气枪震源在西非过渡带地震勘探项目中的应用

　　摘要:本文以气枪震源为弓I,结合国外滩浅海过渡带项目实际操作，简要介绍了428XL地震仪、气枪震源及测量导航系统的协同生产流程，气枪震源关键参数模拟优化，分析了生产过程中出现的故障并提出了解决方法。

　　关键词:地震勘探;气枪震源;模拟实验;故障分析

　　地质工程师论文投稿刊物：《地质与勘探》是由中国冶金地质总局主办、中国冶金地质总局矿产资源研究院承办的杂志，主编是闫学义，副主编是曾普胜、王梅。 《地质与勘探》以刊载矿产地质、商业地质经济、成矿规律与成矿预测、矿产资源评价、找矿勘探方法、地球物理和地球化学勘查、岩石矿物研究、钻探技术、工程勘察与岩土工程施工等专业科研成果为主要内容。

　　0引言

　　为应对世界性的陆上石油资源逐渐枯竭和海外资源国对本土石油企业的保护，海洋石油勘探是解困国家石油资源匮乏的应对之举也是中资油企海外生存之需。西非OTAKITIPO滩浅海过渡带三维项目施工区域62.6km2，其中滩海、潮间带水深0〜15m,面积28.3km?，占总工区面积的45.2%,陆上部分穿插不少河流、沼泽以及海陆交接区域分布密集的红树林。近岸海底地形起伏相对较缓，多为沙滩、泥滩和礁石滩，水底沙泥较厚，对地震波信号的衰减吸收效应不同，但总体显示能量较弱，影响地震资料品质。

　　虽然过渡带部分不足一半，但结合甲方和所在国环境保护政策和要求,近海滩涂区域禁止使用陆上炸药震源，后通过观测系统变化等技术手段调整了实际的炸药和气枪震源激发比例,使得气枪震源在项目整体资料品质上显得更为重要。海岸潮间带区域涌浪特别大，会出现气枪难以精确上点，排列点位偏移较大，排列经常断线等问题。滩涂潮间带水深变化在0〜2m之间，受潮汐变化影响，气枪能量激发需抓住合适时机放炮使激发能量的有效传导最大化，工区采用气枪震源和炸药震源混合施工方式,过半作业量为气枪震源炮，要求428XL地震仪、气枪震源系统和测量导航系统三方做到无缝链接，气枪震源作为激发源是承上启下的关键环节。

　　1仪器记录系统、气枪震源系统及导航系统工作流程

　　428XL地震仪是法国Sercel公司的一款物探市场应用最广泛成熟的地震数据采集系统，有易操作、大带道能力、兼容多震源激发等优点。气枪主控部分由BigShot枪控和GCSLink无线同步控制器组成。测量HydroPro导航系统实现船只导航、气枪震源激发和仪器同步控制，由DGPS、测深仪、罗经、涌浪仪、FixBox等设备通过串口线依托操作软件与系统导航主机交互通讯。左侧为仪器主端，中间为气枪船从端，右侧为导航系统。气枪震源触发分为主端和从端触发两种。在过渡带交替使用气枪炮和井炮混合激发时，使用GCSLink主端触发气枪放炮,可提高地震生产效率。主从端间通过VHF/UHF电台和数字无线调制调节器实现高速无线数传。GCSLink主端触发需把GCSLink连接428XL仪器接口的M和L脚分别和LCI-428的BLASTER1接口的M和N脚接通，并把该接口的G和N脚分别和BLASTER1接口的H和J脚断开，这样使得GCSLink主端接收来自仪器生成的TTL信号FO时，主端主动和从端同步，在预设时间延迟后，发出TB信号触发仪器采集，同时GCSLink从端和气枪控制器BigShot启动气枪电源箱体，触发气枪放炮。

　　2气枪震源技术及核心设备的演变

　　二十世纪六十年代美国Bott公司开创性地推出空气震源理念应用于海上地震勘探，初期考虑高压大容量可增强有效波，抑制干扰信号，研制出5000psi的高压大气枪枪体。但随着气泡振动理论的进步!又提出了气枪阵列理论，它较好地抑制了气泡振动效应,提高了激发能量输出，使得激发子波和频谱参数得到了较大提升。二十世纪八十年代，随着阵列技术的广泛应用，高压枪故障率高、效率不高、安全性低的缺点显现出来，逐步被以美国ION公司的2000psi为代表的Sleeve低压枪配合阵列组合技术所替代，由于Sleeve枪的子波特性好、精度高、可靠性高及结构简单等优点成为主流选择。

　　二十世纪九十年代Blot公司结合市场上的典型气枪设备和技术又推出了稳定性更强的环形端口枪!项目使用Bolt公司的1900LLX型气枪，可适应多水域生产。气枪震源的主控单元气枪控制器主要有模拟式和数字式两种，其中模拟式控制器主要以Macha公司的TGN系列，RTS公司的BigShot系列较为成熟，数字式控制器是以ION公司的DigiShot控制器和英国Seamap公司的GunLink4000为代表。本项目配备BigShot配套GcsLink同步器。在气枪震源硬件不断推陈出新的同时!海上地震勘探技术也逐步发展!如:海上时移4D地震勘探技术!4分量多波勘探技术和设备的推广,分层气枪枪阵组合震源技术!电火花激发技术!双检及拖缆采集技术，海上电磁勘探技术，海上OBN采集转换波处理技术!高密度地震技术!海上宽频/宽方位勘探技术等。

　　3气枪震源及现场气枪参数模拟实验

　　气枪震源具有环保、可重复性好、可控性强等优越性能，广泛应用于海洋地震勘探。现阶段主流气枪震源气枪容量在2000〜3000立方英寸。OTAKITIPO项目作业队气枪震源配备28支BOLT1900LLX型空气枪，气枪总容量2960立方英寸，工作压力2000psi,14组相干枪(当两枪气泡距离较小并接近气泡半径的2倍时，两个气泡相切，从而产生抑制作用，保持了气泡周期,避免了气泡的连通破碎,达到了气泡效应的目的，同时子波又可以得到相干加(4组子阵(子阵是由一个枪杠和挂吊在该枪杠上的多支气枪组成的集合体)组成。为适应浅水勘探获得更深目的层的高品质地震资料,通过使用多条小容量气枪有机相干组合成阵列来消除干扰,提升激发子波信号品质;通过提高气枪容积和压力来有效提高输出能量;通过调整气枪震源的沉放深度很好地抑制气泡振荡和虚反射,提高初泡比。

　　3.1气枪震源激发原理

　　气枪释放高压气体进入海水时,起始时刻气泡内压远高于周围静水压力,气泡迅速膨胀，随着气泡体积增大，内压减小;当内压小于静水压力时，负压使气泡开始压缩,直到内压大于静水压力，气泡再次膨胀,开始第2个循环，如此往复。压力波因此形成并向水中传播，形成了空气震源子波。气泡首脉冲是有效信号，其后的其他气泡脉冲则为干扰,应加以抑制。气枪阵列的合理选择和使用能有效提高输出能量并很好地抑制气泡振荡，使得激发的子波信号显著改善。通常是以加强主脉冲，抑制气泡脉冲为激发模式的。

　　3.2气枪震源基本参数

　　气枪震源作为海洋地震勘探激发源是保证野外采集数据质量的核心环节,优良气枪激发源应具备能量强、初泡比大、频带宽、沉放深度适宜及阵列方向对称等特性。(1)激发能量峰值是第一个压力正脉冲与第一个负脉冲之间的差值，单位bar-m0能量越强，信噪比越高，满足勘探较深目的层的穿透力和较高分辨率。气枪能量和气枪容量的立方根成正比。(2)初泡比是第一个压力脉冲的振幅和第一个气泡脉冲的振幅间的比值。用来比较和评价气枪阵列激发子波的质量!初泡比越大!气枪阵列子波的频谱特性越好，子波信噪比越高。(3)子波频谱宽度是在子波振幅谱上，振幅大于—6dB的频率范围，是考察气枪阵列性能的重要因素。一般期望子波频宽越宽越好!氐频端越平滑越好!氐频端端点(一6dB)频率越小越好，陷波点频率越高越好。(4)沉放深度为气枪沉放在水中的深度值。沉放浅气泡比增加,子波分辨率高但脉冲变窄,能量变弱。实际生产中根据目的层和作业方式确定，滩浅海作业时沉放深度为1.5〜4.0mo(5)阵列方向性由于气枪阵列激发的子波信号能量随着水平方位角和垂直方位角的变化而变化,方向性越弱越有利于海上勘探0通过改进气枪阵列设计，尽量做到前后对称和左右对称。

　　3.3GUNDALF气枪模拟实验

　　OTAKITIPO项目为适应气枪在不同海域环境较好工作的要求，于2015年引进GUNDALF气枪模拟软件。该气枪模拟软件是由Oakwood计算机公司利用气枪子波模拟技术采用独特的便携式客户一服务机机构设计的软件，软件功能包括阵列参数输入、远场子波模拟、子波特性分析及三维显示等功能。技术人员通过软件按生产因素做了气枪关键参数模拟实验，气枪枪阵见图3o在海陆过渡带工区项目施工过程中,由于沿岸海底河床深度变化较大且受涨落潮等自然环境影响,沉枪深度和不同地形枪容量的选择在海陆过渡带工区中对项目施工进度与质量的影响尤为重要。

　　3.3.1枪深模拟实验

　　分析数据可以看出：虽然3.0m沉枪深度激发时总激发能量最小,但气泡比最大,子波的频谱特性好,子波信噪比高&•0m枪深所得子波频谱低频端最平滑、频宽最宽、陷波点频率最高，即3.0m枪深时所得子波频谱特性最佳&.0m沉枪深度气枪阵列方向性更好。综上所述，通过对比GUNDAL气枪模拟软件模拟结果得出,当气枪船28支枪、总容量为2960立方英寸，工作压力同为2000psi,沉枪深度分别为3.0m、4.5m和6.0m的情况下，沉枪深度3.0m时虽然总激发能量最小，但气泡比、子波频谱特性及方向性都比其他两种情况要好。因此，当气枪船总容量为2960立方英寸,工作压力同为2000psi时，沉枪深度为3.0m时效果最佳。

　　3.3.2枪容模拟实验

　　正常施工过程中，28支枪总容量2960立方英寸.2000psi的条件下完全可以达到地震生产所需的震源强度，获得高质量的地震采集资料。而实际生产中，施工区域往往会涵盖油气管线、海底电缆、堤坝和水产养殖区等特殊地形,在保证安全施工的前提下，通常会使用减小激发能量的方法安全渡过敏感区域。现用GUNDALF模拟软件进行模拟减容量实验,通过关枪的方式减小气枪容量,从而减小激发能量,使气枪阵列在相同的条件下产生最好的子波,满足施工要求，达到最好效果。在尽量减小阵列几何中心、能量中心和压力中心间偏差的情况下,设计了四种方案，在枪深为3.0m的情况下同时对称关闭气枪，使阵列总容量由2960立方英寸分别降至2460.1980.1480立方英寸。

　　通过分析对比不同容量情况下的子波特性、子波频谱模拟、方向性模拟数据图可以得到结论:①随着枪容减小,枪阵总激发能量和气泡比随之减小,子波信噪比随之降低;②当枪容降至1980和1480立方英寸时,虽子波频谱变宽，但总能量和气泡比减少较大;③枪容为2460立方英寸时在兼具能量和气泡比的情况下枪阵方向性更佳。4实施效果在对试验资料进行分析的基础上，最后确定了OTAKITIPO滩海项目的气枪震源参数。项目过渡带、浅水以及深水区域均采用2960立方英寸气枪阵列,沉放深度均为3.0m,见图5;在近岸油管、电缆、养殖区等敏感受限水域采用2460立方英寸阵。

　　4气枪震源发展展望

　　气枪震源作为人工震源,主动探测地下结构,能获得大量数据，为海洋石油勘探提供宝贵资料。国内气枪震源研究和应用不断跟进国际市场技术,历经二十世纪七十年代气枪震源技术的引入，二十世纪八十年代中科院声学研究所的本土化研究和试验，进而中科院南海研究所在南海西北部的生产实践,到二十一世纪的气枪震源技术在地震研究、石油勘探领域的推广应用，都取得了较为满意的结果。气枪震源具有精确度高、可控性强、可重复、子波可测、耦合效果好、信噪比高、环保节能以及经济适用等不同于其他震源类型的诸多优势。随着气枪震源应用和研究的不断深入，已经成为地球物理学科的研究热点之一，也更多地应用于深层地球物理勘探领域,将是一种气枪应用的一个新进展。