渤海湾盆地、北部湾盆地和珠江口盆地是中国近海油气富集区, 其中渤海湾盆地是中国北方重要的油气产区, 盆地内圈闭类型多样, 油气藏类型丰富^[1-4]。随着油气勘探程度不断提高, 勘探的难度和复杂性越来越大。地震勘探目标开始向寻找小断层、小断块及岩性地层等隐蔽油气藏转变^[5]。此类勘探目标对高陡倾角构造、复杂断块、复杂潜山等的成像精度要求越来越高。常规拖缆地震资料采集的观测系统单一, 其单边激发、单边接收的作业模式使得采集方位角单一, 在潜山或高陡倾角构造区采集时, 会造成构造一侧照明不足、成像模糊。海底电缆采集一般采用中间激发、两边接收的观测系统, 具有丰富的方位信息和较高的覆盖次数, 相比常规拖缆采集优势明显, 特别是高陡倾角构造成像效果显著。但是, 海底电缆采集的作业效率只有拖缆采集作业的1/3, 勘探投资却远高于拖缆作业, 且无法在深水区开展作业。

国际上各大地球物理公司都在积极挖掘拖缆的作业潜力, 提出了许多新的做法，如上下缆、斜缆、环形电缆采集等。同步激发采集、多船联合作业等亦逐渐被海上地震勘探所采用, 以期解决特定的问题。最初的多震源扫描技术是为了压制可控震源产生的谐波, BEASLEY介绍了脉冲型震源同时激发采集技术^[6], BAGAINI^[7]对比讨论了各种不同可控震源同时激发采集方法。混合激发采集是在此基础上进一步发展起来的。国内学者也做了许多工作, 佘德平^[8]、陈生昌等^[9-10]研究了多震源混合炮记录的数值模拟、多震源数据的合成及超炮道集的偏移成像, 但国内海上拖缆多震源同步激发采集技术却处于初期探索阶段。

本文分析了渤海油田JZ区块某区域常规拖缆采集与海底电缆采集的地震资料, 剖析了常规拖缆采集的局限性; 为提升高陡倾角构造两侧的成像效果, 提出了拖缆前后源双向激发采集设计方案; 对比了几种实现方式的优缺点, 优选辅助震源船追随尾标航行激发的作业模式。在渤海油田JZ区块开展了试验采集, 并成功处理了波场相互干涉的混合炮记录, 利用成本较低的拖缆作业实现了海底电缆观测系统的优势, 提高了潜山面的成像效果。

传统地震采集观测系统设计最重要的基本假设是介质均匀或水平层状^[11-13]。地层的高陡倾角构造引起地震波传播速度的横向剧变, 且传播的射线路径变得复杂(其时距曲线为非双曲线), 影响了地震资料成像品质, 甚至造成构造形态的严重畸变, 影响了勘探目标的评价精度。对比分析渤海油田JZ区块某区域常规拖缆和海底电缆采集的资料(图 1)可以看出, 海底电缆中间激发、两边接收的观测系统更有利于高陡倾角构造两侧的成像。

图 1(Fig. 1)

图 1 常规拖缆资料(a)与海底电缆资料(b)

将海底电缆原始单炮记录(图 2)从正中间切分成两个单炮记录, 切分后的单炮记录相当于常规拖缆在相反的两个方向采集的单炮记录。切分后的左单边单炮记录相当于拖缆从左往右航行采集的, 右单边单炮记录相当于拖缆从右往左航行采集的(图 3), 这样的单炮记录只是采集方向相反, 其它因素完全一致。

图 2(Fig. 2)

图 2 海底电缆采集的单炮记录

图 3(Fig. 3)

图 3 切分后的左单边单炮记录(a)与右单边单炮记录(b)

按照一致的流程和参数对切分后的炮集进行处理, 得到的剖面在陡倾角构造两侧成像差异较大(图 4), 表明常规拖缆采集的航行方向对陡倾角构造成像有直接影响。常规拖缆单边激发、单边接收的作业模式会造成高陡倾角构造的一侧照明不足、成像模糊, 不利于高陡倾角构造区的勘探。

图 4(Fig. 4)

图 4 切分后左单边单炮记录(a)和右单边单炮记录(b)处理后的剖面

为了保证高陡倾角构造两侧都能得到良好照明, 减少由于常规拖缆采集时航行方向不同对高陡倾角构造两侧成像的影响, 宜采用中间激发、两边接收的观测系统。但由于拖缆作业方式的限制, 无法将震源置于电缆中间, 只能按照炮检互换的原理, 通过增加震源在电缆两端进行激发, 从而实现类似的观测系统。在海上有3种实现方式(图 5)。① 常规拖缆船沿着设计测线按相反方向施工两次。该施工方法工期和费用至少是常规拖缆作业的两倍, 并且由于潮流、渔业、航运和障碍物等影响, 两次施工的资料在方位匹配上存在较大困难, 经济性和施工效率较低。② 两艘拖缆船一前一后保持一定距离, 沿着设计测线同步航行施工。该方法费用是常规拖缆作业的两倍以上, 护航困难、转线困难、两船配合作业的安全风险增大, 潮流、航运、渔业对其影响更大, 不利于安全作业; ③ 常规拖缆船的尾标后一定距离跟随另一艘辅助震源船同步航行并激发。前后震源同时激发, 提高了一倍的覆盖次数, 增加了另一个方向的方位信息(图 6), 这种前后源双向激发采集模式将得到一个包含前后双源信息的混合炮记录。该方法仅增加一艘震源船, 投资增加有限, 作业难度、施工组织、作业效率、外界影响均与常规拖缆作业接近, 是最适合的采集设计^[14-19]。

图 5(Fig. 5)

图 5 3种拖缆双向激发采集方式

图 6(Fig. 6)

图 6 常规拖缆(a)与前后源双向激发采集(b)观测系统的方位角

为了模拟前后源双向激发采集, 利用JZ地区已有的地震、地质资料建立相应的模型(图 7), 并采用常规拖缆单边激发、单边接收的观测系统和前后源双向激发的观测系统对该模型进行波动方程照明模拟。对比照明模拟结果可知：从左侧往右侧航行采集时, 陡构造右侧比左侧照明信息丰富; 从右侧往左侧航行采集时, 陡构造左侧比右侧照明信息丰富(图 8)。采用前后源双向激发的方式使得高陡倾角构造的两侧均能得到较好的照明(图 9)。利用波动方程照明模拟不仅可以提高解决复杂勘探目标采集的能力, 而且能避免盲目试验造成的浪费, 模拟结果验证了前后源双向激发采集设计的可行性^[20-27]。

图 7(Fig. 7)

图 7 根据JZ工区地震、地质资料建立的物理模型

图 8(Fig. 8)

图 8 模拟从左往右航行激发(a)与从右往左航行激发(b)照明结果

图 9(Fig. 9)

图 9 拖缆前后源双向激发采集模拟照明结果

按照前后源双向激发采集设计, 在渤海油田JZ区块进行了采集试验, 表 1给出了配置的采集参数。常规拖缆采集时, 拖缆船拖曳着空气枪震源和几条数千米长的电缆按照设计测线航行采集, 在相邻激发点之间设置足够的间隔, 以避免接收记录相互干涉。而前后源双向激发采集是在常规拖缆采集物探船的尾标后一定距离跟随另一艘辅助震源船同步航行并激发(图 10), 记录的双源地震数据在室内进行分离处理再合并, 相当于常规拖缆在同一测线按照不同方向施工两遍的叠加。这种采集模式将得到一个包含前后两个震源信息的混合炮记录, 提高了一倍的覆盖次数, 增加了另一个方向的方位信息。

表 1(Tab. 1)

表 1 采集参数

表 1 采集参数

图 10(Fig. 10)

图 10 拖缆前后源双向激发采集作业示意

海上作业受到潮流影响, 物探船拖带的电缆并不是完全沿着设计测线呈直线排列状态, 而是电缆首尾连线与设计测线方位之间有一个夹角, 称之为羽角。不同海域、不同季节, 拖缆作业羽角差别较大, 有些地方甚至超过15°。偏移量随羽角变化量的计算公式为：

(1)

式中：O为尾标与设计测线的直线偏移量; L为拖带的电缆长度; Φ为羽角。

表 2给出了电缆长度为4200m时, 拖缆尾标偏移量随羽角的变化量, 尾标偏移量随羽角增大而增大。拖缆羽角的存在, 导致前后源双向激发采集作业中辅助震源船有两种航行作业模式：一种模式是跟随拖缆船沿设计测线航行, 到达前绘的炮点位置时激发; 另一种模式是追随电缆尾标航行, 按照前面航行的拖缆船导航系统发送的触发指令激发。两种作业模式中辅助震源船与电缆的距离不同, 面元属性必定存在差异, 并且羽角越大差异越明显。

表 2(Tab. 2)

表 2 尾标偏移量随羽角的变化量

表 2 尾标偏移量随羽角的变化量

当羽角为5°时, 尾标偏移量366m, 辅助震源船沿设计炮线激发和追随尾标航行激发的分偏移距面元覆盖情况如图 11到图 13所示。

图 11(Fig. 11)

图 11 5°羽角时辅助震源船沿设计炮线(a)和追随尾标航行(b)激发在偏移距小于500m时的面元覆盖情况

图 12(Fig. 12)

图 12 5°羽角时辅助震源船沿设计炮线(a)和追随尾标航行(b)激发在偏移距小于3000m时的面元覆盖情况

图 13(Fig. 13)

图 13 5°羽角时辅助震源船沿设计炮线(a)和追随尾标航行(b)激发的全偏移距面元覆盖情况

对比图 11到图 13可知, 在5°羽角时两种作业模式的中、远偏移距面元覆盖情况基本一致, 但追随尾标航行激发的采集方式近偏移距信息更丰富, 覆盖次数更均匀。

当羽角为10°时, 尾标偏移量为729m, 辅助震源船沿设计炮线激发和追随尾标航行激发的分偏移距面元覆盖情况如图 14到图 16所示。

图 14(Fig. 14)

图 14 10°羽角时辅助震源船沿设计炮线(a)和追随尾标航行(b)激发在偏移距小于500m时的面元覆盖情况

图 15(Fig. 15)

图 15 10°羽角时辅助震源船沿设计炮线(a)和追随尾标航行(b)激发在偏移距小于3000m时的面元覆盖情况

图 16(Fig. 16)

图 16 10°羽角时辅助震源船沿设计炮线(a)和追随尾标航行(b)激发的全偏移距面元覆盖情况

对比图 14到图 16可知, 在10°羽角时两种作业模式中、远偏移距面元覆盖情况基本一致, 但追随尾标航行激发的采集方式近偏移距信息更丰富, 覆盖次数更均匀。

对比不同羽角两种作业模式的面元覆盖情况可知：两种作业模式的中、远偏移距面元覆盖情况基本一致, 但追随尾标航行激发的采集方式近偏移距信息更丰富, 覆盖次数更均匀。在前后源双向激发采集作业时, 辅助震源船追随尾标航行激发更有利于保持近偏移距的面元属性信息, 宜采取该作业模式。

传统地震采集在相邻震源之间设置足够的激发间隔, 以避免接收记录相互干涉。拖缆前后源双向激发采集是海上地震数据采集的变革, 两个不同空间位置的震源以一定编码方式同时激发, 获得波场相互干涉的混合炮记录(图 17)。前后源双向激发采集技术能否有效应用, 关键在于能否对这种波场混合的特殊炮记录进行处理。如果能够将这种特殊的混合炮记录转变为常规单炮记录, 那么就能进行常规的后续处理。本次拖缆前后源双向激发采集单炮波场分离是以其中一个震源激发采集的数据作为有效信号, 经过动校正处理, 采用高精度拉东域去除线性噪声的方式去除另一个震源激发采集的数据, 再反动校。确保混合炮记录波场分离彻底、具有较好的保幅性和一致性。

图 17(Fig. 17)

图 17 常规拖缆(a)与前后源双向激发(b)采集单炮记录

前后源双向激发采集的地震资料波场分离后的单炮记录(图 18)与常规拖缆采集的单炮记录基本一致。由于前后两个震源激发及分离误差的存在, 需要对分离后的两套数据进行振幅一致性检查和必要的校正, 再按照常规流程分别进行反褶积、多次波衰减、速度分析、偏移等处理, 最后将两套数据合并^[28-30]。

图 18(Fig. 18)

图 18 前后源双向激发波场分离后的单炮记录

对比波场分离后分别处理的剖面(图 19)可以看出, 拖缆采集的航行方向对陡倾角构造成像有直接影响, 在下倾方向激发有利于倾斜界面的成像。从右侧往左侧航行放炮时, 潜山左侧比右侧照明信息丰富; 从左侧往右侧航行放炮时, 潜山右侧比左侧照明信息丰富。前后源双向激发的方式使得高陡倾角构造两侧均能得到较好的反射信息, 与老资料对比, 极大提高了潜山的成像效果(图 20)。

图 19(Fig. 19)

图 19 前后源双向激发波场分离后分别处理的剖面

图 20(Fig. 20)

图 20 常规拖缆(a)与前后源双向激发(b)处理后剖面

本文介绍了拖缆前后源双向激发采集技术, 并结合渤海油田JZ区块前后源双向激发采集的实例, 进行了分析研究, 得到如下结论与认识。

1) 拖缆前后源双向激发采集优化了常规拖缆作业的观测系统, 实现了类似海底电缆中间激发、两边接收的观测系统。与常规拖缆采集相比, 有效提高了潜山和陡倾角构造的成像效果, 提升了拖缆在高陡倾角构造区的作业潜力。

2) 在拖缆前后源双向激发采集作业时辅助震源船追随尾标航行激发的作业模式最为合理有效。

3) 拖缆前后源双向激发采集比常规拖缆采集增加了一艘辅助震源船, 却能有效提升高陡倾角构造区的成像效果, 利用较低的投资大幅提升了资料品质, 有较高的应用推广价值。