前沿：海洋宽频带地震勘探新技术扫描 海洋地震勘探宽频带地震波激发技术接收技术吴志强
文|吴志强 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室 1、概况 海洋地震勘探在海洋地质调查、油气藏勘探与开发中起到了无可替代的重要作用。随着勘探领域的不断拓展，地震勘探的难度越来越大。在深部地质调查和复杂构造、火山岩（或碳酸盐岩）屏蔽下的油气藏地震勘探中，为了获取目的层有效反射信号、实现精确成像，对地震数据采集的要求进一步提高，包括采集到低频、高频成分丰富的宽频带、高信噪比原始地震记录。地震信号中的低频信息具有穿透能力强、对深部目的层成像清晰的优势，同时也使地震反演处理结果更具稳定性。宽频带可产生更尖锐子波，为诸如薄层和地层圈闭等重要目标体的高分辨率成像提供全频带基础数据。
理论研究表明：当地震数据的频带宽度不低于两个倍频程时，才能保证获得较高精度的成像效果；频带越宽，地震成像处理的精度越高；增加低频分量的主要作用是减少子波旁瓣，降低地震资料解释的多解性，提高解释成果的精度。
图形象地展示了低频分量的重要性：高频分量丰富、但缺少低频分量的地震子波的主峰尖锐，却会产生子波旁瓣，使地震资料的精确解释变得困难且多解；高分辨率子波是在低频和高频两个方向都得到拓展的宽频带子波，这样子波的主峰尖锐、旁瓣少且能量低，能分辨厚度极小的薄层，地震解释的精度高。
现今地震资料反演处理大多是基于模型的地震反演，成功的关键是能否提取真实子波和建立精确的低频模型。常规地震数据中缺失低频信息，只能采用从测井数据中提取低频分量再与地震数据反演的相对波阻抗合并处理方式得到绝对波阻抗。
在目标地质体复杂、钻井少的探区，仅靠测井资料提取的低频分量难以反映复杂地质体横向变化，导致不精确或假的反演结果。为弥补该缺陷，一般采用从地震叠加速度提取低频分量方式，而叠加速度只能提供0～5Hz低频信息，无法弥补常规地震所缺少的0～10Hz低频分量。可见，地震数据中低频信息对保证地震岩性反演的精度意义重大。
然而，在海洋地震勘探中得到宽频带地震数据是比较困难的。 首先，在常规海洋地震数据采集中，电缆和气枪都要以固定深度沉放于海平面之下，以保证下传的激发能量最大化和降低接收环境噪声。
由于海平面是强反射界面，在激发和接收环节都会产生虚反射效应，从而压制了信号的低频和高频能量，并产生了陷波点，限制了地震勘探的频带宽度。例如，为了获得深部目的层有效反射信号，必须增加气枪阵列容量、加大沉放深度以得到穿透能力大、主频低的激发子波，并加大电缆沉放深度以减少对来自深部反射界面的低频反射信号的压制效应，由此带来的副作用是高频信号受到较大压制，降低了地震信号的频带宽度和分辨率。
在海洋高分辨率地震勘探中，一般采用较小气枪阵列容量和较浅沉放深度以得到高频成分丰富的激发子波，同时降低电缆沉放深度以降低接收环节对高频信号的压制效应，这样虽然提高了地震信号的频带宽度和视觉分辨率，但它是以牺牲低频信息和勘探深度为代价，处理后的成果数据缺少低频信息，给后续的反演处理带来较大困难。
勘探设备性能也限制海洋地震勘探获得宽频带地震数据的能力，电缆在移动时产生的机械和声波噪声掩盖了微弱的有效地震信号，降低了地震数据的频宽和信噪比，尤其是对高频段信号的影响幅度更大。到目前为止，常规海洋地震勘探中尚未找到完全有效压制虚反射效应的采集和处理方法。
近年来，针对海洋宽频带地震勘探面临的主要难题，在勘探设备方面进行了研发并取得重要进展。固体电缆的研制成功和工业化应用，有效地降低了电缆噪声，提高了对微弱高频信号的响应和记录能力；双检波器拖缆采集技术的发展与应用，压制了虚反射效应，拓宽了地震频带。
众所周知，气枪和电缆以一定深度沉放于海平面之下，海平面反射在上行波和下行波之间产生交互干涉的鬼波效应，对地震反射信号产生了压制和陷波作用，降低了原始地震资料的频带宽度。气枪和电缆沉放越深，对高频信号压制越大，越有利于低频信号；沉放越浅，对低频信号压制越大，越有利于高频信号。
为了压制虚反射效应，提高地震数据频带宽度，在海洋地震激发时借鉴陆上地震勘探压制虚反射的成功做法，开发了多层震源组合新技术代替传统的平面震源组合方式，激发地震子波的低频和高频分量都得到有效拓展和提升，因此其频带展宽、穿透能力增强。
在海洋地震信号接收环节，为有效削弱由海平面虚反射引起的陷波作用，利用电缆沉放深度的变化对不同频带的压制特性，采用上、下缆接收技术，既有效地兼顾了获得不同频段的信号，也增加了地震数据的叠加次数，提高了地震信号的信噪比。但上、下缆地震采集要求严格控制电缆处于同一垂直面上，以确保接收点所获信息的均匀性和数据合并时反射点位置一致性，对设备和作业海况的要求较高，常规地震勘探设备难以满足这一要求。
电缆变深度沉放（variable depth streamer）技术，是一种施工相对简单的地震采集技术，只需将单条电缆按一定斜率或分段沉放于不同深度，使虚反射陷波效应分散化，以达到提升地震信号低频、拓宽频带、提高原始信号振幅能量和信噪比的目的。同样，采用双检电缆进行数据采集，通过数据合并处理，可有效地减弱由电缆沉放带来的虚反射效应对地震信号的高频段和低频段的损害。
本文通过对海洋宽频带地震勘探技术方法的调研和总结，分别在地震波激发、接收和地震数据处理等几个技术环节进行了阐述，展现了目前国际海洋地震宽频带勘探技术的新进展。
2、多层气枪阵震源技术 在常规海洋地震数据采集中，气枪是经济、实用和符合环保要求的人工地震震源。为了最大程度地发挥气枪震源的优势，避免单枪气泡效应对地震记录品质的影响，通常将若干个不同容量的单气枪组成子阵列，再用2～4个子阵列组成一个完整的气枪震源阵列，每个子阵列都以相同深度沉放在海水中，称为平面震源或常规震源。它具有操作方便、排列简单和能实现子阵列最大能量同时叠加等优点。
但由于海平面虚反射等因素引起的陷波作用，高频和低频信号均受到不同程度的压制，震源子波的低频段振幅震荡幅度大，严重影响了原始地震资料的品质，同时也难以兼顾穿透深度与频带宽度。
为了降低气枪震源激发产生的虚反射作用，受陆地垂直震源延迟激发压制虚反射的启发，Moldoveanu提出垂直震源法。即将两个枪阵按炮间距前后布置并分别沉放于同一垂直平面内的不同深度，采集中两个枪阵交替激发形成同一激发位置上两个不同激发深度的单炮记录；处理中采用波场分离方法，剔除两个连续炮点记录的上行震源波场，减弱了震源产生的虚反射，提高了地震分辨率。
墨西哥湾试验资料的频谱分析结果表明，低频端能量得到提升，频谱相对平滑，提高了资料的分辨率和信噪比。但该方法在采集阶段对虚反射的陷波作用有限，且数据处理的难度和运算量大。陆地地震勘探井中炸药激发方式同样也存在虚反射问题，它降低了地震记录的分辨率和信噪比。
为了降低虚反射效应，采用组合延迟激发技术削弱虚反射效应，将炸药分别置于井中不同深度处并从浅到深延迟激发，延迟时间为上一个激发点形成的下行波到达下一个激发点的走时，这样就会在叠合下行波的同时消耗上行波，虚反射（与地表反射相关的上行波）能量被削弱。该项技术应用的主要困难是，地表速度变化大，很难得到精确、完整的地表速度结构，炸药启爆时间的精度低，无法做到爆炸的延迟精度与地层速度的完全匹配，影响了该技术在陆地地震勘探的应用效果。
借鉴陆地地震勘探中的延迟激发技术的思路，在海洋地震勘探中设计了多层气枪震源，将气枪子阵沉放于不同深度，从最上层子阵开始顺序地延迟激发各层子阵，延迟时间是上层子阵激发的下行波波前到达下一层的走时，这样在保证下行波波前同相叠加能量不变的同时，到海平面的上行波能量不能同时叠加而受到削弱，降低了虚反射效应（图）。
与陆地炸药组合延迟激发相比，海水的声波速度基本恒定，且子阵列沉放深度基本稳定，其变化可忽略不计，毫秒级的气枪触发精度完全可做到与下行波前同相叠加。该技术的应用相对简单，只需对现行气枪震源激发方式略作改进。
通过对震源远场子波理论数值模拟，Cambois等发现多层（气枪阵列）震源能有效提高子波品质，较好地抑制海面虚反射等因素造成的陷波作用，其子波频谱较平面震源的光滑，同时它还具有较明显的低频能量优势，但在中频段振幅能量受到一定的压制（图）。 多层震源虽然有效地拓宽了震源子波频带，但受新组合方式影响，震源子波的信号特征发生了改变。多层震源远场子波理论模拟发现：
虽然虚反射效应得到较大压制，但虚反射对气泡脉冲的压制和衰减作用也在降低，其峰值、波泡比都比平面震源低；
由于不同深度的子阵列的横向位置不在一个垂直面上，多层震源延迟组合激发造成下行波的方向不一致及方位角等向性差的问题更加突出；
另外，由于下层枪阵沉放深度较大，在高静水压力下激发，将降低气泡幅度和震荡周期，导致图3所示部分频率和能量的损失；
而气泡幅度差异的出现，意味着阵列设计和气泡脉冲衰减性能的下降。 因此，采集前进行多种组合方式的震源远场子波数值模拟，是保障多层震源设计有效性和实用性的关键，加大枪阵总容量是保证震源有效能量的关键。
3、宽频带地震数据接收装备 相对于低频地震信号，高频地震信号在传播过程中衰减更快，电缆接收到的高频信号能量较弱，因此宽频带地震数据接收对环境和设备要求更为苛刻；另外，为了兼顾得到更多（低至2Hz）低频分量，对电缆的频率响应特性也提出了更高要求。
宽频带地震技术的核心之一是专用固体电缆，它具有良好的低频响应特性和抗干扰性能，使之能沉放到更大深度；新开发的水听器能接收低达2Hz的地震反射波，使数据向低频端拓展1～2个倍频程，由此带来的挑战是记录的低频信号
