科技动态▏海洋震源技术新潮流

本文引自:溪流之海洋人生

在过去几十年里,海洋设备的创新主要涉及的是接收技术。为了满足海上地震采集的两个关键发展趋势:一是无论作为海洋参与者环保意识的反映,还是为了满足日益苛刻的法规,必须减小海洋哺乳动物听觉频带范围内的地震信号的能量;另一方面,由于勘探目标愈来愈深,地质构造越来越复杂,要实现高质量的地震成像和储层属性的描述,低频已成为达到这些要求的首要因素。因此,业界越来越高的期望聚焦于海洋震源技术的发展。

经过几年的研发、优化和现场验证,介绍两种满足这些要求的创新型海洋震源:一种是Bluepulse,它既可作为一种完整震源,又可作为现有震源的升级,可减小传统气动震源的高频输出;另一种是更具颠覆性创新的方案调谐脉冲震源(TPS),其生成低频信号的性能前所未有。

过去的60年见证了海洋接收技术的重大发展,主要集中在频带的扩宽和所采集地震数据的保真。几十年前,引入的24位记录的固体电缆更安静,提供了更高信噪比的数据,使水听器能够使用不那么激进的RC模拟低切滤波器——低于2Hz而不是超过7Hz。

十年前引入的斜缆和多分量拖缆,使采集能够在远离嘈杂的海面的地方布设检波器。海底电缆和节点的使用,使得在更安静的环境中获取地震数据成为可能,尽管这种采集的运营成本更高,但不受方位角和偏移距的限制。在传感器方面,用于OBN的3CMEMS传感器保证了真实的相位、振幅、垂向和矢量保真度,扩展了记录高保真低频信息的能力。然而,在海洋震源技术方面,进步却是有限的。气枪自发明以来,虽经逐渐改进,其仍然是行业使用的标准。

随着石油和天然气变得越来越难以发现和生产,对低频信号的需求也随之增加。由更宽频带的检波器、更深的拖缆和OBN采集到的低频信号已经改变了勘探和开发的规则。Kroode等人对低频信号的地球物理机制进行了很好的总结,低频信号能够在玄武岩和盐等复杂盖层下成像。反射系数积分可得到地下储层的波阻抗模型,层状地层的阻抗产生脉冲反射系数。没有低频信号,脉冲信号就会有很强的旁瓣,这种情况下,就不能得到准确的层状地层的阻抗。为了填补缺失的低频信号,通常从测井数据提取,但测井信息在远离井的地方是不可靠的。根据旅行时而非反射系数建立的速度模型来提供低频信息。

近几十年来,全波形反演(FWI)方法使数据处理取得了重大进展。FWI方法构建与数据最匹配的地质模型,最大限度地减少了不匹配。FWI中的一个实际挑战是局部最小值,也称为跳周。当一个反射的旁瓣与另一个反射的主瓣匹配时,就会发生跳周。先进的FWI方法解决了这个问题,但完美的解决方案必须依赖于获取的低频信号。无论有没有FWI,我们也需要低频来提高分辨率。为了提高分辨率,不仅需要高频信号,还需要低频信号。如果没有低频成分,旁瓣会造成薄层顶、底的反射干涉,影响了分辨率。

Bluepulse在后甲板准备海试照片

Bluepulse(上图)在感兴趣的地震频带范围内产生与传统震源相同的信号,但高频能量显著降低。调谐脉冲震源(下图)将信号的有效频带扩展到1.4Hz,震源压力级别(SPL)比标准震源低一个数量级以上。

TPS在SancoAtlantic号后甲板照片

另一个海洋采集技术的规则改变的原因是环境意识的不断增强,以及海上地震采集对海洋生物潜在影响的担忧。传统的折衷方法——直接观察海洋哺乳动物——可以被当前自动化的被动声学监测(PAM)探测器系统巧妙地补充或取代。海洋震源的环境性能已成为一个关键的行业焦点,各种解决方案应运而生:改进气动震源的设计,以减少其高频能量输出,同时不影响其在低频的功效。气动震源阵列的规模也可以缩小,甚至可以缩小到单个气动震源。全面调整气动震源的整体设计,调谐脉冲震源就是这种成功案例:通过气动震源工作压力和容积的替代平衡,使信号频带明显朝低频扩展,同时高频的能量也显著降低。

很多人都预计商业规模推出的海洋可控震源能解决环境敏感地区的问题,但仍需不断努力提高它们的可靠性、限制它们的维护要求,以及在简化与这些繁琐震源相关的后勤和收放的情况下,才能得以实现。

请注意,出于环境目的而减少海洋震源高频输出与记录“宽频”数据的行业需求并不矛盾,因为大部分这种额外的高频信号实际上超出了大多数分析所关心的地震带宽。众所周知,数据体的质量与其所包含的有效倍频程的个数成正比,通过向低频扩展一定的带宽就能轻松补偿有限的高频带来的优势。