海底地震勘探最新方法与技术发展

海底地震勘探最新方法与技术发展
摘要：随着深海耐压材料工艺的突破和海上高分辨精细地震勘探技术的发展，底地震勘探方法逐渐成为热点。

一方面，海上三维地震勘探方法逐渐向四维发展，在海上布设漂缆数量越来越多的同时，海底电缆或检波器也被应用到海上复杂油气区块的精细调查中去；另一方面，新能源研究与深水油气技术的突破，同样需要高频与低频型海底地震仪器。

本文讲述目前国际上海底地震勘探新方法与仪器设备的发展和我国在海底地震勘探领域的研究状况。

关键词：海底地震仪；横波勘探；四维地震；精确时间计时；精准布设DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2010.06.003上个世纪地震勘探发展过程中，海底地震勘探方法
是以横波信息接收分析，作为观测天然地震，研究海底演变以及作为海上拖缆地震的补充而出现和发展的。

由于横波(S波) 不能在液体中传播，因而只接收到了纵波的反射与折射信息。

海底地震仪器的出现，检波器放置于海底，与海底耦合，可以接收到横波或者转换横波信息。

随着电子科学、材料科学的发展进步，海底地震勘探仪器设备的性能得到了很大的提升；同时，全世界对能源需求和依赖进一步提高，海上油气资源勘探难度逐步加大，海底新型能源的开发利用步伐加快，海底地震勘探技术方法正逐渐成熟，已成为海底深部构造研究、海上四维油气勘探、天然气水合物勘探研究必不可少的手段。

1 海底地震勘探技术简介
海底地震勘探技术是海上地震勘探技术的一种，同样有震源和采集器组成。

海底地震勘探技术大都采用非炸药震源（以空气枪为主），震源漂浮在接近海面，有海上调查船拖曳；采集器陈放到海底来接收震源发出，经过海底底层反射的纵横波信号。

其特点是在水中激发，水中接收，激发、接收条件均一，可进行不停船的连续观测。

检波器最初使用压电检波器，现在发展到压电与振速检波器组合使用。

海底地震勘探技术又可分为海底电缆勘探技术（OCEAN BOTTOM CABLE，以下简称OBC）和海底地震仪勘探技术(OCEAN BOTTOMSEISMOMETER，以下简称OBS)。

OBC技术是将采集电缆沉入海底，调查船拖曳震源在海面上放炮的方法
OBS勘探技术是将海底地震仪陈放到海底，调查船拖曳震源在海面上放炮的方法。

OBC的优点是：全波场采集；成像效果更好、地层层次清楚、形态可靠；消除鬼波影响，环境噪音低。

但技术应用难度大、成本高，应用于海上油田储油区扩展调查等快速收回投资的项目；OBS技术是由研究海底天然地震发展起来，它的特点是：广方位角、全波接收，现在逐渐应用于海底石油勘探和新能源勘探开发。

2 近年来国际海底勘探技术发展
20世纪60年代，美国军方为观测海底核试验位置而研制了世界上第一台海底地震仪，由陆地检波器电缆发展而来的浅水底电缆引用于陆上浅水区和海上滩涂区地震油气勘探。

60年代末，西方国家海洋计划开始实施，研究海洋地壳地幔结构、板块俯冲带，海沟海槽演化动力学等课题，研制出功能多样、先进、广泛应用到海洋地球科学研究中的海底地震仪。

通过海底地震仪长期定点的至于海洋深处，接收天然地震或对人工触发的地震波的观测，科学家们对大洋中脊和海沟俯冲带地壳结构有了新的认识，发现快速扩张的洋中脊与慢速扩张的洋中脊结构的不同。

同时，海底地震仪也用于研究天然地震的地震层析成像以及地震活动和地震预报等。

随着工业化的迅猛发展，西方主要经济体对石油需求加大，更精确的油气勘探调查也向更精确和深海方向发展。

设计成高分辨率、广方位角、全波接收的海底地震仪被应用到，海上油田储油目标区块的精细调查和深海油气调查中。

美国、日本等国家近年来将海底地震仪应用到了新型能源——天然气水合物的调查研究当中。

随即，欧盟国家德国、法国、挪威、意大利等也相继推出了新型的海底地震仪产品，并开始走
出研究所，实现商业化发展。

随着经济的发展，对油气资源需求越来越大，油气勘探开发资金投入的加大，海上地震勘探漂缆技术也由最初的单缆二维（2D）发展到现在的多缆3维（3D）、多波多分量海底电缆4维（4D）勘探技术方法。

海上油田进入开发期后，由于海上钻井平台和采油平台的障碍等原因，3D或重复的漂缆勘探方法施工已十分不便。

OBC技术正逐渐成为国际海上油气调查的主角。

与此同时，走向深水是世界海洋石油的发展趋势，因此BP、SHELL等石油公司要求更多的4C OBC服务，并取得了很好的效果。

挪威的MGC公司也在自己漂缆业务不佳的情况下选择OBC系统获得良好的收益。

最初的OBC技术海底电缆只有两个分量，即在每个观测点上放置一个水平检波器和一个垂直检波器。

而新的4C海底电缆采用四分量检波器，并用增加的两个检波器接收S波，利用S波的特性为P波数据提供重要的质量改进。

3 最新海底地震勘探仪器设备的应用
近几年来，随着整个世界各国对海洋开发投入的增加，海洋地质市场的扩大，国际上大的海洋勘探设备供应商积极与相关大学和科研院所相继研发出了最新的海底地震仪器。

SERCEL公司推出408UL浅滩底地震采集系统，428XL系统SEARAY海底电缆；FAIRFIELD 公司推出Z700海底地震数据采集节点系统；ION公司推出VectorSeis Ocean深海海底地震采集系统；OBS方面：美国波士顿WHOI研制的宽频海底地震仪，德国geopro，法国地调局研制的MicrOBS地震仪，我国中科院研制的HF-OBS海底地震仪等。

（1）428XL系统SEARAY海底电缆
（2）SeaRay系统
作为428XL系列中的一个成员，SeaRay受益于最先进的软件技术。

支持海量地震道采集，系统应用在64位Linux平台上运行。

Java基础的用户图形接口可运行于Windows或Linux平台。

客户机/服务器结构允许通过局域网和安全的外部互联网登陆系统进行远程监控，从而使用户可以远程登录完全控制系统进行地震采集。

例如在气枪船上直接登录系统主机进行远程控制采集。

（3）SeaRay检波器单元
SeaRay中使用的428XL MEMS（微电子机械系统）检波器技术为海底地震采集带来了宽带宽、低畸变和更大的动态范围。

3个沿正交向布置的数字式加速度检波器（MEMS）和一个水检集成在一起形成一个4分量检波器单元。

这些数字加速度检波器是非常可靠的传感器并且对方向不敏感，因为每个独立矢量都具备完整集成的倾斜度测量功能。

在SeaRay中，每个4分量检波器单元都封装在一个定制的铝-青铜合金的外壳中（称作扁平封装FlatPack），在施工中保护了内部检波器和连接线，同时也提供了检波器与海底卓越的耦合性。

具备一定重量的扁平封装防止了铺设后接收点位置移动和滚动。

扁平封装外壳上具备孔状结构允许海水进出以确保水检的声学耦合，但同时也改善了扁平封装与软沙地和软土地的机械耦合。

（4）FAIRFIELD公司推出Z700海底地震数据采集节点系统
Z700®节点式设计定义了这一革命性的系统。

每个节点自主运行，完全独立的所有其它节点，放置水下无缆供电并且不进行通讯，记录长达15天。

Z700
采集工作是两船作业——震源船和节点控制船。

节点的布设方式和间距没有约束限
制，适合全方位角勘探。

布设时，每个Z700节点可能会附加沿绳线，可轻松回收，类似渔民回收长串列蟹笼。

（5）ION公司推出VectorSeis Ocean深海海底地震采集系统
美国ION公司（原I/O公司）开发了可重复部署的采集系统VectorSeis Ocean （VSO)，用以从海底记录全波数据。

VSO集成了ION的多项专有技术，包括VectorSeis 数字全波传感器、浮标记录仪和获得专利的噪声消除电缆系统。

VSO是定制的，可以确保从海底的低噪声环境中记录高保真的地震全波场。

VSO的核心是VectorSeis——全波传感器。

VectorSeis可以捕获目前矢量保真度最高的宽带地震数据。

结果会生成高分辨率的油气藏（甚至是深处目标）图像。

全波海底成像的具体应用包括：对较薄、分层、裂缝严重或地势陡峭的油气藏进行成像描绘岩性（岩石类型）的变化确定流体类型和流体运动，特别是在四维方案中，在遇到基础设施之类的障碍物时采集地震数据，通过气云成像为AVO和反演提供低频数据（低至1～2Hz）
（6）德国geopro海底地震仪
德国geoproOBS海洋地震仪以高强度玻璃圆球做外壳，可以在6700m深的海底采集地震数据，采用安装在方向架上的3K-检波器和深海水听器。

OBS海洋地震仪由无线电定位或光学指示器定位。

OBS地震仪可以自动回收或者定时浮出水面。

为了增加数据采集密度可以布置垂直水听器阵列。

这种形式的排列可以做广角反射/折射剖面处理，叠前偏移处理和共深度点处理。

此地震仪需要打开球舱提取数据。

（7）法国研制的MicrOBS海底地震仪
法国SERCEL公司推出的MicrOBS海底地震仪附沉耦架总重量为64kg，仪器安装在17英寸的玻璃舱球内，可放置在5000m以内的海底。

仪器内置4个检波器，分别是一个水听器、3个陆地检波器（分别为垂直分量Z，水平分量X、Y）。

每个检波器在数字化之前均可调整增益。

通过软件控制，增益可以以每6dB的步长从0dB调整到36dB。

采样率也可通过软件设置，分别为25Hz、50Hz、100Hz、125Hz、250Hz、500Hz和1000Hz。

广州海洋地质调查局引进，用于天然气水合物勘探研究的资料对比和处理，已应用于生产。

4 我国海底地震勘探方法的研究
“九五”期间，中国科学院地质与地球物理研究所开始着手研制海底地震仪。

1996年，国家863计划海洋领域正式启动中国科学院地质与地球物理研究所承担的“海洋岩石层三维地震成像技术”研究课题,为完成课题规定之任务，研制出OBS863-1型海底地震仪。

OBS863-1是为研究中国大陆边缘及其海域的地壳和深部结构而研制的大动态、宽频带、三分量数字海底地震仪。

它的动态范围不小于120dB，频带宽度0.05～10Hz。

反馈地震计速度灵敏度5V·s/m前置放大器放大倍率有1、8、32、64四挡，24位A/D变换器灵敏度10～6DC/V;采样率分15.625、31.25、62.5和125Hz四挡,最大工作水深不小于3000m,采样率为31.25Hz时可连续记录2个月，应用期间取得了很好的成果。

“十五”期间，广州海洋地质调查局应用国产海底地震仪在南海海域率先开展了深水油气OBS研究。

应用长排列大容量震源地震采集系统与海底地震仪同步联合作业技术，在潮汕坳陷采集了多道反射地震资料和5个海底地震仪站位的地震数据。

通过探宝号船搭载，多道地震记录与海底地震仪记录相结合，可以控制从海底到莫霍面的地壳结构。

本次研究任务共布设5台，每台的海底记录可以看作一个超长排列的道集，其记录中包含直达波、反射波和折射波，研究深部地质主要利用其中的折射波。

分层界面通过折射波震相的弯曲体现。

由于海
底地震仪投放间隔较大，因而水平分辨率较低，对于浅部地层，折射信号较少，需要反射资料配合。

本次任务测线垂直区域构造走向，地形起伏大，界面倾角影响大，
断裂发育，在浅部高速界面下可能还存在低速被屏蔽层。

本次探测中，看到最远的清楚记录可达115公里以上，反映记录仪器灵敏、震源能量充足。

记录中发现沉积基底、高速界面、壳内和莫霍面折射，总体质量良好。

经对5个站位资料的初步处理解释，获得了潮汕坳陷的地壳速度结构剖面，同样取得了突破进展。

中国科学院南海海洋研究所联合台湾科研院所，利用三分量海底地震仪、陆上便携式地震仪和海上气枪震源在南海东北部率先进行了海陆联合的深地震探测，测线呈北北西、南南东方向，垂直于区域构造走向，总长达700公里，所获得的数据质量好，深部信息丰富，可分辨出多层明显地震相，为南海东北部深部地壳结构及油气盆地形成演化的研究提供了重要的基础数据。

5 高频海底地震仪的研究进展情况
“十一五”期间，广州海洋地质调查局与中国科学院地质与地球物理研究所展开合作，研究应用高频海底地震仪器在南海北部陆坡区进行天然气水合物矿体的三维与海底地震联合勘探。

与我国研制的上一代海底地震仪（宽频微功耗海底地震仪）相比，高频海底地震仪（HF-OBS）具有检波器主频较高、频谱较宽、存储容量大、可操作性强等特点。

地震仪主频集中在120～150Hz 之间，最高接收频率可达到250Hz；频宽0～200(Hz);内存可扩展至32GB；人机交互仪器设置采用蓝牙通讯模式，仪器内安装多种传感装置监视电压、舱压、检波器组姿态、罗盘方位、闪光灯、声学释放等功能，在功能与使用方面可与国外产品相媲美。

为充分发挥仪器的性能，探索天然气水合物有效的新的勘探方法，2007～2009年，广州海洋地质调查局对海底高频地震采集技术做了大量的研究工作。

按照研
究思路，海底高频地震采集技术分成了以下几部分实施：
（1）海底地震仪布设观测系统设计；
（2）海底地震仪仪器性能要求；
（3）海底地震仪定点精确投放技术研究；
（4）海底地震仪释放回收技术；
（5）海底地震仪原始数据预处理技术；
（6）海底地震采集安全管理体系制定。

针对南海北部海域天然气水合物分布呈分散块体的特点，海底地震采集观测系统遵循双聚焦理论和射线追踪原理进行设计，采集节点覆盖矿体范围，节点间距为250m。

高频海底地震采集设计采样率高，数据量大，因此对仪器设备的稳定性要求特别严格。

为此，仪器在原来的基础上进行了稳定性方面的改进：第一，改进了释放装置的供电方式，加强了导线的绝缘性；第二，充分发挥电腐蚀原理，加快了释放熔断丝熔断的时间；第三，加强了对仪器参数的控制，调整检波器增益等。

在海上实际操作中，海底地震仪的投放工作难度很大。

为达到观测系统设计要求，工作人员设计了专门的投放架实施有缆海底投放，引进海底定位技术并为此研制了投放监控软件等完整的一套投放系统，很好地实现了投放要求，节点投放误差仅为26m（数据为声学距离计算和水下定位算得）。

同时，为顺利回收仪器，专门配备了水下声学搜索、水面无线电搜寻设备搜索水下和浮上水面的海底地震仪器。

对于采集的原始数据，在中国科学院地质与地球物理研究所和南海海洋研究所的努力下，已经提供完整的方法将其转换成标准的segy格式提交处理。

整个采集方法的实施，广州海洋地质调查局制定了严格的安全管理措施，保证在此期间的人员、仪器设备、数据等的安全，并做详细的记录，纳入了ISO9001质量管理体系。

截止到2009年12月，我国已经在南海北部陆坡区拿到了天然气水合物海底地震仪采集的第一手资料，覆盖面积大约20多平方公里，测点密度为250m。

同时，广州海洋地质调查局具备海底地震采集技术大规模生产的能力，我国高频海底地震采集技术取得仪器和技术方面的突破。

6 结语
随着国际能源市场需求的不断增长，海底地震勘探设备已从科研机构走向大规模应用生产阶段。

我国海底地震勘探的发展是国内科研院所与生产单位共同努力的结果。

国产海底地震仪功能与稳定性日趋成熟，海底地震采集技术方法逐渐完善，将陆续应用到我国油气及新型能源的勘探开发中来。

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