近場數據在海洋地震采集現場質控中的應用及效果

石孟常, 李慧龍, 韓佳琛, 王廣浩, 吳 超

(中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300451)

0 引言

海洋地震勘探主要使用多種容量氣槍組合作為震源[1-2]，組合氣槍是根據不同容量的氣槍具有不同氣泡周期的特點而設計的，容量經過選擇的氣槍同時激發，主脈沖相加，氣泡脈沖互相抑制，可以改善震源的頻率特性，這對于獲得深穿透、高分辨率地震資料具有極其重要的作用[3]。目前，海上一線現場質控人員主要利用安裝在空氣槍陣列上的近場檢波器，來實時監控空氣槍震源的工作狀態[4-5]，記錄陣列上各單元的近場子波數據，通過對近場數據的處理分析，來判斷空氣槍狀態的好壞[6]。氣槍震源的優劣及穩定性不僅會影響地震資料的品質，更會影響整個地震勘探項目的效率[7-8]。因此，近場數據對于海洋地震勘探的現場質控工作發揮著越來越重要的作用。筆者從生產應用實例出發，詳細總結分析了不同的近場數據處理結果對震源不同屬性質控的效果，應用結果表明，近場數據的質控取得了較好的效果，保障了地震數據的質量。

1 近場數據的獲得方式

近場信號是指來自海洋震源的直達波與來自周圍邊界或界面的反射信號相比能量很大(>20 dB)的一種聲學子波，通常用來記錄一個點震源。空氣槍陣列由若干單槍與相干槍組成，而每個槍掛點上都配有一個近場信號檢波器，近場檢波器一般距離槍距離為1 m，槍陣上的每一個槍都類似于一個點震源，點震源激發的數據被近場檢波器記錄。近場數據常規的記錄長度為512 ms,采樣間隔為0.5 ms，常規的記錄格式有SEGY和SEGD兩種格式，近場子波數據如圖1所示，在氣槍能量不發生變化的情況下，同一近場檢波器記錄的子波脈沖和氣泡脈沖出現的時間和周期保持一致，目前，近場數據在海洋地震采集中主要是用來進行槍同步性質控、單槍測試和日常槍狀態檢查。

圖1 某近場子波圖

2 近場數據應用原理

近場數據就是在空氣槍近場范圍內接收到的子波信號，對這些子波信號進行不同的處理和組合就可以表現出不同的結果，根據這些結果的變化特征就可以判斷槍陣的變化。基于此基本原理就可以達到質控的目的。單槍測試通用于國際上評價空氣槍各項指標是否符合采集要求。單槍測試的基本原理就是通過讀取實際的單槍子波氣泡周期與理論氣泡周期進行比較，以此來反映各個氣槍壓力、氣槍容量、沉放深度等情況。此外，該原理同樣應用于日常槍狀態檢查，是否存在漏氣、開關槍等其他變化。氣泡周期的推算是需要建立在一個子波模型的基礎之上的，隨著近場子波模型在科學界逐漸演變的過程，子波模型理論不斷趨于成熟。依據齊奧爾科夫斯基子波模型，該經驗公式為式(1)。

T(P,V,d)=C(P·V)1/3/[P0(d)]5/6

(1)

式中：T為氣泡周期， ms;P為氣槍壓力， psi;d為氣槍沉放深度， m;V為氣槍容量， cu·in;P0為氣槍沉放處的靜水壓力， bar·m;C為經驗常量。

3 應用案例

3.1 槍子陣同步性質控

將同一子陣同一時刻激發的近場數據經過水平疊加處理后，可用于質控震源不同陣列氣槍的同步性。目前，海洋三維地震勘探中，一般設計6排陣列，每三個陣列為一個源，分左源和右源，施工時左右源交替響炮，每個陣列每個槍板上都配有近場檢波器，一般為8個，在施工時，某一炮激發后產生的近場子波數據，共24個近場子波，如圖2所示。

圖2 一炮激發產生的近場子波圖

將一條測線每個子陣疊加后的數據排列在一起形成共陣列剖面，如果每個空氣槍同步激發，不存在激發延遲時差，一炮中每個近場子波的主脈沖起跳時間應該一致。但是一條測線成千上萬個單炮，顯然不可能通過每個子波起跳時間去進行質控，所以根據共陣列近場數據疊加來質控不同陣列的同步性，每個陣列8個子波疊加后來表征同一陣列的特征。圖3中自右向左為1陣列到6陣列的共陣列近場數據疊加圖。箭頭所示位置可以明顯看出存在時差，這就說明1陣列和6陣列與其他陣列存在同步異常。某工區現場質控人員及時檢查出槍子陣不同步問題，立即采取措施，避免了質量問題帶來的巨大損失，圖4為從圖3中拾取的近場數據初至時間部分采樣圖，從圖4中可以定量地看到不同步存在的時差，圖4中時差約2 ms。這樣就達到了準確，快速質控氣槍陣列一致性的目的，在實際生產應用中，取得了很好的效果，進一步保證了地震數據的質量。

圖3 某測線6個陣列近場數據疊加(有同步異常)

圖4 拾取初至時間部分采樣點圖

3.2 單槍測試

為質控槍陣配置是否正確，保證每條槍狀態正常，一般在項目開工前需對所有單槍進行測試。通過單槍逐個響炮的方式，現場質控人員將實際測量的氣泡周期與理論氣泡周期進行對比，以及相同容量槍氣泡周期的對比，通過上述的齊奧爾科夫斯基子波模型公式進行計算，來檢查槍容量以及槍深度等狀態是否正常。實際測量氣泡周期為單槍子波主峰值時間與第一個氣泡峰值時間之差，圖5為某單槍子波主峰值時間和氣泡峰值時間，則氣泡周期為70 ms。

圖5 測量單槍的氣泡周期

3.3 槍狀態質控

在資料采集的過程中，現場質控人員及時對近場數據進行處理，將反映出來的槍陣異常情況，第一時間告知震源部門進行原因查找，必要時收槍和修理，同時對嚴重影響資料質量的槍陣問題，如槍漏氣、槍自激等情況對相應的地震數據進行作廢處理。近場數據反應的槍狀態異常如下：

1)開關槍會造成槍容量突然變化，對開關槍掛點及附近近場檢波器影響明顯，具體表現為同相軸有明顯錯斷，如圖6所示，圖中自左向右分別為一陣列到6陣列，藍色框內的變化表明5陣列中途關槍。

圖6 某測線中途關5-2槍(槍容量100 cu.in)

2)槍漏氣。容量較小的槍漏氣對子波主峰影響較小，基本不改變子波形態，主要在氣泡部分有輕微雜亂脈沖顯示。容量較大的槍漏氣不僅影響主峰，波形也會發生明顯變化。對于對資料品質影響大的槍漏氣情況，現場質控人員也對相應的地震資料進行作廢處理(圖7)。

圖7 某工區測線近場數據顯示槍有漏氣

3)槍自激。在生產過程中，若氣槍陣列中有一支槍或幾支槍失控，氣室內壓力達到一定程度時，在沒有發出觸發信號的狀態下，槍自行觸發釋放能量的現象稱作氣槍自激(圖8)。在正常施工中，連續兩次或多次槍自激的時間間隔大體相同，能量強度基本一致，槍自激在地震記錄上出現的時間也沒有規律，可能出現在正常初至波之后，也可能出現在正常初至波之前，這一特征是區別于槍不同步的可靠標志(圖9)。

圖8 某工區測線近場數據顯示槍有自激

圖9 氣槍自激在單炮上的顯示

4)槍連接桿斷裂。當空氣槍槍體結構發生變化時，異常也會體現在近場數據中，在某工區，現場質控人員在檢查近場數據時，發現中途4陣第三至第五個近場檢波器波形出現明顯的錯動(圖10)，核查槍控下線報告，沒有發生開關槍，槍壓力和子陣間距也基本穩定。判斷設備可能損害，將異常結果通知震源人員，并敦促收槍檢修。震源人員收槍后，發現4陣第三個掛點的槍連接桿斷裂。

圖10 某工區作業測線近場檢查圖

4 結論

近場數據的應用成果均來自于海上采集生產作業中，實際應用結果表明，近場數據經過水平疊加處理后，在質控陣列的同步性方面效果顯著；近場子波的單槍測試檢查對于項目開始前震源的質控檢查效果很好，意義較大；槍漏氣、自激、開關槍等都會在近場剖面上表現出不同的特征，可以很好地質控氣槍的狀態；槍陣設備的損傷在處理后的近場剖面上也會表現出一定的特征，經過對比分析可以輔助檢查設備安全。隨著勘探技術的不斷進步，近場數據的應用也將會不斷更新和增加。