海上拖缆宽方位多源地震采集由于受海洋环境的限制，为了满足宽方位地震采集设计的要求，一般都采用横向增加震源增加横纵比。炮船与主船（拖带电缆）拖带枪控设备之间存在差异，枪控设备之间的差异会引起激发地震子波特性以及震源激发能量的不同。而这种震源能量和地震子波的差异性为后续的资料处理、叠前地震属性分析、AVO分析和反演结果带来了不确定性。为了保证后续处理、叠前地震属性分析、AVO和反演结果的可靠性，在采集参数设计时要保证设计的阵列震源激发的地震子波一致。

1 海上拖缆宽方位多源地震采集对震源的要求

海上拖缆宽方位多源地震资料采集技术以其独特的优势越来越受到石油公司的重视，针对宽方位多源地震资料采集对震源激发特性的需求，为震源船设计一种与主船震源性能指标符合行业标准的阵列震源成为一个重要的设计任务。

根据前人对优选气枪阵列激发参数提高震源子波性能、海洋地震勘探中空气枪震源激发特征的研究成果，结合评价气枪阵列震源设计优劣的主要参数：子波的主峰值、峰-峰值、初泡比和频谱的频带宽度、光滑程度、陷波点频谱能量^[1]，以及行业标准，海上拖缆宽方位多源地震采集震源设计应该符合以下要求之一：

（1）主船拖带震源和炮船拖带震源组合方式和容量完全一样，在这种情况下只要根据勘探地质任务和环境设计出一个满足要求的阵列震源。

（2）在主船和炮船拖带震源配置不同的条件下，按照目前行业对多枪组合标准^[2]枪阵震源设计要求，不同容量和组合的阵列震源，激发的远场子波主峰值、峰-峰值、初泡比的差值都不超过10%，同时两者子波的相关系数不小于0.998可视为震源一致。

2 宽方位多源地震采集中气枪震源设计

作为海洋地震勘探震源的空气枪，其制作和激发环境受到一定条件的限制，致使单个空气枪激发的子波能量和初泡比不能满足地震资料采集的实际需要，为了提高震源激发能量和初泡比，科研工作者通过理论研究和实际验证，将多个单体气枪按照一定的组合方式组合成一个气枪子阵列，再由多个子阵列按一定的子阵间距组合成阵列震源达到提高震源能量的目的。气枪阵列震源通过各气枪单元间的调谐作用^[3]，使气枪激发产生的脉冲得到有效叠加，提高了子波能量；气泡脉冲被有效压制，同时提高了阵列震源子波的初泡比，保证了较高信噪比的地震资料。

远场子波是衡量空气枪阵列震源特性的一个重要指标。在现场获取远场子波需要消耗大量的人力和财力，而且很多现场条件不符合远场子波采集条件。室内气枪震源激发子波的模拟有效解决了震源设计过程中的这一难题。文章针对宽方位多源地震采集设计期间涉及到在不同枪架和枪类型情况下，结合室内子波模拟，设计出两个震源性能一致、不同组合的空气枪阵列震源。

2.1 气枪阵列容量范围的确定

一般而言，气枪激发能量越强，就具有勘探较深目的层的能力^[4]。震源激发子波的主峰值、峰-峰值是两个衡量空气枪激发能量的重要指标，主峰值是空气枪内的高压气体迅速释放后形成的第一个正脉冲的振幅值；峰-峰值是第一个正脉冲和第一个负脉冲之间的差值。

空气枪激发能量与其容量的立方根成正比例关系，并用经验公式（1）表示：

$ A(P.V.d) \propto K \cdot P{V^{\frac{1}{2}}}d $

(1)

式中：A（P.V.d）为气枪输出能量，bar·m；K为比例系数；P为气枪工作压力，psi；V为阵列总容量，ci（立方英寸）（1 ci = 0.000 016 4 m³）；d为阵列震源沉放深度^[5]，m。

在实际生产中为了提高气枪震源的性能、气枪激发子波的能量、初泡比，一般通过气枪组合的方式来实现。

根据目前行业在用气枪阵列组合类型来看，主要以2 000 psi为工作压力，组合容量主要有两大类：1 000~3 000 ci的容量主要用于浅海、过渡带水域勘探的阵列震源；容量在3 000~5 000 ci之间用于拖缆深海地震勘探的阵列震源。在气枪阵列震源设计初期具体要结合勘探区水深、地震地质条件以及勘探地质任务确定主船拖带震源气枪阵列的组合方式、气枪阵列震源容量范围。

2.2 子阵列设计

气枪子阵列是由多个单体气枪（单枪或一组相干枪）组合而成的，确定了气枪阵列总容量范围后，根据现有设备情况，及气枪容量、气枪个数、减容块、枪架吊点等设备具体情况，确定子阵列容量以及最大容量气枪（相干枪等效成单枪，容量为相干枪容量之和）、气枪的最多个数，再运用调谐理论逐次确定各枪所在位置以及最小容量气枪。使不同容量气枪激发产生的气泡不同相叠加，在一定程度上压制气泡脉冲效应，提高子阵激发子波初泡比。

初步设计完子阵列后根据工区环境参数对子阵列进行数值模拟，对部分单枪进行微调（包括枪容量、相当容量单枪和相干枪互换、相干抢间距）模拟分析，对模拟结果分析选择出最优的子阵列。

2.3 确定主震源阵列

由于气枪子阵列在空间展布上有明显的方向性，这就造成了不同子阵列激发的远场子波能谱分布也具有明显的方向性。图 1是总容量为1525 ci、8个吊点、11个激发枪、5个备用枪、3个相干枪组合而成的子阵列平面示意图，图 2是图 1所示子阵列激发得到的远场子波分别在10、30、60、90 Hz频率对应的能谱分布图和0°、90°方位角对应的能谱分布图，从图 2a~图 2d可看出不同频率的能量带存在明显的方向性差异，差异性与频率存在一定关系，频率越高差异性越大。从图 2e、图 2f可看出不同方位角对应的能谱分布也存在很大的差异性，子阵列的能谱分布不具有点震源的特征。

为了减小子阵列子波能谱在方向上的差异性，将多个子阵列按一定子阵间距合理地组合形成多子阵阵列震源，可以有效减小子阵列震源激发远场子波能谱在不同方向上分布存在的差异，使阵列震源激发子波更接近点震源阵列，满足海上宽方位角多源地震采集对震源激发特性的要求，以及震源激发子波能谱在方向上不存在差异的阵列震源设计要求。

气枪阵列组合中，子阵间距主要影响子波能谱分布，合适的子阵列间距可以减小子波能谱分布的方向性。大量的模拟试验表明，对于平面阵列震源，阵列整体长宽比直接影响能谱分布是否呈圆形；当阵列长宽比为1:1，即阵列整体趋于正方形分布时，其能谱分布接近圆形^[6]。而子阵列设计的确定，震源阵列的长度已经被确定，根据震源阵列子阵的个数确定子阵间距，并进行模拟分析，选择最优的子阵间距的震源阵列。通过模拟分析，主船拖带阵列震源为子阵间距10 m的三子阵组合，震源容量为4 350 ci。

2.4 炮船拖带震源阵列的设计与优化

（1）确定容量范围

根据主船拖带震源子波的主峰值、峰-峰值，在炮船现有的枪阵设计库中寻找与主船阵列子波主峰值、峰-峰值相差10%左右的现有阵列，对比主船拖带阵列震源远场子波分析结果，初步确定炮船拖带震源枪阵容量大于4 860 ci（单子阵容量大于1 620 ci）。

（2）设计子阵列

同样，为了满足点震源的设计要求，尽可能保持子阵对称性设计，第一子阵和第三子阵枪组合相同，并且大枪在中间、边上相对较小的原则，所以需要设计出两个容量大于1 620 ci的子阵。结合主船单子阵的设计，并搜索以往的子阵设计库，结合野外生产实际，综合考虑炮船拖带震源中间子阵确定为如图 3所示的组合方式，子阵容量为2010 ci。同样的设计思路最终确定第一子阵如图 4所示，容量为1 720 ci。炮船拖带阵列震源的总容量为5 450 ci。

（3）确定子阵间距

设计完单子阵后根据调谐理论和子阵长度，确定震源子阵间距，对不同子阵间距的枪阵分别做远场子波能谱分布方向性分析，尽量使阵列震源激发子波能谱图方向性差异较小，接近点震源特性。

（4）优化震源阵列

确定的震源阵列组合，使得衡量震源远场子波的参数差值不大于10%。如图 5所示，图 5a为主船拖带容量为4 350 ci枪阵震源远场子波，图 5b为炮船拖带容量为5 450 ci枪阵震源远场子波，图 5c为两子波重叠显示结果图，图 5d为两子波差值显示图。表 1为主船拖带震源和炮船拖带震源远场子波各参数统计表，从表上可以看出子波参数差值都在指标范围内。接着检查两震源的相似性，通过微调个别小枪和子阵间距进一步优化枪阵组合，确保两源之间的相似系数达到0.998以上。图 6为模拟软件对两源子波相似性分析结果图，分析结果两源相似系数为0.998 07，符合设计标准要求。

3 应用效果

东海某工区为了提高深层资料信噪比、更加细致刻画深部构造，通过多次方法论证，采用高密度、宽方位多源地震采集技术。通过室内震源设计和模拟分析，并结合现有设备实际情况，采用主船拖带由GII枪组合的3子阵组合的4 350 ci的双源阵列震源，炮船拖带由Bolt枪组合的3子阵组合而成的5 450 ci的阵列震源。

3.1 能量分析

为了验证不同震源能量一致性，在地震数据上选取合适时窗进行RMS值计算，并对代表震源激发能量的RMS值做地震波传播距离能量吸收校正。如图 7所示，其中STBD曲线是主船拖带右源激发能量曲线，PORT曲线是主船拖带左源激发能量曲线，DS1曲线是炮船拖带震源激发能量曲线，Percent（Ds1 To STBD）曲线是炮船拖带震源激发能量相对于主船拖带右源激发能量差值的百分比，Percent（Ds1 To PORT）曲线是炮船拖带震源激发能量相对于主船拖带左源激发能量差值的百分比，从百分比曲线上明显看出两者的差值百分比都在10%内。主船拖带震源和炮船拖到震源激发能量一致性很好，符合宽方位多源地震采集技术设计要求。

3.2 频谱分析

图 8为主船拖带震源和炮船拖带震源激发的单炮记录上选取第5缆定义时窗的示意图。图 9（红色主船右源、蓝色主船左源、绿色炮船拖带震源）为图 6定义的时窗上做频谱分析的结果图。从频谱分析结果可以看出，炮船拖带震源激发的单炮记录在大于50 Hz时比主船拖带震源激发的能量稍低，这是由于炮船拖带震源相对主船拖带震源距离远而引起的，这一现象在主船拖带震源的左右源上也有表现，在频谱图上显示为在高频段右源相对左源略占优势，这一现象符合地震波在介质中传播时频率越高能量衰减越快的能量衰减理论。总体三个源激发采集到的资料优势频带一致，有效频宽基本相同，频谱形态整体一致性较好。

4 结论

在海上宽方位多源地震资料采集中，采用多子阵气枪组合阵列震源作为激发震源。在震源设计期间，根据炮船拖带枪控系统配置，通过软件在室内模拟地震子波并对子波进行频谱分析，根据子波特性和频谱分析结果调整组合参数，优化枪阵列组合，设计出炮船拖带阵列震源，使炮船拖带震源和主船拖带震源符合震源一致性的行业标准，满足宽方位多源地震勘探对震源设计的要求，并能输出高能量、较宽的有效频带、较高的初泡比。东海某工区的设计结果表明，根据船上实际配置枪情况，利用软件模拟结果指导震源设计，可以设计出不同容量、不同枪组合并适用于实际宽方位多源地震资料采集作业的较优震源阵列。

采集实际资料验证，炮船阵列震源远场子波与主船阵列震源远场子波参数差值以及两源相似性符合行业标准的前提下，炮船拖带震源容量相对较大，有利于地震波的传播和较深目的层的成像。