三源多纜高密度地震采集技術在中國海域水合物調查中的應用

李 斌，顧 元，黃福強，馮奇坤

（1. 中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海 201208；2. 同濟大學海洋與地球科學學院，上海 200092；3. 廣州海洋地質調查局，廣州 510075）

針對海域天然氣水合物的調查方法中，海洋地震調查是使用最多、最可靠的勘探技術[1]。Katzman（1994）利用海底高頻地震儀（HF-OBS）技術方法得到的單道及近道寬角海底地震反射剖面資料，對布萊克海嶺天然氣水合物BSR及其上下速度結構進行分析[2]。1997年印度利用GI槍組合震源技術，采用二維長排列與海底檢波（OBH）相結合的方法，在印度洋北部海域發現天然氣水合物。日本于1999、2000年在西南海槽、東南海槽進行了單源單纜、線距100 m的高分辨率地震調查，經過處理獲得三維地震數據體[3-4]。日本在Nankai海槽開展了高分辨率三維與海底高頻地震聯合采集，進行多道地震數據與OBS數據聯合分析，圈定日本海海槽天然氣水合物范圍。英國BP公司2004年在新Hebrides海槽與澳大利亞東部之間的Fairway盆地，采集3.3 km長電纜記錄和海底地震檢波器記錄的高分辨率地震數據，得到天然氣水合物BSR特征[5]。

中國地質調查局廣州海洋地質調查局于1999年利用多道高分辨率地震勘探技術，在南海海域發現了天然氣水合物存在的各項重要標志，并分析了水合物形成條件和分布特征[6]。從2001年開始進行天然氣水合物的地震調查方法研究，通過大量的試驗認為南海北部陸坡水合物地震勘探最有利頻帶為10～120 Hz，主頻40～70 Hz，相應的震源和電纜沉放深度為5 m和6 m的組合最為合適[7]。2005～2006年廣州海洋地質調查局采用單源單纜、線距75 m的三維地震勘探技術，在南海北部東沙和神狐海域，進行了地震調查（采集參數見表1），為井位優選提供了豐富的地球物理信息，無論是BSR、振幅空白帶還是BSR下的增強反射都得到比二維資料更清晰的反映[8]。其后廣州海洋地質調查局采用單源單纜高分辨率三維地震和高頻海底地震儀進行了聯合采集[9]。

表 1 單源單纜三維地震采集參數Table 1 3D seismic acquisition parameters of single-source and single-cable

隨著水合物研究的不斷深入，二維或稀疏三維地震調查技術已不能滿足對水合物礦體精細刻畫、確定鉆探井位的需求，需要采用更小面元尺寸的高密度高分辨率三維地震采集技術。

本文介紹了在中國海域針對水合物調查首次采用的三源多纜三維地震采集技術，它的技術特點是：小面元、高覆蓋、高密度、高分辨率，其三維疊前深度偏移處理結果信噪比、分辨率、成像效果較以往資料有了非常大的提高，為研究區水合物礦體研究奠定了基礎。

1 研究區天然氣水合物賦存特征

研究區海域水深變化很大，從幾百米到上千米不等，海底地形起伏大，主要發育海丘、海谷、沖蝕溝、反坡向臺坎，以及海底溝槽等地貌類型。研究區地層總體表現為典型的斷陷裂谷和坳陷沉降雙層結構，地層結構復雜。

研究區水合物賦存分為塊狀、層狀、離散狀三種類型：塊狀水合物埋深一般較深，主要分布在海床下100～200 m，厚度較厚（厚度主要集中于30～60 m），飽和度超過30%；層狀水合物厚度也較大，單層厚度多在10 m以上，飽和度多在20%以上；離散狀水合物分布廣泛，具有單層厚度小（基本上不到10 m），飽和度小的特點（多數飽和度不到25%）。層狀和離散水合物孔隙度值差異不明顯的特點，體現出縱向上厚-薄的變化特點。總體而言，水合物礦體外形不規則，分布范圍不均勻。與水合物賦存相關的淺部地層可以劃分三個主要反射界面，對應晚中新世以來的三個地震層序[10]。

本次調查的目的是為了確定天然氣水合物分布范圍、厚度，預測水合物層的孔隙度及飽和度，實現對水合物礦體精細刻畫，提出上鉆井位。同時為了弄清水合物氣體來源，需要查明水合物下部、中深部地層的結構、斷層、裂縫等分布情況。

2 采集方案

在采集參數選取上，既要考慮淺部天然氣水合物刻畫及其物性預測的需求，又要兼顧中深部地層地質特征研究需要。

2.1 觀測系統

根據研究區水合物儲層特點，建立了三維地球物理模型。在模型的基礎上開展觀測系統優化分析，主要是滿足橫向分辨率的面元尺寸。

面元大小是水合物三維地震調查技術關鍵內容之一，主要考慮以下三種因素。

（1） 水合物目標尺寸：面元邊長=目標尺度/3。

（2）最高無混疊頻率：每個傾斜同相軸都有一個偏移前可能的最高無混疊頻率，高于這個值的頻率在偏移前產生混疊現象，只有低于這個值的頻率才能保持同相軸的真實傾角。計算公式為：b≤Vint/(4×fmax×sinθ)（b為面元尺寸，Vint為反射層層速度，fmax為最大有效波頻率，θ為地層傾角）。研究區水合物調查中最大頻率取值120～150 Hz，地層傾角取值范圍0°～15°。為了獲得更高的分辨率，將計算頻率取150 Hz，地層傾角取15°，層速度取2 200 m/s，計算得到的面元邊長為14.1 m。

（3）橫向分辨率：b=Vint/2Fdom（b為面元邊長，Vint為層速度，Fdom為優勢頻率）。根據水合物地震調查特點，最大頻率取120 Hz，Fdom取60 Hz，Vint取值范圍2 200～3 000 m/s，計算的面元邊長為15～25 m。

綜合考慮水合物目標體大小、最高無混疊頻率和橫向分辨率等因素，面元大小需為6.25 m×12.5 m。

考慮到安全操作，海上三維拖纜地震采集的電纜間距一般為75～100 m，常規雙源多纜地震采集的面元為6.25 m×25m（或18.75 m），無法滿足上述小面元尺寸要求。雙源激發條件下，減小電纜間距至50 m，可以得到6.25 m×12.5 m小面元，但陡增了野外作業的安全風險。在保持電纜安全間距75 m情況下，增加震源數也可減小地下采集面元尺寸。結合地震作業裝備情況，確定采用三源十二纜技術進行地震資料采集：電纜間距75 m，震源數3，震源間距25 m，震源容量1 160 CI。

結合前文所述，震源與電纜沉放深度為5 m、6 m的組合可滿足高分辨率要求，因此本次三維采集也選擇了該沉放深度組合。為了兼顧中深層研究，電纜長度選擇了5 100 m。為了提高覆蓋次數，炮間距為12.5 m，并采用連續記錄方式，覆蓋次數達到68次。具體采集參數見表2。

表 2 高分辨率高密度三維地震采集參數Table 2 Acquisition parameters of high-resolution and high-density 3D seismic

2.2 氣槍震源

根據水合物礦體賦存特點和勘探目的，結合以往水合物調查經驗，本次調查設計了1 160 CI的組合震源，氣槍采用G槍，由兩排槍陣組成（圖1），沉放深度5 m，壓力2 000 psi。從震源遠場子波（圖2）和子波頻譜（圖3）可知，震源主峰值為39.5 bar·m（1 bar=0.1 MPa），峰峰值為80.5 bar·m，初泡比為32；-6 dB時低截頻為7 Hz，高截頻達118 Hz，頻寬為111 Hz；-20 dB時低截頻為4 Hz，高截頻高達143 Hz，頻寬達139 Hz。震源性能完全達到高分辨率地震調查的技術要求。

相對于以往開展水合物勘探的三維地震采集技術，本次三源多纜三維采集技術具有覆蓋次數高、面元小、槍陣能量大、頻帶寬等特點。

圖 1 1 160 CI震源配置圖Fig. 1 1 160 CI air gun schematic diagram

圖 2 1 160 CI震源遠場子波Fig. 2 Far field wavelet of 1 160 CI source

圖 3 1 160 CI震源遠場子波頻譜Fig. 3 Spectrum of the far field wavelet

2.3 現場施工

采集中采用3源12纜作業方案，拖帶方案見圖4。三個震源各由兩排槍陣組成，兩個槍陣之間距離為10 m；三個震源中心點距離為25 m。記錄系統為SEAL428，電纜采用SERCEL的Sentinel固體電纜，電纜間距為75 m。電纜上安裝5011E-2型水鳥、橫向控制鳥（DigiFIN），7500水速記錄儀、CTX、CMX、尾標RGPS等聲學定位設備，組成全聲學網絡，用以精準確定每一道的位置。槍控采用新加坡SEAMAP公司生產的GUNLINK-4000數字氣槍控制器，精度達到0.1 ms。導航系統采用星站差分C-NAVGPS雙頻RTG接收機為主導航（設備定位精度優于15 cm），以ION公司開發的ORCA軟件為綜合導航系統。施工過程中進行同步測深，并收集施工期間的潮位數據。

圖 4 三維施工拖帶方案圖Fig. 4 Towing system layout of 3D seismic survey

本次采集為三個震源，按照國際三維作業慣例，保證在后續處理和解釋時方便對應激發震源編號和炮號，采用正向施工順序激發震源，反向施工逆序激發震源，并鎖定震源編號和炮號的方式進行震源激發：即正向施工（炮號增加）時，震源激發順序為1-2-3（右-中-左），反向施工（炮號遞減）時，震源激發順序為3-2-1（左-中-右）。

3 采集效果分析

對采集的單炮記錄（圖5）進行了分時窗的頻譜分析。單炮淺層高頻可達108 Hz，隨著深度加深，高頻成分有所衰減，頻帶變窄，單炮深層高頻仍可達100 Hz左右。整體來說，資料頻率較高，有效信號的頻帶較寬，分辨率高。

圖 5 單炮記錄與分時窗頻譜分析Fig. 5 A shot record and its spectrum

圖 6 單炮信噪比分析Fig. 6 A shot record and SNR analysis

對單炮記錄（圖6）從淺至深分5個時窗進行信噪比分析，資料淺層的信噪比非常高，但隨深度增加信噪比迅速降低。總體資料信噪比仍屬較高。

通過對原始資料分析，具有如下特點：

（1）資料品質較好，信噪比較高、頻帶相對較寬；

（2）單炮能量比較均勻，與海底深度變化相關性強，能量衰減比較快；

（3）從淺至深高頻成分有所衰減，信噪比降低明顯；

（4）資料整體上存在低頻背景噪聲、涌浪噪聲、線性噪聲等干擾；

（5）海底面較深，海底構造變化較大，自由表面多次波非常發育。

由于本次是采用高分辨率、高密度采集技術獲取的三維地震數據，為了更好地刻畫水合物礦體，資料處理以“高分辨率、高信噪比、高保真及精細化處理”為思路，采用保幅去噪、虛反射壓制、組合去多次波、采集腳印消除及多輪精細速度分析，取得高信噪比數據和高精度速度模型，并引入Q的深度域速度場，最終成像質量得到較大提升，構造形態更加合理，大斷裂成像也更清晰，氣云區下的成像能量得以恢復，下拉現象得以較好地改善，水合物礦體邊界清晰（圖7）。

利用處理后三維數據體進行波阻抗反演，結合測井數據，能夠很好地將水合物頂底反射面進行識別（圖8）。

圖 7 最終處理PSDM成果剖面Fig. 7 A profile of PSDM data

圖 8 海底拉平水合物礦體刻畫（波阻抗數據體）Fig. 8 Gas hydrates characterization with flattened seabed（inverted wave impedance data）

4 結語

由于天然氣水合物具有埋藏淺、橫向變化快的特點，對水合物礦體的精細刻畫及物性預測，需要采用小面元三維地震調查技術。針對水合物調查，國內海域首次采用三源多纜的高密度、高分辨率三維地震采集技術獲得了高質量地震資料，面元達到6.25 m×12.5 m，震源與電纜沉放深度為5 m、6 m組合，分辨率較以往資料有了非常大的提高。