淺海地震采集纜—源空間組合對激發(fā)子波特性的影響分析

關(guān)鍵詞： 淺水，氣槍子波，拖纜沉放深度，震源沉放深度，震源平面展布

0 引言

氣槍震源由BOLT 公司的 Chelminski 于1960年發(fā)明，便逐漸應(yīng)用于海洋地質(zhì)勘探［1-2］； 隨后，Ziolkowski［3］、Safar［4］等完善了氣槍激發(fā)的配套理論，從氣槍激發(fā)的運(yùn)行機(jī)理研究模擬氣槍遠(yuǎn)場信號，但此時主要還是采用大容量單槍激發(fā)方式，所得地震信號的信噪比相對較低，難以滿足勘探需求。為此，Giles［5］于1968 年提出相干槍；在此基礎(chǔ)上，Parkes等［6］將多個不同容量的相干槍組合為調(diào)諧陣列；Nooteboom［7］給出避免氣槍組合相互干擾的最小距離公式，進(jìn)一步闡明槍陣長度對震源子波的影響。中國國內(nèi)對氣槍的研究起步較晚。狄?guī)妥尩龋?］、陳浩林等［9］針對氣槍震源的子波屬性進(jìn)行模擬分析； 張鵬等［10］、曹明強(qiáng)等［11］從氣槍震源方向性入手，設(shè)計(jì)了兼顧頻譜質(zhì)量和能譜分布的四子陣非對稱分布點(diǎn)震源陣列； 孫郁遙［12］針對氣槍震源沉放深度對產(chǎn)生的子波做了屬性分析； 李緒宣等［ 13-14］、王建花等［15］、王立明等［16］提出針對深海條件的氣槍震源排列方式。

上述文獻(xiàn)從理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)測試角度分別對空氣槍震源的影響因素和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，大多基于深水條件。而渤海海域平均水深約18 m，最大水深為40 余米，該淺水環(huán)境下地震波的傳播特性與深海區(qū)存在較大差異，主要表現(xiàn)在兩個方面：①海面與海底構(gòu)成較窄的邊界條件，氣槍激發(fā)脈沖與海面、海底發(fā)生多次相互作用； ②因水體較淺，氣槍陣列長度和寬度與水深相近，考慮到廣角反射及聲波在海水中的傳輸損耗，氣槍震源不能簡單地作為點(diǎn)震源處理。因此，對于采用拖纜觀測系統(tǒng)的淺海條件下采集方案設(shè)計(jì)，拖纜與震源的空間組合成為影響震源激發(fā)子波特性的關(guān)鍵因素。

本文基于非理想氣體條件氣槍子波模型，模擬渤海淺水條件下的氣槍子波，綜合分析拖纜與震源不同沉放深度組合、平面陣列中氣槍展布對震源激發(fā)子波的影響規(guī)律，為渤海淺水條件下氣槍震源的設(shè)計(jì)，震源與拖纜沉放深度及震源陣列長度、寬度的選擇，提供了理論和技術(shù)指導(dǎo)。應(yīng)用本文研究成果，2021 年在渤海油田渤中地區(qū)開展了拖纜數(shù)據(jù)采集，通過與以前拖纜炮集資料對比，發(fā)現(xiàn)新采集數(shù)據(jù)的中深層地震信號更突顯，其低頻更強(qiáng)、頻帶更寬，為該區(qū)后續(xù)勘探評價提供了良好的技術(shù)支持。

1 淺水條件下氣槍激發(fā)子波特征

渤海特殊的淺水環(huán)境決定了其地震波傳播規(guī)律與深海的差異性。針對淺海環(huán)境，震源優(yōu)化時首先須厘清淺水環(huán)境下水層地震波傳播特征及此條件下鬼波對激發(fā)子波的影響。為此，將重點(diǎn)剖析海域水速變化、不同形式鬼波對激發(fā)子波的影響。

1. 1 渤海淺水層地震波的傳播特征

在影響氣槍脈沖傳播的因素中，淺海與深海的主要區(qū)別在于邊界條件。由于渤海水體較淺，使得氣槍脈沖與海面、海底之間相互作用，導(dǎo)致由反射和散射引起的聲傳播損耗嚴(yán)重的問題更突出。聲波傳輸?shù)胶５缀蟀l(fā)生反射和透射，針對勘探目標(biāo)，透射波的能量占比越高越有利于提高地震采集信號的分辨率和信噪比［17］。但當(dāng)水體較淺時，入射波與海底之間的夾角相對變大，更易形成廣角散射，導(dǎo)致反射波的能量占比會更大； 同時，較淺水深對聲波散射損耗較低的中低頻段具有很大影響，不利于中深層地質(zhì)目標(biāo)的精細(xì)勘探。

淺海水體的聲速剖面對氣槍脈沖的傳播規(guī)律認(rèn)識具有重要作用。淺海中聲波傳播的顯著特點(diǎn)是聲速剖面向聲波速度慢的方向折射或在深度上幾乎恒定，折射影響接收能量的強(qiáng)弱，而這一機(jī)制與海水的溫度、鹽度、深度有直接關(guān)系，這三個因素決定了聲波的速度剖面。在淺水條件下，溫度是影響聲速結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素。從圖1 可知，渤海海域四個季節(jié)的聲速剖面具有明顯差異。在冬季，海水受對流混合作用影響，不同海水深度的水溫變化均勻，隨海水壓力的增大聲速緩慢增加，在聲速剖面上表現(xiàn)為正梯度結(jié)構(gòu)；春、夏、秋三季的海水層結(jié)構(gòu)自上而下依次為混合層、季節(jié)性躍層及下均勻?qū)樱曀倨拭娴呢?fù)梯度強(qiáng)度主要受季節(jié)性躍層影響。

引力、風(fēng)力等對海水的影響是持續(xù)的，即使在風(fēng)平浪靜的情況下，海面也存在波浪活動，因此不能將海面看作完全反射面。海面反射系數(shù)隨海浪大小而變化，因而無論聲波入射到海面的反射角如何變化，海面反射系數(shù)均不可能為?1［18］。風(fēng)浪較大時海面會產(chǎn)生散射效應(yīng)，散射是一種損耗、干擾和波動機(jī)制，導(dǎo)致海洋波導(dǎo)中傳播的平均聲場衰減，散射的能量向各方向傳播，散射效應(yīng)的衰減隨頻率的增加而增加。

以上主要分析了海水深度、海水聲速剖面及海面反射效應(yīng)對氣槍脈沖的影響。當(dāng)然，其他因素如海底斜坡引起的聲傳輸損耗和海底沉積物引起的散射也會對聲波傳輸產(chǎn)生重要影響，但上述三個因素對聲波傳播的影響在淺水條件下表現(xiàn)更突出； 同時，上述因素的存在，使拖纜與震源的空間組合選擇成為淺水條件下采集觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1. 2 淺水條件下單槍子波模擬

通過以上分析，明確了淺水條件下氣槍脈沖的傳播特征及主要影響因素。綜合考慮各因素，利用非理想氣體條件氣槍子波模型對淺海條件下的氣槍激發(fā)子波進(jìn)行模擬［19］。模擬中設(shè)置環(huán)境因素為：海水溫度20℃，海水密度1024 kg/m3，海水聲速1500 m/s，海水深度20 m，海面反射系數(shù)?1，淺地層密度1750 kg/m3，淺地層聲速1630 m/s。

圖2 所示氣槍激發(fā)子波主要由4 部分組成，分別為一次反射波、震源鬼波、纜鬼波、震源＋纜鬼波［20］，淺水條件下鬼波效應(yīng)尤為突出。

圖3 為淺海條件下380 in3單槍激發(fā)的模擬子波，震源沉放深度為7 m，拖纜沉放深度為8 m。通過非理想氣體條件氣槍子波模型可很好地展示近場子波形態(tài)，但在實(shí)際應(yīng)用中近場子波形態(tài)不穩(wěn)定且很難捕捉，因此通常不采用近場子波評價震源質(zhì)量。遠(yuǎn)場子波作為頻率和氣槍空間尺寸的函數(shù)，在形態(tài)上較穩(wěn)定，僅脈沖壓力隨距離的增大而衰減，是應(yīng)用最多的評價氣槍陣列優(yōu)劣的手段［21］。但正如上述分析，淺水條件下海面與海底之間相距較近，對氣槍脈沖的傳播影響較大，鬼波效應(yīng)明顯，檢波器接收的信號是一次反射波、震源鬼波、纜鬼波相互疊加的結(jié)果。因此，利用考慮纜鬼波時的子波對氣槍陣列進(jìn)行評價是對現(xiàn)有評價體系更合理的補(bǔ)充。

圖3 顯示氣槍激發(fā)后，子波經(jīng)地層吸收、海面海底反射、透射及在海水中傳輸損耗過程后的形態(tài)及頻譜特征。其中遠(yuǎn)場子波主脈沖（圖3b）與近場子波（圖3a）相近，虛反射頻率由3. 3 Hz 減至2. 0 Hz，反映海面反射作用經(jīng)長距離傳輸后氣泡脈沖明顯減小，觀察到陷波效應(yīng)，陷波頻率為125 Hz。當(dāng)考慮纜鬼波時，氣槍子波及頻譜（圖3c）中一次反射的主脈沖值相對遠(yuǎn)場子波明顯減小，這是脈沖信號與海面、海底多次相互作用的結(jié)果。纜鬼波與震源鬼波相互疊加，子波曲線上存在兩個波谷，其中小波谷反映了震源鬼波，大波谷對應(yīng)纜接收信號的主脈沖值（與一次反射主脈沖值相同，但表現(xiàn)為負(fù)向），而曲線上第二個小波峰則為纜的虛反射。在圖3c中子波頻譜陷波效應(yīng)減弱，有效頻帶更寬，高頻截止值增大的同時低頻截止值也增大，反映了氣槍脈沖在傳播過程中各種因素導(dǎo)致的頻帶變化。

綜上，考慮纜鬼波時氣槍子波形態(tài)可更好地描述實(shí)際氣槍激發(fā)子波的傳播及吸收過程； 近場子波及頻譜與遠(yuǎn)場子波及頻譜存在明顯區(qū)別，波形上主要表現(xiàn)為鬼波效應(yīng)更明顯，頻譜上表現(xiàn)為有效頻帶更寬、陷波效應(yīng)減弱。進(jìn)一步地，在淺水條件下，拖纜與震源在空間上的展布對子波的影響規(guī)律可通過考慮纜鬼波時的子波（圖3c）得到更清晰描述。

2 不同纜— 源沉放深度組合對單槍子波及頻譜的影響

上文分析認(rèn)為鬼波是影響激發(fā)子波的重要因素，而沉放深度是影響鬼波最重要的參數(shù)。為此，著重分析纜—源沉放深度對子波的影響。為了更清晰和量化展示影響程度，將對基于單槍激發(fā)的含鬼波的子波做分析、研究。

通常情況下，為壓制虛反射（鬼波）會增大震源沉放深度，但隨著震源沉放深度增大，主脈沖減小［19］，而拖纜沉放深度也會影響不同類型脈沖信號的接收時間，導(dǎo)致疊加信號的改變，但在以往的關(guān)于氣槍震源設(shè)計(jì)的研究中鮮有將震源沉放深度與拖纜沉放深度統(tǒng)一起來考慮的。

基于圖4 所示渤海油田M 區(qū)塊實(shí)際應(yīng)用的氣槍陣列平面圖，討論淺水條件下震源和拖纜沉放深度對氣槍子波及頻譜的影響。模擬過程的環(huán)境因素設(shè)置為：海水溫度20℃，海水密度1024 kg/m3，海水聲速1500 m/s，海水深度20 m，海面反射系數(shù)?1，淺地層密度1750 kg/m3，淺地層聲速1630 m/s。

圖5 為固定拖纜沉放深度時不同震源沉放深度的模擬子波及頻譜圖?？梢姰?dāng)拖纜沉放深度固定為6 m時，隨震源沉放深度的增加，子波主脈沖與虛反射減小，兩者之間差值增大，主脈沖與虛反射時間間隔增大，子波第二個波峰在時間上延遲，但大小無明顯變化。從頻譜上看出，隨震源沉放深度由3 m 增至10 m，第一陷波點(diǎn)內(nèi)高截頻由125 Hz 減至35 Hz，減幅達(dá)90Hz。雖然隨著沉放深度減小有效頻帶增寬，但增加形式表現(xiàn)為頻帶整體向頻率增大的方向移動，即高頻增大的同時低頻隨之增大。而當(dāng)震源沉放深度增加時，雖然有效頻帶變窄，但低頻由45 Hz減至25 Hz。經(jīng)以上分析得知，氣槍子波有效頻帶的增寬并不能說明子波性能的提升，而低頻信息的增強(qiáng)將更利于中深層目標(biāo)地質(zhì)體的成像。因此，震源沉放深度的選擇要針對具體目標(biāo)，淺層目標(biāo)可減小沉放深度，中深層目標(biāo)則可適當(dāng)增大沉放深度。

圖6 為固定震源沉放深度時不同拖纜沉放深度的模擬子波及頻譜圖。從圖中可見，若固定震源沉放深度為7 m，隨著拖纜沉放深度增加，子波主脈沖大小基本保持不變，但主脈沖峰后降低速度減小，主脈沖寬度增大，子波虛反射增大，兩個波谷之間的間隔減小，第二個峰值增大。拖纜沉放深度的變化對子波頻譜陷波點(diǎn)之前頻帶的影響不明顯； 在陷波點(diǎn)后，隨著拖纜沉放深度的增加，頻帶變窄。

圖7 和圖8 分別反映震源沉放深度、拖纜沉放深度同時變化條件下氣槍子波及對應(yīng)的頻譜特征。從圖中可見，在同一震源沉放深度條件下，隨著拖纜沉放深度的增加，子波主脈沖值大小并未發(fā)生明顯變化，頻帶呈減窄趨勢，但減幅較小。從圖7a～圖7d 可看出，隨著震源沉放深度的增加，主脈沖波形變窄，兩個波谷之間的間隔明顯增大，第二個波峰值無明顯改變。對應(yīng)圖8a～圖8d，隨著震源沉放深度的增加，有效頻帶寬度減小，頻譜曲線整體向低頻方向移動，且出現(xiàn)多個陷波點(diǎn)，陷波頻率降低。對比圖7 和圖8，子波虛反射與子波頻譜之間有明顯對應(yīng)關(guān)系，總的虛反射越小，虛反射與主脈沖時間間隔越大，子波頻帶越窄，但低截頻相對更低。同時可看到，震源沉放深度對子波特性的影響程度明顯大于拖纜沉放深度。

3 震源平面展布對陣列子波及頻譜的影響

在淺水條件下，對于震源下方海底一點(diǎn)，當(dāng)陣列中氣槍的入射角大于某一角度后發(fā)生廣角反射現(xiàn)象，其下傳能量降低，從而影響地質(zhì)目標(biāo)的成像效果。雖然發(fā)生廣角反射的聲波可能仍會在滿足一定條件時產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波入射到地層，但對于縱波勘探而言依然希望盡可能地減少廣角反射現(xiàn)象。因此，對于淺水條件下采集方案的設(shè)計(jì)，氣槍陣列長度（Inline方向）和寬度（Crossline 方向）的選擇顯得尤為重要。

3. 1 氣槍陣列長度對子波及頻譜的影響

以渤海油田M 區(qū)塊實(shí)際采集氣槍陣列（圖4）為例，分析不同陣列長度對遠(yuǎn)場子波及頻譜的影響。為保證單一變量，其他環(huán)境參數(shù)設(shè)置不變。從圖9 中可看出，隨陣列長度的增加，子波主脈沖值逐漸增大，但當(dāng)陣列長度超過21 m 后，主脈沖值增幅不明顯，此時陣列距海底13 m，兩者比例為1. 62。對比圖9b 頻譜圖可知，隨陣列長度的增加，子波低頻能量提高，但當(dāng)陣列長度超過18 m 后，頻譜無明顯變化。

3. 2 氣槍陣列寬度對子波及頻譜的影響

圖10 為不同陣列寬度條件下氣槍子波及頻譜。隨著陣列寬度的增大，子波主脈沖及虛反射未發(fā)生明顯變化，子波低頻能量增大，高頻截止值減小。當(dāng)陣列寬度超過18 m 后，頻譜低頻能量不再明顯增大，此時陣列距海底13 m，兩者比例為1. 38，而陣列寬度與陣列長度的比例為1。

4 實(shí)際資料分析

將本文影響激發(fā)子波因素相關(guān)認(rèn)識用于指導(dǎo)渤中地區(qū)二次拖纜采集的震源設(shè)計(jì)。表1 為新、老地震采集的主要參數(shù)對比。

從表1 可知，新、老資料的電纜沉放深度、震源容量和震源深度均存在差異，其中老資料的電纜沉放深度為7 m、震源深度為6 m、震源容量為3950 in3，而新資料的電纜沉放深度為10 m、震源深度為7 m、震源容量為4365 in3，這種組合方式更有利于增強(qiáng)低頻分量，增加地震波的穿透能力，為中―深層數(shù)據(jù)成像提供基礎(chǔ)。圖11 為新、老地震采集單炮記錄，對比可知：新采集地震單炮同相軸更明顯，尤其在1～2 s 之間反射能量增強(qiáng)，有效反射波信號更凸顯，2 s 之后接收的深處地層反射也更清晰； 而老采集參數(shù)所接收的有效反射波能量較弱，2 s 以下難以觀察到清晰、連續(xù)的同相軸。從圖12 的新、老采集資料古近系（1. 7～2. 3 s）頻譜對比可見，新資料比老資料的低頻成分更豐富，頻帶更寬。

基于相同處理流程對新、老資料開展偏移成像處理，對比所得結(jié)果（圖13）可看出，相對于老采集資料，新采集資料成像結(jié)果中斷層歸位準(zhǔn)確，地層成像更清晰，花狀斷層內(nèi)部地層反射能量和清晰度得到明顯改善。從圖14 的新、老采集資料成像結(jié)果目的層段的頻譜對比可知，目的層段頻譜消除了陷波影響且主頻有所提高，新資料較老資料頻帶拓寬明顯，分辨率提高，有助于構(gòu)造區(qū)主要目的層段東營組砂體展布特征、疊置關(guān)系及尖滅點(diǎn)等的刻畫，提高了儲層描述精度。

5 結(jié)論

本文分析了渤海淺水條件下氣槍子波的主要影響因素，基于非理想氣體氣槍子波模型，模擬分析了單槍激發(fā)子波及頻譜特征； 并以渤海油田實(shí)際氣槍陣列為基礎(chǔ)，研究了震源沉放深度、拖纜沉放深度及震源平面展布對震源激發(fā)子波特性的影響規(guī)律，得到以下主要認(rèn)識和結(jié)論。

（1）渤海淺水條件下，氣槍子波波形的顯著特征是纜鬼波和震源鬼波疊加導(dǎo)致子波呈現(xiàn)兩個波谷。通過拖纜鬼波的子波分析，可定量地描述拖纜和震源的空間分布對子波的影響。

（2）震源沉放深度越深越有利于抑制鬼波效應(yīng)和提高低頻能量，但同時有效頻帶變窄，陷波效應(yīng)增強(qiáng)。另外，震源沉放深度較拖纜沉放深度對子波的影響更大。當(dāng)震源下沉深度為7～8 m，拖纜沉放深度為7 m時，子波的頻譜相對較穩(wěn)定，受拖纜深度波動的影響程度較小。

（3）在淺海條件下設(shè)計(jì)氣槍陣列時應(yīng)遵循的原則是：先充分考慮陣列長度、寬度與陣列沉放深度的關(guān)系，減少氣槍脈沖在入射到海底時發(fā)生廣角反射，提高入射波能量比例； 然后在點(diǎn)震源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整單槍（槍簇）間距和子陣間距。

為方便研究，本文海水深度統(tǒng)一設(shè)定為20 m，這較適用于渤海海域，但仍需進(jìn)行變深度條件下纜—源沉放深度組合的研究。文中雖然定性分析了不同纜—源沉放深度組合對子波性能的影響規(guī)律，但更應(yīng)針對具體特征參數(shù)進(jìn)行剖析。另外，由于較窄邊界條件的影響，海底鳴震是淺水與深水氣槍模擬的另一重要區(qū)別，針對不同海底地形結(jié)構(gòu)且考慮鳴震的氣槍子波模擬有待進(jìn)一步探究。