0 引言

自刘光鼎院士提出中国油气二次创业理论后，国内各大石油公司和科研院所纷纷开始重视中、古生代海相残留盆地油气勘探，尤其是近年来在四川盆地、塔里木盆地等地区海相地层中接连获得重大油气发现，使海相油气勘探研究成为热点(刘光鼎，2002).南黄海盆地是我国海相油气勘探的重要区域，该盆地位于下扬子地台东北部、郯庐断裂带以东的黄海海域，面积超过150000 km²，是形成于前寒武系基底之上的大型叠合盆地，在新生代大地构造格局上表现为“三隆两拗”的结构，由北向南分别为千里岩隆起、北部拗陷、中部隆起、南部拗陷和勿南沙隆起五大构造单元.其中，中部隆起除缺失上志留统和下泥盆统外，发育了厚度超过5000 m的中、古生界海相地层，埋藏相对较浅，分布范围广，沉积较稳定，有利于形成古生古储或新生古储型油气藏.众多石油地质工作者对南黄海盆地海相中、古生界地层沉积充填、断裂体系、盆地构造演化、烃源岩和油气勘探潜力等开展过长期深入的研究，基本明确并初步评价了海相中、古生界的几套烃源岩、储集层和盖层(蔡东升等，2002；李刚等，2003；胡芬等，2012)，并运用重力、磁力、地震多种资料综合分析海相地层的埋深、厚度、展布特征和断裂体系等(张海啟等，2009；欧阳凯等，2009；黄松等，2010；张训华等，2014)，总体认为南黄海海相中、古生界具备多层系、多类型晚期成藏条件，需重点关注天然气藏的保存条件和储层物性，油气勘探前景良好.

尽管南黄海中、古生界勘探研究已开展多年，但中、古生界地震成像困难、资料品质差始终是难以突破的技术瓶颈，中、古生界地层内幕反射模糊，导致构造落实和地层界面识别难度极大，研究成果可靠性不高.近年来中海油、中国地质调查局青岛海洋地质研究所等单位着力开展南黄海中、古生界地震采集技术攻关理论研究和实践，提出广角地震勘探、立体宽线采集、气枪立体阵列组合、大震源长缆深沉放、拖缆双检、海底电缆拟宽线等一系列新技术(吴志强等, 2006, 2011, 2012, 2015b；唐松华等，2013；张雷等，2013；高顺莉和徐发，2014)，并在南黄海开展多次采集试验，部分方法应用效果较好，新采集数据的信噪比和分辨率比老资料显著提高，成像品质得到改善，但还无法满足地震精细解释的要求.为了给南黄海中、古生界构造解释和地质综合研究提供更高品质的地震数据，必须从分析本区的地震地质条件入手，调研分析适用于海相中、古生界地质条件的采集新技术，组合优选出一套适用于中、古生界残留盆地的地震采集技术体系，提高目的层信噪比，为开展批量采集和深入进行南黄海中、古生界海相油气资源评价提供技术支撑.

1 南黄海地震波场反射特征模拟分析

随着计算机GPU并行运算、超级计算机系统的发展和海量存储能力的飞速提升，地震波场正演模拟技术在石油行业的应用范围越来越广阔.通过建立符合地下地质情况的模型，运用有限差分法、频率-波数域法或射线追踪等算法开展地震波场正演，可生成模拟炮集、波场快照和地震叠加剖面，配合地震资料处理程序，可分析特定地震地质条件下地震波的传播规律，为选取合理有效的处理算法和参数、制定针对性的采集设计方案、验证解释方案的准确性提供依据.针对南黄海中、古生界海相地层地震成像难题，有必要通过地震波场正演模拟分析地震波场反射特征，找出影响地震成像品质的关键因素，为改进地震采集处理技术提供理论基础.

根据下扬子区及南黄海盆地中、古生界地震层序和地层岩性、物性研究成果，结合下扬子陆区和海域已钻遇中、古生界地层的探井资料，得到海相中、古生界地层速度与密度参数，结合南黄海二维测线构造解释方案建立南黄海盆地典型构造格架模型，充填合适的速度与密度值，建立二维地质地球物理模型，如图 1所示.该模型基于一条南北方向测线，由北至南依次跨越南黄海盆地北部拗陷、中部隆起、南部拗陷.研究表明南黄海海域新近系底界T₂⁰为区域不整合面，该界面埋深不足千米，北部拗陷和南部拗陷基本缺失古近系渐新统，中部隆起大部分区域缺失侏罗系、白垩系和古近系，因此T₂⁰界面上下的岩性和物性差异非常大，反射系数远超其他界面，导致震源激发的地震波能量难以穿透该界面，中、古生界海相地层有效反射能量弱(高顺莉等，2014).由于地质历史时期南黄海受到岩浆活动影响，在实际地震剖面中亦发现局部有反射模糊带和异常反射边界，因此在模型中部加入两个火山岩体，分析高速岩体对地震成像的影响.

运用有限差分法对图 1的模型开展正演模拟，选用拖缆地震采集常规参数，选取位于中部隆起的一个原始炮集及其速度谱分析地震波反射特征，如图 2所示.其中，图a为原始炮集，图b为对应CDP位置的初叠加剖面，模型中主要有5个有效反射界面，但模拟结果远不止5个同相轴，多次波能量非常强，发育海底多次、T₂⁰强反射界面多次、层间多次、长周期多次等各种类型多次波，严重降低了数据的信噪比，图c速度谱反映出中、古生界地层多次波能量团很强，T₂⁰界面以下无法识别出一次反射波速度，只能依据地质认识和趋势拾取中深层速度.

对正演模拟数据进行资料处理后得到偏移剖面如图 3所示，其中图a为不进行多次波压制的情况下直接做PSTM偏移叠加，可见剖面上存在严重的多次波干扰，有效反射被强多次波能量淹没，每个有效反射界面后面跟随着海底多次同相轴，中部隆起和南部拗陷反射信号信噪比低，无法识别出主要地层界面.图b为多次波压制之后再做PSTM偏移叠加剖面，经过针对性地进行鬼波、海底多次、层间多次、长周期多次波压制，地震数据信噪比明显提高，在发育新生代拗陷的地方中、古生界反射同相轴比较清晰，中深层信噪比得到提高，在无新生代沉积的中部隆起和勿南沙隆起，中、古生界地震反射能量弱，同相轴连续性差，火成岩体边界模糊，断面不清楚，因此在采集环节要着重增强中深层有效反射能量，提高原始数据信噪比.

波场正演模拟表明，在常规采集参数配置下，气枪震源激发的能量难以穿透高速屏蔽层，导致中、古生界地震有效反射能量弱，高速屏蔽层埋藏很浅，这使得地震临界角变小，中、古生界顶部地层有效反射不能被检波器接收到，浅海底、海水面、强屏蔽界面T₂⁰等导致多次波异常发育.因此需从地震采集环节进行新技术优选，克服强屏蔽层效应、强多次波发育和深层反射能量弱等难题，为后续资料处理降低难度，避免过多过繁的处理算法误删原始波场有效信息、产生假象，才能提高地震数据质量.

2 地震采集新技术攻关思路

通常针对中深层地震勘探难题进行采集技术攻关的手段包括加大排列长度、增加地震覆盖次数、加大震源容量或增加震源、拖缆沉放深度等，但南黄海中、古生界地震地质条件复杂，常规方法应用效果不尽如人意，必须从震源、检波器、观测系统等多方面开展系统攻关，从多个角度进行新技术组合，重点克服高速屏蔽层效应，增加中深层有效反射能量，排除多次波干扰，拓宽地震数据频带宽度，提高中、古生界地层地震信噪比，在地震数据信噪比和分辨率两者之间寻求平衡点.

2.1 立体震源激发

常规海洋地震采集将多支不同容量的单枪以不同组合距排列成一个气枪子阵，多个子阵在同一深度平面内组合，所有气枪同时激发产生地震子波，其特点是排列简单、操作方便，但由于海水面产生的虚反射(鬼波)影响，地震数据会出现陷波效应，地震数据频带宽度受到限制.近年来中海油研究总院李绪宣等人提出多子阵立体组合气枪震源激发技术(李绪宣等, 2012, 2013)，采用远场子波数值模拟方法对凹形、凸形、矩形、阶梯形以及交错排列等不同类型立体震源进行模拟分析，综合对比发现立体震源模拟远场子波的主脉冲、峰峰值、气泡比等关键参数性能均比平面震源更优越，能有效地抑制震源鬼波引起的陷波效应、增加地震数据有效频带宽度.梯形、平行四边形立体震源激发技术在东海、南黄海、南海深水区进行过采集试验，所获得的地震数据分辨率和信噪比明显提高，新型震源针对中深层构造成像应用效果良好(吴志强等，2015a).

根据南黄海中、古生界地震地质条件和海水深度、洋流、地震船施工难度等因素，综合考虑设计包含6个子阵的立体组合震源，其中1~3子阵沉放深度为水下6 m，4~6子阵沉放深度为水下9 m，每个子阵由7条空气枪串联组成，沉放较深的3个子阵比浅的子阵延迟2 ms激发，使下行地震波场实现同相叠加.

为了对平面震源和立体震源的激发性能作对比，设计容量为7340 in³、沉放深度为9 m的平面震源与容量相同、沉放深度为6 m/9 m的立体震源，分别进行远场子波数值模拟，得到子波波形及其频谱如图 4所示，模拟时除了震源沉放深度不同，其他参数均相同，以便更好地对震源立体阵列单一因素进行分析.表 1为图 4模拟远场子波的关键特征参数值，可见立体震源子波主峰值比平面震源高出2.36%，气泡比高出19.87%，立体震源子波的峰峰值比平面震源子波低22%，二者气泡周期基本相当，立体震源子波的有效频带范围更宽.从图 4频谱图可见，立体震源较好地抑制了震源鬼波引起的陷波效应，第一陷波点频率远高于平面震源，高频端能量明显增强，在6~50 Hz频段范围的频谱曲线更光滑，能量更均衡.因此立体震源全频带能量更强，激发性能更优越，有利于改善南黄海中、古生界地震反射成像.

2.2 双检波器接收

常规海洋地震采集用压力检波器接收地震信号，在陆地上开展地震勘探则使用速度检波器.近年来发展的双检波器接收技术将速度检波器与压力检波器组合，同时接收压力分量和垂直速度分量(吴志强等，2013；张雷等，2013)，采集过程与常规二维、三维施工方式相同，在资料处理时对两种数据进行合并.压力检波器和速度检波器的机电转换原理不同，压力检波器的响应是海水压力随压缩和膨胀作用而变化并产生极性转换，当压缩挤压水检时产生负向脉冲，膨胀时产生正向脉冲，水检感知加速度信号；速度检波器的响应是质点运动方向，检波器随质点运动方向变化而产生极性变化，当质点向上运动时，陆检表现为负极性，当质点向下运动时，陆检表现为正极性，陆检感知速度信号(张振波等，2014；任立刚等，2015).由于水检与陆检的基本结构与机电转换原理不同，接收到的地震波信号存在90°相位差，因此在数据合并之前需进行相位平移或信号域转换.

由于海水面是强反射界面，对震源产生的下行波有反转相位作用，压力检波器接收的上行波和海面虚反射下行波的相位相反，而速度检波器接收的上行波和海面虚反射下行波的相位相同，利用这一差异对压力分量和垂直速度分量进行合并处理可压制鬼波、鸣震，消除陷波效应，拓宽地震数据频带.2007年PGS公司发布了拖缆双检采集技术方法试验结果，通过双检波器同时接收压力分量和速度分量数据，针对速度分量数据中低频干扰严重的缺陷，采用高通滤波的办法滤除低频干扰，从水检压力分量数据中提取部分低频合成到陆检数据中，之后经双检合并处理分离出上行和下行波场信号，在塞浦路斯、澳大利亚等近岸海域的地震勘探实践中效果良好，获得频带更宽、品质更好的地震数据，中深层地震信噪比明显比常规方法更高(Tenghamn et al., 2007; Lie and Semb, 2009).

双检数据合并处理基本原理可用如下公式说明，压力检波器接收的地震波信号可表示为

(1)

式中，P_u(X, t)为压力检波器接收的上行波，P_d(X, t)为压力检波器接收的下行波.

速度检波器接收的地震波信号可表示为

(2)

式中，V_u(X, t)为速度检波器接收的上行波，V_d(X, t)为速度检波器接收的下行波.

采集时，压力检波器与速度检波器沉放深度相同、摆放位置相同，根据两种检波器的特性有

(3)

(4)

因此，上行波计算公式为

(5)

下行波计算公式为

(6)

2.3 宽线采集

宽线地震采集将二维测线按照三维采集方式施工，一般在平行测线方向布置多条接收线，或在一条接收线两侧分别进行一次激发，在资料处理时对邻道面元进行叠加.该技术比三维采集成本低，但资料品质比二维采集好.宽线采集施工时，炮线和接收线具有一定的横向间隔，增加了横向炮检距信息，有利于消除侧面反射干扰，使目的层覆盖次数成倍提高，在资料处理时进行横向倾角扫描叠加，可压制随机干扰，增加炮点优选机会，从而提高地震资料信噪比，增强反射同相轴的连续性，改善复杂高陡构造成像质量.近几年在国内不同地区均进行过宽线采集试验，实践表明该技术能显著地提高地震数据的信噪比，值得在复杂地区推广应用(张春贺等，2011；高顺莉和徐发，2014；陈明春等，2015).

宽线采集通常采用“m线n炮中点激发”的方法，如图 5所示，炮点和检波点排列错开摆放，使地下共反射点的射线路径更丰富，避免纯粹的垂直叠加.接收线距为

(7)

式中b为CDP边长，n为线数.线距设计取决于工区地质结构特点，且需满足ΔY≥λ(n-1)，其中λ为干扰波波长.

根据宽线采集线距设计原则，要求

(8)

式中L_y为CDP面元横向宽度，V_i为目的层地震波层速度，F_p为目的层主频，α为视倾角.

2.4 海底电缆采集

拖缆采集往往受到近岸强水流、油气田平台、海面和海底障碍物、渔业干扰、船舶等各种环境因素限制，资料品质大打折扣，在浅海滩涂等地区难以开展施工，而海底电缆(Ocean Bottom Cable)地震采集技术则较好地弥补了拖缆采集的缺陷.

海底电缆采集有以下几大技术优势：

(1) 震源船与电缆分离，可进行方便灵活的变观测系统采集，避开各种障碍物，施工范围不受限制.

(2) 电缆放置于海底，每隔一定距离安装声学应答器，通过初至波定位和声学定位相结合，检波器定位精度高，能够避开洋流干扰，面元内覆盖次数更均匀，避免因受到潮流影响产生羽角过大、远炮检距端数据品质差的问题，如果海域环境噪声大、气候条件差、海底地表条件复杂，采用声波二次定位与初至波二次定位相结合的方法可有效地提高OBC检波器的定位精度(邓元军等，2013).

(3) OBC沉放深度比拖缆大，环境噪声小，地震波有效频带往低频端移动，而低频端能量穿透力比高频成分强，因此有利于穿透高速屏蔽地层、改善中深层构造成像.

(4) 与拖缆采集相比，OBC能有效减弱海面、海底对地震波能量的反射作用，使鬼波、鸣震、层间多次等多次波的压制难度变小，提高中深层弱反射能量的强度，使原始数据信噪比得到提高(马继涛等，2011).

近年来国内外发展的OBC双检采集技术将水检和陆检集成到电缆中沉放到海底，同时接收速度分量和压力分量，速度检波器可接收垂直速度分量甚至相互正交的三分量速度波场，实现纵波、转换横波全波场采集，经过双检数据合并，不仅可压制鸣震、鬼波干扰，拓宽地震数据频带，提高目的层信噪比，而且利用多波多分量地震数据能全面开展岩石物理分析、储层与流体预测、裂缝检测、孔隙压力预测、岩性油气藏勘探等研究，是在近海浅水区及海陆过渡带开展地震勘探的适用技术(周滨等，2015).

3 采集攻关效果分析

自“十一五”期间以来，针对南黄海中部隆起中、古生界海相地层开展过多次地震勘探技术攻关，从地震采集、处理角度加大研究力度、引进新技术和新方法，进行立体震源拖缆宽线采集、海底电缆双检宽线采集等新技术试验，新采集资料的信噪比和分辨率比老资料显著提高，地震反射成像品质得到极大改善.

3.1 立体震源拖缆宽线采集

根据南黄海中部隆起地震地质条件，综合应用立体震源和宽线采集两大新技术，设计包含6个子阵的立体组合震源，3个子阵沉放深度为水下6 m，3个子阵沉放深度为水下9 m，容量为7340 in³，并在子阵中增加低频大容量单枪比例，尽量增强低频端能量，发挥低频成分穿透力强的优势，提高地震子波激发性能，以中、古生界大套地层构造成像为目标.同时，采用两线、单炮、中点激发宽线采集观测系统，接收电缆的扩展间距为100 m，电缆沉放深度为水下15 m，提高地震资料覆盖次数，增加横向炮检距信息.

图 6为立体震源拖缆宽线采集资料成果剖面展示，图中a为常规拖缆采集的最终成果剖面，该测线穿越南黄海中部隆起核心区，新近系直接覆盖在中、古生界地层之上，T₂⁰反射界面能量极强，时间深度约为1 s，强屏蔽层效应使中、古生界目的层有效反射能量微弱，很难识别海相残留盆地结构和地层展布形态.图b为立体震源拖缆宽线采集得到的新资料，该剖面中、古生界地层信噪比和分辨率都比图a显著提高，剖面上1~4 s间为中生界三叠系、侏罗系以及上古生界石炭系、二叠系等地层，主要目的层大套地层反射同相轴和深大断裂比较清晰，能够辨识宽缓老地层的起伏形态和火成岩体边界，表明立体震源宽线采集技术优势明显，能较好地改善南黄海中、古生界海相残留地层的构造成像.

3.2 海底电缆双检宽线采集

南黄海中部隆起西侧水深约为10~30 m，海水深度浅，海面开阔，海水流速高、潮差大，涌浪、近岸海流和渔业生产都不利于地震采集施工，且存在中古生界顶部强屏蔽层、多次波异常发育、噪声严重等不利条件，创新应用海底电缆水陆双检接收、宽线采集两大新技术，克服南黄海气候、环境和地质条件多方面的困难进行采集试验.采用中间放炮递推递减排列滚动接收方式，单边排列长6000 m，480道双检接收，1条接收线对应2条炮线激发，两条炮线激发方向相差180°，一次布设24 km接收线，沿电缆两侧各横向距50 m设计36 km炮线，前12 km炮点激发时检波器排列递增接收，达到满覆盖后，按12 km中间放炮方式往前滚动采集，后12 km炮点激发检波器排列递减接收，完成24 km采集后，将检波器排列整体搬家滚动24 km继续采集.震源容量为5460 in³，沉放深度为水下6 m，并在气枪阵列中增加多条容量300 in³的低频大枪，使震源子波低频端能量更强，有利于穿透T₂⁰强屏蔽层，增强中、古生界地层有效反射能量.

图 7为海底电缆水检P波分量、陆检Z分量和水陆检合并处理的地震叠加剖面及其频谱分析，其中，图a的水检P波分量信噪比相比图b陆检资料更高，地震同相轴连续性更好，说明Z分量速度检波器对噪声更敏感，两种资料均受到强屏蔽层多次波、海底多次和环境噪声影响，水陆检合并的剖面信噪比显著提高，图d为三种资料分别取时间深度0.8~3 s的中、古生界目的层段数据作频谱分析的结果，可见水检分量在38 Hz左右存在明显的陷波效应，陆检分量在22 Hz以下低频端能量明显比水检弱，低频成分不足，但陆检分量22 Hz以上频段能量比水检数据强，水陆检合并数据则结合两种数据的优势，全频带能量都有提高，在拓宽频带宽度的同时压制了鬼波，消除了陷波效应，改善地震原始数据的信噪比.

针对海底电缆双检宽线采集数据开展针对性的去噪、去多次、叠前偏移和提高信噪比等处理攻关，尽可能提高中、古生界残留地层的反射信号信噪比.图 8为一条任意线剖面，左侧为海底电缆双检宽线采集合并处理成果，右侧为常规拖缆采集剖面，可见左右两侧成像质量差异非常明显，常规采集资料中、古生界目的层反射能量弱，信噪比低，无法识别中深层有效反射同相轴，而海底电缆双检合并资料极大地提高了中、古生界大套地层反射信号信噪比，较好地克服新近系底面T₂⁰的强屏蔽作用，1~3 s间的中、古生界老地层展布形态和内幕反射比较清晰，同相轴连续性较好，宽缓背斜形态的特征较清晰，基本满足区域构造解释和沉积地层充填格架研究的需要.海底电缆双检宽线采集技术的应用填补了中部隆起西侧浅水区的地震资料空白，极大地提高了中、古生界地震资料品质，为深入开展南黄海中、古生界残留盆地油气勘探潜力分析提供了较好的基础资料.

4 结论与建议

通过地震波场数值模拟技术对南黄海中、古生界地震资料成像难题进行理论分析，明确中部隆起中、古生界地震资料信噪比低、品质差的主要原因，针对性地引进四种地震采集新技术和方法进行采集试验，取得不错的应用效果，地震资料质量得到显著提高.本次研究取得以下几点认识：

(1) 中部隆起浅层的新近系底界T₂⁰为强反射区域不整合面，对地震波能量产生强烈屏蔽作用，导致中深层地震反射能量微弱，海水面、海底、强屏蔽层界面导致海底多次、强反射界面多次、层间多次、长周期多次等各种类型多次波能量强，严重降低了目的层地震数据的信噪比，需从地震采集环节针对强反射屏蔽层、多次波异常发育和深层反射能量弱等几大难题加强技术攻关.

(2) 多子阵立体震源激发技术能有效地抑制震源鬼波效应、增加地震数据有效频带宽度、提高地震全频带能量，比平面震源的激发性能更优越.双检波器接收能同时获得速度分量和压力分量波场数据，对两者进行合并处理可压制鬼波、鸣震，消除检波器鬼波的陷波效应，拓宽地震数据频带，提高中深层地震数据信噪比.宽线采集将二维测线按照三维方式施工，优势在于增加横向炮检距信息、提高地震覆盖次数，能够压制随机干扰，增加炮点优选机会，改善复杂构造成像.海底电缆能在近岸浅水区和海陆过渡带等地区施工，不受洋流、渔业、平台等环境因素干扰，在压制鬼波、鸣震、表面相关多次波等方面具有优势，获得的地震数据主频较低，能发挥低频成分穿透力强的优势，有利于提高中深层弱反射信号的能量.

(3) 针对中部隆起地震地质条件进行地震采集新技术优化组合，开展立体震源拖缆宽线采集和海底电缆双检宽线采集两次技术攻关试验，新采集资料成果剖面中、古生界地层信噪比和分辨率显著提高，中生界、上古生界大套地层反射同相轴比较清晰，能够识别海相残留地层的展布形态和火成岩体的边界，有效地改善中、古生界残留盆地构造成像的质量.

(4) 为早日实现南黄海中、古生界海相油气勘探突破，建议未来继续在南黄海开展地震采集攻关，对斜缆宽频、上下缆、阶梯型缆、宽方位角采集等新技术进行可行性论证，使用深层穿透力强的大容量震源，尝试新型立体震源，以突破强反射界面屏蔽效应、压制鬼波，在接收端适当增加电缆沉放深度，提高地震覆盖次数，利用低频能量衰减慢、穿透性好的优势，重点改善中、古生界大套地层反射界面和深层断裂成像，以落实盆地结构、沉积充填、构造与地层序列为目标，在资料处理环节加强多次波压制、提高分辨率和偏移成像技术研究，有望进一步提高南黄海中、古生界海相地层地震成像质量.

致谢 感谢国家科技重大专项《近海中、古生界残留盆地特征及油气潜力》课题组开展的相关研究工作以及中海油服物探事业部完成的地震资料采集和处理工作！感谢审稿专家提出宝贵的修改意见及编辑部老师的支持和帮助！