0.020 s(20 ms)(图5)。

图5 北海拖缆Signal Apparition采集试验观测系统

相对于传统的双源、三源交替放炮模式而言，该技术有效地增加了在单位时间、面积内采集的炮密度。由Statoil(Equinor)最初研究并应用，后期美孚、康菲公司、Wintershall Norge AS陆续研究。Viking Graben Dataset and SEAM Open Data、CGG挪威、Shearwater等数据处理公司先后对采集的数据进行处理。

5.2 原理

波场信号呈现技术采用混叠数据分离原理[20,22]，假定第一震源沿着直线均匀采样产生波场g，第二震源也以固定激发方式沿着第二条直线方向产生波场h，同一检波点位置波场干扰记录的总和为f=g+h。图6为传统采集为信号呈现方式采集原理的示意图。通过时空傅里叶变换，在频率波数域(Frequency-Wave Number Domain，FK域)记录的混叠数据以F=G+H表示，在FK域所有信号能量位于信号锥内(图6a)。H部分分为2个部分，H=H++H-，H-为已知，并与尼奎斯特波数相区分，H为标尺函数，通过选择频率函数A(ω)得到转换的波场H，G=F-H。通过反傅里叶变换，在时空域(XT域, Time Distance Domain, XT domain)将波场g和h进行分离。

图6 FK域波场信号数据集 [19]

5.3 实例

图7为波场信号呈现技术数据分离示例。其中，图7(a),图7(d)为XT和FK域混叠数据，图7(b),图7(c),图7(e)和图7(f)为模拟的不同炮点采集数据及相应的FK域数据，图7(g), 图7(h),图7(j)和图7(k)为混叠数据在FK域成功分离后的结果。从图7可以看出，混叠数据在FK域数据差异明显，通过数据分离可以获得清晰的成像资料。

(a)为XT域采集混叠数据；(d)为FK域混叠数据；(b)&(e)为模拟的第一震源在XT域和FK域数据；(c)&(f)为模拟的第二震源在在XT域和FK域数据；(g)&(h)为分离的第一震源在XT域和FK域数据；(j)&(k)为分离的第二震源在XT域和FK域数据；(i)为第一震源分离误差；(l)为第二震源分离误差

6 结 论

独立同步震源技术(ISS)的发展和应用，推动了海洋勘探高效率、低成本的进程，具有里程碑的意义。其投入的设备、人员数较常规采集方式略大，但取得的效果却有显著的差异，为常规采集效率的2～3倍，大大地缩短了海上勘探的周期，也意味着在很大程度上降低了海上高风险作业的暴露时间。通过本次研究得出以下结论：

1)随机延迟时间和最小激发距离是ISS高效采集技术的关键因素，决定了后期混叠数据分离的效果。

2)观测系统的设计不仅决定了后期采集资料的品质和分离效果，而且也是海上勘探资源配置方案的重要参考依据，以实现低成本、高效率的采集。

3)稀疏反演方法在分离混叠数据方面得到了很好的应用，且当混叠度较高时，更有利于有效信号的分离和提取。

4)波场信号呈现采集技术进一步推进了同步震源采集方法的革新。