前沿：海洋宽频带地震勘探新技术扫描

前沿：海洋宽频带地震勘探新技术扫描

文|吴志强

国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室

1、概况

海洋地震勘探在海洋地质调查、油气藏勘探与开发中起到了无可替代的重要作用。随着勘探领域的不断拓展，地震勘探的难度越来越大。在深部地质调查和复杂构造、火山岩（或碳酸盐岩）屏蔽下的油气藏地震勘探中，为了获取目的层有效反射信号、实现精确成像，对地震数据采集的要求进一步提高，包括采集到低频、高频成分丰富的宽频带、高信噪比原始地震记录。地震信号中的低频信息具有穿透能力强、对深部目的层成像清晰的优势，同时也使地震反演处理结果更具稳定性。宽频带可产生更尖锐子波，为诸如薄层和地层圈闭等重要目标体的高分辨率成像提供全频带基础数据。

理论研究表明：当地震数据的频带宽度不低于两个倍频程时，才能保证获得较高精度的成像效果；频带越宽，地震成像处理的精度越高；增加低频分量的主要作用是减少子波旁瓣，降低地震资料解释的多解性，提高解释成果的精度。

图形象地展示了低频分量的重要性：高频分量丰富、但缺少低频分量的地震子波的主峰尖锐，却会产生子波旁瓣，使地震资料的精确解释变得困难且多解；高分辨率子波是在低频和高频两个方向都得到拓展的宽频带子波，这样子波的主峰尖锐、旁瓣少且能量低，能分辨厚度极小的薄层，地震解释的精度高。

现今地震资料反演处理大多是基于模型的地震反演，成功的关键是能否提取真实子波和建立精确的低频模型。常规地震数据中缺失低频信息，只能采用从测

井数据中提取低频分量再与地震数据反演的相对波阻抗合并处理方式得到绝对

波阻抗。

在目标地质体复杂、钻井少的探区，仅靠测井资料提取的低频分量难以反映复杂地质体横向变化，导致不精确或假的反演结果。为弥补该缺陷，一般采用从地震叠加速度提取低频分量方式，而叠加速度只能提供0～5Hz低频信息，无法弥补常规地震所缺少的0～10Hz低频分量。可见，地震数据中低频信息对保证地震岩性反演的精度意义重大。

然而，在海洋地震勘探中得到宽频带地震数据是比较困难的。

首先，在常规海洋地震数据采集中，电缆和气枪都要以固定深度沉放于海平面之下，以保证下传的激发能量最大化和降低接收环境噪声。

由于海平面是强反射界面，在激发和接收环节都会产生虚反射效应，从而压制了信号的低频和高频能量，并产生了陷波点，限制了地震勘探的频带宽度。例如，为了获得深部目的层有效反射信号，必须增加气枪阵列容量、加大沉放深度以得到穿透能力大、主频低的激发子波，并加大电缆沉放深度以减少对来自深部反射界面的低频反射信号的压制效应，由此带来的副作用是高频信号受到较大压制，降低了地震信号的频带宽度和分辨率。

在海洋高分辨率地震勘探中，一般采用较小气枪阵列容量和较浅沉放深度以得到高频成分丰富的激发子波，同时降低电缆沉放深度以降低接收环节对高频信号的压制效应，这样虽然提高了地震信号的频带宽度和视觉分辨率，但它是以牺牲低频信息和勘探深度为代价，处理后的成果数据缺少低频信息，给后续的反演处理带来较大困难。

勘探设备性能也限制海洋地震勘探获得宽频带地震数据的能力，电缆在移动时产生的机械和声波噪声掩盖了微弱的有效地震信号，降低了地震数据的频宽和信噪比，尤其是对高频段信号的影响幅度更大。到目前为止，常规海洋地震勘探中尚未找到完全有效压制虚反射效应的采集和处理方法。

近年来，针对海洋宽频带地震勘探面临的主要难题，在勘探设备方面进行了研发并取得重要进展。固体电缆的研制成功和工业化应用，有效地降低了电缆噪声，提高了对微弱高频信号的响应和记录能力；双检波器拖缆采集技术的发展与应用，压制了虚反射效应，拓宽了地震频带。

众所周知，气枪和电缆以一定深度沉放于海平面之下，海平面反射在上行波和下行波之间产生交互干涉的鬼波效应，对地震反射信号产生了压制和陷波作用，降低了原始地震资料的频带宽度。气枪和电缆沉放越深，对高频信号压制越大，越有利于低频信号；沉放越浅，对低频信号压制越大，越有利于高频信号。

为了压制虚反射效应，提高地震数据频带宽度，在海洋地震激发时借鉴陆上地震勘探压制虚反射的成功做法，开发了多层震源组合新技术代替传统的平面震源组合方式，激发地震子波的低频和高频分量都得到有效拓展和提升，因此其频带展宽、穿透能力增强。

在海洋地震信号接收环节，为有效削弱由海平面虚反射引起的陷波作用，利用电缆沉放深度的变化对不同频带的压制特性，采用上、下缆接收技术，既有效

地兼顾了获得不同频段的信号，也增加了地震数据的叠加次数，提高了地震信号的信噪比。但上、下缆地震采集要求严格控制电缆处于同一垂直面上，以确保接收点所获信息的均匀性和数据合并时反射点位置一致性，对设备和作业海况的要求较高，常规地震勘探设备难以满足这一要求。

电缆变深度沉放（variable depth streamer）技术，是一种施工相对简单的地震采集技术，只需将单条电缆按一定斜率或分段沉放于不同深度，使虚反射陷波效应分散化，以达到提升地震信号低频、拓宽频带、提高原始信号振幅能量和信噪比的目的。同样，采用双检电缆进行数据采集，通过数据合并处理，可有效地减弱由电缆沉放带来的虚反射效应对地震信号的高频段和低频段的损害。

本文通过对海洋宽频带地震勘探技术方法的调研和总结，分别在地震波激发、接收和地震数据处理等几个技术环节进行了阐述，展现了目前国际海洋地震宽频带勘探技术的新进展。

2、多层气枪阵震源技术

在常规海洋地震数据采集中，气枪是经济、实用和符合环保要求的人工地震震源。为了最大程度地发挥气枪震源的优势，避免单枪气泡效应对地震记录品质的影响，通常将若干个不同容量的单气枪组成子阵列，再用2～4个子阵列组成一个完整的气枪震源阵列，每个子阵列都以相同深度沉放在海水中，称为平面震源或常规震源。它具有操作方便、排列简单和能实现子阵列最大能量同时叠加等优点。

但由于海平面虚反射等因素引起的陷波作用，高频和低频信号均受到不同程度的压制，震源子波的低频段振幅震荡幅度大，严重影响了原始地震资料的品质，同时也难以兼顾穿透深度与频带宽度。

为了降低气枪震源激发产生的虚反射作用，受陆地垂直震源延迟激发压制虚反射的启发，Moldoveanu提出垂直震源法。即将两个枪阵按炮间距前后布置并

分别沉放于同一垂直平面内的不同深度，采集中两个枪阵交替激发形成同一激发位置上两个不同激发深度的单炮记录；处理中采用波场分离方法，剔除两个连续炮点记录的上行震源波场，减弱了震源产生的虚反射，提高了地震分辨率。

墨西哥湾试验资料的频谱分析结果表明，低频端能量得到提升，频谱相对平滑，提高了资料的分辨率和信噪比。但该方法在采集阶段对虚反射的陷波作用有限，且数据处理的难度和运算量大。陆地地震勘探井中炸药激发方式同样也存在虚反射问题，它降低了地震记录的分辨率和信噪比。

为了降低虚反射效应，采用组合延迟激发技术削弱虚反射效应，将炸药分别置于井中不同深度处并从浅到深延迟激发，延迟时间为上一个激发点形成的下行波到达下一个激发点的走时，这样就会在叠合下行波的同时消耗上行波，虚反射（与地表反射相关的上行波）能量被削弱。该项技术应用的主要困难是，地表速度变化大，很难得到精确、完整的地表速度结构，炸药启爆时间的精度低，无法

做到爆炸的延迟精度与地层速度的完全匹配，影响了该技术在陆地地震勘探的应用效果。

借鉴陆地地震勘探中的延迟激发技术的思路，在海洋地震勘探中设计了多层气枪震源，将气枪子阵沉放于不同深度，从最上层子阵开始顺序地延迟激发各层子阵，延迟时间是上层子阵激发的下行波波前到达下一层的走时，这样在保证下行波波前同相叠加能量不变的同时，到海平面的上行波能量不能同时叠加而受到削弱，降低了虚反射效应（图）。

与陆地炸药组合延迟激发相比，海水的声波速度基本恒定，且子阵列沉放深度基本稳定，其变化可忽略不计，毫秒级的气枪触发精度完全可做到与下行波前同相叠加。该技术的应用相对简单，只需对现行气枪震源激发方式略作改进。

通过对震源远场子波理论数值模拟，Cambois等发现多层（气枪阵列）震源能有效提高子波品质，较好地抑制海面虚反射等因素造成的陷波作用，其子波频谱较平面震源的光滑，同时它还具有较明显的低频能量优势，但在中频段振幅能量受到一定的压制（图）。

多层震源虽然有效地拓宽了震源子波频带，但受新组合方式影响，震源子波的信号特征发生了改变。多层震源远场子波理论模拟发现：

虽然虚反射效应得到较大压制，但虚反射对气泡脉冲的压制和衰减作用也在降低，其峰值、波泡比都比平面震源低；

由于不同深度的子阵列的横向位置不在一个垂直面上，多层震源延迟组合激发造成下行波的方向不一致及方位角等向性差的问题更加突出；

另外，由于下层枪阵沉放深度较大，在高静水压力下激发，将降低气泡幅度和震荡周期，导致图3所示部分频率和能量的损失；

而气泡幅度差异的出现，意味着阵列设计和气泡脉冲衰减性能的下降。

因此，采集前进行多种组合方式的震源远场子波数值模拟，是保障多层震源设计有效性和实用性的关键，加大枪阵总容量是保证震源有效能量的关键。

3、宽频带地震数据接收装备

相对于低频地震信号，高频地震信号在传播过程中衰减更快，电缆接收到的高频信号能量较弱，因此宽频带地震数据接收对环境和设备要求更为苛刻；另外，为了兼顾得到更多（低至2Hz）低频分量，对电缆的频率响应特性也提出了更高要求。

宽频带地震技术的核心之一是专用固体电缆，它具有良好的低频响应特性和抗干扰性能，使之能沉放到更大深度；新开发的水听器能接收低达2Hz的地震反射波，使数据向低频端拓展1～2个倍频程，由此带来的挑战是记录的低频信号

含有相当大的噪声成分，因此必须降低接收阶段的低频环境噪声，但常规的液体电缆难以做到。固体电缆的诞生有效地降低了接收阶段的低频海洋环境噪声。

Dowle和Soubaras等介绍了PGS公司开发的这种专利电缆的优势，它由32个抑制噪声的压电元件集成为圆柱形水听器，并镶嵌在泡沫塑料套内，与电缆的拉伸表皮相隔离（图），这样便降低了对电缆震动的敏感性（电缆噪声），充填的固体塑料泡沫对干扰波起抑制作用，如对固有的沿电缆传播的膨胀波噪声的消除效果明显优于液体或凝胶体电缆，噪声水平比凝胶体电缆低20dB以上（图）。

固体电缆内部充填的材料密度均一、浮力稳定，能沉放于更大的深度并保持稳定，数据采集时可较容易地设置不同沉放深度，以便利用不同深度的虚反射陷波差异提升低频信号能量。

为了在接收阶段获得虚反射波场特征，以利于在数据处理中消除，PGS公司还开发出专利双检电缆-Geostreamer，除可配置常规压力检波器（水听器）外，还配置了速度检波器。

双检电缆消除在地震数据接收阶段虚反射的机理如图所示：在由一个压力传感器（水听器）和一个垂直速度传感器同时记录到的地震波场中，由速度检波器

接收到的垂直分量信息反映的是铅垂方向上质点振动速度，由压力检波器接收到的压力分量信息反映的是由质点振动引起的水压变化特征。

压力分量是全方位变化的信号分量，与速度检波器产生的垂直分量在上行波（有效反射信号）方向极性相同，在下行波（海水鸣震信号）方向极性相反。上行波（即反射波）在两个传感器记录到的全是正极性；而对于下行波（即虚反射波），在水听器记录到的是负极性信号，在速度传感器记录到的是正极性信号。

两种传感器具有相同的虚反射周期，两者相加下行波被压制，得到上行波；而两者相减，则得到下行波。因此，可综合利用垂直分量与压力分量信号在方向特征上的差异消除水层鸣震和多次波干扰，避免了海平面虚反射等因素引起的陷波作用，提高了采集数据的信噪比，改善了原始数据的品质。

由于Geostreamer双检电缆的特殊设计，能同时记录到地震波场的上行波信号和虚反射信号，通过处理实现对虚反射压制影响频带的有效补偿，这样就能以较大的沉放深度进行数据采集，有效地避免了表层的水流、涌浪对数据品质的损害。

Tenghamn等对沉放深度为13m的双检电缆中水听器、速度检波器和二者合并道数据振幅谱（图）进行对比分析后指出：速度检波器的低频成分丰富，但中频段振幅较低（红色曲线）；水听器的中频振幅强、但低频分量受到压制（蓝色曲线）；二者合并后产生互补效应，合并道低频振幅高、频谱光滑（绿色曲线），达到了提升低频、拓宽频带的目的。

4、上下缆和变深度拖缆接收技术

在海洋地震勘探的数据接收环节，电缆沉放深度的变化也对地震信号的不同频带起压制作用。当电缆沉放较深时，低频分量信号得到释放、高频分量信号被压制；当电缆沉放较浅时，高频分量信号得到释放、低频分量信号被压制。

一直以来，物探工作者尝试利用电缆沉放深度的变化对地震信号不同频带的压制特性，以获取宽频带地震记录。但在前期的海洋地震勘探中该方法并未取得预期效果。主要原因是当电缆沉放于不同深度时，因海洋洋流在不同深度的流速差异，造成不同深度的电缆无法同时处于同一垂直面，难以保证接收点所获信息的均匀性和在上下电缆数据合并时的相位一致性，降低了地震资料的品质。直到电缆横向控制器的发明，调整电缆横向移动成为可能，保证了不同深度的电缆始终处于同一垂直面，这种上下缆接收的数据采集方式才得以实际应用，并显示出其强大优势。

上下缆接收是将一对或多条电缆以不同沉放深度在垂向上排列，在数据处理阶段进行信号合并，利用不同深度的虚反射陷波差异优化低频和高频信号品质，达到拓宽频带的目的。Hill等介绍了上下缆接收方式的施工方法及所具有的宽频带采集优势。Kragh等进一步指出：上下缆接收的本质是通过沉放较浅电缆达到优化中、高频分量的目的，通过沉放较深的电缆达到优化低频分量的目的。

当电缆沉放深度为20m时，它对20Hz以下低频信号的提升幅度达到10dB

以上（图a），沉放深度为20ｍ电缆获得的地震剖面（图c）深部反射能量和成像品质比沉放深度6ｍ电缆（图b）强。同时由于低频信号波长增加，因此沉放深度较大的电缆道间距可以更大，以节省电缆购置费用和采集成本；对这些信号进行合并处理后，能大幅度提高地震记录的信噪比和分辨率（图c）。

但上下缆接收方式需保持两条或多条电缆同时在铅垂面上作业，对采集设备性能要求高，施工难度大、效率低；双检电缆造价高，速度型水听器在水中接收时，高能量低频噪声干扰严重。为了克服上述缺陷，CGGVeritas研发一种宽频带接收数据采集与处理专利技术-BroadSeis TM，它由三个独立的部分组成：大沉放深度、低噪声的Sentinel固体电缆、变深度电缆拖放技术和保持振幅的虚反射压制与高精度成像技术。

Soubaras等介绍了电缆变深度沉放采集技术，即采用Sentinel固体电缆以变深度拖曳方式进行数据采集，电缆的沉放深度从近道到远道随排列长度的增加而线性增加，达到利用不同沉放深度虚反射陷波差异，通过处理获取低频和高频信号，最大限度地拓展原始数据频带宽度。

由于虚反射陷波频率随电缆沉放深度的变化而变化，数据处理时必须用专门的反虚反射和成像处理技术予以压制，应用该技术能得到高信噪比、宽频带原始数据和成果剖面，实现对地下不同深度目标体的清晰成像。

实践证明该方法能完全控制电缆的沉放深度并保持稳定性，可沉放到电缆允许的最大深度（60ｍ），这样便可保证低至2Hz的反射信号不被压制。

该技术的主要优势是，它能发挥固体电缆的所有优势，只要作业区水深条件许可，就能将电缆沉放深度设置为最深或最浅，以改善水听器的低频响应且降低海洋环境噪声，还不必配置专用的电缆横向位置控制装置。

另外，由于电缆形状和沉放深度的可变性，以及由此带来的电缆虚反射陷波效应差异，可兼顾不同深度、类型的目标体的成像要求，只需根据勘探区的速度特征、水深和勘探目标体分辨率要求，设计电缆的沉放形态，就可在勘探中同时做到陷波差异与子波频谱的最优化。

该项技术的灵活性和实用性意味着它具有广阔的应用前景：低频段的拓展和穿透深度的增加，有利于深部复杂构造目标体的精确成像；频带宽度的拓宽，使浅层目标体的成像精度和分辨率也得到有效改善。

5、应用效果

近年来海洋宽频带地震勘探技术在全球各海域的油气勘探中得到广泛应用，西方多个地球物理服务公司已形成了专利品牌技术。如PGS的Geo-Steamer双检电缆宽频带地震勘探专利技术，CGGVeritas的BroadSeis TM变深度拖缆采集与精确成像专利技术和WesternGeco的上下源、上下缆宽频带地震勘探技术。本文限于篇幅，仅介绍其中几个典型的成功勘探实例。

Tenghamn等介绍了利用双检电缆在北海的应用实例。双检电缆的沉放深度

为15m，而常规电缆的沉放深度为8m，从沉放深度上看8m深度应该具有更多的高频成分。图a为常规电缆得到的叠加剖面，图b为双检电缆水听器和速度检波器数据合并处理的叠加剖面。可见双检电缆数据的分辨率和信噪比明显高于常规电缆。滤波分析表明，双检电缆数据的有效波最高频率达到100Hz，比常规电缆提高了20Hz。

Long等介绍了澳大利亚西北部陆坡二叠纪—三叠纪气田勘探中改善深部目

的层地震分辨率的成功案例。采用沉放深度为15m的双检电缆进行二维地震勘探，

与常规拖缆方式对比，由于水听器和速度检波器数据的互补性，合并处理后提升了低频信号能量、拓展了频带宽度（图）。

CGGVeritas公司利用BroadSeis TM变深度拖缆（因电缆在深度上倾斜沉放，

又称斜缆）采集与精确成像专利技术在澳大利亚西北部、墨西哥湾、西非等多个海域成功地进行了勘探。在西非海域地震勘探中，电缆沉放深度从近炮点道的

5m线性增加到最大炮检距道的48.5m，获得了超过5个倍频程带宽（2.5～150Hz，图a）的地震数据，在此基础上进行波阻抗反演，与常规地震（气枪沉放深度为10m、电缆沉放深度为12m）数据波阻抗反演成果相比，宽频带地震数据明显地

提高了波阻抗反演的精度和分辨率（图d和图f）。

Cambios等在研究中还发现，当多层震源结合双检电缆进行地震数据采集时，能更有效地提升低频信号能量并拓展频带、压制水层鸣震和多次波反射，避免了海面虚反射等因素引起的陷波作用，大幅度地提高了地震资料的信噪比及品质。

Cambios等介绍的PGS公司2008年在澳大利亚西部海域Browse盆地进行了宽频带地震勘探。该盆地勘探目的层上覆高速碳酸盐岩屏蔽层，共进行了三次地震数据采集。

第一次为常规震源＋常规固体电缆采集；

第二次为常规震源＋双检电缆采集；

第三次为（沉放深度分别为12m和18m的）两子阵双层震源＋（沉放深度为15m的）双检电缆采集，三次数据采集的枪阵总容量相同。

结果表明双层震源＋双检电缆方式采集数据的低频分量丰富，明显地提高了高速碳酸盐岩屏蔽下的目的层地震反射信号的信噪比，改善了反射能量弱、连续性差的地震波组的成像质量（图）。

多层震源＋双检电缆采集的地震数据具有更丰富的低频分量和更高的低频能量，因此可达更大的勘探深度，深部目的层的成像品质更高，数据频谱分析（图）也得到了验证。虽然未进行多层震源＋常规拖缆方式地震数据采集，但从双检电缆的水听器信号同样可得到多层枪阵＋常规拖缆方式采集数据，这样便可对不同方式采集数据的品质进行比较。

图展示了浅层、深层不同采集方式反射数据频谱特征：在浅层时窗（0～3s）上，多层震源采集的低频和高频分量能量增强、中频分量能量降低；在深层时窗（3～6s）上，多层震源方式只提高低频分量能量，中频和高频分量由于大地吸

收衰减效应而未得到提升；但由于低频分量能量的提升，深部弱反射信号振幅得到提高，波组的连续性和信噪比都有大幅度提升。

6、结束语

宽频带地震勘探的优势是众所周知的，但在海洋地震勘探中拓宽地震频带的困难较大，且费用较高。

在海洋地震勘探数据采集中，不需考虑地表吸收衰减对激发和接收过程的影响，虚反射的陷波效应是影响频带宽度的主要因素，它对低频信号和高频信号都产生了压制作用。消除由气枪和电缆沉放引起的陷波效应对地震记录的影响，一直是海洋地震勘探的主要研究课题。

虽然海洋宽频带地震勘探取得了较大进展，但还未完全解决宽频地震勘探的所有问题。通过努力可有效拓展地震反射记录的低频分量，但在拓展地震反射信号高频分量和提升能量上进展缓慢，主要原因是高频信号在传播过程中衰减较快，同时容量大（能量强）的气枪震源主频较低，这些都对拓展和提升高频地震反射信号带来较大挑战，这也成为宽频带地震勘探未来的努力方向。