大容量氣槍陣列子波時頻特性及其影響因素*

夏季+金星+蔡輝騰+徐嘉雋

摘要：通過分析福建街面水庫氣槍實驗的OBS豎向速度記錄，研究大容量氣槍陣列子波時頻特性及其受氣槍數量和槍陣尺寸的影響。數據分析結果表明：（1）氣槍子波由主脈沖和氣泡脈沖組成，同時伴隨有水面虛反射引起的負脈沖。主脈沖振幅大、持時短、頻帶寬，通常應用于淺部探測；氣泡脈沖能量集中在低頻段，垂直穿透深，水平傳播遠，通常應用于深部探測。在頻譜上可以看到氣泡振蕩引起的頻譜波動和虛反射引起的陷波點。（2）氣槍數量增加，主脈沖振幅和氣泡脈沖振幅相應增加，初泡比震蕩變小，氣泡周期和低頻段主頻主要受單槍容量影響，變化很小，頻譜形狀較為一致。（3）街面水庫氣槍陣列的槍陣尺寸遠大于單槍氣泡半徑，各槍子波之間相互作用很小，槍陣子波近似為各槍子波線性疊加，子波參數隨槍陣尺寸變化影響不大。

關鍵詞：氣槍陣列；子波時頻特性；氣槍數量；槍陣尺寸

中圖分類號：P3153文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）01-0111-11

0引言

最早的海洋地震勘探震源是簡單地引入陸地炸藥震源，但炸藥震源具有施工復雜、自動化程度低、危險性高、污染嚴重等重大缺陷。隨著空氣槍、蒸氣槍、烯氣槍、水槍、電火花等非炸藥震源的出現，炸藥震源在海洋地震勘探中迅速消失。其中，空氣槍震源以其性能穩定、自動化程度高、成本低、綠色環保等諸多優點逐漸占據主導地位。迄今為止，在海陸過渡帶、內陸湖泊、海上OBS以及深海拖纜等95%以上的水域地震勘探都使用空氣槍作為震源（周寶華，劉威北，1998a，b；羅桂純等，2007；陳浩林等，2008a）。

1964年美國BOLT公司的Stephen Chelminski首次發明了氣槍（羅桂純等，2006），當時的氣槍以高壓大容量單槍（5 000 psi，5 000～6 000 in3）為主，主要用于海洋地質調查。20世紀60年代末至70年代初，Ziolkowski（1970）和Schulze-Gattermann（1972）在自由氣泡振蕩理論的基礎上建立了氣槍震源模型和氣槍陣列組合理論（陳浩林等，2008b）。根據這些理論，氣槍生產廠家和各氣槍使用單位利用多支不同容量氣槍，保持氣槍間距大于5倍氣泡半徑來組成調諧槍陣，大幅提高了氣槍子波主脈沖能量，有效壓制氣泡振蕩，改善氣槍子波質量，在海上石油勘探作業中得到廣泛應用并取得良好效果（楊懷春，高生軍，2004）。隨著氣槍陣列技術日趨成熟，高壓槍主脈沖能量大的優勢逐漸減弱，而且高壓槍安全性差，不符合日益嚴格的HSE（Health，Safety，Environment）要求。20世紀80年代末，高壓槍逐漸被淘汰，取而代之的是工作壓力低于3 000 psi的低壓槍。同時，相干槍陣技術的廣泛應用，進一步完善了氣槍陣列技術。研究人員通過利用多支相同容量氣槍，保持氣槍間距為235倍氣泡半徑，能夠最大程度壓制氣泡振蕩，提高子波信噪比（王立明等，2009）。

氣槍陣列大體可分為3類（丘學林等，2007）：第一類是用于油氣普查的常規槍陣，采用大、小槍組合，高、低頻兼顧的陣列組合方式，如Dragoset（2000）介紹的槍陣由24支氣槍組成，總容量為3 400 in3；第二類是由多支高頻小容量氣槍通過充分相干、調諧構成的淺層高分辨率陣列，加強主脈沖，壓制氣泡脈沖，獲得強能量、高初泡比和寬頻帶的氣槍信號，主要用于淺部沉積層精細結構的海洋勘探，如何漢漪（2001）設計的高分辨率氣槍震源也是由24支氣槍組成，但總容量只有1 380 in3；第三類是用于探測深部地殼結構的低頻大容量槍陣，大容量氣槍震源具有豐富的低頻成分，在深部探測中常采用多支大容量氣槍組合激發來獲取低頻高能信號，能夠在較遠距離記錄到由下地殼甚至上地幔頂部折射或反射回地面的地震波，因而可用于研究基底以下至莫霍面附近的地殼結構特征。2006年河北上關湖水庫氣槍震源由4支2 000 in3的大容量氣槍組成，槍陣總容量為8 000 in3，這是典型的第三類槍陣（林建民，2008）。

為研究大容量氣槍震源特性，2014年11月，福建省地震局在總庫容為1824 億m3的福建省三明市尤溪縣坂面鄉街面水庫（25926°N，118057°E）開展了大容量氣槍激發實驗，結合不同工況實驗，研究了沉放深度、工作壓力、氣槍數量、槍陣尺寸、水體深度等諸多因素對氣槍震源子波特性的影響。本文以街面水庫氣槍實驗為背景，介紹該實驗概況，根據OBS豎向速度記錄，研究氣槍陣列子波時頻特性及其受氣槍數量和槍陣尺寸的影響。

為獲取滿足深部探測需求的較高能量低頻信號，我們選擇4支1500LL型Bolt槍組成氣槍陣列，單槍容量2 000 in3，氣槍陣列總容量8 000 in3，工作壓力2 000 psi。氣槍陣列如圖1a所示。其中氣槍A、C兩桿槍組成子陣1、B、D兩桿槍組成子陣2，子陣1、2共同組成氣槍陣列。

氣槍陣列震源具有方向性，在各槍信號的共同作用下，信號的相位譜是距離和方向的函數，水聽器接收到的信號隨方向和距離不同而改變。當傳播距離足夠遠時，信號的相位譜隨距離和方向不同的改變很小，氣槍信號趨于穩定。因此常用遠場子波作為氣槍陣列震源信號的度量。遠場距離Rff表示為

式中，λ為水中聲波波長，一般指子波的最小波長，L指槍陣的最大長度（王立明，2010）。對于一般槍陣，L約為30 m，水聽器接收到的最大頻率約為500 Hz，遠場距離約為300 m。街面槍陣的最大長度為9 m，OBS接收到的最大頻率為250 Hz，水中聲波速度為1 500 m/s，代入式（1）可得遠場距離必須大于167 m。

如圖1b所示，在浮臺周圍水底布設15臺OBS，用于記錄氣槍陣列子波。OBS記錄采樣率為500 Hz，包括水聽器壓力記錄和三分量速度記錄。水聽器記錄的是在水中傳播的壓力波，速度計記錄的是氣槍信號經水底界面傳播的速度記錄。由于設備運行及與水底的耦合不好，儀器號為G03、G13、G16、G21、G31、G35 的6臺OBS沒有獲得理想的觀測數據。為減弱氣槍陣列方向性的影響，本文選取距浮臺最遠為88 m的G33號OBS的豎向速度記錄到的count值進行數據分析。

2氣槍陣列子波時頻特性

21氣槍子波基本參數

高壓氣體釋放到水中，被周圍的水圍成一個近似球形的氣泡，氣泡在水中不斷振蕩直至衰減破裂，形成一系列子波脈沖。圖2是氣槍子波示意圖。從圖2a、b可以看出，氣槍子波由主脈沖和氣泡脈沖組成。對于遠場子波，理論上水面反射系數理論為-1，因此緊隨正脈沖之后會形成1個負的虛反射脈沖。子波參數包括主脈沖振幅、氣泡脈沖振幅、初泡比、氣泡周期等。

（1）主脈沖：指氣槍內的高壓氣體釋放到水中產生的第1個正壓力脈沖。主脈沖能量大、頻帶寬、頻率高，通常應用于淺層石油勘探，其振幅單位為巴·米（bar·m），其含義為：以距震源中心1 m處的聲壓值為度量單位衡量氣槍壓力脈沖能量的大小。主脈沖振幅大小與氣槍容量及工作壓力密切相關，是描述氣槍陣列能量大小的參數，其值越大，表明氣槍輸出的能量越強。通常氣槍容量越大、工作壓力越大、產生的能量越強、主脈沖振幅越大。主脈沖振幅A存在如下經驗公式：

式中，C1為常數；V為氣槍容量；P為工作壓力（何漢漪，2001）。

氣泡脈沖：由高壓氣體釋放到水中形成的氣泡振蕩所引起。氣泡振蕩能量主要集中在低頻段。由于氣泡振蕩會影響信號的分辨率，故在淺部探測中需削弱氣泡效應。而深部探測要求地震波穿透深、傳播遠，需要足夠的低頻能量，因此需加強氣泡效應。氣泡效應大小與氣槍容量、工作壓力、沉放深度、組合方式等有關。

（3）初泡比：指主脈沖振幅與第1個氣泡脈沖振幅之比。初泡比越大，氣槍子波頻帶越寬，頻譜越光滑。在淺部探測中，通常初泡比不能小于10。初泡比隨沉放深度的增加而減小，隨氣槍容量立方根的增大而增大。初泡比Pb存在如下經驗公式：

式中，C2為常數；D為沉放深度（何漢漪，2001）。

（4）氣泡周期：指主脈沖與第1個氣泡脈沖的時間間隔。氣泡周期與低頻段主頻相對應，與氣槍容量、工作壓力、沉放深度等密切相關。氣泡周期T存在如下經驗公式：

式中，C3為常數（何漢漪，2001）。

（5）頻譜：子波頻譜體現了子波頻寬和不同

頻帶范圍的能量分布，同時反映了氣泡振蕩和海面虛反射對氣槍子波的影響。從圖2c、d可以看出，低頻部分的氣泡振蕩會引起頻譜曲線劇烈變化。海面虛反射引起的陷波作用突出，陷波頻率與氣槍沉放深度有關，對部分頻帶的能量產生很強的壓制。

22OBS速度記錄時頻特性

利用短時傅里葉變換（STFT）對OBS記錄作時頻分析，圖3為氣槍容量為2 000 in3的A槍在工作壓力2 000 psi、沉放深度15 m、水深45 m工況條件下單槍激發時炮檢距88 m處G33號OBS的豎向速度記錄時頻分析，頻帶范圍為0～250 Hz。從圖3a的時頻譜可以看到，在時域0～015 s、頻域0～200 Hz段為主脈沖，在0～50 Hz段有明顯的能量分布。在時域015～06 s、頻域0～20 Hz段，對應有明顯的氣泡脈沖能量。從圖3b中可以明顯看到，由氣泡振蕩引起的頻譜波動和虛反射引起的陷波點。從圖3c的時域波形可以看到明顯的主脈沖和氣泡脈沖，同時伴隨有水面虛反射引起的負脈沖。根據以上時頻分析，我們對OBS記錄進行時頻濾波，保留0～015 s、0～200 Hz的主脈沖，015～1 s、0～20 Hz的氣泡脈沖，濾掉其余部分的噪聲，如圖4所示。從圖4a的時頻譜中可以看到，時頻濾波后0～015 s處大于200 Hz和015～1 s處大于20 Hz的噪聲已經消除，圖4b頻譜上的噪聲尖刺已經濾去，整體上更為平滑，陷波點更加清晰，圖4c中時域波形更加平滑，主脈沖和氣泡脈沖更加明顯。

3氣槍陣列子波影響因素

31氣槍數量

單槍的主脈沖能量與氣槍容量的立方根成正比，但單純依靠加大單槍容量來提高主脈沖并不經濟，常用多支小容量氣槍組成氣槍陣列來提高能量。對于大容量單槍和小容量多槍陣列的能量輸出，存在以下經驗公式：A=C4（nV）1/3，（5）A=nC4V1/3（6）式中，C4為常數，V為單槍容量，n為氣槍數量。當槍陣總容量一定時，可以看到小容量多槍陣列的能量輸出是大容量單槍的n2/3倍。

為探求氣槍數量對氣槍激發子波的影響，在工作壓力為2 000 psi、槍深15 m、槍陣尺寸8 m×6 m、水深45 m的工況條件下，我們對氣槍陣列做了氣槍激發數量分別為1、2、3、4支的工況實驗，每種工況激發9次，對每次激發波形作時頻濾波后對子波參數取平均值，并進行歸一化比較。表1為不同氣槍數量的槍陣子波參數。

圖5a、b為氣槍數量從1支遞增到4支時氣槍陣列首次激發的子波波形和頻譜。從圖中可以看到，隨氣槍數量增加，主脈沖波形較一致，氣泡脈沖波形有一定變化，主脈沖振幅和氣泡脈沖振幅逐漸增加，氣泡周期有一定變化，頻譜形狀較為一致，低頻段第一主頻略有減小。

氣槍數量的子波波形相關性比較，從圖中可以看到，隨氣槍數量增加，主脈沖、氣泡脈沖、氣槍子波的相關性逐漸變小。主脈沖波形（0～02 s段）互相關系數峰值在0873 4～1之間，氣泡脈沖波形（02～10 s段）互相關系數峰值在0916 1～1之間，氣槍子波波形（0～10 s段）互相關系數峰值在0795 6～1之間。圖5d為對子波參數進行歸一化比較，從圖中可以看到，隨著氣槍數量增加，主脈沖振幅和氣泡脈沖振幅都有明顯增加，歸一化數值分別在1～2746 1和1～3608 3之間。氣泡脈沖增加幅度大于主脈沖振幅，相應地初泡比震蕩變小，在1891 1～2531 8之間變化，歸一化數值在0746 9～1之間。氣泡周期和低頻段主頻隨氣槍數量增加變化很小，氣泡周期略有增加，在015～016 s之間變化，歸一化數值在0986 8～1052 6之間。低頻段主頻略有減小，在6～7 Hz之間變化，歸一化數值在0857 1～1之間。以上數據表明，氣槍陣列激發子波的能量受氣槍數量及槍陣總容量影響很大，主脈沖振幅和氣泡脈沖振幅隨槍數增加明顯增加，而氣泡周期和低頻段主頻主要受單槍容量的影響，受氣槍數量及槍陣總容量的影響較小。

根據我們的實驗結果，將實測子波參數與經驗公式相比較。其中子波振幅的經驗公式為式

初泡比的經驗公式為式

氣泡周期的經驗公式為式

從圖6a中可以看到，隨氣槍數量增加，實測主脈沖振幅增加幅度介于大容量單槍與小容量多槍的振幅經驗公式之間，實測氣泡脈沖振幅增加幅度與小容量多槍陣列的增加幅度較一致。從圖6b、c中可以看到，實測初泡比和氣泡周期與理論值相差較大，這是由于氣泡周期主要受單槍容量影響，受槍陣總容量影響很小。式（3）描述的是初泡比與單槍容量的關系，沒有考慮氣槍數量的影響。隨單槍容量增加，主脈沖增加幅度大于氣泡脈沖，式（3）中的初泡比隨之增加。在氣槍容量2 000 in3、工作壓力2 000 psi、沉放深度15 m的工況條件下，單槍激發的氣泡半徑近似1 m，槍陣尺寸為8 m×6 m，遠大于單槍氣泡半徑，氣泡之間相互抑制作用很小，槍陣子波近似各槍子波線性疊加。同時，大容量氣槍震源具有豐富的低頻成分，隨氣槍數量增加，槍陣子波的主脈沖增加幅度小于氣泡脈沖增加幅度，初泡比相應減小。

32槍陣尺寸

各槍子波之間的相互作用與氣槍間距密切相關。氣槍間距越小，各槍子波之間相互抑制作用越大，對槍陣子波的時頻特性有很大影響。為探求槍陣尺寸對氣槍激發子波的影響，在工作壓力為2 000 psi、槍深23 m、水深45 m的工況條件下，對氣槍陣列做了槍陣尺寸分別為8 m×5 m，8 m×6 m，8 m×7 m，7 m×6 m，9 m×6 m的工況實驗，每個工況激發9次，對每次激發波形作時頻濾波后對子波參數取平均值，并進行歸一化比較。表2為槍深23 m時不同槍陣尺寸的槍陣子波參數。

圖7a、b是槍陣尺寸分別為8 m×5 m、8 m×6 m、8 m×7 m、7 m×6 m、9 m×6 m的氣槍陣列首次激發的槍陣子波波形和頻譜，從圖中可以看到，不同槍陣尺寸的子波波形和頻譜基本一致。圖7c為不同槍陣尺寸的槍陣子波波形和頻譜波形相關性比較。從圖中可以看到，主脈沖波形（0～02 s段）、氣泡脈沖波形（02～10 s段）和氣槍子波波形（0～10 s段）的相關性都很好，互相關系數峰值分別在0974 1～1、0975 4～1、0942 7～1之間。圖7d為對子波參數進行歸一化比較。從圖中還可看到，子波參數隨槍陣尺寸變化不大，主脈沖振幅、氣泡脈沖振幅的歸一化數值分別在0935 6～1097 1、0887 3～1025 9之間。初泡比在1211 2～1310 9間變化，歸一化數值在0991 9～1073 5之間；氣泡周期在013～014 s間變化，歸一化數值在0942 0～1014 5之間；低頻段主頻在8～9 Hz間變化，歸一化數值在1～1125之間。

同時比較不同槍陣長度和槍陣寬度對子波參數的影響。圖7e對槍陣尺寸分別為8 m×5 m，8 m×6 m，8 m×7 m的子波參數進行歸一化比較，主脈沖振幅、氣泡脈沖振幅的歸一化數值分別在0935 6～1、0887 3～1之間。初泡比在1211 2～1288 7間變化，歸一化數值在0991 9～1之間。氣泡周期在013～0138 s間變化，歸一化數值在0942 0～1之間。低頻段主頻在8～9 Hz間變化，歸一化數值在1～1125之間。圖7f為對槍陣尺寸分別為7 m×6 m、8 m×6 m、9 m×6 m的子波參數進行歸一化比較，主脈沖振幅、氣泡脈沖振幅的歸一化數值分別在0919 1～1077 7、0919 4～1之間。初泡比在1211 2～1310 9間變化，歸一化數值在0999 6～1081 9之間。氣泡周期在0134～014 s間變化，歸一化數值在0957 1～1之間。低頻段主頻都為8 Hz，歸一化數值都為1。

由于以上工況的槍陣尺寸遠大于單槍氣泡半徑，各槍子波之間相互作用很小，槍陣子波近似各槍子波線性疊加，子波波形、頻譜和子波參數隨槍陣尺寸變化影響不大。

在工作壓力為2 000 psi、槍深15 m、水深45 m的工況條件下，我們還做了槍陣尺寸分別為6 m×6 m、7 m×7 m、8 m×8 m、8 m×6 m的工況實驗，每個工況激發9次，對每次激發波形作時頻濾波后對子波參數取平均值，并進行歸一化比較。表3為槍深15 m時不同槍陣尺寸的槍陣子波參數。

圖8a、b是槍陣尺寸分別為6 m×6 m、7 m×7 m、8 m×8 m、8 m×6 m的氣槍陣列首次激發的槍陣子波波形和頻譜，從圖中同樣觀察到不同槍陣尺寸的子波波形和頻譜基本一致。圖8c為不同槍陣尺寸的槍陣子波波形和頻譜波形相關性比較，同樣可以看到主脈沖波形（0～02 s段）、氣泡脈沖波形（02～10 s段）和氣槍子波波形（0～10 s段）的相關性都很好，互相關系數峰值分別在0892 9～1、0968 7～1、0930 7～1之間。

圖8d為對子波參數進行歸一化比較。從圖中可以看到，子波參數隨槍陣尺寸變化不大，主脈沖振幅、氣泡脈沖振幅的歸一化數值分別在0912 4～1、1～1075 6之間。初泡比在1897 5～2237 0間變化，歸一化數值在0848 2～1之間。氣泡周期在016～0162 s間變化，歸一化數值在1～1012 5之間。低頻段主頻都為6 Hz，歸一化數值都為1。

4結論

氣槍子波由主脈沖和氣泡脈沖組成。在淺部探測中，采用多種小容量氣槍構成調諧或相干槍陣來加強主脈沖，壓制氣泡脈沖。在深部探測中，需要加強氣槍陣列激發的低頻成分。街面水庫氣槍陣列采用4支大容量氣槍，保持較大的氣槍間距，能夠同時加強主脈沖和氣泡脈沖，高頻主脈沖在地殼傳播過程中快速衰減，而低頻氣泡脈沖垂直穿透深，水平傳播遠，可用于深部探測。

氣槍陣列激發子波能量受槍陣總容量影響很大，子波頻譜與各單槍容量密切相關。通過分析街面水庫氣槍陣列波形記錄，可以看到隨氣槍數量增加，主脈沖振幅和氣泡脈沖振幅逐漸增加，氣泡脈沖增加幅度大于主脈沖振幅，相應地初泡比震蕩變小，頻譜形狀較為一致，氣泡周期和低頻段主頻變化很小，主要受單槍容量的影響，受槍陣總容量的影響較小。

槍陣尺寸越小，氣槍之間相干作用越強，氣泡振蕩受到抑制，子波低頻能量減弱。街面水庫氣槍陣列的槍陣尺寸遠大于單槍氣泡半徑，各槍子波之間相互作用很小，槍陣子波近似各槍子波線性疊加，子波參數隨槍陣尺寸變化影響不大。

通過研究氣槍陣列子波時頻特性及其受氣槍容量、槍陣尺寸的影響，有助于我們根據不同探測目標對震源激發信號的不同需求，調整激發參數，選擇最優工況，獲取最佳激發效果。

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