南海北部海域油氣資源調查技術及其應用研究
——低頻地震震源技術研究

曾憲軍，韋成龍，翟繼鋒，張如偉

（國土資源部海底礦產資源重點實驗室 廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075）

南海北部海域油氣資源調查技術及其應用研究
——低頻地震震源技術研究

曾憲軍，韋成龍，翟繼鋒，張如偉

（國土資源部海底礦產資源重點實驗室 廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075）

低頻地震震源技術在野外地震調查中起著舉足輕重的作用，特別是在南海北部海域油氣勘探目標埋藏深的條件下，如何改善中生界地層成像效果至關重要。文中通過對"立體"結構低頻震源技術的研究，結合海上試驗的數據結果，綜合分析了立體低頻震源的頻帶寬度較常規震源相比有所拓寬，在抗噪和信噪比方面也有較大優勢，這些關鍵參數的提高，有助于獲得較強的中深部有效反射信號，增強信噪比，提高中生界地震采集的野外資料的總體質量和后期解釋。因此，通過研究，可以選擇設計最佳的組合方案，為南海北部海域油氣資源調查提供技術支撐。

低頻震源；立體；信噪比；頻寬；沉放深度

南海北部海域油氣勘探目標埋藏深的條件下，采用目前裝備的5080 cu.in震源，在低頻端的能量較弱，致使激發的地震波穿透性不理想；目前采集的地震剖面中深部有效反射信號弱，信噪比低，尤其中生界地層成像效果差。如果通過提高震源容量雖可在一定程度上可以提高輸出能量峰值，但由于現有物探船空壓機等設備能力的限制，提高了震源容量就必須加大放炮間距，進而降低了疊加覆蓋次數，仍然無法達到提高中深層信噪比的目的。要解決此難題，需在增強震源低頻輸出能量和低頻端的頻寬等方面作出改進。

1 低頻震源設計

國內外研究表明，要提高中深層反射質量，需增強震源低頻發射能量，盡量拓寬激發子波的絕對頻寬[1]。在震源的選擇上，需要利用較大容量、震源低頻豐富、頻帶寬的震源陣列來激發信號，以利于深層信號的信噪比提高。

氣泡振蕩理論是氣槍信號數值模擬的基礎，Ziolkowski提出了常規氣槍近場聲波壓力場的計算方法，成為計算單槍壓力波場的經典。為了提高氣泡脈沖的能量，可通過增加氣槍總體容量的方式提高子波信號的能量，此外可通過選擇合適的激發時刻，使得不同槍的氣泡脈沖疊加以增強氣泡脈沖，達到提高低頻能量的目的。

研究區調查目標為中生界地層，存在目標埋藏深度大，崎嶇海底、傾斜地層等對反射波的吸收和衰減作用大；地層接觸界面存在剝蝕、反射波速度變化大等特點，調查難點是中深層反射波微弱。對震源進行設計，增強其輸出能量，加大低頻端的能量輸出。

根據已有地震資料信息，南海北部中生界目的層地震反射主頻在5～40 Hz之間，為盡量加強該頻率范圍內的信號強度，有必要重新對現有的震源進行設計。

氣槍沉放深度較淺時，激發的子波其頻帶寬，高頻端能量豐富；沉放深度較深時，激發的子波其頻帶窄，但低頻端能量豐富[2]。利用該特點，海洋物探公司采用“雙震源”，主要提供高頻信號的震源，沉放深度較淺；而主要提供低頻信號的震源，沉放深度較深。

國內外對子陣沉放深度的差異化組合也進行了研究。不同深度組合形式的陣列模型如圖1所示。凸型模型在子波能量輸出上有所減弱，但在頻譜低頻段更加光滑，頻帶有所拓寬。

圖1 不同深度組合形式的陣列模型

將單震源不同子陣沉放在不同深度，組成“立體”震源，在硬件和技術上是可行的。經過多次模擬計算，發現凸型立體震源具有較好的輸出特性。基于5080 cu.in震源基礎上，子陣一、子陣二、子陣三、子陣四的沉放深度分別為10 m，7 m，7 m，10 m。表1、圖2為Bolt-5080 cu.i“n立體”震源與子陣在同一深度震源之間的輸出特性比較。

表1 BOLT-5080 cu.in震源不同沉放深度特性比較表

震源沉放深度為7 m時，峰峰值為115.6 bar.m，波泡比14.9，頻寬為5～90 Hz，主頻為50 Hz，18 Hz以下頻率能量在210 dB以下，震蕩較明顯，陷波點出現在110 Hz處，陷波點頻率能量為165 dB。

震源沉放深度為10 m時，峰峰值為121.9 bar.m，波泡比10.1，頻寬為5～63 Hz，主頻為30 Hz，18 Hz以下頻率能量部分超過210 dB，震蕩較明顯，陷波點出現在78 Hz處，陷波點頻率能量為162 dB。

圖2 Bolt-5080“立體”震源特性圖

震源沉放深度為8.5 m時 (子陣10-7-7-10 m等效深度)，峰峰值為118.9 bar.m，波泡比12.4，頻寬為5～80 Hz，主頻為35 Hz，18 Hz以下頻率能量在210 dB附近震蕩，第一個陷波點出現在90 Hz處，陷波點頻率能量為168 dB。

震源沉放深度為10-7-7-10 m時，峰峰值為108.8 bar.m，波泡比17.9，頻寬為5～80 Hz，主頻為40 Hz，18 Hz以下頻率能量保持在210 dB附近，低頻端信號頻率能量曲線明顯平滑，第一個陷波點出現在90 Hz處，陷波點頻率能量為178 dB。

從震源方向性圖上看出，10-7-7-10 m沉放深度震源能量團邊緣較光滑。

經過比較認為，10-7-7-10 m沉放深度“立體”震源，在子波峰峰值輸出上降低了大約10 dB，但18 Hz以下頻率能量有所增強，曲線更加光滑；第一個陷波點頻率能量比8.5 m的等效沉放深度震源提高了10 dB，相當于相應提高了高頻端的能量輸出。總體來說，“立體”震源子波峰峰值有所降低，但加強和擴展了頻寬。

對于研究區水深較淺(1 000 m以內)，或者中生界目的層埋藏在雙程旅行時5～6 s以內，對震源輸出能量的要求在100 bar.m左右時，利用該“立體”震源更寬的頻帶的優勢，可以改善地震采集資料的質量。

南海北部陸坡深水區中深層油氣資源地震調查，需要低頻輸出好、頻帶較寬的大容量震源。在前期相關研究中，對低頻震源進行過較多地模擬計算及海上試驗，獲得了寶貴的設計經驗[3]。在此基礎上，提出了“立體”結構的低頻震源設計。

“立體”槍陣是基于現有Bolt長壽槍5080 cu.in震源基礎上，通過改變各子陣沉放深度的組合，達到增強震源低頻能量，并拓寬震源主頻的目的。利用PGS Nucleus軟件對“立體”槍陣進行模擬（第一、四子陣深度為10 m，第二、三子陣深度為7 m，等效深度為8.5 m）。從模擬激發的振幅-頻譜圖可看出，5 080 cu.i“n立體”凸型槍陣的有效主頻帶在18～68 Hz之間，且低頻端能量輸出的波動較小，相比平面震源沉放8.5 m時的特性，具有低頻能量較強、輸出穩定、并保持了較寬的主頻帶的特點(圖2)。

2 海試參數設計及資料采集

低頻輸能量高、頻帶較寬的大容量震源有利于提高中深層油氣資源地震資料信噪比。在以往實驗基礎上，結合國外立體震源技術，設計了“立體”結構的低頻震源（圖3），該“立體”槍陣是基于廣海局“探寶號”船現有Bolt長壽槍5080 cu.in震源基礎上，通過改變各子陣沉放深度的組合，達到增強震源低頻能量，并拓寬震源主頻的目的。其模擬輸出特性見表2。

圖3 立體震源各子陣沉放深度示意圖

表2 同步激發氣槍震源特性

低頻組合震源對比試驗地點選擇在南海海域，并設計一條試驗測線，開展平面震源和“立體”震源采集對比[4]，兩次試驗走航方向一致。震源等效沉放深度7 m，電纜沉放深度為9 m，炮間距25 m。平面氣槍陣列的四個子陣列沉放深度為7 m，“立體”氣槍陣列的四個子陣列沉放深度為8-6-6-8 m的凸型組合。

3 采集資料效果分析

用平面震源采集的測線命名為NHB272，用“立體”震源采集的測線命名為NHB272A，對試驗線資料進行了頻率掃描、頻譜分析，確定處理流程[5]；在同樣的流程下得到兩條試驗測線的疊加剖面。為使分析結果有較好的可比性，在處理中要求：（1）對兩次試驗，采用同樣的流程和參數，不使用參數隨機變化的處理模塊；（2）同一方向的試驗線使用同樣的速度庫；（3）疊后不作任何修飾處理，避免人為因素影響剖面。

首先，通過對比兩組參數的頻譜能量和范圍、剖面的品質等，采用8-6-6-8 m深度組合的氣槍震源在抗噪能力上優于平面震源，圖4為頻率譜圖分析對比，圖5為疊加剖面效果分析。

圖4 立體震源與平面震源頻率譜對比

圖5 疊加剖面效果分析

其次，通過綜合對比，采用8-6-6-8 m深度組合的“立體”氣槍震源，主頻信號獲得了一定增強，主頻信號的信噪比，也有一定優勢，見圖6。在中深部地層的局部，8-6-6-8 m組合的震源得到的資料信噪比有所提升（圖7）。

圖6 7-7-7-7 m與8-6-6-8 m組合信噪比對比

圖7 7-7-7-7 m(左)與8-6-6-8 m(右)組合采集剖面對比

4 結論

海上試驗結果表明，“立體”槍陣在低頻端的曲線比較平滑，在高頻端陷波點附近能量有所提高（圖8），相當于激發信號的頻帶寬度有所拓寬，見圖9；另在抗噪和信噪比方面也有較大優勢，獲得了初步的預期成果。

圖8 立體震源(紅色)與平面震源(藍色)頻譜對比

圖9 常規陣列(左)與上下陣列(右)震源采集剖面對比

[1]陳浩林,全海燕,於國平，等.氣槍震源理論與技術綜述(上)[J].物探裝備,2008,18(4):211-217.

[2]陳浩林,全海燕,於國平，等.氣槍震源理論與技術綜述(下)[J].物探裝備,2008,18(5):300-312.

[3]韋成龍,郝小柱,易海，等.南海北部中生界地震勘探震源設計及應用[J].石油地球物理勘探,2012,47(S.1):1-7.

[4]韋成龍，等.南海北部陸坡深水區油氣資源普查（2012年探寶號船）生產技術總結報告[R].2012.

[5]羅文造，韋成龍，王立明，等.海上地震勘探主要采集參數的選取與驗證[J].熱帶海洋學報,2009,28(4):93-101.

Exploration of Oil and Gas Resources in the Northern Part of the South China Sea: Study on the Low-Frequency Seismic Source Technology

ZENG Xian-jun,WEI Cheng-long,ZHAI Ji-feng,ZHANG Ru-wei
MLR Key Laboratory of Marine Mineral Resoures,Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510075,Guangdong Province, China

Low-frequency seismic source technology plays an important role in field earthquake investigation, especially in oil and gas exploration in the northern sea area of the South China Sea where targets are deeply buried.It is essential to improve the imaging effect of Mesozoic stratigraphy.Based on the research on lowfrequency source technology of"three-dimensional structure"and the data from sea tests,this paper comprehensively analyzes that the bandwidth of three-dimensional low-frequency source is widened compared with conventional source,and there is also a great advantage in anti-noise and signal-to-noise ratio.The improvement of these key parameters will help to obtain a strong middle and deep effective reflection signal, enhance the signal to noise ratio,improve the Mesozoic seismic acquisition of the overall quality of the field data and post-interpretation.Therefore,through research,it is able to choose the optimal combined scheme,so as to provide technical support for exploring oil and gas resources in the northern waters of the South China Sea.

low-frequency seismic source;three-dimensional;SNR;bandwidth;sinking depth

P744.4

A

1003-2029（2017）03-0112-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.021

2016-05-12

國家“729”專項資助（GZH201200508）

曾憲軍（1981-），男，高級工程師，主要從事電子信息工程和海洋物探調查。E-mail:13660343708@139.com