南海北部海域油氣資源調(diào)查技術(shù)及其應(yīng)用研究——雙船折射/廣角反射地震勘探研究

曾憲軍，韋成龍，翟繼鋒

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760)

縱觀我國(guó)油氣勘探歷程，尋找新油氣田是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的工作。新油氣田的發(fā)現(xiàn)需要在具有油氣前景的新區(qū)和新領(lǐng)域投入大量的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作。

20世紀(jì)，我國(guó)油氣勘探工作者在南海北部珠江口、鶯歌海、瓊東南和北部灣等盆地相繼實(shí)現(xiàn)了油氣的發(fā)現(xiàn)。累計(jì)探明石油儲(chǔ)量約10.4億t；探明天然氣儲(chǔ)量約2 647億m3。并在珠江口盆地形成了千萬噸級(jí)的油氣年產(chǎn)量。但經(jīng)過30多年的勘探開發(fā)，該區(qū)石油產(chǎn)量從1998年開始已逐漸遞減，現(xiàn)急需尋找新的油氣勘探接替新區(qū)。隨著油氣勘探和開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有必要將南海北部油氣勘探方向逐漸向陸坡和深海盆等深水地區(qū)推進(jìn)。近年的勘探顯示，相對(duì)于陸架新生代盆地，陸坡深水區(qū)盆地，以及中生代地層具有其特殊的地震地質(zhì)條件，有必要針對(duì)新的勘探目的層地震地質(zhì)條件，發(fā)展適用的地震等油氣勘探新技術(shù)。

1 雙船折射/廣角反射地震勘探技術(shù)

當(dāng)高速層位于儲(chǔ)層之上時(shí)，常規(guī)地震勘探方法往往會(huì)面臨各種挑戰(zhàn)，主要問題在于，內(nèi)部反射能量弱，信噪比低，再加上高速層之間，高速層內(nèi)部的多次波以及各種其他類型波的發(fā)育，使得地震勘探十分復(fù)雜。在一些地區(qū)，高速玄武巖在中新生代地層中重復(fù)出現(xiàn)，形成強(qiáng)波阻抗界面。上覆火成巖和碳酸鹽巖的屏蔽已成為制約勘探進(jìn)一步發(fā)展的主要問題。

南京大學(xué)胡中平、管路平等人在2004年對(duì)高速屏蔽層下廣角地震波場(chǎng)及成像方法進(jìn)行了研究，提出了解決問題的方法。首先從理論上探討了廣角地震信號(hào)存在的條件以及在應(yīng)用過程中所面臨的問題：利用正演理論模型分析了廣角地震信號(hào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及噪聲對(duì)廣角反射的影響，利用物理模型對(duì)廣角地震的動(dòng)力學(xué)特征、波場(chǎng)特征及動(dòng)校拉伸現(xiàn)象進(jìn)行了分析。引入高速層以后地震波場(chǎng)要復(fù)雜得多，層間多次波發(fā)育，高速層對(duì)底層反射影響明顯，在模型地震記錄中，隨機(jī)噪音不發(fā)育，信噪比較高，可以比較清楚地分析底層反射波特征的變化。

通過模型，驗(yàn)證了當(dāng)偏移距增大以后高速層內(nèi)的波形轉(zhuǎn)換。在近中偏移距處可以見到底層反射波，當(dāng)炮檢距逐漸增大，縱波反射逐漸減弱，并開始出現(xiàn)PSPPSP波，即在高速層中發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，在高速層內(nèi)以S波形式傳輸，而且PSPPSP波能量隨偏移距增大明顯增強(qiáng)，形成極強(qiáng)的廣角反射。另外，隨偏移距增大，一次反射和多次反射的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征差異增大，增加排列長(zhǎng)度可避開多次波及近偏移距的各種干擾。

當(dāng)?shù)貙由疃仍黾訒r(shí)，高速層底的P波反射能量消失，PSPPSP波出現(xiàn)，而且能量逐漸增強(qiáng)。當(dāng)高速層厚度較大時(shí)，在小偏移距處，高速層內(nèi)有較強(qiáng)的透射能量，但由于高速層和底層界面反射系數(shù)較大，能量下傳有限，同時(shí)在高速層內(nèi)極易形成層內(nèi)多次波，對(duì)近偏移距的地震反射形成強(qiáng)烈干擾。在這種情況下，當(dāng)偏移距增大以后，高速層內(nèi)的波型轉(zhuǎn)換成S波，并且以較大的能量向下傳輸。因此，在高速層覆蓋區(qū)，增加野外采集排列長(zhǎng)度對(duì)研究高速層屏蔽層下構(gòu)造特征具有重要作用。

對(duì)于野外長(zhǎng)排列地震資料，利用廣角反射疊加方法獲取高速層下成像。通過物理模型和實(shí)際地震資料，證實(shí)了高速層下有廣角反射波存在，廣角反射波特征明顯，可以識(shí)別。并認(rèn)為遠(yuǎn)偏移距資料的疊加能使高速層下地層的成像好于近偏移距資料疊加結(jié)果[1]。圖1顯示的是單船常規(guī)地震與雙船遠(yuǎn)偏移距廣角地震的剖面疊加對(duì)比圖。

圖1 常規(guī)地震(單船數(shù)據(jù))疊加剖面和廣角地震(雙船數(shù)據(jù))疊加剖面對(duì)比圖

圖1（a）和圖1（c）是來自常規(guī)單船地震采集記錄中的疊加數(shù)據(jù)，圖1（b）和圖l（d）是來自雙船遠(yuǎn)偏移距廣角地震采集記錄中的疊加數(shù)據(jù)，可明顯看到雙船數(shù)據(jù)1 s以下的同相軸振幅強(qiáng)、相干性好、頻率低、可解釋性好。目前，廣角地震主要用于地球物理勘探中常規(guī)地震難以成像的地區(qū)，即用于鹽下、火成巖下和推覆體下的地層成像。

依據(jù)目前研究成果，廣角地震在解決模糊成像區(qū)成像方面主要有3種方法：（1）利用折射，可以取得高速屏蔽層頂面和基底的構(gòu)造形態(tài)及基底的速度；（2）利用廣角反射，避開近偏移距上的各種難以避免的干擾，提高成像質(zhì)量；（3）利用高速層中的轉(zhuǎn)換波對(duì)高速屏蔽層之下的低速層成像。

折射方法與反射方法在許多方面都是類似的,但也有很多差別[2]。利用折射波勘探可以追蹤深層基底的構(gòu)造形態(tài),可以解決反射勘探中因深層反射能量弱而使有效信息可靠性變差,不能對(duì)深層基底成像的問題。我們采用反射和折射波聯(lián)合地震勘探,以采集為基礎(chǔ),以處理為核心,突出地震成像研究,加強(qiáng)物探、地質(zhì)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)采集、處理、解釋一體化。

在深水區(qū)或者區(qū)域深部地震勘探，需要連續(xù)的炮檢大偏移距，才可能得到折射信號(hào)或者廣角反射信號(hào)，雙船折射/廣角反射地震勘探技術(shù)為了適應(yīng)這種需要而誕生。PGS公司采用連續(xù)長(zhǎng)偏移距方法(CLO)，CLO方法是一種雙船作業(yè)法，主船和副船相隔一定距離，這樣，即使每條物探船拖纜長(zhǎng)度僅為4～6 km，也可以提供8～12 km的大偏移距。這種方法能顯著地降低安全和作業(yè)方面可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，減少等待時(shí)間。

2 雙船地震勘探的國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2.1 作業(yè)方法介紹

雙船作業(yè)就是一條船作主船(即記錄船Recording vessel),一條船作副船或炮船(即震源船Source vessel),兩條船配合采集地震資料的作業(yè)方法。作為一個(gè)有效的地震勘探手段，已經(jīng)逐漸受到廣泛的重視，可以用來做普通二維地震無法達(dá)到效果的特殊地層的地震勘探，也可以用來做面元覆蓋的三維地震，也可以對(duì)局部的障礙區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)勘探。因此，雙船地震勘探在海洋地震勘探技術(shù)方法中起著舉足輕重的作用。

2.1.1 獲取障礙區(qū)地震資料

在二維、三維地震勘探中,有時(shí)工區(qū)內(nèi)會(huì)有平臺(tái)、礁石、小島等障礙，如圖2所示，使用雙船作業(yè)是獲得該障礙區(qū)域優(yōu)良地震資料的一個(gè)好方法。根據(jù)三維地震勘探原理，只要在勘探面積上獲得分布均勻的地下數(shù)據(jù)點(diǎn)，且具有足夠的覆蓋次數(shù)；檢波器網(wǎng)格的大小滿足空間采樣定理，則三維地震勘探的數(shù)據(jù)采集就可以滿足要求。所以海上的地震電纜(檢波點(diǎn))就可以繞過障礙區(qū)而獲得足夠的地下三維數(shù)據(jù)[3]。

圖2 雙船地震作業(yè)

在雙船作業(yè)時(shí),副船通過DGPS系統(tǒng)進(jìn)行定位。因?yàn)楦贝奈恢蔑@示在主船上,所以就可以在主船上一起配置主船上槍陣的通道和副船上槍陣的通道,通過主船給出的序列號(hào),就可以知道槍陣的位置與方向。槍陣的數(shù)據(jù)通過兩船之間的無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。通過調(diào)整兩船之間的偏移,就可以獲得障礙區(qū)下的滿覆蓋。調(diào)整偏移要根據(jù)工區(qū)的海浪的波長(zhǎng)和總體安全等因素來決定。

2.1.2 特殊地層地震勘探

地震勘探是尋找大、中型油氣田或各種類型油氣圈閉的極重要的方法。但在鉆探時(shí)有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，油氣儲(chǔ)層(或產(chǎn)層)在地震剖面上無法找出可靠的識(shí)別標(biāo)志，既無可以連續(xù)對(duì)比追蹤的反射同相軸，更難以作構(gòu)造解釋和巖性油氣預(yù)測(cè)[4]。出現(xiàn)上述問題的原因很多，其中最主要的有以下兩種：

（1）儲(chǔ)層與圍巖之間的波阻抗差太小，反射能量太弱，常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)及采集參數(shù)達(dá)不到最優(yōu)觀測(cè)，致使儲(chǔ)層反射淹沒在強(qiáng)干擾背景之中，而目前所有的去噪處理方法，對(duì)信噪比很低的地震記錄處理結(jié)果都不理想，甚至失去應(yīng)有的去噪作用，一直制約著對(duì)弱反射儲(chǔ)層進(jìn)行油氣勘探的進(jìn)程。

（2）地面地下地質(zhì)條件十分復(fù)雜，用常規(guī)的排列長(zhǎng)度，有可能采集不到來自復(fù)雜截面或斷面和高速屏蔽層下面弱反射層的反射信息，因而無法確定高速屏蔽層的正確位置。

南海北部海域中生界埋深大，理論上要求增加電纜長(zhǎng)度，采用大偏移距，才能接收到深部有效信號(hào)、提高疊加覆蓋次數(shù)及信噪比。但南海北部淺表急流較多，單船拖曳長(zhǎng)電纜（4 km以上），在實(shí)際施工時(shí)易導(dǎo)致電纜羽角過大，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和工作效率。因此實(shí)際的施工條件，限制了單船拖纜長(zhǎng)度的增加。另外從物探船的配置條件考慮，電纜排列長(zhǎng)度過大(如超過12 km),實(shí)際施工是難以實(shí)現(xiàn)的。這種問題和難點(diǎn)的出現(xiàn)，需要在勘探難點(diǎn)區(qū)，采用改進(jìn)的地震勘探方法。因此，采用雙船地震勘探，既可以滿足長(zhǎng)排列電纜的需求，又可以達(dá)到大偏移距的目的，可以有效解決單船地震勘探無法解決的技術(shù)問題。

2.2 雙船折射/廣角反射地震勘探技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 我局雙船地震勘探技術(shù)應(yīng)用

1985年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋四號(hào)”(主船)與美國(guó)哥倫比亞大學(xué)拉蒙特一多爾蒂觀測(cè)所“康拉德號(hào)”(副船)在南海進(jìn)行以雙船地震方法為主的綜合地質(zhì)、地球物理科學(xué)調(diào)查。“海洋四號(hào)”和“康拉德號(hào)”兩船各安裝一個(gè)控制器、微測(cè)距儀.雷狄斯特測(cè)距儀和VHF對(duì)講機(jī)。主船，副船控制器以高精度振蕩器為核心，精度達(dá)到10～8 s，能保證1 d內(nèi)時(shí)間誤差在1 ms內(nèi)。作業(yè)中每天通過VHF對(duì)講機(jī)核對(duì)兩船時(shí)鐘一次，以保證兩船時(shí)鐘同步。而兩船空間上一致工作是通過微測(cè)距儀、雷狄斯特測(cè)距儀實(shí)時(shí)測(cè)定兩船距離“實(shí)時(shí)”修正船速來實(shí)現(xiàn)。“海洋四號(hào)”氣槍系統(tǒng)總?cè)莘e41～56.8 L；“康拉德號(hào)”氣槍系統(tǒng)總?cè)莘e32 L。

1998年，上海海洋石油局“奮斗七號(hào)”(主船)和廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“探寶號(hào)”(副船)聯(lián)合在東海進(jìn)行了以雙船地震為主的綜合地球物理試驗(yàn)[5]。兩船使用遙測(cè)遙控導(dǎo)航定位綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙船控制。遙測(cè)遙控系統(tǒng)集導(dǎo)航定位、雙船間距測(cè)量和地震時(shí)序控制于一身。以GPS接收機(jī)的1 PPS授時(shí)信號(hào)(直接來自定位衛(wèi)星的高精度時(shí)間信號(hào))的輸出作為該系統(tǒng)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，兩條作業(yè)船(即兩臺(tái)GPS授時(shí)接收機(jī))的時(shí)差為0.5μs。雙船之間控制信號(hào)的傳遞和數(shù)據(jù)(船位、航速、偏線距等)交換選用230 MHz頻段(VHF)的無線電數(shù)傳系統(tǒng)，數(shù)傳速率在2 400～9 600 bps之間。雙船距離的控制通過相對(duì)“固定”主船船速，副船實(shí)時(shí)接收主船船位、航速、偏線距等有關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正航速、航向來實(shí)現(xiàn)的?！皧^斗七號(hào)”船氣槍系統(tǒng)總?cè)萘? 140 cu.in，“探寶號(hào)”船氣槍系統(tǒng)總?cè)萘? 250 cu.in。

采用雙船廣角反射地震合成排列法(SAP)和折射地震擴(kuò)展排列法(ESP)進(jìn)行海上作業(yè)。

（1）合成排列方法(SAP)

雙船前后相距6 km，同向航行，交替放炮，雙船同步記錄數(shù)據(jù)。800 km試驗(yàn)測(cè)線一條，為提高SAP雙船海上作業(yè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，有以下要求:

①在作業(yè)中雙船相對(duì)距離盡可能保持穩(wěn)定(如6 km)，誤差應(yīng)在半個(gè)炮間距以內(nèi)。②由于雙船氣槍控制器，數(shù)字地震儀型號(hào)和配置不一，要求解決起動(dòng)信號(hào)的同步問題，特別要解決雙船TB信號(hào)的同步問題。③為計(jì)算雙船相對(duì)距離，要求雙船互相傳送位置數(shù)據(jù);為保證數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量要求互相傳送炮號(hào)、地震文件號(hào)及同步信號(hào)。④要求按“等距離”放炮方式工作，定位精度10 m。⑤方便駕駛員按SAP作業(yè)方式要求操船。

（2）擴(kuò)展排列方法(ESP)

雙船在相距100 km時(shí)開始，相向而行，過交匯點(diǎn)后，再背向而行，一條船放炮，另一條船接收地震信號(hào)。試驗(yàn)100 km測(cè)線三條，目的是通過折射地震數(shù)據(jù)資料測(cè)出與SAP測(cè)線剖面交界處的地殼聲波速度結(jié)構(gòu)。

由于雙船相距100 km，無線數(shù)傳難以實(shí)現(xiàn)有效地?cái)?shù)據(jù)傳送，而通信衛(wèi)星信道租用費(fèi)用昂貴，因此ESP采用“等時(shí)間”放炮方式工作，要求雙船采用穩(wěn)定船速行駛，雙船有統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)和同步時(shí)鐘，記錄延遲時(shí)間可按實(shí)際需要設(shè)定。

2.2.2 國(guó)外雙船地震勘探

國(guó)外雙船地震作業(yè)發(fā)展比較早，目前有英國(guó)的CGGVeritas公司、法國(guó)的SERCEL公司和美國(guó)的ION公司等都在發(fā)展雙船、多船地震勘探領(lǐng)域。

圖3是英國(guó)CGGVeritas公司的多船地震勘探示意圖。

圖3 英國(guó)CGGVeritas 公司多船地震勘探示意圖

法國(guó)SERCEL公司也有配套的雙船地震勘探系統(tǒng)和導(dǎo)航配套系統(tǒng)，像SEAL428 XL地震系統(tǒng)和SeaProNav綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，都具有雙船作業(yè)的能力。

另外，美國(guó)ION公司在雙船地震勘探領(lǐng)域也有一定的市場(chǎng)，研制的Gator II綜合導(dǎo)航系統(tǒng)具有多功能導(dǎo)航能力。

2.3 雙船地震勘探關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備要求

2.3.1 技術(shù)要求

雙船作業(yè)的技術(shù)要點(diǎn)主有兩點(diǎn)：（1）時(shí)間的同步，即時(shí)序問題；（2）雙船之間的無線數(shù)據(jù)交換。

雙船作業(yè)不同于單船作業(yè)，單船作業(yè)的觸發(fā)信號(hào)（由綜合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)給其他系統(tǒng)的采集信號(hào)）是通過有線完成的，延遲可以忽略。而雙船作業(yè)，無線信號(hào)之間的傳輸需要一定的時(shí)間。例如地震儀器一般是由FTB觸發(fā)記錄的，如果等到副船的FTB返回，則記錄必定延遲，因此時(shí)序的設(shè)置和時(shí)間的同步必須要注意。

副船采集到的信息要通過無線系統(tǒng)傳到主船，同時(shí)主船的配置信息也要發(fā)給副船，雙船之間正確的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是必備條件之一。以往的數(shù)據(jù)傳輸都是把整個(gè)數(shù)據(jù)打包傳送到副船，這樣既花費(fèi)了大量時(shí)間，又不夠穩(wěn)定。因此，如何選擇性地傳輸有效地?cái)?shù)據(jù)就是關(guān)鍵，這樣既可以節(jié)省同步時(shí)間又可以減少系統(tǒng)的故障。

圖4 多船地震勘探示意圖

2.3.2 設(shè)備要求

針對(duì)以上的技術(shù)要求，對(duì)設(shè)備需提出以下要求：

（1）必須有一套多船之間的無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和傳輸；（2）船上必須有高精度的時(shí)間系統(tǒng)，us級(jí)，因?yàn)榈卣鸩杉且詍s為標(biāo)準(zhǔn)的；（3）船上的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)必須相同，使得導(dǎo)航數(shù)據(jù)能夠交換并進(jìn)行時(shí)序的控制；（4）船上的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)必須有足夠強(qiáng)的質(zhì)量控制功能，隨時(shí)監(jiān)視時(shí)間的同步；（5）船上的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)軟件必須具備支持多船作業(yè)的能力；（6）船上的地震采集系統(tǒng)、電纜盡可能相同，使得同一工區(qū)采集的地震資料一致。

3 結(jié)論

近年的勘探實(shí)踐表明，由于實(shí)際施工時(shí)拖纜總長(zhǎng)度的限制，目前二維地震勘探技術(shù)對(duì)于中深層普遍存在信噪比弱的情況。雙船折射/廣角反射地震勘探技術(shù)可大幅度擴(kuò)展電纜排列長(zhǎng)度，滿足大偏移距的勘探要求，從而為獲取中深部地震反射信息提供了技術(shù)保障。同時(shí)可在一定程度上減小以往因單船拖纜過長(zhǎng)而常導(dǎo)致的羽角超標(biāo)嚴(yán)重的問題。

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