黃建宇，伍忠良，王偉巍，謝城亮

（1. 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510075；2. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075）

天然氣水合物垂直纜地震系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與試驗(yàn)*

黃建宇1,2?，伍忠良1,2，王偉巍1,2，謝城亮1,2

（1. 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510075；2. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075）

垂直纜地震（VCS）是構(gòu)成天然氣水合物立體化地震觀測系統(tǒng)的觀測手段之一。本文從天然氣水合物調(diào)查及儀器設(shè)計(jì)角度出發(fā)，概述了國內(nèi)外垂直纜地震發(fā)展動(dòng)態(tài)，綜合分析了天然氣水合物垂直纜地震系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)敘述了使用海底地震儀（OBS）模擬垂直纜地震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式及海上采集試驗(yàn)。通過試驗(yàn)獲取了天然氣水合物立體探測地震數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了應(yīng)用超短基線技術(shù)（USBL）進(jìn)行垂直纜水下定位的可行性，數(shù)據(jù)結(jié)果體現(xiàn)出了垂直纜地震相較于常規(guī)地震在數(shù)據(jù)質(zhì)量上的優(yōu)點(diǎn)，為垂直纜儀器研發(fā)、野外施工方法、數(shù)據(jù)采集等積累了經(jīng)驗(yàn)。

天然氣水合物；垂直纜地震（VCS）；海底地震儀（OBS）

0　 引 言

垂直纜地震（vertical cable seismic, VCS）是一種將多節(jié)點(diǎn)水聽器陣列垂直于海底表面布放并記錄氣槍震源激發(fā)的反射地震波場的技術(shù)，來源于陸地變井源距垂直地震剖面技術(shù)（Walkway-VSP）及美國海軍反潛技術(shù)[1]。天然氣水合物被普遍認(rèn)為將是21世紀(jì)最具潛力的接替煤炭、石油和天然氣的新型潔凈能源之一，同時(shí)也是目前尚未開發(fā)的儲量巨大的一種新能源[2]。

隨著天然氣水合物資源調(diào)查的深入，觀測手段向多技術(shù)方法互補(bǔ)綜合的方向發(fā)展。常規(guī)拖纜是目前應(yīng)用最廣泛的觀測手段之一，但在淺海和較多干擾源的海區(qū)施工相對困難，存在信號方位角窄、頻帶受限、只有縱波單分量信息、常受多次波干擾等諸多問題，垂直纜地震可彌補(bǔ)這些不足，在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域成像上有技術(shù)優(yōu)勢。垂直纜地震與常規(guī)拖纜、海底地震儀（ocean bottom seismograph, OBS）、海底地震電纜（ocean bottom cable, OBC）等多種觀測手段的結(jié)合，構(gòu)成了天然氣水合物的立體化地震觀測系統(tǒng)，如圖1所示。

本文從天然氣水合物觀測目標(biāo)及儀器設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，列舉垂直纜地震的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)，綜合分析天然氣水合物垂直纜地震系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)敘述利用 OBS模擬垂直纜地震系統(tǒng)的采集試驗(yàn)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、采集參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果分析等。

圖1　綜合多觀測手段的天然氣水合物立體化地震觀測系統(tǒng)Fig. 1 Multi-dimensional seismic exploration system for gas hydrate with the help of multi-methods

1　 國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)

美國等西方國家在垂直纜地震方面研究最早、使用案例最多、技術(shù)最成熟。德士古（TEXCO）、殼牌和 PGS等石油公司占市場壟斷地位，其中TEXCO公司擁有垂直纜地震技術(shù)專利。墨西哥灣是世界上最早開展垂直纜地震調(diào)查的區(qū)域，自1987年起多次使用多條垂直纜開展油氣調(diào)查和試驗(yàn)，主要目的是改善區(qū)域地震成像和實(shí)現(xiàn)精細(xì)化勘探，墨西哥灣之外的應(yīng)用案例是 1997年在北海斯特拉斯貝區(qū)域完成的第二次垂直纜地震大型試驗(yàn)[3]。但是，垂直纜地震技術(shù)僅僅應(yīng)用于海洋油氣調(diào)查，沒有得到大規(guī)模推廣。

日本的垂直纜地震研究盡管起步較晚，但發(fā)展很快。2009年起，JGI公司在文化科學(xué)省（MEXT）資助的硫化物礦藏勘查項(xiàng)目中進(jìn)行垂直纜系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究。2009年開發(fā)了垂直纜綜合系統(tǒng)并在琵琶湖完成了二維和三維試驗(yàn)；2010年自主式垂直纜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制成功，并在水深100 ~ 2 000 m區(qū)域進(jìn)行多種震源的試驗(yàn)，掌握了數(shù)據(jù)處理技術(shù)；2013年在日本沖繩海槽使用表面與海底震源進(jìn)行了三維垂直纜地震調(diào)查，資料結(jié)果揭示了潛在的硫化物礦藏構(gòu)造[1,4]。

我國在垂直纜地震方面的研究較為落后，相關(guān)儀器研制剛剛起步，國內(nèi)尚無工程化應(yīng)用的案例，研究成果主要集中在方法理論上。黃必銘等[5]最早翻譯介紹了檢驗(yàn)垂直地震采集可行性的Fuji實(shí)驗(yàn)及評價(jià)結(jié)果；中國海洋大學(xué)周華偉教授曾指導(dǎo)過利用物理模型研究垂直纜采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的博士論文[6]；中國海洋大學(xué)何勇等[7]對海洋垂直纜觀測系統(tǒng)進(jìn)行了射線照明分析，取得了垂直纜觀測系統(tǒng)參數(shù)對目標(biāo)層反射點(diǎn)分布的影響規(guī)律；中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）卞愛飛等[8]使用多尺度全波形反演提高海洋垂直纜調(diào)查的照明覆蓋。

2　 垂直纜關(guān)鍵技術(shù)分析

天然氣水合物調(diào)查海域一般水深600 ~ 2 000 m，其中，似海底反射層（bottom simulating reflector, BSR）等特征較明顯海域主要集中在水深為1 000 ~ 1 500 m區(qū)域，埋深為海底以下1.1 km范圍之內(nèi)[9]。水合物特殊的賦存條件決定了垂直纜地震系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素：（1）水合物的高分辨率調(diào)查，要求數(shù)據(jù)采集單元保證數(shù)據(jù)資料的保真度和信噪比；（2）水合物的調(diào)查頻寬和主頻范圍高于常規(guī)油氣地震勘探，對水聽器及信號記錄通道性能具有特定要求；（3）水合物調(diào)查區(qū)域水深一般較大，必須保證儀器各部件的可靠性、水密性以及儀器回收的安全性；（4）數(shù)據(jù)后處理要求獲取高精度的水下定位信息。下面將詳細(xì)分析天然氣水合物垂直纜地震系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1高性能數(shù)據(jù)采集技術(shù)

數(shù)據(jù)采集單元是垂直纜地震系統(tǒng)的核心部件，包括水聽器陣列和數(shù)據(jù)記錄器。由于垂直纜特殊應(yīng)用環(huán)境以及天然氣水合物觀測要求，必須選用深海水聽器。性能指標(biāo)方面要求具有耐高靜水壓力特性，可適應(yīng)最大工作水深，工作頻帶范圍包含天然氣水合物探測目標(biāo)的有效頻帶，具備高聲壓靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍以滿足高分辨率采集要求。數(shù)據(jù)記錄器要實(shí)現(xiàn)高精度低功耗數(shù)據(jù)采集要求，需要配置 24位Sigma-delta高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器并實(shí)現(xiàn)多通道采集功能，電路整體低功耗化設(shè)計(jì)以保證垂直纜在海底較長的有效工作時(shí)間。

2.2水密性及承力性設(shè)計(jì)

垂直纜地震系統(tǒng)工作于海底，受靜水壓力大，必須全面考慮電纜、接插件以及各連接件的水密性。此外，垂直纜通過絞盤進(jìn)行收放，投放前后均需承受自身、配重錨系及掛載設(shè)備等重量，需要考慮電纜的承力性與柔軟性。因此，垂直纜在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減少自重，電纜采用柔性凱夫拉（Kevlar）作為加強(qiáng)材料[10]或在垂直纜表面編織鋼絲承重纜。

2.3浮力配置及回收技術(shù)

垂直纜地震系統(tǒng)在海水中保持近乎垂直狀態(tài)，一般要求偏移角度不超過5°，深海錨系釋放后儀器能自動(dòng)勻速上浮回到海面，需配置一定數(shù)量的浮球或浮體保持垂直狀態(tài)并提供上浮力。垂直纜地震系統(tǒng)投放海底前，首先測量纜上各部件在空氣及海水中的重量，再根據(jù)浮力計(jì)算結(jié)果來配置相應(yīng)數(shù)量的浮球或浮體。垂直纜的安全回收取決于釋放機(jī)構(gòu)的可靠性及穩(wěn)定性，釋放器與配重錨系之間必須設(shè)置合理的安全距離。

2.4水下定位技術(shù)

垂直纜地震系統(tǒng)水下定位的精度對地震數(shù)據(jù)的后續(xù)高分辨率處理效果影響很大。垂直纜水下定位需要獲取各接收節(jié)點(diǎn)在海底位置坐標(biāo)及深度、整條電纜的形狀姿態(tài)等信息，通常借助水聲定位系統(tǒng)、傾角羅盤、海流計(jì)等輔助設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。另外，從垂直纜地震數(shù)據(jù)中提取直達(dá)波旅行時(shí)并結(jié)合GPS數(shù)據(jù)可以計(jì)算推導(dǎo)出垂直纜各接收節(jié)點(diǎn)的水下位置[4]。

3　 垂直纜地震試驗(yàn)

為研究天然氣水合物垂直纜地震技術(shù)，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2015年6月利用現(xiàn)有的多臺OBS模擬實(shí)現(xiàn)垂直纜地震系統(tǒng)，搭載“奮斗四號”船在南海海域成功完成了海上采集試驗(yàn)。

3.1OBS模擬垂直纜地震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OBS模擬垂直纜地震系統(tǒng)的總長度為200 m，接收節(jié)點(diǎn)數(shù)量3個(gè)，節(jié)點(diǎn)間距25 m，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集單元由3臺法國 Sercel公司生產(chǎn)的高頻海底地震儀器MicrOBS_Plus組成，其工作水深最大 5 000 m，含1個(gè)深海水聽器、1個(gè)垂直速度檢波器和2個(gè)水平速度檢波器，采樣頻率最高達(dá) 1 kHz，動(dòng)態(tài)范圍大于120 dB，內(nèi)存容量為 8 GB，最長連續(xù)工作時(shí)間達(dá) 24 d（4 ms 采樣）[11]。OBS地震儀之間通過高強(qiáng)度尼龍繩連接，投放前為每臺OBS配置一致的采集參數(shù)。

承力性設(shè)計(jì)方面，通過在垂直纜表面絞接鋼絲纜實(shí)現(xiàn)承重，并在鋼絲纜上每隔20 m或25 m設(shè)置不銹鋼轉(zhuǎn)環(huán)以防止垂直纜受海流因素影響發(fā)生扭曲打結(jié)。

圖2　 OBS模擬垂直纜整體結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of simulated VCS using OBSs

浮力配置及儀器回收方面，根據(jù)浮力計(jì)算結(jié)果在纜上安裝了若干數(shù)量的耐壓浮球以保持垂直纜垂直及正浮力狀態(tài)?；厥詹捎么?lián)并置的雙聲學(xué)釋放器，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)釋放器未能成功釋放時(shí)，可以啟動(dòng)第二個(gè)釋放器進(jìn)行釋放，實(shí)現(xiàn)了雙保險(xiǎn)。為避免釋放器與配重之間相互影響，兩者間距達(dá)125 m。

水下定位方面，使用超短基線（ultra-short base line, USBL）水聲定位系統(tǒng)，USBL定位信標(biāo)懸接于OBS01與OBS02之間，結(jié)合船載導(dǎo)航設(shè)備記錄垂直纜的水下定位信息。

3.2采集參數(shù)

此次試驗(yàn)中，OBS模擬垂直纜地震系統(tǒng)與水平地震拖纜進(jìn)行聯(lián)合采集，獲取了天然氣水合物立體探測地震數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測線共17條，每條長17 km，采集工區(qū)面積154 km2，垂直纜的投放位置位于采集工區(qū)的中心，地震震源由高能量GI槍陣組成的點(diǎn)震源激發(fā)，震源沉放深度5 m。OBS模擬垂直纜地震試驗(yàn)具體采集參數(shù)見表1。

表1　OBS模擬垂直纜地震試驗(yàn)采集參數(shù)Table 1 Acquisition parameters of simulated VCS using OBSs

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1水下定位分析

此次試驗(yàn)通過USBL水聲定位系統(tǒng)成功獲取了定位點(diǎn)的經(jīng)緯度、深度及對應(yīng)的日期與時(shí)間等數(shù)據(jù)，證明了利用USBL技術(shù)進(jìn)行垂直纜水下定位的可行性。USBL信標(biāo)體積小、拆裝方便，可以使用多個(gè)USBL定位點(diǎn)獲取更多節(jié)點(diǎn)的水下位置信息。圖 3 為2015/6/9 16:00至2015/6/10 22:00（GMT日期及時(shí)間）內(nèi)的垂直纜定位點(diǎn)軌跡圖，軌跡點(diǎn)依序用藍(lán)、紅、綠顏色表示先后時(shí)間段，每一時(shí)間段間隔10 h，所有軌跡點(diǎn)的均值坐標(biāo)用“×”記號標(biāo)出，定位軌跡點(diǎn)集中在以“×”為中心、半徑150 m的圓圈內(nèi)。從軌跡圖上可以看出，垂直纜節(jié)點(diǎn)在海底容易受海水運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生位置上的偏移。

圖3 OBS模擬垂直纜水下定位軌跡

Fig. 3 Underwater moving trajectories of simulated VCS using OBS

3.3.2數(shù)據(jù)分析

圖4為SH300測線中3個(gè)接收節(jié)點(diǎn)水聽器分量（即P分量）的共接收點(diǎn)道集數(shù)據(jù)。從圖上可以看出有效波、多次波、折射波比較清晰，OBS接收節(jié)點(diǎn)的直達(dá)波到達(dá)時(shí)間與其節(jié)點(diǎn)深度相吻合，直達(dá)波和海底一次反射波同相軸無相互干涉。由于各接收節(jié)點(diǎn)靠近環(huán)境安靜的海底且位置相對固定，所采集的數(shù)據(jù)具有較高的信噪比，體現(xiàn)出了垂直纜地震相較于常規(guī)地震的優(yōu)點(diǎn)。

圖4　測線SH300三接收節(jié)點(diǎn)水聽器分量共接收點(diǎn)道集數(shù)據(jù)Fig. 4 Common receiving point gather data of three nodes’ hydrophone component in line SH300

OBS接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)既包含壓力分量P，還包含速度分量X、Y、Z，由于接收節(jié)點(diǎn)不接觸海底，速度分量只能接收縱波信息。圖5是從SH300測線中提取OBS02節(jié)點(diǎn)在不同炮檢距下相同檢波點(diǎn)的P和Z分量直達(dá)波數(shù)據(jù)對比圖，沿測線方向炮檢距由近及遠(yuǎn)分別為檢波點(diǎn)SPOT315、SPOT363和SPOT439。從圖中看出，P、Z分量均受到激發(fā)虛反射的干擾，隨著炮檢距的增大，虛反射與直達(dá)波相位分離明顯，在遠(yuǎn)炮檢距處可獲得較為純凈的遠(yuǎn)場子波信號。通過比較還可以辨出水檢（水聽器）與陸檢（速度檢波器）的地震波響應(yīng)差異及水陸檢位置導(dǎo)致的P、Z分量約3 ms的相位差，水陸檢響應(yīng)差異表現(xiàn)在對虛反射的響應(yīng)互為反向，這樣在同一檢波點(diǎn)將P、Z分量組合起來可壓制虛反射，提高地震資料分辨率。

圖5　測線SH300 中OBS02不同檢波點(diǎn)P、Z分量直達(dá)波對比Fig. 5 Direct wave Comparison of OBS02’s P and Z component at different spots of line SH300

4　 結(jié)束語

垂直纜地震方法已被證明是一種探索不同類型地質(zhì)目標(biāo)的有效方法，尤其是對于高數(shù)據(jù)質(zhì)量和全方位覆蓋目標(biāo)區(qū)域的復(fù)雜構(gòu)造成像[12]。針對天然氣水合物調(diào)查目標(biāo)及其工程應(yīng)用而設(shè)計(jì)的垂直纜地震系統(tǒng)，需要考慮水合物特殊的賦存條件，實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)采集技術(shù)、水密性及承力性設(shè)計(jì)、浮力配置、儀器回收以及水下定位等關(guān)鍵技術(shù)。通過OBS模擬垂直纜地震系統(tǒng)采集試驗(yàn)，獲取了天然氣水合物立體探測地震數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了應(yīng)用USBL技術(shù)進(jìn)行垂直纜水下定位的可行性，數(shù)據(jù)結(jié)果體現(xiàn)出了垂直纜地震相較于常規(guī)地震在數(shù)據(jù)質(zhì)量上的優(yōu)點(diǎn)，此次試驗(yàn)為垂直纜儀器研發(fā)、野外施工方法、數(shù)據(jù)采集等積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1] ASAKAWA E, MURAKAMI F, SEKINO Y, et al. Vertical cable seismic survey for hydrothermal deposit[C]//Proceedings of EGU General Assembly. Vienna, Austria: EGU, 2012: 2236.

[2] 沙志彬, 梁金強(qiáng), 蘇丕波, 等. 珠江口盆地東部海域天然氣水合物鉆探結(jié)果及其成藏要素研究[J]. 地學(xué)前緣, 2015, 22(6): 125-135. DOI: 10.13745/j.esf.2015.06.009.

[3] RODRIGUEZ-SUAREZ C, STEWART R R. Survey design for vertical cable seismic acquisition[J]. CREWES Research Report, 1998, 10: (6-1)-(6-19). DOI: 10.3997/2214-4609.201407680

[4] ASAKAWA E, MURAKAMI F, TSUKAHARA H, et al. Development of vertical cable seismic (VCS) system for seafloor massive sulfide (SMS)[C]//Proceedings of 2014 Oceans. St. John's, NL: IEEE, 2014: 1-7. DOI: 10.1109/ OCEANS.2014.7003171.

[5] WARD J A. 垂直電纜地震的價(jià)值[J]. 黃必銘, 譯. 石油物探譯叢, 1998(5): 81-85.

[6] GUIMARAES M A G. Physical model study of seismic acquisition and processing of vertical cable data[D]. Texas: University of Houston, 1998.

[7] BIAN A F, ZOU Z H, ZHOU H W, et al. Evaluation of multi-scale full waveform inversion with marine vertical cable data[J]. Journal of earth science, 2015, 26(4): 481-486. DOI: 10.1007/s12583-015-0566-3.

[8] 何勇, 張建中. 海洋地震垂直纜觀測系統(tǒng)的射線照明分析[J]. CT理論與應(yīng)用研究, 2015, 24(5): 689-700. DOI: 10.15953/j.1004-4140.2015.24.05.06.

[9] 伍忠良, 曾憲軍, 王立明. 海洋天然氣水合物調(diào)查地震采集技術(shù)——調(diào)查初始階段研究[J]. 海洋技術(shù), 2006, 25(4): 79-87. DOI: 10.3969/j.issn.1003-2029.2006. 04.021.

[10] 高凱, 金彥斌, 靳志杰, 等. 一種水下垂直探測系統(tǒng)專用電纜的設(shè)計(jì)探討[J]. 現(xiàn)代傳輸, 2012(4): 55-57. DOI: 10.3969/j.issn.1673-5137.2012.08.003.

[11] 王偉巍, 朱世華, 袁修貴, 等. 海底地震儀的時(shí)間同步技術(shù)[J]. 海洋信息, 2013(2): 9-12. DOI: 10.3969/j.issn. 1005-1724.2013.02.002.

[12] WANG H J, LI X Y. Application of prestack Kirchhoff migration to vertical cable seismic data[C]//Proceedings of the 63rd EAGE Conference & Exhibition. Amsterdam, Netherlands: EAGE, 2001: 6-8.

Key Techniques and Experimental Study of Vertical Cable Seismic System for Gas Hydrate

HUANG Jian-yu1,2, WU Zhong-liang1,2, WANG Wei-wei1,2, XIE Cheng-liang1,2
(1. Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510075, China; 2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China)

Vertical cable seismic (VCS) is one of the acquisition methods that make up the multi-dimensional seismic exploration system for gas hydrate. In this paper, with the perspective of gas hydrate survey and instrument design, the development trends of VCS at home and abroad were summarized, a comprehensive analysis of the key technologies in the development of VCS system for gas hydrate was made, and the design methods for simulated VCS system by using ocean bottom seismographs (OBSs) as well as the offshore acquisition experiment were explained in detail. Based on the experiment, the multi-dimensional seismic data for gas hydrate was achieved and the feasibility of the application of ultra-short base line (USBL) in VCS positioning underwater was confirmed. The results indicate that the VCS method embodies the advantage in data quality compared with the conventional seismic acquisition methods. Based on this work a number of experiences for VCS system development, field operation and vertical cable data acquisition have been accumulated.

gas hydrate; vertical cable seismic; ocean bottom seismograph

黃建宇（1988-），男，碩士，助理工程師，從事海洋地球物理勘探儀器與數(shù)據(jù)采集的研究工作。

TK01

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.03.009

2095-560X（2016）03-0219-06

2016-03-28

2016-05-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2013AA092501）