摘要:本文以氣槍震源為弓I,結(jié)合國(guó)外灘淺海過渡帶項(xiàng)目實(shí)際操作，簡(jiǎn)要介紹了428XL地震儀、氣槍震源及測(cè)量導(dǎo)航系統(tǒng)的協(xié)同生產(chǎn)流程，氣槍震源關(guān)鍵參數(shù)模擬優(yōu)化，分析了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障并提出了解決方法。

　　關(guān)鍵詞:地震勘探;氣槍震源;模擬實(shí)驗(yàn);故障分析

　　地質(zhì)工程師論文投稿刊物：《地質(zhì)與勘探》是由中國(guó)冶金地質(zhì)總局主辦、中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院承辦的雜志，主編是閆學(xué)義，副主編是曾普勝、王梅。 《地質(zhì)與勘探》以刊載礦產(chǎn)地質(zhì)、商業(yè)地質(zhì)經(jīng)濟(jì)、成礦規(guī)律與成礦預(yù)測(cè)、礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)、找礦勘探方法、地球物理和地球化學(xué)勘查、巖石礦物研究、鉆探技術(shù)、工程勘察與巖土工程施工等專業(yè)科研成果為主要內(nèi)容。

　　0引言

　　為應(yīng)對(duì)世界性的陸上石油資源逐漸枯竭和海外資源國(guó)對(duì)本土石油企業(yè)的保護(hù)，海洋石油勘探是解困國(guó)家石油資源匱乏的應(yīng)對(duì)之舉也是中資油企海外生存之需。西非OTAKITIPO灘淺海過渡帶三維項(xiàng)目施工區(qū)域62.6km2，其中灘海、潮間帶水深0〜15m,面積28.3km?，占總工區(qū)面積的45.2%,陸上部分穿插不少河流、沼澤以及海陸交接區(qū)域分布密集的紅樹林。近岸海底地形起伏相對(duì)較緩，多為沙灘、泥灘和礁石灘，水底沙泥較厚，對(duì)地震波信號(hào)的衰減吸收效應(yīng)不同，但總體顯示能量較弱，影響地震資料品質(zhì)。

　　雖然過渡帶部分不足一半，但結(jié)合甲方和所在國(guó)環(huán)境保護(hù)政策和要求,近海灘涂區(qū)域禁止使用陸上炸藥震源，后通過觀測(cè)系統(tǒng)變化等技術(shù)手段調(diào)整了實(shí)際的炸藥和氣槍震源激發(fā)比例,使得氣槍震源在項(xiàng)目整體資料品質(zhì)上顯得更為重要。海岸潮間帶區(qū)域涌浪特別大，會(huì)出現(xiàn)氣槍難以精確上點(diǎn)，排列點(diǎn)位偏移較大，排列經(jīng)常斷線等問題。灘涂潮間帶水深變化在0〜2m之間，受潮汐變化影響，氣槍能量激發(fā)需抓住合適時(shí)機(jī)放炮使激發(fā)能量的有效傳導(dǎo)最大化，工區(qū)采用氣槍震源和炸藥震源混合施工方式,過半作業(yè)量為氣槍震源炮，要求428XL地震儀、氣槍震源系統(tǒng)和測(cè)量導(dǎo)航系統(tǒng)三方做到無縫鏈接，氣槍震源作為激發(fā)源是承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　1儀器記錄系統(tǒng)、氣槍震源系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程

　　428XL地震儀是法國(guó)Sercel公司的一款物探市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛成熟的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有易操作、大帶道能力、兼容多震源激發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。氣槍主控部分由BigShot槍控和GCSLink無線同步控制器組成。測(cè)量HydroPro導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船只導(dǎo)航、氣槍震源激發(fā)和儀器同步控制，由DGPS、測(cè)深儀、羅經(jīng)、涌浪儀、FixBox等設(shè)備通過串口線依托操作軟件與系統(tǒng)導(dǎo)航主機(jī)交互通訊。左側(cè)為儀器主端，中間為氣槍船從端，右側(cè)為導(dǎo)航系統(tǒng)。氣槍震源觸發(fā)分為主端和從端觸發(fā)兩種。在過渡帶交替使用氣槍炮和井炮混合激發(fā)時(shí)，使用GCSLink主端觸發(fā)氣槍放炮,可提高地震生產(chǎn)效率。主從端間通過VHF/UHF電臺(tái)和數(shù)字無線調(diào)制調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)高速無線數(shù)傳。GCSLink主端觸發(fā)需把GCSLink連接428XL儀器接口的M和L腳分別和LCI-428的BLASTER1接口的M和N腳接通，并把該接口的G和N腳分別和BLASTER1接口的H和J腳斷開，這樣使得GCSLink主端接收來自儀器生成的TTL信號(hào)FO時(shí)，主端主動(dòng)和從端同步，在預(yù)設(shè)時(shí)間延遲后，發(fā)出TB信號(hào)觸發(fā)儀器采集，同時(shí)GCSLink從端和氣槍控制器BigShot啟動(dòng)氣槍電源箱體，觸發(fā)氣槍放炮。

　　2氣槍震源技術(shù)及核心設(shè)備的演變

　　二十世紀(jì)六十年代美國(guó)Bott公司開創(chuàng)性地推出空氣震源理念應(yīng)用于海上地震勘探，初期考慮高壓大容量可增強(qiáng)有效波，抑制干擾信號(hào)，研制出5000psi的高壓大氣槍槍體。但隨著氣泡振動(dòng)理論的進(jìn)步!又提出了氣槍陣列理論，它較好地抑制了氣泡振動(dòng)效應(yīng),提高了激發(fā)能量輸出，使得激發(fā)子波和頻譜參數(shù)得到了較大提升。二十世紀(jì)八十年代，隨著陣列技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高壓槍故障率高、效率不高、安全性低的缺點(diǎn)顯現(xiàn)出來，逐步被以美國(guó)ION公司的2000psi為代表的Sleeve低壓槍配合陣列組合技術(shù)所替代，由于Sleeve槍的子波特性好、精度高、可靠性高及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為主流選擇。

　　二十世紀(jì)九十年代Blot公司結(jié)合市場(chǎng)上的典型氣槍設(shè)備和技術(shù)又推出了穩(wěn)定性更強(qiáng)的環(huán)形端口槍!項(xiàng)目使用Bolt公司的1900LLX型氣槍，可適應(yīng)多水域生產(chǎn)。氣槍震源的主控單元?dú)鈽尶刂破髦饕�有模擬式和數(shù)字式兩種，其中模擬式控制器主要以Macha公司的TGN系列，RTS公司的BigShot系列較為成熟，數(shù)字式控制器是以ION公司的DigiShot控制器和英國(guó)Seamap公司的GunLink4000為代表。本項(xiàng)目配備BigShot配套GcsLink同步器。在氣槍震源硬件不斷推陳出新的同時(shí)!海上地震勘探技術(shù)也逐步發(fā)展!如:海上時(shí)移4D地震勘探技術(shù)!4分量多波勘探技術(shù)和設(shè)備的推廣,分層氣槍槍陣組合震源技術(shù)!電火花激發(fā)技術(shù)!雙檢及拖纜采集技術(shù)，海上電磁勘探技術(shù)，海上OBN采集轉(zhuǎn)換波處理技術(shù)!高密度地震技術(shù)!海上寬頻/寬方位勘探技術(shù)等。

　　3氣槍震源及現(xiàn)場(chǎng)氣槍參數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)

　　氣槍震源具有環(huán)保、可重復(fù)性好、可控性強(qiáng)等優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于海洋地震勘探�，F(xiàn)階段主流氣槍震源氣槍容量在2000〜3000立方英寸。OTAKITIPO項(xiàng)目作業(yè)隊(duì)氣槍震源配備28支BOLT1900LLX型空氣槍，氣槍總?cè)萘?960立方英寸，工作壓力2000psi,14組相干槍(當(dāng)兩槍氣泡距離較小并接近氣泡半徑的2倍時(shí)，兩個(gè)氣泡相切，從而產(chǎn)生抑制作用，保持了氣泡周期,避免了氣泡的連通破碎,達(dá)到了氣泡效應(yīng)的目的，同時(shí)子波又可以得到相干加(4組子陣(子陣是由一個(gè)槍杠和掛吊在該槍杠上的多支氣槍組成的集合體)組成。為適應(yīng)淺水勘探獲得更深目的層的高品質(zhì)地震資料,通過使用多條小容量氣槍有機(jī)相干組合成陣列來消除干擾,提升激發(fā)子波信號(hào)品質(zhì);通過提高氣槍容積和壓力來有效提高輸出能量;通過調(diào)整氣槍震源的沉放深度很好地抑制氣泡振蕩和虛反射,提高初泡比。

　　3.1氣槍震源激發(fā)原理

　　氣槍釋放高壓氣體進(jìn)入海水時(shí),起始時(shí)刻氣泡內(nèi)壓遠(yuǎn)高于周圍靜水壓力,氣泡迅速膨脹，隨著氣泡體積增大，內(nèi)壓減小;當(dāng)內(nèi)壓小于靜水壓力時(shí)，負(fù)壓使氣泡開始?jí)嚎s,直到內(nèi)壓大于靜水壓力，氣泡再次膨脹,開始第2個(gè)循環(huán)，如此往復(fù)。壓力波因此形成并向水中傳播，形成了空氣震源子波。氣泡首脈沖是有效信號(hào)，其后的其他氣泡脈沖則為干擾,應(yīng)加以抑制。氣槍陣列的合理選擇和使用能有效提高輸出能量并很好地抑制氣泡振蕩，使得激發(fā)的子波信號(hào)顯著改善。通常是以加強(qiáng)主脈沖，抑制氣泡脈沖為激發(fā)模式的。

　　3.2氣槍震源基本參數(shù)

　　氣槍震源作為海洋地震勘探激發(fā)源是保證野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的核心環(huán)節(jié),優(yōu)良?xì)鈽尲ぐl(fā)源應(yīng)具備能量強(qiáng)、初泡比大、頻帶寬、沉放深度適宜及陣列方向?qū)ΨQ等特性。(1)激發(fā)能量峰值是第一個(gè)壓力正脈沖與第一個(gè)負(fù)脈沖之間的差值，單位bar-m0能量越強(qiáng)，信噪比越高，滿足勘探較深目的層的穿透力和較高分辨率。氣槍能量和氣槍容量的立方根成正比。(2)初泡比是第一個(gè)壓力脈沖的振幅和第一個(gè)氣泡脈沖的振幅間的比值。用來比較和評(píng)價(jià)氣槍陣列激發(fā)子波的質(zhì)量!初泡比越大!氣槍陣列子波的頻譜特性越好，子波信噪比越高。(3)子波頻譜寬度是在子波振幅譜上，振幅大于—6dB的頻率范圍，是考察氣槍陣列性能的重要因素。一般期望子波頻寬越寬越好!氐頻端越平滑越好!氐頻端端點(diǎn)(一6dB)頻率越小越好，陷波點(diǎn)頻率越高越好。(4)沉放深度為氣槍沉放在水中的深度值。沉放淺氣泡比增加,子波分辨率高但脈沖變窄,能量變?nèi)�。�?shí)際生產(chǎn)中根據(jù)目的層和作業(yè)方式確定，灘淺海作業(yè)時(shí)沉放深度為1.5〜4.0mo(5)陣列方向性由于氣槍陣列激發(fā)的子波信號(hào)能量隨著水平方位角和垂直方位角的變化而變化,方向性越弱越有利于海上勘探0通過改進(jìn)氣槍陣列設(shè)計(jì)，盡量做到前后對(duì)稱和左右對(duì)稱。

　　3.3GUNDALF氣槍模擬實(shí)驗(yàn)

　　OTAKITIPO項(xiàng)目為適應(yīng)氣槍在不同海域環(huán)境較好工作的要求，于2015年引進(jìn)GUNDALF氣槍模擬軟件。該氣槍模擬軟件是由Oakwood計(jì)算機(jī)公司利用氣槍子波模擬技術(shù)采用獨(dú)特的便攜式客戶一服務(wù)機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件，軟件功能包括陣列參數(shù)輸入、遠(yuǎn)場(chǎng)子波模擬、子波特性分析及三維顯示等功能。技術(shù)人員通過軟件按生產(chǎn)因素做了氣槍關(guān)鍵參數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)，氣槍槍陣見圖3o在海陸過渡帶工區(qū)項(xiàng)目施工過程中,由于沿岸海底河床深度變化較大且受漲落潮等自然環(huán)境影響,沉槍深度和不同地形槍容量的選擇在海陸過渡帶工區(qū)中對(duì)項(xiàng)目施工進(jìn)度與質(zhì)量的影響尤為重要。

　　3.3.1槍深模擬實(shí)驗(yàn)

　　分析數(shù)據(jù)可以看出：雖然3.0m沉槍深度激發(fā)時(shí)總激發(fā)能量最小,但氣泡比最大,子波的頻譜特性好,子波信噪比高&•0m槍深所得子波頻譜低頻端最平滑、頻寬最寬、陷波點(diǎn)頻率最高，即3.0m槍深時(shí)所得子波頻譜特性最佳&.0m沉槍深度氣槍陣列方向性更好。綜上所述，通過對(duì)比GUNDAL氣槍模擬軟件模擬結(jié)果得出,當(dāng)氣槍船28支槍、總?cè)萘繛?960立方英寸，工作壓力同為2000psi,沉槍深度分別為3.0m、4.5m和6.0m的情況下，沉槍深度3.0m時(shí)雖然總激發(fā)能量最小，但氣泡比、子波頻譜特性及方向性都比其他兩種情況要好。因此，當(dāng)氣槍船總?cè)萘繛?960立方英寸,工作壓力同為2000psi時(shí)，沉槍深度為3.0m時(shí)效果最佳。

　　3.3.2槍容模擬實(shí)驗(yàn)

　　正常施工過程中，28支槍總?cè)萘?960立方英寸.2000psi的條件下完全可以達(dá)到地震生產(chǎn)所需的震源強(qiáng)度，獲得高質(zhì)量的地震采集資料。而實(shí)際生產(chǎn)中，施工區(qū)域往往會(huì)涵蓋油氣管線、海底電纜、堤壩和水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等特殊地形,在保證安全施工的前提下，通常會(huì)使用減小激發(fā)能量的方法安全渡過敏感區(qū)域。現(xiàn)用GUNDALF模擬軟件進(jìn)行模擬減容量實(shí)驗(yàn),通過關(guān)槍的方式減小氣槍容量,從而減小激發(fā)能量,使氣槍陣列在相同的條件下產(chǎn)生最好的子波,滿足施工要求，達(dá)到最好效果。在盡量減小陣列幾何中心、能量中心和壓力中心間偏差的情況下,設(shè)計(jì)了四種方案，在槍深為3.0m的情況下同時(shí)對(duì)稱關(guān)閉氣槍，使陣列總?cè)萘坑?960立方英寸分別降至2460.1980.1480立方英寸。

　　通過分析對(duì)比不同容量情況下的子波特性、子波頻譜模擬、方向性模擬數(shù)據(jù)圖可以得到結(jié)論:①隨著槍容減小,槍陣總激發(fā)能量和氣泡比隨之減小,子波信噪比隨之降低;②當(dāng)槍容降至1980和1480立方英寸時(shí),雖子波頻譜變寬，但總能量和氣泡比減少較大;③槍容為2460立方英寸時(shí)在兼具能量和氣泡比的情況下槍陣方向性更佳。4實(shí)施效果在對(duì)試驗(yàn)資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，最后確定了OTAKITIPO灘海項(xiàng)目的氣槍震源參數(shù)。項(xiàng)目過渡帶、淺水以及深水區(qū)域均采用2960立方英寸氣槍陣列,沉放深度均為3.0m,見圖5;在近岸油管、電纜、養(yǎng)殖區(qū)等敏感受限水域采用2460立方英寸陣。

　　4氣槍震源發(fā)展展望

　　氣槍震源作為人工震源,主動(dòng)探測(cè)地下結(jié)構(gòu),能獲得大量數(shù)據(jù)，為海洋石油勘探提供寶貴資料。國(guó)內(nèi)氣槍震源研究和應(yīng)用不斷跟進(jìn)國(guó)際市場(chǎng)技術(shù),歷經(jīng)二十世紀(jì)七十年代氣槍震源技術(shù)的引入，二十世紀(jì)八十年代中科院聲學(xué)研究所的本土化研究和試驗(yàn)，進(jìn)而中科院南海研究所在南海西北部的生產(chǎn)實(shí)踐,到二十一世紀(jì)的氣槍震源技術(shù)在地震研究、石油勘探領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，都取得了較為滿意的結(jié)果。氣槍震源具有精確度高、可控性強(qiáng)、可重復(fù)、子波可測(cè)、耦合效果好、信噪比高、環(huán)保節(jié)能以及經(jīng)濟(jì)適用等不同于其他震源類型的諸多優(yōu)勢(shì)。隨著氣槍震源應(yīng)用和研究的不斷深入，已經(jīng)成為地球物理學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一，也更多地應(yīng)用于深層地球物理勘探領(lǐng)域,將是一種氣槍應(yīng)用的一個(gè)新進(jìn)展。