1、海上变深度拖缆地震数据采集模拟与分析全球海洋油气资源丰富， 据油气杂志统计， 截至 2006 年 1 月 1 日， 全球海上石油探明储量约 380 亿吨，海洋天然气资源约 140 万亿立方米 。其中 30%分布在大陆坡的深水、超深水域。全球陆地、浅海经过 长期的勘探，重大油气发现的数量已经越来越少。海洋油气生产增长迅速，从 20 世纪 60 年代每天约 20 万 t 到 2005 年接近每天 400 万t 随着海上油气勘探开发向深海转移，全球深海油气产量也在快速增长。据英国道格拉斯统计和预测，2004 年海上产量约占全球总产量的 34%，预计到 2015 年可达到 39%。因为海上打一口井的费
2、用太高，一般在水深 30-50 米的海上，钻一口井的费用相当于陆上的十倍。水深 150 米钻一口井的费用是陆上的几十倍到上百倍，所以在海上找油，就特别重视地震勘探。海上找油的实践经验可以归纳为一句话： “突出地震，少井高产。”因此，人们加大了对海洋勘探的研究力度。本论文主要研究如下问题：1）分析海上地震勘探拖缆地震数据采集的问题；2）海上变深度拖缆地震数据优势分析； 3）海上变深度拖缆地震数据处对策与研究方法；4）了解海上地震勘探原理及主要问题；本文将就上述问题逐一展开。1. 分析海上地震勘探拖缆地震数据采集的问题；海上地震如此受重视的原因有三个：一、海上地震效率高、成本低。一般海上地震效率可
3、以较陆上地震高很多，可以达到十七倍，所以海上每公里的成本只是陆上的八分之一。二、海上地震资料质量高，勘探效果好。三、海上地震技术更新快，推广快。虽然随着各大石油公司增加海上地震的投入，很多问题得到了解决，但是在海上地震勘探拖缆地震数据采集方面依然存在很多问题。海洋石油地震勘探是由陆地石油地震勘探发展而来，先延伸至浅海，最后发展到深海。但是由于海洋复杂的地球物理环境，产生了很多不同于陆地石油勘探的问题。影响海上地震资料品质的因素是很多方面的，一、采集系统以外的因素对数据采集的影响：其中有环境的影响，如海水的温度、含盐度和潮汐高程的变化，有洋流的影响，二、采集参数的影响，如气枪容量和沉放深度、电缆
4、长度及沉放深度、道间距、覆盖次数等。具体可以总结为如下：一是三维偏移成像的精度有待提高。对海上地震资料来说，求准空变的三维速度和实现全三维叠前偏移特别重要。现在虽然计算机技术迅猛发展，人机联作进一步加强，正反演模型越来越精准，但是由于人类对海上地震勘探高精准目标的不懈追求，上述方面仍然需要进一步提高和改善。二是要提高深层的高频地震信息（100hz 以上）的能量。在等浮拖缆地震数据采集中，高、低频信息匮乏，频带宽度相对窄，不利于一些特殊地质现象（如薄储层和地层圈闭）的处理解释。在现代海上地震采集系统中，震源在提高分辨率方面显得尤为重要。三是三维资料处理和解释的过程慢，特别是要缩短解释的时间。数据
5、采集所用时间相对最短，数据处理时间适中，资料解释所用时间最长。进度缓慢往往会延误整个海上石油开采的过程。解决办法是发展更大的计算机。四是海上地震采集装备中某些部件的可靠性。统计表明，拖缆是海上地震作业中发生故障最多的。只有装备的可靠性提高了，地震作业的效率才能更高，成本才能更低。为了适应海上勘探高覆盖次数的要求，等浮电缆的道数不断增加。在 海洋勘探中进行多次覆盖观测时， 观测船的速度恒定很重要，因为它关系到震源的激发时间。但是由于船速受风浪、涌流等多种因素的影响，所以必须用多普勒声呐及时调节船速才能保持它的恒定。此外，由于海流的影响，电缆和测线方向往往具有一定的夹角（电缆偏角），激发点间距也不
6、均匀。为了减小电缆偏角的影响，测线要尽可能垂直于反射层走向，也可以在可能的条件下通过适当增大船速来克服侧流影响。由于海水与空气的波阻抗差很大，海面处的反射系数接近，必然导致水层虚反射。要想减小虚反射的影响，电缆的沉放深度也要和震源的深度一样，还有一些消除虚反射的方法，如不同接收深度的双缆作业法，垂直沉放检波器接收法，但效果均不是很好。再就是各种噪声的存在，如船体的拖曳噪声（通常是减小船速来减小此噪声，等浮电缆前端的弹性段可减小此噪声）、膨胀波干扰和波浪噪声。这些噪声降低了低频段的信噪比，通常增大拖缆的沉放深度有助于削弱膨胀噪声和波浪噪声，从而提高低频段的信噪比。但是随着电缆沉放深度的增加，地震
7、资料主频就会降低，频带变窄，分辨率降低。所以在进行地震资料采集前，应针对勘探地区的勘探要求、具体海况等条件，在保障所需主频、频带的同时，兼顾深层信息的接收，尽量减少噪声影响。只有设置合理的震源及拖缆沉放深度才能保证采集的资料具有良好的品质。 2. 海上 变深度拖缆地震数据 优势分析:Soubaras(2010 年)引入一个概念“全范围地震勘探” ，它允许检波器随着拖缆有不同的深度。从最近的地震道开始，检波器的深度随着炮检踞增大而变深，引入多样化的地震鬼波。这种多样性使得我们能够通过运用一种先进的联合反褶积算法将鬼波充分去除（Soubaras 2010） 。最终的地震图像在频谱的两个端点比常规数
8、据图像有更大的带宽。同时，探测这种变深度拖缆数据并不比常规数据复杂，因为这两种方式最主要的变化是将拖缆拖到预先定义好的不同深度。图 1 原始炮集比较。左边面板是来自常规数据的炮集，右边面板是来自变深度拖缆数据的炮集。突出显示的是信噪比。拖缆深度控制是拖缆采集中的关键因素。所谓变深度拖缆数据采集就是从最近的地震道开始，检波器的深度随着炮检踞增大而变深。将拖缆保持在一个预定义的目标深度可以优化所采集的地震数据带宽，最大程度地提高地震图像的分辨率以及多次勘查的一致性。拖缆深度控制是通过拖缆深度控制器，拖缆深度控制器也称为“水鸟“ ，船舶作业员可以利用它将电缆置于浅水表面或潜入水中以避开航行船只，保护
9、地震采集承包商的投资。拖缆这种变化特性在数据采集过程中引入了大量多样化的地震鬼波，鬼波的产生在低频和高频端同时增加了频谱宽度。增加数据低频内容可以减小地震子波旁瓣，而增加地震数据高频内容则可以锐化子波波峰，因此极大的提高了分辨率，进而提高了地震资料的解释精度。例如低频数据可以增加深层目的层的成像精度，浅处目标体（以及浅部危害）也将受益于全部带宽的可获得性以及可记录性,并且可以提高地震资料反演过程的稳定性。它已经在地震分辨率、层序地层学和低频穿透等方面持续地生产出高质量的成果图像。常规海上地震勘探（见图 2）的检波器鬼波代表着一个被调整好的接收阵列，这种阵列加强了一些频率，同时在鬼波陷波处消了其
10、他的频率。在变深度海上拖缆数据采集（见图 3）中，拖缆的深度是变化的，这样接收阵列就不是被调谐好的，也就接受所有的频率。结果，这种方法为地震解释产生了一种特别尖锐和纯粹的子波,它可以最优化的被用于深层目标体。图 2.常规海上地震勘探示意图变深度拖缆地震数据噪声级比常规平直电缆噪声级更低，随着拖缆深度的增加，拖曳噪声、膨胀波干扰和波浪噪声得到了很大程度上的弱化，这样噪声对地震信号的影响变得常规海上地震勘探更小，因此海上变深度拖缆地震数据信噪比较常规海上地震勘探更高。图 3. 海上变深度拖缆地震示意图图 4.增加地震子波的倍频程提供了更好的分辨率和更精确的解释。这种采集技术已经成功的应用于西非海岸
11、不同盐度条件下和墨西哥湾复杂的涡流环境中。在从北极到澳大利亚，单缆和双缆两种配置都被利用几艘不同的船只部署。图 69 显示出墨西哥湾基于拥有 2.5hz155hz 频宽的常规数据的提高之处，这些结果提供了更低频、低噪和高品质分辨率的数据。图 5. 西非海岸，总提供的数据来源于加蓬和钴共和国。标准的常规数据和新数据的振幅比较。合并后的震源鬼波和检波器鬼波在常规的数据集中是显而易见的，新的采集方法通过在低频和高频端增加倍频程扩展了频谱。图 6.墨西哥湾二维叠前时间偏移图像。可变深度拖缆采集提供更加广阔的带宽，大大提高了分辨率和穿透力，CGGVeritas 数据资料库的数据来源。图 7. 墨西哥湾二
12、维叠前时间偏移图像。可变深度拖缆采集提供了更加低频和低噪的数据。CGGVeritas 数据资料库的数据来源。图 8. 墨西哥湾二维叠前时间偏移图像。可变深度拖缆采集方式提供了极好的分辩率。CGGVeritas 数据资料库的数据来源。变深度拖缆采集的好处是：它使用经过标定的，容易获取的设备，因此能够迅速地投入使用。它能够充分利用将实心拖缆拖曳到目前认为是极限深度的深度下的好处，好处是取得得到改善的水中地震检波器低频响应和得到压制的海洋环境噪声。将实心拖缆控制在不同的深度已经被证明是好的，稳定的，甚至深度降到 60 米。这种拖曳拖缆的宽频带的地震方法对一系列的环境和应用软件都特别地有效率，灵活以及
13、具有可定制化。采集参数（例如变深度拖缆属性、最大拖缆深度、震源深度）可以调谐到为一个给定的地质环境和水深提供最大可能带宽。特别地，这种技术可以充分利用将海底拖缆拖曳到当前认为是极限的海水深度，从而得到加强的低频水中地震检波器响应和削弱的海水环境噪声。3.海上变深度拖缆地震数据处理对策与研究方法：随着整个勘探领域科技水平的提高，海上地震勘探新方法的出现成为必然，这样海上变深度拖缆地震数据采集新方法应运而生。这种全新的地震资料采集方法在低频和高频段同时增加了频谱宽度。增加数据低频内容可以减小地震子波旁瓣，而增加地震数据高频内容则可以锐化子波波峰，因此变深度拖缆地震数据采集极大的提高了地震记录分辨率
14、，进而提高了地震资料的解释精度。海上变深度拖缆地震数据采集的诸多优点无疑促进了它的推广与进一步发展。然而，与常规地震数据相比，海上变深度拖缆地震数据的处理过程中产生了一个主要的困难，即如何处理各种各样的地震鬼波。这些鬼波在去鬼波步骤之前是需要保留的。这里我们分类列出下列去多次波方法的含义：浅水去多次波，Tau-P 反褶积和深水、浅水环境基于表面去多次波方法。鬼波是影响海上地震资料采集质量的重要因素之一，经过海水表面反射的鬼波与海底反射波相互叠加。海上变深度拖缆地震数据采集方法所采集的鬼波较常规海上平直电缆要复杂的多。常规地震数据中的鬼波可以包含于一个我们假设的理想化的子波中。而变深度拖缆地震数
15、据中的鬼波随着炮捡距的变化而变化，这样我们无法再假设一个包含鬼波的理想化子波。这些鬼波在去鬼波阶段之前必须要保留，因为只有这样才能充分利用它增加地震频率带宽，提高分辨率的优点。然而，以前的地震资料处理方法都是要求在开始阶段就要去除鬼波的。所以最初，地震鬼波的出现给广大的地震资料解释人员带来了很大的困难，但是随着相关方法的提出，处理鬼波的困难便迎刃而解。海上变深度地震数据的鬼波复杂性给常规去多次波方法（例如：基于地表相关性多次波消除方法）带来挑战。主要问题就是如何处理随检波器深度变化而变化的地震子波。这个问题可以通过在全部炮检距内调整子波模型得到部分解决。相关最新的解决方法由Sablon 在 2
16、011 年提出。与常规地震数据不同，在变深度地震数据中的检波器鬼波常常作为独立于主要结果的结果出现。鬼波的这种特殊性还要求我们必须在成像阶段之前保留鬼波，这就导致速度分析过程中分辨率降低以及速度曲线拾取是的不确定性。这个问题我们可以通过运用由 soubaras 在 2010 年提出的去鬼波算法解决。变深度地震数据的宽频带特性给最后的成像带来很大的限制，主要是在高频和低频两端出现的超高和超低频造成的。在高频端我们主要是调整偏移网格到足够小以适应过高的频率，而在低频段我们是调整偏移算法来解决超低频率的问题。与常规数据不同，在变深度拖缆地震数据中的检波器鬼波是作为不同于主体数据的单独数据出现。它们有
17、不同的曲线。因此，造成了速度分析的分辨率很低以及使得曲线拾取存在不确定性。通过去鬼波算法（Soubaras 在 2010 年提出） ，我们可以在速度分析之前消除鬼波。如图 3 所示，这使得速度分析和速度测定更加精确。对于标准层析成像的速度修正，这并不意味着我们必须对速度模型建立过程中的每次迭代做地震数据去鬼波处理。在建立速度模型之后，偏移也是一个难题。宽频带对成像限制很大。在高频端，当目标体是高倾角同相轴时，插值网格必须小的足够保存高频信号。在一些例子中，我们不得不使用6.25 米的面元。在低频端，偏移算法必须要被调整到能够处理特别的低频信号。例如，我们需要特别注意逆时偏移边界条件，这样在偏移
18、过程中才不会出现伪影。图 9. 去鬼波前（上）、后（下）的炮集成像和速度分析。下面文章将会讲到由 CGGVeritas 开发的一种新颖的、有专利的虚反射剔除方法（Soubaras 2010-正在申请专利），此方法是适应于任何宽频带地震数据采集技术，对噪声也不敏感，有保幅作用，能够提供真实的虚反射剔除以后的大地响应（i.e,要获取的响应，水面应该是非反射的）。图 10. 合成数据集比较。a 图显示剩余鬼波作为一个因果最小相位失真（鬼波滞后于原始数据）出现的偏移。b 图显示剩余初始数据作为非因果的最大相位失真出现的镜像偏移。c 图显示去鬼波偏移（以一个窗口和多渠道方式显示的偏移和镜像偏移的联合反褶
19、积）。d 图显示基准偏移，由不包括模型化鬼波偏移综合计算的。图 11. 澳大利亚西北，剩余鬼波作为因果最小相位失真的深度偏移叠加图像（水底的下面是可见的）。CGGVeritas 数据资料库的数据来源。图 12. 澳大利亚西北，鬼波在负极成像以匹配初始数据的镜像偏移图像，剩余初始数据作为非因果最大相位失真出现（水底以上是可见的）。CGGVeritas 数据资料库的数据来源。图 13. 澳大利亚西北，通过联合反褶积去鬼波后的宽频带叠前深度偏移叠加成像。CGGVeritas 数据资料库的数据来源。图 14. 澳大利亚西北，传统数据库和新宽频带数据的振幅谱比较。CGGVeritas 数据资料库的数据来
20、源。图 15. 澳大利亚西北，传统数据集（左）和新宽频带图像（右）的比较。CGGVeritas数据资料库的数据来源。这个方法的原理是进行一次常规偏移和一次镜像偏移，接下来执行一次着两个图像的联合反褶积。镜像偏移是一项从重复的一组检波器偏移，被称为镜像水面上的接收器。我们运用一个有垂直梯度的速度模型在二维综合的数据集上来论证这个过程，用一个真实的气枪子波来模拟震源，还用到一条变深度拖缆。对震源的模化进行了两次：一次有反射的水表面（鬼波数据），一次没有反射的水表面（引用没有鬼波的数据）。两套震源集合被加入同样的噪声级。含有鬼波的炮集通过确定性反信号，偏移、镜像偏移和联合反褶积等方法处理，然而参考炮
21、集是通过反信号和偏移处理（见图 5）。在常规偏移中，对一次反射进行了完美的叠加，与此同时没有得到很好叠加的虚反射以一种因果剩余鬼子波（i.e.,滞后初选）（图 5a）。相反地，在镜像偏移中，虚反射通过极性反转得到了很好的叠加，与此同时没有得到很好叠加的一次反射通过非因果剩余子波来呈现（i.e.，剩余反射优于很好成像的鬼波）（图 5b）。这种具有两个不同视角的同一反射率的双重图像被用来抽取真振幅去鬼波偏移。将一个鬼子波看为最小相位信号或者至少接近于最小相位的信号是一种合理的假设。同样也可以认为镜像偏移如偏移一样有相同的反射率，但是被一个最大相位的子波扭曲了。这也可以被认为是对反射率的一种双目视觉
22、，常规偏移图像通过一个标准化最小相位畸变着色，镜像偏移图像通过一个标准化最大相位畸变着色。为了用真色恢复反射率（i.e.，没有失真），偏移和镜像偏移用到了一个合成的最小相位、最大相位反褶积（图5c）。与常规反褶积不同，这是一个很好地提出的数学问题，也就是意味着它有特殊的解决方法，甚至是在运算子有完美的谱陷波情况下。因此，没有必要做反射是白色的常规假设；反射的振幅谱是任意的。去鬼波偏移（图 5c）与参照偏移（图 5d）的比较显示出一个紧密的匹配，展示出算法的真振幅本质。图 16. 西非海岸，总提供的数据来源于加蓬和钴共和国。通过与常规数据采集和处理过程（左）作比较，可变深度拖缆数据采集部分（右）
23、显示了分辨率的巨大提高，尤其是圆圈标记部分。图 17. 西非海岸，总提供的数据来源于加蓬和钴共和国。通过与常规数据（左）比较，可变深度拖缆部分（右）显示了穿透力的提高和反射连续性。图 18. 墨西哥湾二维叠前时间偏移图像。由可变深度拖缆采集提供的宽频带极大地提高了分辨率和穿透力。CGGVeritas 数据资料库的数据来源。图 19. 墨西哥湾二维叠前时间偏移图像。可变深度拖缆技术提供了卓越的分辨率。CGGVeritas 数据资料库的数据来源。这种镜像偏移和联合反褶积相匹配的去鬼波技术非常适合变深度拖缆采集。这种技术都是三维的，它不做任何的二维的假设和在联络测线方向没有任何限制，这使得它适合全方
24、位的以及三维调查。4了解海上地震勘探原理及主要问题：海上地震工作是把地震仪器安装在船上，使用海上专用的电缆和检波器，在观测船航行中连续进行地震波的激发与接收。其基本原理与陆上地震勘探原理相同。图 3.海上地震勘探发展过程图下文以十年为一个阶段简述海上地震技术的自有特点。三十年代，海上地震与陆上地震唯一的区别是用船代替汽车作运载工具，当时施工很苦，工作效率也很低；四十年代，有了海上无线电定位技术、压电式检波器，施工中开始摆脱陆上的传统作业方式，作业区离岸也远了些。但是当时的定位技术还很差，观测系统也不准，施工强度依然很大；五十年代，海上地震开始采用单船作业，形成了一套海上地震连续作业方法，可以视
25、为现在平直拖缆作业的雏形。但是作业方式依然很粗糙，应用的是炸药震源，电火花震源开始在海上浅层勘探中应用；六十年代，非炸药震源迅速取代炸药震源，适应了海上环境保护、安全和提高作业效率的需要。多次覆盖技术也很快在海上全面推广；七十年代，已经摆脱了单一震源形式的限制，发展了组合震源，计算机也成为海上勘探的重要角色；八十年代至今，海上地震的发展可以视作一些部件的逐渐完善和更新换代。海上地震勘探工作发展到现阶段已具有如下特点：首先，使用非炸药震源，根据 HSE（health 健康，safety 安全，environment 环境）的倡导，炸药震源已经杜绝使用；比陆上更早的实现了野外记录数字化；使用等浮电
26、缆；单船作业，记录仪和震源在同一条船上，不需要采用放松电缆的措施就能连续工作。其次，全部采用多次覆盖技术，并且覆盖次数较高。为了适应高覆盖次数的要求，等浮电缆的道数不断增加。在 海洋勘探中进行多次覆盖观测时， 观测船的速度恒定很重要，因为它关系到震源的激发时间。但是由于船速受风浪、涌流等多种因素的影响，所以必须用多普勒声呐及时调节船速才能保持它的恒定。此外，由于海流的影响，电缆和测线方向往往具有一定的夹角（电缆偏角），激发点间距也不均匀。为了减小电缆偏角的影响，测线要尽可能垂直于反射层走向，也可以在可能的条件下通过适当增大船速来克服侧流影响。相对于陆上地震工作，海上地震勘探的显著特点是需要导航
27、定位。没有适当的导航定位设备与技术的保证，即使地震工作本身做的很好，也会因为缺乏关于测线位置的可靠资料而变得毫无价值。目前，海上作业的导航定位系统国内外普遍使用卫星定位技术。海上地震勘探中可能观测到的干扰波主要是重复冲击、交混回响或鸣震、侧面反射波、底波等。重复冲击是由震源在海水中激发所产生的气泡在静水作用下产生胀缩运动（气泡效应）产生的。为了避免产生重复冲击，在海上作业时可以通过选用合适的气枪沉放深度或采用无气泡蒸汽枪震源。鸣震记录具有稳定的似正弦波形，延续时间比较长，掩盖了有效波，是海上地震勘探中的主要干扰波之一。侧面反射波是指由海底潜山、水下暗礁等产生的反射，由于它不是我们在石油勘探中的
28、研究对象，因而成为一种干扰。在利用水平叠加资料进行地质解释时，通过分析对比可以识别侧面反射波。底波是与海底界面有关的面波。在浅海域，当淤泥较厚时经常观测到这种波。由于海水与空气的波阻抗差很大，海面处的反射系数接近，必然导致水层虚反射。要想减小虚反射的影响，电缆的沉放深度也要和震源的深度一样。还有一些消除虚反射的方法，如不同接收深度的双缆作业法，垂直沉放检波器接收法，但效果均不是很好。再次是各种噪声的存在，如船体的拖曳噪声（通常是减小船速来减小此噪声。等浮电缆前端的弹性端可减小此噪声）、膨胀波干扰和波浪噪声（降低低频段的信噪比。增大拖缆的沉放深度有助于削弱膨胀噪声和波浪噪声，从而提高低频段的信噪比。）但是随着电缆沉放深度的增加，资料主频就会降低，频带变窄，分辨率降低。所以在进行地震资料采集前，应针对勘探地区的勘探要求、具体海况等条件，在保障所需主频、频带的同时，兼顾深层信息的接收，尽量减少噪声影响。只有设置合理的震源及拖缆沉放深度才能保证采集的资料具有良好的品质。
