南黄海强屏蔽层下富低频强能量气枪震源设计及应用
Design and application of a high-energy airgun source rich in low-frequency components under the strong shielding layer in the South Yellow Sea
通讯作者: 陈建文(1965-),男,博士,研究员,主要从事海洋油气资源调查评价与研究工作。Email:jwchen2012@126.com
第一作者:
责任编辑: 叶佩
收稿日期: 2024-04-24 修回日期: 2024-07-11
基金资助: |
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Received: 2024-04-24 Revised: 2024-07-11
南黄海盆地新近系和中—古生界地层之间存在一个强屏蔽层,阻碍地震波能量向下传播,导致深部地层地震反射波能量低、波组特征差,严重制约了中—古生界油气勘探的突破。为了进一步改善南黄海强屏蔽下中—古生界地层的成像质量,从震源激发端进行大量的模拟分析研究,提出了富低频、强能量震源设计方法,优化设计了6 050 in3富低频、强能量震源。在崂山隆起西部极浅水区开展了拖缆地震采集,新采集的资料在强屏蔽层下深层的信噪比更高,同相轴更连续,构造特征更清晰,强屏蔽层下的地震资料品质改善明显。
关键词:
A strong shielding layer exists between Neogene and Meso-Paleozoic strata in the South Yellow Sea Basin,hindering the downward propagation of seismic wave energy.Consequently,reflected seismic waves in deep strata manifest low energy and poor wave group characteristics,severely constraining the oil and gas exploration in Meso-Paleozoic strata.To enhance the imaging quality of Meso-Paleozoic strata under the strong shielding layer,this study proposed a method for designing a high-energy airgun source rich in low-frequency components through extensive simulation analyses at the excitation end of the source.Finally,a 6050 in3 high-energy airgun source rich in low-frequency components was designed and applied to the streamer-based seismic data acquisition in the extremely shallow water area in the western Laoshan uplift.The seismic data acquired in the deep strata under the strong shielding layer demonstrate significantly improved quality,exhibiting a higher signal-to-noise ratio,more continuous seismic events,and clearer structural characteristics.
Keywords:
本文引用格式
黄福强, 陈建文, 李斌, 张异彪, 杨佳佳, 李珂.
HUANG Fu-Qiang, CHEN Jian-Wen, LI Bin, ZHANG Yi-Biao, YANG Jia-Jia, LI Ke.
0 引言
南黄海盆地是一个陆相中—新生代和海相中—古生代盆地相叠加的盆地,也是中国近海唯一未发现油气田的大型沉积盆地[1⇓-3]。随着油气勘探的不断深入,勘探层系逐渐由陆相中—新生界转移到海相中—古生界。然而,该层系位于盆地深部,存在地层时代老、埋藏深、构造复杂、地震资料成像品质差等问题,尤其在崂山隆起地区,受印支运动的影响,中—新生代地层遭受大量剥蚀,新近系不整合于中—古生界之上,形成一个较强的波阻抗差异界面,即强屏蔽层,阻碍地震波能量向下传播,导致深部地层地震反射波能量低、波组特征差,而海相碳酸盐岩地层之间速度和密度差异小,波阻抗差异不明显,地层之间难以形成较好的反射,形成空白反射,严重制约了南黄海中—古生界油气勘探的突破[4⇓-6]。
表1 南黄海地震调查项目所用震源信息
Table 1
序号 | 施工 时间/年 | 采集目标区域 | 震源容 量/in3 | 气枪类型 | 枪/缆沉 放深度/m |
---|---|---|---|---|---|
1 | 1999 | 勿南沙隆起 | 1368 | SLEEVE | 3/4 |
2 | 2000 | 青岛凹陷 | 2905 | G | 5/6 |
3 | 2000 | 区域油气资源调查 | 3000 | BOLT | 8/12 |
4 | 2001 | 区域油气资源调查 | 3000 | BOLT | 8/12 |
5 | 2002 | 区域地质调查 | 2400 | SLEEVE | 7/9 |
6 | 2003 | 区域油气资源调查 | 5080 | BOLT | 6/7 |
7 | 2005 | “南通幅”调查 | 2940 | SLEEVE | 6/9 |
8 | 2005 | 区域地质调查 | 5080 | BOLT | 8/10 |
9 | 2006 | 崂山隆起 | 2940 (单枪最 大容量 300,最 小40) | SLEEVE | 8/12 |
10 | 2007 | 崂山隆起 | 2940 | SLEEVE | 8/12 |
11 | 2008 | 崂山隆起 | 2940 | SLEEVE | 8/12 |
12 | 2009 | 崂山隆起 | 3580 | SLEEVE | 8/12 |
13 | 2009 | 崂山隆起 | 6180 | G | 7/25 |
14 | 2010 | 崂山隆起 | 6420 (单枪最 大容量 380,最 小40) | SLEEVE+BOLT | 10/14 |
15 | 2010 | 崂山隆起 | 6316 | BOLT | 10/16 |
16 | 2011 | 崂山隆起 | 7340 | SLEEVE | (6/9)/15 |
17 | 2012 | 极浅水区 | 5460 | SLEEVE | OBC |
18 | 2012 | 盐城东区块滩海区 | 3900 | OBC | |
19 | 2012 | 海安东区块滩海区 | 2070 | BOLT | OBC |
20 | 2013 | 崂山隆起中部 | 5040 | SLEEVE | 7/10 |
21 | 2014 | 崂山隆起中部 | 5040 | SLEEVE | 7/10 |
22 | 2015 | 崂山隆起中南部 | 6390 | GII | 10/16 |
23 | 2016 | 崂山隆起中南部 | 6390 (单枪最 大容量 380,最 小45) | GII | 10/16 |
24 | 2018 | 崂山隆起中南部 | 5110 | GII | 10/14 |
25 | 2018 | 南部凹陷 | 4350 | GII | 6/7 |
1 富低频强能量震源设计方法
1.1 富低频震源设计
1.1.1 震源沉放深度
沉放深度是影响震源子波频谱最为关键的因素,浅沉放有利于获取高频信息,深沉放有利于获取低频信息 [15]。选取GII枪,单枪容量150 in3,气枪工作压力为2 000 psi,海水温度为20 ℃,海水中声波速度为1 521 m/s,海面虚反射系数为-1,滤波器类型为sercel SEAL 3.0/6-200/370,采样间隔为0.5 ms,基于Nucleus软件分别模拟沉放深度2~15 m的震源子波频谱特征,统计其低频、高频、主频,并进行对比分析。图1是不同沉放深度的震源子波频谱特征曲线,可以看出,震源子波的低频能量随着沉放深度的增加而增强,高频信息随着沉放深度的增加而迅速降低,主频随着沉放深度的增加也相应减小。当震源沉放到15 m时,低频可达0 Hz,但实际野外施工操作难度非常大,不易实现,且震源沉放太深,气泡效应会非常严重,所以不可取;震源沉放深度选择在5~10 m之间,既能保证低频,高频成分也丰富,调整震源的沉放深度是改变子波频谱的最有效方法。
图1
图1
不同沉放深度的震源子波频谱特征曲线
Fig.1
Spectrum curves of seismic source wavelet with different sinking depth
1.1.2 枪型选择
目前外业生产所用气枪类型主要有BOLT枪、SLEEVE枪、G枪以及GII枪,通过数值模拟对比分析BOLT枪、SLEEVE枪、G枪以及GII枪的子波频谱,气枪工作压力为2 000 PSI,沉放深度为6 m,海水温度为20 ℃,海水中声波速度为1 521 m/s,海面虚反射系数为-1,滤波器类型为sercel SEAL 3.0/6-200/370,采样间隔为0.5 ms。分别模拟单枪子波容量为40、70、100、150、200、250、300、380 in3情况下的4种气枪类型的低频特征(图2),通过对比可以看出,在同一沉放深度下,4种类型的气枪频谱特征相差不大,相较而言,GII枪的低频特性更好一些。
图2
图2
4种气枪类型的单枪子波低频信号曲线
Fig.2
Low frequency signal curves of single gun wavelet for four airgun types
图3是BOLT枪、SLEEVE枪、G枪、GII枪等4种气枪类型的单枪子波能量关系曲线,可以看出,容量相同的4种气枪的子波能量差异还是很明显的,在小容量范围内(0~150 in3),GII枪子波能量最强,其次是SLEEVE枪和G枪,SLEEVE枪和G枪的子波能量相差不大,BOLT枪的子波能量最弱;在大容量范围内(大于150 in3),BOLT枪能量最强,其次是GII枪,再次是SLEEVE枪,G枪的子波能量最弱,子波能量随容量增加的速率也是最小的。通过上述分析可知,气枪类型选取GII不仅有利于低频信号的获取,还可以增强主脉冲的能量。
图3
图3
4种气枪类型的单枪子波能量关系曲线
Fig.3
Wavelet energy relationship curves of four types of airguns
1.1.3 单枪容量
由图2可知,气枪容量的变化对震源子波的低频特性有一定的影响,大容量气枪的低频更强,380 in3相较于40 in3气枪,低频可拓展3~4 Hz。
1.2 强震源能量设计
1.2.1 增加气枪总个数
气枪容量是影响震源子波主峰值能量的关键因素,那么在相同的总容量下,不同的单枪数量,也就是枪阵吊点数的不同,是否会对子波能量造成影响呢?下面以GII枪进行模拟计算,选取气枪工作压力为2 000 PSI,沉放深度为6 m,海水温度为20 ℃,海水中声波速度为1 521 m/s,海面虚反射系数为-1,滤波器类型为sercel SEAL 3.0/6-200/370,采样间隔为0.5 ms。分别模拟总容量为90、150、210、300、450 in3的不同单枪数目的震源子波,多个单枪依次线性排布,枪间距固定为3 m,统计其主峰值能量,并进行对比分析。图4是相同总容量不同单枪数目主峰值能量关系曲线,可以看出,在相同总容量情况下,单枪数目越多,主峰值能量越大,子波能量与单枪数目,也就是枪阵的吊点数存在正比关系,在总容量不变的情况下,要想进一步增强子波能量,可以通过增加吊点数,变大容量单枪为小容量组合枪来实现。
图4
图4
相同总容量不同单枪数目子波能量关系曲线
Fig.4
Wavelet energy relationship curves of the same total capacity and different number of single guns
1.2.2 适当增加相干枪数量
相干枪是常用的气枪组合方式,可以起到压制气泡效应的作用。那么,在总容量不变的情况下,相干枪在起到压制气泡效果的同时,对震源子波主峰值有多大影响呢?选取GII枪,气枪工作压力为2 000 PSI,沉放深度为6 m,海水温度为20 ℃,海水中声波速度为1 521 m/s,海面虚反射系数为-1,滤波器类型为sercel SEAL 3.0/6-200/370,采样间隔为0.5 ms。分别模拟45、75、105、150、225、250、380 in3相干的震源子波,相干枪间距固定为1 m,统计其主峰值和峰—峰值(表2),并与相同容量的单枪和线性排布组合枪进行对比分析。图5是不同容量相干枪子波能量对比关系曲线,可以看出,在相同总容量情况下,相干枪相较于单枪,主峰值能量显著增强,尤其是在小容量相干的情况下,主峰值能量提高明显; 但是,相干枪比相同容量、相同个数的线性组合枪的子波能量要低,当相干枪的容量较大(大于250 in3相干)时,主峰值能量削弱明显。因此,在枪阵总容量和吊点数一定的情况下,从增强主峰值能量的角度,可以适当增加相干枪数量,但是为了保证野外施工效率,需要进行关枪分析来综合考虑,380 in3相干枪的使用数量不宜过多,一般建议控制在4把以内。
表2 不同容量相干枪震源子波能量统计
Table 2
总容量/in3 | 主峰值/(bar·m) | 峰—峰值/(bar·m) | |
---|---|---|---|
90 | 90(单枪) | 2.67 | 5.51 |
2×45(线性排布,3 m间隔) | 3.89 | 8.15 | |
2×45(相干,相干间距1 m) | 3.56 | 7.43 | |
150 | 150(单枪) | 3.07 | 6.22 |
2×75(线性排布,3 m间隔) | 4.90 | 10.10 | |
2×75(相干,相干间距1 m) | 4.46 | 9.15 | |
210 | 210(单枪) | 3.33 | 6.68 |
2×105(线性排布,3 m间隔) | 5.44 | 11.10 | |
2×105(相干,相干间距1 m) | 4.92 | 9.98 | |
300 | 300(单枪) | 3.77 | 7.48 |
2×150(线性排布,3 m间隔) | 5.99 | 12.10 | |
2×150(相干,相干间距1 m) | 5.30 | 10.60 | |
450 | 450(单枪) | 4.75 | 9.29 |
2×225(线性排布,3 m间隔) | 6.57 | 13.10 | |
2×225(相干,相干间距1 m) | 5.77 | 11.40 | |
500 | 500(单枪) | 5.05 | 9.82 |
2×250(线性排布,3 m间隔) | 6.64 | 13.20 | |
2×250(相干,相干间距1 m) | 5.72 | 11.30 | |
760 | 760(单枪) | 6.40 | 12.30 |
2×380(线性排布,3 m间隔) | 8.41 | 16.50 | |
2×380(相干,相干间距1 m) | 6.66 | 12.90 |
图5
图5
不同容量相干枪子波能量对比关系曲线
Fig.5
Wavelet energy comparison curves of cluster guns with different capacities
2 富低频强穿透震源设计
针对南黄海强屏蔽层下中—古生界深层勘探难题,本文以富低频(60 Hz以内的频段信息丰富,低频在6 Hz以下)、强能量(总容量在6 000 in3以上,震源子波主峰值大)、初泡比高(气泡压制效果好,有效频段频谱光滑)为设计目标,以“海洋地质九号”调查船为依托,结合该船舶现有气枪类型、单枪数量、吊点个数、相干枪架数量、空压机能力以及备件等情况,设计了60余组气枪组合震源,从中优选出6 050 in3。
图6为6 050 in3震源平面排布示意,总容量达到6 050 in3,气枪类型全部采用具有高能量强度、高能量转换率的Sercel GII枪,枪阵吊点使用数目多,有利于增强震源激发的子波能量;配备4把380 in3大容量枪,增强激发端的低频信号;气枪容量组合丰富,大容量气枪(380 in3)和小容量气枪(45 in3、70 in3)组合合理,有利于提升震源子波的初泡比;相干枪数目多达24对,能显著增加激发信号的信噪比。
图6
表3 6 050 in3组合震源在不同的沉放深度(6~12 m)模拟远场子波参数统计
Table 3
震源容 量/in3 | 沉放深 度/m | 主峰值/ (bar·m) | 峰—峰值/ (bar·m) | 初泡 比 | 主频 /Hz | 频宽(-6dB) /Hz |
---|---|---|---|---|---|---|
6050 | 6 | 114.2 | 236.7 | 33.0 | 60.0 | 9~105 |
6050 | 7 | 117.2 | 236.5 | 29.4 | 53.0 | 6~92 |
6050 | 8 | 111.1 | 226.9 | 25.9 | 48.5 | 6~83 |
6050 | 9 | 109.5 | 226.5 | 23.0 | 43.5 | 6~75 |
6050 | 10 | 113.2 | 229.5 | 21.3 | 39.0 | 5~67 |
6050 | 11 | 112.9 | 223.1 | 18.5 | 36.0 | 5~62 |
6050 | 12 | 109.7 | 215.1 | 16.5 | 33.0 | 5~57 |
图7
图7
6 050 in3震源沉放7 m时模拟子波
Fig.7
The far-field seismic wavelet of 6 050 in3 source in 7 m depth
图8
图8
6 050 in3震源沉放7 m时模拟子波频谱
Fig.8
The far-field seismic spectrum of 6 050 in3 source in 7 m depth
3 应用效果
2022年,青岛海洋地质研究所在南黄海崂山隆起西部极浅水区(10~35 m)应用所设计的6 050 in3震源开展了拖缆地震采集,具体采集参数及2009年采集参数见表4。
表4 2022年崂山隆起西部极浅水区地震采集主要参数
Table 4
2009年二维拖 缆采集方案 | 2022年二维拖 缆采集方案 | |
---|---|---|
气枪类型 | SLEEVE | GII |
震源容量/in3 | 3580 | 6050 |
震源深度/m | 8 | 7 |
电缆深度/m | 9 | 10 |
工作压力/psi | 2000 | 2000 |
炮间距/m | 50 | 37.5 |
道间距/m | 12.5 | 12.5 |
电缆长度/m | 6000 | 8100 |
覆盖次数 | 60 | 108 |
最小偏移距/m | 145 | 170 |
采样间隔/ms | 2 | 2 |
记录长度/ms | 8024 | 10240 |
图9
图10
图11
图11
2009、2022年新老资料单炮频谱对比
Fig.11
The spectrum comparison between 2009 seismic raw data and 2022 new seismic data
图12
图12
2009、2022年新老资料在相同覆盖次数(60次)下的偏移剖面对比
Fig.12
Comparison of PSTM under the same fold(60 times) between 2009 seismic raw data and 2022 new seismic data
图13
4 结论
1)丰富气枪震源的低频信息和增加激发能量是提高强屏蔽层穿透性、获取深部有效地层反射信息的关键所在。通过气枪组合模拟分析认为:要想实现震源子波的富低频,有效方法一是震源尽量深沉放,二是尽量选取GII枪,三是配备380 in3大容量单枪;要想增强震源激发能量,提高穿透性,有效方法一是增加阵列总容量,二是是尽量选取GII枪,三是增加气枪总个数,四是适当增加相干枪数量,但是为了保证野外施工效率,需要进行关枪分析来综合考虑,380 in3相干枪的使用数量不宜过多。
2)为了改善南黄海崂山隆起西部极浅水区强屏蔽层下深层地震资料品质,优化设计了6 050 in3富低频、强能量震源,震源沉放深度推荐7 m,开展了拖缆地震采集,新采集的资料在强屏蔽层下深层的信噪比更高,同相轴更连续,构造特征更清晰,强屏蔽层下的地震资料品质改善明显。
参考文献
南黄海中古生界勘探进展及油气潜力
[J].
New exploration progress and hydrocarbon potential of the meso-Paleozoic systems in the South Yellow Sea
[J].
南黄海盆地油气资源调查新进展
[J].
New progress of petroleum resources survey in South Yellow Sea Basin
[J].
南黄海盆地海相中—古生界地震探测技术攻关历程及效果
[J].
Research experiences and application of seismic exploration technology to the Mesozoic-Paleozoic marine strata in the South Yellow Sea Basin
[J].
南黄海“高富强” 地震勘查技术及其应用
[J].
The “hrs” seismic exploration technology and its application in the South Yellow Sea Basin
[J].
地震调查技术突破南黄海海相中—古生界成像技术瓶颈
[J].
The application of “HRS” seismic exploration technology to making breakthrough of the seismic imaging “bottleneck” of the marine Mesozoic-Paleozoic strata in the South Yellow Sea Basin
[J].
南黄海海相油气勘探前景探讨与问题分析
[J].
Marine oil and gas exploration prospects,problem and strategies in South Yellow Sea
[J].
基于南黄海海相油气勘探的地震采集技术研究
[J].
A study on seismic acquisition basic on marine carbonate hydrocarbon exploration in the southern Yellow Sea
[J].
大震源长缆深沉放地震采集技术在南黄海中古生代盆地的应用
[J].
A large-scale seismic source,deep Gun and cable sinking and long cable pength application in Mesozoic-Paleozoic Basin in the South Huanghai Sea
[J].
南黄海盆地地震试验数据处理分析方法与成果
[J].
Processing method and results of seismic testing data in the South Yellow Sea Basin
[J].
南黄海崂山隆起地震采集方法
[J].
On seismic acquisition methods on the Laoshan uplift of the South Yellow Sea
[J].
南黄海崂山隆起地震采集参数设计
[J].
Seismic acquisition design for Laoshan uplift of the South Yellow Sea
[J].
南黄海中—古生界地震勘探震源设计及其应用
[J].
Seismic source specially designed for the Meso-Paleozoic strata and its application to South Yellow Sea
[J].
宽频立体枪阵优化设计
[J].
Optimization design of the broadband stereo gun array
[J].
立体阵列组合技术在南黄海盆地的应用
[J].
Application of tridimensional delayed excitation air-Gun array in the South Yellow Sea Basin
[J].
上下源宽线地震采集技术在南黄海中部隆起的应用
[J].
Wide line seismic acquisition with over/under sources in the central uplift of South Yellow Sea Basin
[J].
An experimental comparison of three direct methods of marine source signature estimation
[J].
Nonlinear inversion of seismic reflection data in a laterally invariant medium
[J].
Use of low frequencies for sub-basalt imaging
[J].
Modeling air Gun signatures in marine seismic exploration considering multiple physical factors
[J].
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