摘要:本文以氣槍震源為弓I,結合國外灘淺海過渡帶項目實際操作，簡要介紹了428XL地震儀、氣槍震源及測量導航系統的協同生產流程，氣槍震源關鍵參數模擬優化，分析了生產過程中出現的故障并提出了解決方法。

　　關鍵詞:地震勘探;氣槍震源;模擬實驗;故障分析

　　地質工程師論文投稿刊物：《地質與勘探》是由中國冶金地質總局主辦、中國冶金地質總局礦產資源研究院承辦的雜志，主編是閆學義，副主編是曾普勝、王梅。 《地質與勘探》以刊載礦產地質、商業地質經濟、成礦規律與成礦預測、礦產資源評價、找礦勘探方法、地球物理和地球化學勘查、巖石礦物研究、鉆探技術、工程勘察與巖土工程施工等專業科研成果為主要內容。

　　0引言

　　為應對世界性的陸上石油資源逐漸枯竭和海外資源國對本土石油企業的保護，海洋石油勘探是解困國家石油資源匱乏的應對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目施工區域62.6km2，其中灘海、潮間帶水深0〜15m,面積28.3km?，占總工區面積的45.2%,陸上部分穿插不少河流、沼澤以及海陸交接區域分布密集的紅樹林。近岸海底地形起伏相對較緩，多為沙灘、泥灘和礁石灘，水底沙泥較厚，對地震波信號的衰減吸收效應不同，但總體顯示能量較弱，影響地震資料品質。

　　雖然過渡帶部分不足一半，但結合甲方和所在國環境保護政策和要求,近海灘涂區域禁止使用陸上炸藥震源，后通過觀測系統變化等技術手段調整了實際的炸藥和氣槍震源激發比例,使得氣槍震源在項目整體資料品質上顯得更為重要。海岸潮間帶區域涌浪特別大，會出現氣槍難以精確上點，排列點位偏移較大，排列經常斷線等問題。灘涂潮間帶水深變化在0〜2m之間，受潮汐變化影響，氣槍能量激發需抓住合適時機放炮使激發能量的有效傳導最大化，工區采用氣槍震源和炸藥震源混合施工方式,過半作業量為氣槍震源炮，要求428XL地震儀、氣槍震源系統和測量導航系統三方做到無縫鏈接，氣槍震源作為激發源是承上啟下的關鍵環節。

　　1儀器記錄系統、氣槍震源系統及導航系統工作流程

　　428XL地震儀是法國Sercel公司的一款物探市場應用最廣泛成熟的地震數據采集系統，有易操作、大帶道能力、兼容多震源激發等優點。氣槍主控部分由BigShot槍控和GCSLink無線同步控制器組成。測量HydroPro導航系統實現船只導航、氣槍震源激發和儀器同步控制，由DGPS、測深儀、羅經、涌浪儀、FixBox等設備通過串口線依托操作軟件與系統導航主機交互通訊。左側為儀器主端，中間為氣槍船從端，右側為導航系統。氣槍震源觸發分為主端和從端觸發兩種。在過渡帶交替使用氣槍炮和井炮混合激發時，使用GCSLink主端觸發氣槍放炮,可提高地震生產效率。主從端間通過VHF/UHF電臺和數字無線調制調節器實現高速無線數傳。GCSLink主端觸發需把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FO時，主端主動和從端同步，在預設時間延遲后，發出TB信號觸發儀器采集，同時GCSLink從端和氣槍控制器BigShot啟動氣槍電源箱體，觸發氣槍放炮。

　　2氣槍震源技術及核心設備的演變

　　二十世紀六十年代美國Bott公司開創性地推出空氣震源理念應用于海上地震勘探，初期考慮高壓大容量可增強有效波，抑制干擾信號，研制出5000psi的高壓大氣槍槍體。但隨著氣泡振動理論的進步!又提出了氣槍陣列理論，它較好地抑制了氣泡振動效應,提高了激發能量輸出，使得激發子波和頻譜參數得到了較大提升。二十世紀八十年代，隨著陣列技術的廣泛應用，高壓槍故障率高、效率不高、安全性低的缺點顯現出來，逐步被以美國ION公司的2000psi為代表的Sleeve低壓槍配合陣列組合技術所替代，由于Sleeve槍的子波特性好、精度高、可靠性高及結構簡單等優點成為主流選擇。

　　二十世紀九十年代Blot公司結合市場上的典型氣槍設備和技術又推出了穩定性更強的環形端口槍!項目使用Bolt公司的1900LLX型氣槍，可適應多水域生產。氣槍震源的主控單元氣槍控制器主要有模擬式和數字式兩種，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，數字式控制器是以ION公司的DigiShot控制器和英國Seamap公司的GunLink4000為代表。本項目配備BigShot配套GcsLink同步器。在氣槍震源硬件不斷推陳出新的同時!海上地震勘探技術也逐步發展!如:海上時移4D地震勘探技術!4分量多波勘探技術和設備的推廣,分層氣槍槍陣組合震源技術!電火花激發技術!雙檢及拖纜采集技術，海上電磁勘探技術，海上OBN采集轉換波處理技術!高密度地震技術!海上寬頻/寬方位勘探技術等。

　　3氣槍震源及現場氣槍參數模擬實驗

　　氣槍震源具有環保、可重復性好、可控性強等優越性能，廣泛應用于海洋地震勘探�，F階段主流氣槍震源氣槍容量在2000〜3000立方英寸。OTAKITIPO項目作業隊氣槍震源配備28支BOLT1900LLX型空氣槍，氣槍總容量2960立方英寸，工作壓力2000psi,14組相干槍(當兩槍氣泡距離較小并接近氣泡半徑的2倍時，兩個氣泡相切，從而產生抑制作用，保持了氣泡周期,避免了氣泡的連通破碎,達到了氣泡效應的目的，同時子波又可以得到相干加(4組子陣(子陣是由一個槍杠和掛吊在該槍杠上的多支氣槍組成的集合體)組成。為適應淺水勘探獲得更深目的層的高品質地震資料,通過使用多條小容量氣槍有機相干組合成陣列來消除干擾,提升激發子波信號品質;通過提高氣槍容積和壓力來有效提高輸出能量;通過調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氣槍震源激發原理

　　氣槍釋放高壓氣體進入海水時,起始時刻氣泡內壓遠高于周圍靜水壓力,氣泡迅速膨脹，隨著氣泡體積增大，內壓減小;當內壓小于靜水壓力時，負壓使氣泡開始壓縮,直到內壓大于靜水壓力，氣泡再次膨脹,開始第2個循環，如此往復。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，其后的其他氣泡脈沖則為干擾,應加以抑制。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，使得激發的子波信號顯著改善。通常是以加強主脈沖，抑制氣泡脈沖為激發模式的。

　　3.2氣槍震源基本參數

　　氣槍震源作為海洋地震勘探激發源是保證野外采集數據質量的核心環節,優良氣槍激發源應具備能量強、初泡比大、頻帶寬、沉放深度適宜及陣列方向對稱等特性。(1)激發能量峰值是第一個壓力正脈沖與第一個負脈沖之間的差值，單位bar-m0能量越強，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)初泡比是第一個壓力脈沖的振幅和第一個氣泡脈沖的振幅間的比值。用來比較和評價氣槍陣列激發子波的質量!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(一6dB)頻率越小越好，陷波點頻率越高越好。(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,能量變弱。實際生產中根據目的層和作業方式確定，灘淺海作業時沉放深度為1.5〜4.0mo(5)陣列方向性由于氣槍陣列激發的子波信號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通過改進氣槍陣列設計，盡量做到前后對稱和左右對稱。

　　3.3GUNDALF氣槍模擬實驗

　　OTAKITIPO項目為適應氣槍在不同海域環境較好工作的要求，于2015年引進GUNDALF氣槍模擬軟件。該氣槍模擬軟件是由Oakwood計算機公司利用氣槍子波模擬技術采用獨特的便攜式客戶一服務機機構設計的軟件，軟件功能包括陣列參數輸入、遠場子波模擬、子波特性分析及三維顯示等功能。技術人員通過軟件按生產因素做了氣槍關鍵參數模擬實驗，氣槍槍陣見圖3o在海陸過渡帶工區項目施工過程中,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中對項目施工進度與質量的影響尤為重要。

　　3.3.1槍深模擬實驗

　　分析數據可以看出：雖然3.0m沉槍深度激發時總激發能量最小,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、陷波點頻率最高，即3.0m槍深時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，通過對比GUNDAL氣槍模擬軟件模擬結果得出,當氣槍船28支槍、總容量為2960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時雖然總激發能量最小，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，當氣槍船總容量為2960立方英寸,工作壓力同為2000psi時，沉槍深度為3.0m時效果最佳。

　　3.3.2槍容模擬實驗

　　正常施工過程中，28支槍總容量2960立方英寸.2000psi的條件下完全可以達到地震生產所需的震源強度，獲得高質量的地震采集資料。而實際生產中，施工區域往往會涵蓋油氣管線、海底電纜、堤壩和水產養殖區等特殊地形,在保證安全施工的前提下，通常會使用減小激發能量的方法安全渡過敏感區域�，F用GUNDALF模擬軟件進行模擬減容量實驗,通過關槍的方式減小氣槍容量,從而減小激發能量,使氣槍陣列在相同的條件下產生最好的子波,滿足施工要求，達到最好效果。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,設計了四種方案，在槍深為3.0m的情況下同時對稱關閉氣槍，使陣列總容量由2960立方英寸分別降至2460.1980.1480立方英寸。

　　通過分析對比不同容量情況下的子波特性、子波頻譜模擬、方向性模擬數據圖可以得到結論:①隨著槍容減小,槍陣總激發能量和氣泡比隨之減小,子波信噪比隨之降低;②當槍容降至1980和1480立方英寸時,雖子波頻譜變寬，但總能量和氣泡比減少較大;③槍容為2460立方英寸時在兼具能量和氣泡比的情況下槍陣方向性更佳。4實施效果在對試驗資料進行分析的基礎上，最后確定了OTAKITIPO灘海項目的氣槍震源參數。項目過渡帶、淺水以及深水區域均采用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、養殖區等敏感受限水域采用2460立方英寸陣。

　　4氣槍震源發展展望

　　氣槍震源作為人工震源,主動探測地下結構,能獲得大量數據，為海洋石油勘探提供寶貴資料。國內氣槍震源研究和應用不斷跟進國際市場技術,歷經二十世紀七十年代氣槍震源技術的引入，二十世紀八十年代中科院聲學研究所的本土化研究和試驗，進而中科院南海研究所在南海西北部的生產實踐,到二十一世紀的氣槍震源技術在地震研究、石油勘探領域的推廣應用，都取得了較為滿意的結果。氣槍震源具有精確度高、可控性強、可重復、子波可測、耦合效果好、信噪比高、環保節能以及經濟適用等不同于其他震源類型的諸多優勢。隨著氣槍震源應用和研究的不斷深入，已經成為地球物理學科的研究熱點之一，也更多地應用于深層地球物理勘探領域,將是一種氣槍應用的一個新進展。