地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (2): 342-349   PDF    
大容量气枪震源子波激发特性分析
林建民1 , 王宝善2 , 葛洪魁2 , 徐平3 , 陈颙2     
1. 浙江海洋学院, 舟山 316004;
2. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081;
3. 北京市地震局, 北京 100080
摘要: 大容量气枪水库激发作为陆地震源的可行性与有效性已经得到成功验证.为进一步提高气枪震源激发效果,本文通过水库气枪激发试验对单枪容量为2000 in3的气枪震源激发子波特征及规律进行了研究.依据近场水听器和远场短周期地震仪记录数据,分析气枪震源沉放深度、工作压力等不同激发条件对压力脉冲和气泡脉冲的影响.有助于人们根据不同尺度地下结构探测对震源激发信号的要求,调整气枪激发参数和激发环境,获得最佳激发效果.试验结果表明:(1)沉放深度对压力脉冲波形影响较小,其优势频率不随沉放深度而改变;(2)随着沉放深度从5 m增加到11 m,气泡脉冲的优势频率由5 Hz增加至7 Hz,其最大振幅亦近线性递增;(3)工作压力越大,激发压力脉冲能量越强,而对气泡脉冲的影响主要体现在主频降低.适合远距离深穿透地下结构探测的低频信号主要来自大容量气枪所激发气泡的反复振荡,由于气枪振荡过程非常复杂,本文通过较为简洁的数学和物理模型进行了解释.
关键词: 大容量气枪      水库      激发条件      子波特征     
Characters of large volume air-gun source excitation
LIN Jian-Min1, WANG Bao-Shan2, GE Hong-Kui2, XU Ping3, CHEN Yong2     
1. Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316004, China;
2. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China;
3. Earthquake Administration of Beijing Municipality, Beijing 100080, China
Abstract: Large volume air-gun excited in a reservoir has been demonstrated successfully as an effective and feasible seismic source. In order to improve its efficiency further, the excitation characters of a 2000 in3 air-gun were studied in a field experiment in a reservoir. Based on the records from near-field hydrophones and far-field seismographs, the dependence of the signature on the gun parameters including gun depth and firing pressure was analyzed. The results showed that: (1) pressure pulses were little affected by gun depth, its dominant frequency changed little with gun depth; (2) the dominant frequency of bubble pulses changed from 5Hz to 7Hz when the gun depth changed from 5m to 11m; (3) the energy of pressure pulses increased with firing pressure, but the dominant frequency of bubble pulses decreased. Low frequency signal fit for subsurface exploration in large scale is mainly created by the bubble oscillation, because of its complexity, a succinct Mathematical and Physical model was applied to explain the process..
Key words: Large volume air-gun      Reservoir      Excitation condition      Wavelet characters     
1 引言

震源是地震勘探的重要组成部分, 是产生地震波的源头, 震源所产生的地震波信号质量将直接影响地震探测的效果(信噪比和分辨率).气枪震源因其卓越性能(如绿色环保、可重复性好、可控性强、子波可测等)而被广泛应用于海洋地震勘探, 其中以地下油气、矿藏等资源的局部尺度探测为主[1].近年来, 气枪震源也逐渐被用于长炮检距、深穿透的区域尺度地下深部结构探测, 包括利用海上气枪激发、陆上信号接收的科学尝试[2~7]和陆上水库的大容量气枪震源激发实验[8~10].

气枪震源性能受激发条件和激发环境的影响很大, 前人通过理论分析、数值模拟和现场实验对气枪震源的激发过程及规律进行了一系列研究.如Langhammer和Landro在1993年通过数值模拟实验并配以1.6 in3小气枪在水箱中的激发实验, 研究了水温、黏滞系数等外界条件对气泡比、气泡周期、子波振幅及衰减等气枪激发信号特征的影响[11]. Dragoset在2000年对气枪震源激发信号特征的研究中, 采用容量为10~500 in3的气枪震源, 给出了激发信号与气枪容量、工作压力和沉放深度等激发参数之间的具体关系及经验公式[12].

但长期以来, 由于海洋地震勘探以探测浅部海洋地壳的精细结构为主, 小容量气枪(单枪容量通常小于150 in3)因具有更高主频、可以获得更高分辨率而成为主要发展对象与研究内容.至今为止, 针对大容量气枪震源激发特性的研究非常少, 以往研究中所用气枪(单支)最大容量为1000 in3.即Mayne和Quay在1971年进行的深海气枪激发实验, 他们对300 in3和1000 in3的气枪震源激发波形特征进行了研究, 讨论了气枪沉放深度等因素对其激发波形的影响[13].

区域尺度的深部结构探测要求震源激发信号传播几百公里的距离及足够深度, 大容量气枪源因具有高能量和低主频的特点而受到青睐[8, 10, 14].如中国科学院南海海洋研究所的实验2号调查船配备的枪阵由4支单枪容量为1500 in3的气枪组成, 赵明辉等人对该组合枪阵的远场波形特征进行了研究, 并与天然地震及爆破波形进行了对比分析, 但并没有给出大容量气枪(单枪或组合枪阵)的近场子波特征及相关激发条件的影响[15].针对大容量气枪震源激发子波及影响因素的研究, 有助于人们根据具体作业和研究的需要调整气枪震源激发参数与激发环境, 从而获得最佳激发效果.

2 试验简介

2007年9月, 我们在容积为3600×104m3(中型水库)的河北省遵化市上关湖水库(40°13′26″N, 117°43′35″E)进行了大容量气枪激发试验, 对单枪容量为2000 in3的气枪震源(Bolt 1500LL型)所产生的地震波特征以及不同激发条件对气枪震源激发子波的影响进行了研究.图 1为水库气枪激发试验的示意图, 给出了仪器设备的布置情况, 其中气枪激发点水深18 m, 气枪沉放深度范围为5~11 m.表 1则给出了本文所采用数据相对应的试验参数, 工作压力(气枪中压缩气体的压力)为10 MPa或15 MPa, 气枪激发时刻服务精度为1 ms.

图 1 大容量气枪激发试验仪器布置示意图 Fig. 1 Experimental configuration of air gun, hydrophone and seismograph
表 1 大容量气枪激发试验激发参数 Table 1 Parameters of air gun excitation in the experimen

为研究大容量气枪激发子波特性, 试验过程中在距离气枪激发点50 m远的水下8 m深处布置水听器(采样率200 Hz, 频带50~40 kHz), 记录其近场子波.海洋石油勘探通常采用气枪阵列作为震源, 其子波测量点与气枪源之间的距离必须在几百米以上, 其主要原因是为了使阵列中各单枪激发信号能同时(在一个采样时间间隔以内)到达水听器.同时, 我们在陆上基岩处布置GURALP短周期地震计(CMG-40T)及REFTEK数采(采样率200 Hz, 灵敏度2000(V/m·s-1), 频带2s~100Hz)记录相应的远场地面振动数据, 图中两测点分别距离气枪激发点约150 m和2.9 km.

试验期间, 水库未进行排放水, 也未曾下雨或有洪流注入, 即水位恒定.不同激发条件下进行气枪激发前后时间仅间隔几分钟, 亦可忽略气压、温度变化等因素带来的影响.

3 近场子波特征

气枪子波由压力脉冲和气泡脉冲两部分组成.压力脉冲主要包括气枪内高压气体瞬间释放到水中形成的压力波和由此引起的水面及水底面反射而产生的脉冲, 具有较高频率, 通常应用于浅层石油勘探.气泡脉冲则由高压气体释放到水中后所形成的气泡在水中振荡引起, 频率较低, 适合长炮检距的深部结构探测.水库气枪激发试验中, 水听器记录了气枪在不同激发条件下的激发子波, 清楚地包含了高频压力脉冲和低频气泡脉冲, 其中压力脉冲持续约0.09 s, 而气泡脉冲的持续时间则长于0.7 s (图 2).

图 2 2000 in3大容量气枪震源在不同沉放深度下激发的水听器记录波形 阴影部分为所取互相关窗口,其中w1包含压力脉冲,w2包含气泡脉冲,w3则包含压力脉冲及气泡脉冲主要部分,它们作为移动窗口与不同深度的激发波形作互相关计算所得峰值分别用绿色小方框、蓝色小圆点和灰色小三角对应表示. Fig. 2 Waveform recorded by the hydrophone from the large volume air gun excited at different depths Dashed areas correspond with correlation windows, w1 contains pressure pulses, w2 contains bubble pulses and w3 contains both.The green blocksymbols, blue dots and gray triangle indicate the peak value of the cross correlation by the moving windows w1, w2, w3 with waveforms at different depths respectively.

影响气枪激发子波特征的因素很多, 沉放深度是其中最重要的因素之一.气枪沉放深度不同时, 所处静水压不同, 使得压缩气体的释放速度、气泡振荡效应和来自水面及水底的反射等也不同.如图 2所示气枪激发子波的近场波形记录, 气枪在不同沉放深度下激发子波波形存在很大差异.通过沉放深度为5m时的激发子波(即图 2中的互相关窗口w3)与不同深度时激发子波依次进行互相关, 我们发现: (1)气枪在同一沉放深度下激发子波的重复性很好, 互相关系数达到0.9953, 其原因主要在于气枪在水中激发时介质特性和激发环境保持不变, 其产生的冲击波和波后流场通常是确定的, 相对于炸药爆破震源则克服了激发过程中由于药包附近岩土体的构造复杂给爆炸后产生的荷载大小带来的很多不确定性; (2)随着沉放深度的变化, 波形之间的互相关性变得越来越差, 图中灰色小三角代表的互相关系数峰值随着沉放深度的增加快速减小, 其中沉放深度为5 m与11 m时的激发子波之间的互相关系数峰值仅有0.4795.因此, 必须根据地震探测任务对激发子波的要求, 将气枪沉放在最合适深度以达到最佳激发效果.

我们进一步研究气枪沉放深度分别对压力脉冲和气泡脉冲的影响规律.发现沉放深度对压力脉冲的激发影响较小, 其主要影响气泡脉冲.由于波形变化主要体现在频率(或周期)和振幅上, 因此, 我们主要从子波频率和振幅上讨论气枪沉放深度与压力脉冲及气泡脉冲的关系.

3.1 沉放深度对频率的影响

图 2所示, 气枪在不同沉放深度下激发的压力脉冲具有很高的相似性, 相应的互相关系数峰值均在0.9以上, 这与Mayne关于1000 in3气枪源的结论基本一致[13].为了研究气枪震源激发的压力脉冲频率成分及其随沉放深度的变化规律, 我们对不同沉放深度下激发的压力脉冲频率特性进行了对比与分析(图 3a).压力脉冲优势频带主要为50~80 Hz, 其能量并不是随着气枪沉放深度的增加而单调增强, 沉放深度在大于7 m之后, 该频段能量变化很小, 相比之下, 最大能量出现在9 m和10 m, 在11 m时该部分能量反而又有所下降.但压力脉冲的主频不随深度的增加而变化, 其50~80 Hz优势频带的中心频率未发生移动, 这是沉放深度对压力脉冲波形影响不大的主要原因.

图 3 2000 in3气枪震源在不同沉放深度下激发压力脉冲(a)和气泡脉冲(b)的功率谱密度分析,黑色背景部分对应优势频带 Fig. 3 Power spectral density (PSD) analysis of pressure pulses (a) and bubble pulses (b) from air gun excited at different depths, with black background corresponding to dominant frequency

图 3a中8 Hz附近的优势低频能量则来源于初始气泡振荡产生的气泡脉冲, 即w1窗口中高频压力脉冲叠加在低频初始气泡脉冲之上.它随着深度的增加而逐渐增强, 但增强速度随着深度增加而逐渐变小, 其主频则不随沉放深度的增加而改变.图 3b则给出了后续气泡脉冲(对应w2窗口)的功率谱密度分布特征及变化规律.气泡脉冲能量主要集中在4~8 Hz的优势频段, 随着气枪沉放深度的增加, 低频气泡脉冲能量快速增加, 当气枪沉放深度为11m时, 低频信号激发效果达到最佳.因此根据我们的试验观测结果, 若在远距离深穿透的区域尺度地震探测工作中应用2000 in3气枪作为震源, 应尽量增加气枪的沉放深度, 使之更有效激发适合远距离探测的低频信号.由于试验条件限制, 以上结论仅基于气枪最大沉放深度为11 m, 更大沉放深度下的激发效果与规律有待通过进一步试验进行取证.

此外, 我们也注意到, 沉放深度越深, 气泡脉冲的优势频率就越高.如随着气枪沉放深度的增加, 优势频率由5 m时的5 Hz近线性递增到11 m时的7 Hz.这使得气泡脉冲波形随着气枪沉放深度的改变而有明显变化, 如沉放深度分别为5 m与11 m时所激发的气泡脉冲波形之间的互相关系数只有0.46(图 2).

气泡脉冲频率反映在时间域上则为气泡周期T, 它是气枪信号的一个重要性质, 是相邻两气泡脉冲之间的时间间隔.在我们试验过程中, 气枪沉放深度越深, 气泡脉冲的主频越高(图 3b), 对应的气泡周期T就越小.根据我们的试验结果, 气泡周期T与气枪沉放深度D的关系可近似表达为:T=(10+ D)-0.594(图 4).所以, 气枪沉放深度越深, 激发气泡的振荡速度就越快.此外, 气泡周期还取决于气枪的容量和工作压力等其他参数.

图 4 气枪沉放深度对气泡周期的影响,黑色三角为实际观测的气泡周期值,实线为拟合曲线 Fig. 4 Bubble period T as a function of air gun depth in water, the black cross symbols represent observations and the solid line represents fitting data.
3.2 沉放深度对振幅的影响

气枪信号的另一个重要参数是最大振幅.在研究气枪震源对环境的破坏作用以及对水中生物的影响时, 尤其是当气枪在浅水环境下激发时, 气枪激发信号的最大振幅研究具有重要指导意义.气枪震源激发时四周最大的压强是多少?它对周围环境有多大的影响?这些问题都必须通过近场对气枪激发子波的观测来回答.

Mayne在其论文中提到压力脉冲振幅不会随着沉放深度的增加而明显变大[13].在我们的气枪试验过程中, 压力脉冲振幅与气枪沉放深度关系较为复杂, 不是一个单调的递变关系(图 5).当沉放深度为9~10 m时, 压力脉冲得到最有效的激发, 取得最大振幅值, 这一结果与压力脉冲优势频带能量与沉放深度的关系(图 3a)一致.由于试验过程中采用的水听器频带范围为50 Hz~40 kHz, 气泡脉冲的低频信号在其频响范围边缘, 因此, 记录信号的振幅值要小于实际值, 但是对本文的定性讨论不会产生很大影响.

图 5 2000 in3气枪震源激发压力脉冲和气泡脉冲最大振幅随沉放深度的变化关系 Fig. 5 The maximum amplitudes of pressure pulses and bubble pulses

气枪沉放深度对于气泡脉冲, 不仅影响其频率, 对其振幅也有明显的影响.相对于压力脉冲的振幅变化, 气泡脉冲的振幅变化则显得相对规律, 它的最大振幅值随着气枪沉放深度近线性递增(图 5).因此, 气枪沉放深度越深, 气泡的振荡效应越强烈, 气泡脉冲的激发效果越好, 即激发气泡在振荡过程中以声波的形式向外辐射能量越强烈.

3.3 工作压力对波形的影响

为分析气枪工作压力对激发波形的影响, 我们对大容量气枪在不同工作压力下的激发波形进行了比较(图 6a).相对于10 MPa的工作压力, 2000 in3大容量气枪在15MPa下激发的压力脉冲具有更大振幅.其主要原因在于气枪工作压力越高, 压缩气体的能量越大, 使得激发时压缩气体释放速度越快, 其激发的压力脉冲振幅就越大.但工作压力对压力脉冲的频率成分分布影响很小, 对应的50~80 Hz之间优势频段的主频没有因工作压力的改变而发生移动(图 6b).

图 6 2000 in3大容量气枪在不同工作压力下的激发波形(a)及对应的功率谱密度特征(b) Fig. 6 Comparison of waveforms (a) and corresponding PSD properties (b) of air gun excitations at different working pressures

而工作压力对气泡脉冲的影响主要体现在频率上.根据理想气体方程, 由于气枪工作压力越大, 激发气泡在膨胀与振荡过程中平衡半径R0(内部压强与外界静水压平衡时的气泡半径)越大, 气泡周期也越长.因此, 相对于10 MPa的工作压力, 大容量气枪在15 MPa下激发气泡脉冲的气泡周期更长, 优势频率更低(图 6b).在Dragoset的研究中, 小容量气枪(500 in3以下)气泡周期T与工作压力P的关系则为TP1/3[12].

4 讨论 4.1 数学物理模型解释

气枪震源激发信号主要由压缩气体的瞬间释放及气泡的膨胀与收缩产生.气枪激发所释放的高压气体在水中形成气泡, 由于周围环境水压远低于气泡内压力, 气泡迅速膨胀至其压力降至周围水压, 但由于惯性作用它还会继续膨胀.膨胀停止后, 周围水压的压迫使它压缩并重新获得高压, 由此再次进人膨胀与压缩的周期过程, 周而复始形成振幅逐渐衰减的气泡阻尼振荡.随着气泡振荡及其压力的变化, 压力波在水中向外传播, 形成气枪激发信号.

在正常激发条件下, 气泡能够膨胀至气枪体积的几百倍[16], 但远小于气泡在水中产生的压力波优势波长, 因此, 可以近似为充满理想气体的球形气泡[17].同时, 由于激发过程中, 水体的压缩量非常小(如在我们的气枪激发试验中, 气枪的工作压力若为2000psi (13.79 MPa), 水体被压缩量仅为0.5%左右[18]), 因此, 气泡相对周围水体比较柔软和弹性.这些条件提供了气泡振荡一种新的物理解释, 即气泡振荡行为可以形象地用一简谐振子(图 7)来等效模拟[18, 19].其中振子质量为气泡排开水质量的三倍.气泡内部压力满足理想气体方程, 作用相当于弹簧, 其振荡周期则可表示为

图 7 气泡振荡的等效简谐振子各参数均取决于振荡气泡的体积[18]. Fig. 7 Harmonic oscillato requivalent to an air gun bubble Parameters change with bubble size[18].

(1)

P∞和ρ∞分别为静水压力和密度, γ为热动力学参数, 通常取经验值1.13[16].

气泡脉冲主要由气泡振荡所产生.气枪沉放深度增加时, 若气枪其他激发条件未改变, 由于气枪激发点静水压P∞变大, 根据理想气体方程, 气泡在与外界静水压平衡时的体积将变小, 即平衡半径R0变小.因此, 根据式(1), 气泡的振荡周期将随着气枪沉放深度的增加而变小, 即气泡脉冲的主频随着沉放深度的增加而变大(图 3b).这也是为什么气枪沉放深度对气泡脉冲波形影响较大的主要原因(图 2).

与简谐振子相对应的气泡振荡数学模型为[18]

(2)

式中R为气泡壁半径, P为气泡内的压强, c则为水介质声速.压力脉冲由气枪内高压气体瞬间释放到水中形成的压力波及其水面反射产生, 主要由式(2)右边第一项(P-P∞)/(ρR)贡献.由于试验过程中水深5~11 m之间变化时, P∞的改变量相对于气枪激发时的初始高压P而言非常小, 因此, 试验中气枪沉放深度的改变对压力脉冲波形的影响比较小(图 2), 其主频也不随沉放深度有明显变化(图 3a).

与该模型对应的出射子波可通过下式计算获得[16, 18]:

(3)

其中SR, 为信号接收点到气枪源的距离.该式第一、二项对应于直接的气泡压力, 而第三项则由水流的动态压力引起, 即黏滞流体的伯努利(Bernoulli)效应.

随着气枪沉放深度增加, 静水压P∞变大, 与之对应的R均相应变小, 根据式(3)计算得到的出射子波的振幅应随之减小.但我们试验结果显示:压力脉冲振幅与沉放深度之间并非简单的单调关系, 而气泡脉冲振幅随沉放深度的变化规律则与理论计算结果相反(图 5).分析可能原因如下:气泡在激发和振荡过程中会上浮, 造成部分能量通过水面释放到空气中, 沉放深度越浅则因此损失的能量越大, 使得对应子波振幅越小; 也可能是因为气枪沉放深度越深, 即静水压越大, 气泡激发和振荡过程中与水体的耦合越好, 因此, 气枪激发声波能量越有效.这些也是我们进一步需要通过研究气泡动力学过程来改善气枪激发效果的主要工作.

最后我们讨论工作压力对激发信号波形的影响.当气枪工作压力增加时, 激发气泡内的压力P增大, 导致对应的气泡半径R及气泡壁运动速度也相对较大, 根据式(3), 对应的压力脉冲和气泡脉冲振幅就变大.因此, 在我们的试验过程中, 工作压力为15 MPa时激发的压力脉冲和气泡脉冲振幅大于10 MPa时所激发的对应脉冲振幅(图 6).而工作压力对气泡脉冲的影响还体现在气泡周期或频率上.随着工作压力P增大, 平衡半径R0也随之增大, 根据式(1), 简谐振子的周期即相应的气泡周期也变大(图 6).

4.2 水库气枪激发系统的影响

气枪震源激发子波及远场地震波特征不仅取决于气枪源本身, 激发环境对气枪的激发特性也有很大影响, 尤其是浅水环境下气枪震源激发过程是气枪源与浅水区相互作用的过程, 两者共同构成浅水区气枪震源激发系统.在浅水区使用气枪震源必须综合考虑气枪震源与水域的相互作用、耦合等诸多问题.为此, 我们不仅对气枪震源的近场水听器记录进行了分析, 也对经过地层介质衰减后的远场地震计记录信号进行了研究, 这些经过地层低通滤波之后的记录波形更接近实际地震勘探中记录到的反射信号.

图 8为距离气枪激发点约150 m的地震计(图 1中的Seismograph1)所记录的气枪沉放深度为5 m时的远场波形及频率特征, 与近场信号(图 2)相比, 经固液边界面的转换以及地层的反射、衰减, 远场波形显得更为复杂.近场记录的压力脉冲中能量较强的50~80 Hz高频信号(图 3b)衰减较大, 其优势频段下降到30~35 Hz.气泡脉冲8Hz附近的低频信号在远场记录中仍为优势频段, 衰减相对较小.从记录波形看, 低频气泡脉冲波形上叠加了若干高频震相, 0.25~0.50 s之间尤为明显.该震相可能是压力脉冲的反射信号, 或者由于在水库底折射点不同而使得水中传播路径较长而相对延迟的折射波(取决于水库底的形状).

图 8 地震计Seismograph1记录的远场气枪信号波形(a)及其频率特征(b) Fig. 8 Far-field waveform (a) observed by Seismograph1 and its corresponding Fourier spectrum (b)
5 结论

大容量气枪震源激发信号特征依赖于沉放深度和工作压力等激发条件.从水库气枪激发试验及以上分析讨论, 我们得出以下结论:气泡脉冲主要受气枪沉放深度影响, 沉放深度越深, 气泡脉冲激发效果越好, 气枪震源能更有效激发适合远距离深穿透地下结构探测的低频信号, 但气枪的工作压力会对气泡脉冲的主频产生影响; 压力脉冲的特性主要依赖于气枪工作压力, 其振幅(或能量)随工作压力的增大而增大, 在利用气枪震源进行小尺度浅层结构勘探时, 可以通过增大工作压力来提高所需压力脉冲的能量; 试验范围内, 沉放深度的变化对压力脉冲影响较小.

致谢

感谢中国地震局地球物理勘探中心和河北省地震局对本次试验的大力支持.王伟涛、韦生吉、杨微、齐诚、张尉等多位同志参加了水库气枪激发试验, 两位匿名审稿人为文章的修改提供了一些宝贵建议, 特此感谢.

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