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Dual-azimuth seismic survey technology and application using dual vessels

  • YANG Shuji , 1, 2 ,
  • WEI Chenglong , 1, 2 ,
  • WU Zhongliang 1, 2 ,
  • LIU Xielai 3 ,
  • YANG Ce 1, 2 ,
  • WANG Cong 1, 2
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  • 1. Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510075, China
  • 2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China
  • 3. Beijing Jinggehengxin Co. Ltd, Beijing 100032, China
Corresponding author: WEI Chenglong. E-mail:

Received date: 2017-03-27

  Request revised date: 2017-04-29

  Online published: 2018-02-02

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热带海洋学报编辑部

Abstract

In Dongsha slope of the South China Sea, shallow fracture and reefs are numerous. Shallow Cenozoic is composed of carbonate rocks. The internal structure of deep Mesozoic is complex, with a lot of fracture. The conventional single vessel narrow azimuth seismic section shows poor reflection quality in deep sea. Dual vessels can be used to design flexible observation geometry, such as dual-azimuth seismic exploration. For the same reflection point lighting, this method of dual-azimuth seismic exploration is better than the narrow azimuth detection beneath the high acoustic velocity layer and the steep dip angle layer. Through key technology research and development, the dual-azimuth seismic acquisition was carried out by using single source and two streamers on both sides. We successfully implemented the experiment for the deep target seismic exploration in the South China Sea.

Cite this article

YANG Shuji , WEI Chenglong , WU Zhongliang , LIU Xielai , YANG Ce , WANG Cong . Dual-azimuth seismic survey technology and application using dual vessels[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2018 , 37(1) : 98 -104 . DOI: 10.11978/2017033

在深海中深地层探测过程中, 崎岖海底、目标体上覆高速屏蔽层、大厚度沉积、高陡倾角构造和断裂带等, 是影响地震成像效果的主要因素。如墨西哥湾的深水盐下油田勘探, 最初通过反复优化速度模型, 改进成像技术的处理, 可以提高窄方位角数据的成像质量, 但大部分深水区块有着非常复杂的盐下构造, 窄方位角数据成像不能满足需求, 为此在麦德道格(Mad Dog)区块尝试使用了双方位角、宽方位角地震采集方法, 对于盐层内部、盐下构造有了更加清晰的照明, 减少了盐下地层界面的模糊解释(Michell et al, 2007)。Hill (2009)设计了单船的单源多缆螺旋形航行施工的全方位角采集方法, 相比于常规三维窄方位角采集的剖面, 效果有明显的提升。双方位角地震采集, 覆盖次数的增加和激发方向的变化, 可以使得总的信噪比大约提升30%, 其中激发方向的变化引起的效果改善可以达到50%, 可以极大地减小相干噪声, 有助于填充单方位角数据成像剖面上的照明缺口, 对于提高信噪比和目标成像效果比较明显(Mancini et al, 2010)。对深水、复杂海底、中深部高陡构造以及特殊岩体的下伏储层来说, 在深海油气勘探中, 希望能获得宽方位或全方位的地震数据(李欣 等, 2014)。
国内外经过多年的勘探实践, 认为要获得可靠的中深层地震勘探成像效果, 要求有能量足够大的宽频震源, 较长排列长度的电缆接收, 多方位角或宽方位角的激发接收方式。从海域油气地震勘探技术发展趋势看, 由窄方位角向多、宽、全方位角激发接收方式的转变, 是未来越来越多的选择。

1 双船双方位角地震概述

当勘探目标层埋深较大, 理论上要求加大电缆排列, 增加最大偏移距以接收深部信号, 提高反射点覆盖次数及信噪比。而南海北部探区, 浅表急流频繁且强度大, 施工时电缆排列的羽角过大, 尤其是单船拖曳长电缆(4km以上)时更加严重, 导致反射点分散, 难以获得较好的叠加效果。从物探船的配置条件考虑, 如果单船的电缆排列长度过大(如超过12km), 实际施工是难以实现的。同时, 如果震源与接收电缆由单船拖曳, 震源-检波器相对位置固定, 最小、最大偏移距变化不大, 形成单个方位的发射接收观测方式。当地下地层平缓、结构简单、目标埋深小于电缆排列长度时, 理论上可以得到较理想的剖面成像; 对于南海北部中生界复杂的地震地质条件, 单船单方位角地震获取的深部反射微弱、覆盖次数降低、时距曲线不再满足双曲线假设, 理论和实际应用表明, 单船单方位角地震方法在解决深部成像方面不尽如人意。
双船地震勘探具备灵活的观测系统设计, 可以满足长排列电缆、大偏移距的要求(曾宪军 等, 2013)。以往常规双船地震的排列方式, 主要有合成排列方式(SAP)、扩展排列方式(ESP)。随着勘探技术的进步, 近年来, 逐步形成的双船地震技术有双船连续长偏移距(CLO)技术, 双船宽方位采集技术, 双船广角反射采集技术等(李艳青, 2014)。
激发震源与接收电缆可以分别由两艘物探船拖曳, 可以组成双源交替放炮双缆同时接收、单源放炮双缆接收等多种观测方式。对于一前一后的单缆地震船, 当采取后船震源单独激发, 前后两船同时接收时, 对地下同一反射点, 可以获得两个方向的照明(图1)。在数据采集阶段, 采用立体延迟气枪震源技术, 每个子阵列沉放深度不同, 子阵列的激发时刻设置相应的时差, 从而达到每个子阵列激发能量波形的不同相叠加, 尽量压制震源鬼波的影响, 拓展震源激发端带宽, 电缆水听器主要记录接收端鬼波(韦成龙 等, 2014)。在数据处理阶段, 通过去鬼波处理, 可以压制接收端的鬼波影响, 从而拓宽频带。最后将前后船获得的剖面进行叠合, 进一步提高信噪比, 获取深部目标层的成像。
Fig. 1 The general view of dual-vessel dual-azimuth seismic acquisition

图1 双船双方位角地震采集示意图
图中RGPS为相对差分全球定位系统的信标,用于实时接收定位信号

2 实验区概况

实验地点位于南海的东沙上陆坡台地区。该区新生界基底埋深总体较浅, 厚度在250~1300m之间, 岩性以碳酸盐岩和泥岩为主, 浅表断裂发育众多, 局部发育生物礁, 呈环礁或点礁分布。台地中部发育众多断距不大的正断层, 台地西部断阶带和东南部断阶带则发育切割基底的深大断裂, 易形成较强的绕射波干扰, 对中深层地震反射采集品质有较大影响。以往地震剖面上, 新生界以高连续、强振幅反射, 或大套弱振幅反射为特征, 可见新生代地层与海底呈角度不整合接触的现象。该区发育有巨厚的中生界, 是中生界的主要存留范围, 中生界厚度大致在2000~8000m。
在上陆坡台地区, 浅层新生界存在碳酸盐岩层易形成强波组抗界面, 产生层间多次波, 造成地震能量快速衰减; 中深层的中生界, 由于压实紧密, 内部地层间的波组差较小, 反射能量较弱, 且内部构造较复杂, 断裂较多, 形成多种干扰波, 反射品质较差, 仅浅部波组较连续, 中深部仅局部可见断续的有效反射波组, 多为杂乱反射(图2)。由于区内大部分地震剖面上中生界内部地层和基底反射品质不佳, 难以对区内中生界进行准确的追踪闭合解释, 目前尚不能做出较准确的中生界厚度图。
Fig. 2 Terrain features along the section in DongSha slope platform of the South China Sea

图2 东沙上陆坡台地区地形特征剖面图

3 采集配置

20世纪90年代双船地震受同步及数据实时传输技术限制, 两船在船速、时序等控制上较难把握, 一般采用等时间放炮为主。当前双船双方位角地震采集, 需要等距离放炮, 并对震源、电缆接收道进行实时定位, 为此必须解决以下技术问题: l) 时钟与时序同步: 双船准确的时钟同步, 用于导航与地震系统的时序同步及起点控制, 震源触发与地震记录同步等控制; 2) 双船状态控制: 监控双船航行速度、间距协调、保证作业过程中偏移距及导航系统对电缆形状解算的一致性; 3) 主副船数据无线可靠传输; 4) 按照三维地震的导航定位面元叠加与扩展方法, 进行准确的震源、电缆定位。
根据以上需求, 通过将基于插件式的GIS二次开发技术、以太网通信技术、大椭圆航法及电子海图显示技术等进行集成, 解决了双船作业时双船间距的控制及电缆形态的实时显示问题(郑贵洲 等, 2015), 开发了满足双船作业控制的双船实时状态观测系统及无线数传设备。在双船地震施工中, 利用双船实时状态观测系统, 通过控制主、副船航行状态, 使得导航定位误差不大于设计方案的允许误差(胡家赋 等, 2015), 作业中双船相对距离尽可能保持稳定, 误差应在半个炮间距(如18.75m)以内。
采集配置的软硬件主要包括: RFU900MHz和RFU2.4GHz点对点无线通信设备、ORCA导航定位系统、大容量宽频BOLT气枪震源、SEAL地震采集记录系统、SENTINEL固体接收电缆、双船实时状态观测系统等。其中, ORCA导航定位系统包含了以往光谱导航系统的技术特点, 并做了改进, 可将采集、定位、震源、质量控制系统数据管理和控制功能集成于一个无缝平台上, 为2D和3D采集提供简易高效的作业流程, 对可见度和控制功能作了简化处理, 能够实施复杂环境条件下的多船作业(靳春光 等, 2013)。以上述软硬件配置及相关重要参数设置为基础, “探宝号”船和“奋斗四号”船于2015年6月—8月在南海海域开展了双船双方位角地震采集(朱振华 等, 2016)。
我们使用“探宝号”船(主船)和“奋斗四号”船(副船)开展施工, 两船设计的采集参数见表1。副船拖缆的偏移距范围为2250~4500m, 主要考虑因素为: 1) 两船之间的安全操控距离, 实际上主船船头与副船拖缆尾标的距离约为1860m; 2) 副船的拖缆偏移距范围, 应增强对中深目标层的信号接收。
Tab. 1 Acquisition parameters for dual-vessel dual- azimuth seismic survey

表1 双船双方位角地震采集参数表

采集参数 “奋斗四号”船 “探宝号”船
两船相对位置 副船(前) 主船(后)
两船电缆道最小距离/m 2475 2475*
船偏线范围/m ±25 ±25*
震源容量/m3 0.105
气枪压力/MPa 13.8 13.8*
放炮间隔/m 37.5 37.5*
震源深度/m 等效深度8.5m
激发延迟/ms 1&4子阵列延迟2ms
电缆道数 360 480
道间距/m 6.25 12.5
电缆深度/m 16 16
最小偏移距/m 2250 225
覆盖次数 30 80

注: 表中*代表副船与主船的参数相同

4 双方位角数据成像分析

在双船双方位角地震资料的处理成像中, 重点关注以下两个方面。

4.1 导航定位与地震数据合并的网格定义

双船的单源双缆采集模式中, 受施工中两船距离变化、电缆羽角的影响, 炮点和检波点位置关系分布存在变化。要准确识别共反射点位置, 适宜采用三维观测系统宽面元的定义方式, 以保证能够包含反射点所有信息, 使面元覆盖次数比较均匀。

4.2 双方位角数据的速度场建立

Michell (2004)认为, 利用多个窄方位角地震数据开展建模处理, 可以建立起一个更为精确的速度模型, 也就是说, 双方位角数据对于复杂构造的成像效果, 要好于单方位角数据(Michell et al, 2004)。Huang等(2008)根据墨西哥湾双方位角地震数据, 提出了基于倾斜横向各向同性介质(TTI)模型成像方法, 改善了共成像道集中的残余弯曲部分, 盐层陡倾侧翼的双方位数据成像聚焦效果得到了提升。
可见, 双方位角与单方位角数据的区别和特点在于, 对同一个反射点或者反射面元, 可以获得两个方向的照明。在数据处理阶段, 可以将前后船获得的剖面进行叠合, 进一步提高信噪比, 获取深部目标层的成像。由此可知, 双方位角采集提供两个方位的照明优势, 同时存在的挑战是如何获得一个满足两个方位的速度模型进行成像, 也就是说, 核心问题是如何获得一个满足两个不同方位剖面成像的速度场。
图3显示副船(前)与主船(后)采集的炮集记录, 来自地下同一反射区域的两个反方向入射, 当反射界面倾斜时, 对于相同偏移距的接收范围, 由于射线路径差异, 炮集记录有明显区别, 当声波从不同方位入射时, 得到同一反射界面同相轴的斜率、连续性存在差异。在拾取速度时, 两个方位数据的速度场必然会存在一定的差异。
Fig. 3 Slave (a) and master vessel (b) common shot records in the same reflection zone

图3 副船(a)与主船(b)在相同反射区域的炮集记录
b中虚线框表示与a具有相同的偏移距(2250~4500m)

因此, 在两个方位数据的速度分析过程中, 需紧密结合地质认识, 来指导宏观速度解释的趋势, 识别干扰波速度, 提高速度分析的合理性。中深层信噪比低, 速度谱能量团难以集中, 我们采取常速和变速相结合的叠加扫描方法, 解释和确定深层叠加速度。速度的分析、对应的叠加、去噪叠加及低频能量补偿叠加是一个反复迭代过程, 直到速度场变化规律和对应的叠加剖面比较合理(图4图5)。由于副船与主船拖缆长度与最小偏移距为不对称分布, 副船最小偏移距为2250m, 造成1.8s以内浅层反射波与折射波等干扰混合比较严重, 不利于速度的准确拾取, 在叠加时会影响到浅层的成像效果, 在本例中, 将副船1.8s以内的叠加剖面切除(图5)。
Fig. 4 Stacking velocity field obtained by using constant and variable velocity scans

图4 利用常速和变速扫描微调方法获得的叠加速度场

Fig. 5 Slave (a) and master vessel (b) Stack section by using stacking velocity field

图5 利用叠加速度场获得的副船(a)及主船(b)叠加剖面

图6a是主船(“探宝号”船)自激自收的单船采集叠前时间偏移剖面, 图6b是双船双方位角采集的合成叠前时间偏移剖面, 单船采集即为本次试验中主船的自激自收记录, 采集观测参数见表1的“探宝号”船参数, 两种偏移剖面采用相同的处理流程获得。
Fig. 6 Prestack time migration section for single vessel (a) and dual-vessel dual-azimuth (b) acquisition data

图6 单船(a)与双船双方位角采集(b)的叠前时间偏移剖面
图中黄框从上到下分别表示1.0~1.5s双程反射对比, 1.5~3.0s双程反射对比, 3.0~6.0s双程反射对比

双船双方位角采集的剖面上, 1.0~1.5s双程反射之间的浅层高速层不整合面的清晰度和连续性得到加强, 1.5~3.0s双程反射之间的数个倾斜反射层有了清晰的显露, 3.0~6.0s双程反射之间的深层结构得到了较好的揭示。通过双方位照明的成像方式, 对1.5~6.0s双程反射之间的中深层反射界面的刻画, 出现了比较明显的改善, 有利于对该区中生界目的层的认识和研究, 可见该采集方式更适合低信噪比、复杂构造区的偏移成像。

5 结论与建议

在寻求高速屏蔽层下方、高陡倾角构造等复杂区域的更好成像效果时, 双方位角地震探测是一个值得尝试的办法。相对于单船窄方位角, 其提供的双方位角照射, 可以从两个相反的方向、倾斜层下倾、上倾两个入射角同时进行反射接收, 通过数据处理阶段的合成, 可以获得更为清晰的成像效果。
为了在数据处理合成时, 获得理想的合成剖面, 要求在双船双方位角地震采集时, 对震源、电缆接收道进行准确定位, 也就是不论对于单缆还是多缆, 都需要按照三维地震作业方式开展野外施工。
在进行双方位角采集时, 需要用到两艘物探船、两套采集记录系统及相应的数据传输监控系统等, 施工的时效和成本需要考虑, 建议在资料效果急需改善的复杂区域考虑推广使用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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Outlines

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