地震勘探在海洋石油勘探中的基本原理2资料.docx

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地震勘探在海洋石油勘探中的基本原理2资料

《地震勘探在海洋石油勘探中的基本原理和OBS技术的介绍》

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目录

引言-2-

一、海洋地震勘探-4-

1.1测量原理-4-

1.2数据处理和资料解释方面-5-

1.3海洋地震波的激发-5-

二、OBS介绍-6-

1、OBS勘探原理-6-

1.1海底地震仪（OceanBottomSeismograph，OBS）-6-

1.3OBS海底地震勘探-8-

2、OBS应用原理-11-

3、OBS工作流程-13-

3.1海上作业前-13-

3.2数据采集-14-

3.3数据处理-15-

3.3.1OBS时间校正-16-

3.3.2几何扩散校正-17-

3.3.3野外静校正-20-

3.3.4叠加-20-

3.3.5增益应用-20-

3.3.6滤波-20-

3.3.7预测反褶积-21-

3.3.8PS波速度分析-22-

3.3.9OBS数据震相拾取-23-

3.3.10OBS数据反演处理与速度模型的建立-25-

三、海洋物探船-27-

1、物探船船队状况-27-

四、导航定位-27-

五、OBS在海洋油气资源探测中的发展趋势-28-

结束语-30-

参考文献-31-

引言

本学期我们学习了《反射波地震勘探原理和资料解释》，从地震波的概念、形成与传播、时距曲线以及地震资料的野外采集、解释进行了学习，初步了解了地震勘探的基本原理与方法。

实习课上，在老师的指导下，学习了地震勘探软件的使用。

本文将从地震勘探在海洋石油中的基本原理及方法来进行介绍。

从19世纪中叶，马利特用人工激发的地震波来测量弹性波在地壳的传播速度为地震勘探萌芽的开始，经历了数百年的应用与发展，地震勘探已经在生产生活的各个领域发挥着越来越多、越来越重要的作用。

中国于1951年开始进行地震勘探，并将其广泛的应用于石油与天然气、煤田勘探、工程地质勘查以及金属矿的勘查当中。

从国内外的近几十年勘探实践表明，没有物探技术的进步，就没有更多圈闭的发现，就没有钻探成功率的提高，也就更不会有油田和储产量的快速增长。

宏观看，物探的作用在勘探阶段是客观的目标评价，在开发阶段是精细的油藏描述。

因此，油气勘探开发离不开地震技术和地震技术的进步与发展。

如果说勘探技术是石油工业的第一生产力，那么物探技术就是获得油气储量的第一直接生产力。

纵观近些年的勘探技术的具体运用，最常见的莫过于地震勘探，所谓地震勘探就是通过人工方法激发地震波，研究地震波在地层中传播的情形，以查明地下的地质构造，为寻找油气田或其它勘探目的服务的一种物探方法！

21世纪是海洋的世纪，海洋对于人类，对于中国未来几十年甚至数百年的发展的重要性非同小可。

目前，石油已经成为世界各国发展中必不可少的战略性资源，世界各国对石油资源的消费量逐年递增，据统计和预测，全世界石油消费在1990一一2010年将以每年1.3%的速度增长;国土资源部的资料显示，近十年来，我国原油消费量以年均5.7%的速度增加，高出全世界石油消费总增长速度4.4个百分点。

近几年来，我国对石油的需求量越来越大，国内石油产量和需求量之间的差距日益拉大，1993年我国成为石油净进口国;2000年我国原油产量是1.5亿吨，进口5983万吨;2003年产量1.7亿吨，进口9112万吨，预计2016年我国原油需求缺口将达到2亿多吨。

目前，我国已经成为世界第二大石油消费国。

为了解决石油需求缺口逐年加大的问题，必须从三个方面来考虑:

一是加强勘探，增加国内石油储量和产量;二是进口;三是促进海外石油投资，建立海外石油基地。

而作为资源勘查专业的学生的我认为第一项：

加强石油勘探是重中之重。

中国现有的几大油田：

如塔里木油田、延长油田、中原油田、长庆油田、胜利等等所开发的绝大部分为陆相生油盆地。

据数据调查，世界上70%的油田是海相生油盆地。

而中国拥有着299.3万平方公里的海域面积，有着珠江三角洲盆地，渤海湾盆地，东海盆地以及广阔的还未详细勘察的南海。

这里面蕴藏着丰富的油气资源

和可燃冰资源。

可以为我们国家未来近百年的发展奠定坚实的资源基础。

海洋蕴藏着很多丰富的资源、宝藏，随着生产技术的日趋进步，世界各国（包括中国在内）目前都在积极寻求开发海洋资源，在海洋的勘探开发中离不开物探，

而且运用最广泛也最有效的是地震勘探。

地震勘探是近代发展变化最快的地球物理方法之一，它的原理是利用人工激发的地震波在弹性不同的地层内的传播规律，来勘探地下的地质情况。

在地面某处激发的地震波向地下传播时，遇到不同弹性的地层分界面就会产生反射波或折射波返回地面，用专门的仪器可记录这些波，分析所得记录的特点，如波的传播时间、振动形状等，通过专门的计算或仪器处理，能较准确地测定这些界面的深度和形态，判断地层的岩性，是勘探含油气构造甚至直接找油的主要物探方法，也可以用于勘探煤田、盐岩矿床、个别的层状金属矿床以及解决水文地质、工程地质等问题。

1、海洋地震勘探

在茫茫大海里寻找石油最有效的技术方法是地球物理方法，其中主要是地震勘探方法。

近几十年来，随着电子计算机的广泛应用，海洋地震勘探的数据采集和装备得到了极大的改进，数据处理技术和解释方法也得到迅速的发展。

在油气勘探中，利用地震资料不仅能确定地下的构造形态、断裂分布，而且能了解地层岩性、储层厚度、储层参数甚至能直接指示地下油气的存在。

在油气开发中，地震资料同测井、岩芯资料以及其它地下地质资料相结合能对油藏进行描述和监测。

地震技术远远超出了石油勘探领域，已向石油开发和生产领域渗透。

用于寻找海上石油的地震反射法，和陆地的地震反射法相比，在方法基本原理、资料处理和解释方法等方面基本上是一样的。

其中，

1.1测量原理

图1-1地震波传播路径

在这类方法中，地震波在介质中传播的物理模型如图1所示。

从激发点激发出的弹性波投射到反射界面上产生反射波，其条件是：

入射角α等于反射角α。

能够形成反射的界面，必须具备这样的条件，即在弹性波垂直入射时，界面R上的反射系数不等于零。

公式

式（1-1）

公式（1-1）中p、v分别为地层的密度和弹性波的传播速度，它们的乘积称为波阻抗，角标1、2分别表示界面上下的地层。

因此，反射界面存在的条件为：

p2v2≠p1v1。

所以,反射界面也称为波阻抗界面。

反射波返回地表，为检波器（s1，s2，s3，…）接收，并由地震仪记录下来。

反射地震记录内包含着多种信息，其中反射波的旅行时间和震源到检波器之间距离的关系，称为时距曲线t（x）。

用时距曲线可反演出地下反射界面的几何形态（地质构造）；而在地震反射信息中，还包含有地震波的振幅、相位、频率、速度、极性以及其他一些参数，表现出反射波的动力学特点，它能给出地层岩性的特征，有助于判断沉积环境，甚至还能给出油气的直接指示。

1.2数据处理和资料解释方面

对共深点反射记录磁带，必须应用电子计算机处理。

机器完成动静校正、振幅调整、滤波、相关和组合等程序之后，再分别进行水平叠加、偏移叠加和振幅保持，提供水平叠加时间剖面、偏移叠加时间剖面，作为常规处理成果。

根据时间剖面图和时间—深度转换关系编制反映某个地震层位空间展布的构造图。

在有利构造上进行反射振幅比、瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率、子波反褶积、伪声阻抗和烃类检测（亮点技术）等特殊处理，并进行速度分析和层速度计算，提取各种地震参数，进而利用地震波的动力学特点来研究地层的岩性，为发现地层圈闭或隐伏油气藏提供依据。

但在野外工作方面，由于海洋与陆地有很大的差别，海上地震工作也有许多特殊性。

海上地震工作是以地震队（船）的组织形式来完成的。

可把地震仪器安装在船上，使用海上专用的电缆和检波器，在地震船航行中连续地进行地震波的激发和接收。

而现在我们在海洋地震勘探方面广泛应用的是OBS技术。

1.3海洋地震波的激发

关于海洋地震波的激发人们首先想到的是海上震源，最早的海上震源是简单地把陆上炸药震源引入到海上，但很快暴露出了它的缺陷：

①炸药在海水中爆炸会产生气泡效应，为了不产生重复冲击，要通过试验确定炸药的最佳沉放深度；

②施工不方便，它不能自动化操作，人工操作很危险；

③对环境污染严重，尤其是对鱼类的伤害。

在非炸药震源出现之后，炸药震源就在海洋勘探中迅速消失了。

空气枪是目前常规地震勘探中占了主导地位：

空气枪震源是将压缩空气在短暂的瞬间内释放于水中，可以和炸药爆炸一样，形成气泡并造成强烈的地震震动。

海洋地震勘探中使用的各种空气枪的具体

结构不完全一样，但它们的工作原理可概括如下：

空气压缩将空气送进空气枪的气室中并达到一定的压力。

工作时，用电磁阀打开气室，其中的压缩空气即迅速进入水中形成气泡，造成振动。

海上地震工作具有下述几方面的特点：

1．使用非炸药震源，如空气枪。

2．野外记录数字化，使用96、120、240、480、720、或960道数字地震仪。

3．使用等浮数字电缆。

为了适应高覆盖的需要，等浮电缆的道数不断增加。

4．一般为单船作业，记录仪器和震源在同一条船上，目前多船作业也逐渐增多。

5．采用高次覆盖，例如在部分海域的地震勘探最高已达120次。

6．采用导航定位技术实时确定船的位置和炮点的位置。

图1-2海洋地震勘探流程示意图

二、OBS介绍

1、OBS勘探原理

OBS作为广角地震的一种，较海洋调查中其它常规地震方法的显著特点和优势在于它实现了海洋地震的海底接收，这样就避免地层返回来的地震波能量在海水中的大量吸收和衰减，并可同时记录来自地壳中的P波和转换S波信息，且海底是较为安静的环境，这样就大大提高了所得数据的信噪比，减少了反演结果的多解性。

此外S波数据采集的实现使我们可以探讨地壳的物质组成，这在相对缺少岩石证据的海区具有重要的意义。

1.1海底地震仪（OceanBottomSeismograph，OBS）

海底地震仪是一种将检波器直接放置在海底的地震观测系统，在海洋地球物理调查和研究中,既可以用于对海洋人工地震剖面（短周期）的探测,也可以用于对天然地震（长周期或宽频带）的观测,是研究边缘海和大洋深部结构的有效手段。

其探测和观测结果可以用于研究海洋地壳和地幔的速度结构及板块俯冲带、海沟、海槽演化的动力学特征,也可以用于研究天然地震的地震层析成像以及地震活动性和地震预报等。

目前美国、英国、日本等国家已纷纷投入大量人力物力进行海底地震仪的研制和应用研究。

在我国，虽然曾有部分单位通过国际合作等方式开展过少量的人工剖面探测方面的工作,但总体来说这方面工作尚处于起步

阶段,我国的OBS观测系统仍处于研制和试验阶段。

1.2设计海底地震仪时的原则

（1）要保证地震仪与海底有良好的接触。

部分海底的覆盖物并不是岩石,而

是软沉积物,因而要想获得良好的数据记录,必须使地震仪与海底有良好的接触。

（2）为了捕捉小震或远震,海底地震仪需要有高度的灵敏性。

整机的设计要求为低噪声,除了将磁带记录中的机械旋转部分的振动与检波器（即振动探头）隔绝外,还应减小放大器的电噪声。

同时,设计时还应考虑水流诱发噪声产生的影响。

（3）因为需留在海底无人管理达一定的时段,海底地震仪应有高度的可靠性。

同时,海底地震仪是由有限体积和重量的电池作为供电源的,因而应设计为低耗电。

（4）海底地震仪的记录应为高质量的记录,这样才能保证数据处理的可靠性。

如在利用反演法和层析成像法等现今在地震学中常用的处理方法进行数据处理时,需要有高信噪比、大动态范围和低失真度的记录资料作为基础。

（5）海底地震仪的体积需小而轻,以保证在考察中灵活地增减海底地震仪的数量,这对提高测量结果的准确性无疑是有益的。

在某些情形下（如用直升机布设海底地震仪时）,地震仪体积的大小显得尤为重要,甚至成为决定试验本身能否进行下去的主要或决定的因素。

（6）海底地震仪还必须备有可靠的回收装置,包括自动搜寻辅助器（闪光器）、无线电波发射机和释放机械等装置。

（7）海底地震仪必须有一个声应答器系统。

当应答系统接收到由船上发出的指令后,能使锚镇重物脱扣,并能测量从船只到海底地震仪的精确距离,从而确保海底地震仪精确定位。

图2-1海底地震仪内部结构

1.3OBS海底地震勘探

先将OBS等仪器投放到确定好的待测海底，利用人工方法在海水表面激发的波动在海水中和海底岩层中传播的规律（速度），来确定海底构造及岩层的分层状况特征等，研究地下地质问题；主要研究海底地形构造、大洋中脊等，并可为寻找油气及其他矿物资源提供服务。

OBS进行的研究一般是广角地震，是大面积大范围的研究，所以对于寻找油气及其他矿物不是很方便，但是放置密集点仍旧可以进行小范围，较薄岩层的划

分。

OBS主体部分包括由一个三分量地震仪和一个深海水听器组成的传感器、一台数字化记录器、一个声学应答释放器，外加无线电发射器、闪光灯、罗经和压力表。

辅助设备包括释放器的甲板单元和传感器、GPS定位单元、镇重锚、电池和旗子。

OBS探测的一个重要技术特点是地震检波器具有三分量功能，即一个垂直分量，两个水平分量。

检波器安装在一个充满高粘度硅油的玻璃圆柱内的阻尼万向平衡支架上，使检波器在海底面倾斜时保持其原来的平衡位置，圆柱被固定在玻璃球底部。

应用纵横波资料进行综合解释可获得很多有用信息，进行纵横波联合地震勘探最好的办法是做三分量地震勘探。

简单地说，就是同时接收纵波和两个横波分量的勘探叫三分量地震勘探，所得到的记录叫三分量记录。

以往常规地震勘探是接收垂直地面振动的纵波（用P表示），仅得到一个方向的资料----纵波

剖面。

而横波（用S表示）不像纵波那样简单，它有两个分量，一个是沿测线方向振动向地下传播的分量，用SV表示；另一个是垂直测线方向振动向地下传播的分量，用SH表示。

频率范围是2—100Hz。

SEDISIV型短周期自浮式海底地震仪除了上述三分

量检波器外，还配有一个深海水听器，其作用一是当地震检波器由于海底面过于倾斜或其它原因而失效时，水听器可以保证通过水压变化记录到地震信号；二是将水听器信号（只含P波信息）与检波器信号（三道均含P波和S波信息）进行对比，可以比较容易地提取S波信号。

OBS作为广角地震的一种，较海洋调查中其它常规地震方法的显著特点和优势在于它实现了海洋地震的海底接收，这样就避免地层返回来的地震波能量在海水中的大量吸收和衰减，并可同时记录来自地壳中的P波和转换S波信息，且海底是较为安静的环境，这样就大大提高了所得数据的信噪比，减少了反演结果的多解性。

此外S波数据采集的实现使我们可以探讨地壳的物质组成，这在相对缺少岩石证据的海区具有重要的意义。

海底地震仪除了上述三分量检波器外，还配有一个深海水听器，水听器又称水下传声器，是把水下声信号转换为电信号的换能器，其作用一是当地震检波器由于海底面过于倾斜或其它原因而失效时，水听器可以保证通过水压变化记录到地震信号；二是将水听器信号（只含P波信息）与检波器信号（三道均含P波和S波信息）进行对比，可以比较容易地提取S波信号。

进行声学释放时，作业船开到OBS原先的投放位置，将计算机与甲板单元相连接，通过电缆和水中传感器发送释放信号，OBS应答释放部分收到信号后发出释放命令，使燃烧线熔断，OBS与镇重锚脱钩，依靠玻璃球及塑料套的浮力以0.5~1m/s的速度上浮到海面。

借助漂浮在海面OBS发出的无线电信号、闪光灯指示器和荧光旗子来进行海上搜寻。

当遇到特殊情况时，对放置在海底的OBS采取定时释放。

在设定的释放时刻，OBS内置的备用时钟--定时器会独立发出释放令，将燃烧线熔断，OBS与镇重锚脱钩上浮。

图2-2海底地震仪整体构造

图2-3投放前安装好的海底地震仪

图2-4台湾产四合一海底地震仪

图2-5正在海上作业中的气枪源

2、OBS应用原理

地震波的传播路径：

直达波路径

透射波路径

反射波路径

折射波路径

地震勘探的基本方法：

折射波法（Refraction）

反射波法（Reflection）

透射波法（Transmission）

OBS最常用的作业方式和应用之一即是OBS广角地震调查。

OBS广角折射/反射（WideApertureReflectionandRefractionProfiling,简称WARRP）的地震调查方法，是研究边缘海和大洋深部结构的最有效手段之一，较多道地震等常规地震其具十分鲜明的特点。

图2-6在弯曲界面上的反射和透射

图2-7在多层介质中，一个基本反射的射线

图2-8OBS剖面海上探测示意图

折射波与反射波相比，其主要差别在于：

（1）折射波有一个盲区，而盲区的大小取决于界面的埋藏深度，因此，在地震勘探中要观测到折射波，炮检距应该大于折射波盲区；

（2）折射波法通常只能研究其速度大于上面所有各层波速的地层，在实际的地层剖面中，往往只有某些层能满足这个条件，因此折射层的数目要比反射层数目少得多，这点也正是目前石油地震勘探中广泛使用反射波法的原因之一；

（3）如果地层剖面中存在速度很高的厚层，就不能使用折射波法研究更深处的低速地层，这种现象称为“屏蔽效应”。

如果高速层厚度小于地震波的波长，则实际上并不发生屏蔽作用。

图2-9发射波法地震勘探方法原理

3、OBS工作流程

OBS调查工作大体包括测线设计；OBS参数设置，部件组装，密封，投放和回收；后续的数据处理、建模和反演计算等三大部分。

3.1海上作业前

每个OBS被投放前，必须彻底检查仪器以确保所有连接是正确的，然后设置好仪器参数，主要是工作起始时间、结束时间、频率、采样间隔、水平分量的方向和记录通道编号。

随后密封玻璃球并将其放置在甲板上，对仪器每隔半个小时进行一次气压和电压（燃烧线与负极之间）检查。

在投放前给每台OBS装上镇重锚，插上小旗子，固定深海水听器、回收信号发射天线及燃烧线，并再次对声学释放器进行检查。

当船接近预定位置时（100m），用绞车、撑竿使OBS缓慢下降到水面上并保持空中稳定姿态，在预定投放点（5m）被松开，投放时船速最好不要超过1kn，以使OBS垂直自由沉降到海底。

在航次探测中，我们遵循如下步骤：

首先在预定的测线投放点依次放下OBS，开出测线外一个台站的距离，沿测线返回，在测线外一个台站距离处以固定的间隔（200m）激发气枪开始放炮（枪阵总容量84.55725L）。

最后，沿测线回收OBS，这样就得到一条完整的人工地震剖面。

3.2数据采集

由于海底表面地形恶劣，为了防止丢失仪器，一般利用高精度测海学数据装置选择工区内的平坦位置布设OBS。

OBS可以单个使用，也可以多个OBS联合使用，根据地震勘测目的不同可以设计不同的OBS排列。

一般OBS可以布设到几千米深的海底，并且在采用多个OBS联合采集数据时，OBS之间的间距一般为几米到几十千米，根据勘测目的而定。

野外采集，即可以是单道多炮，也可以是单炮多道（如图2-10）。

图2-10数据采集方式

由于OBS采集数据的高信噪比，和OBS位置固定的优点，OBS震源一般采用排列式空气枪震源,炮点间距一般为100-400米，在实际测量中以船的行速计算，所以激发间隔时间一般为几十秒。

虽然空气枪震源能量相对炸药震源能量来说小的多,但是由于震源信号的高度一直性,且信号源间隔很小,所以在远偏移距的位置上仍能够分辨微弱的信号。

海上测量时，OBS沿测线按一定间隔投放布设，激发船从测线一端开始，沿测线激发，激发间隔为几十秒。

由于可以进行广角反射波勘测，一般情况下炮点线的长度相对OBS间距长很多。

图2-11展示的是某一工区测线布置，野外工作，和地震波在地下传播的几何图，该工区布设了四个OBS。

该图形象的反映了OBS布设与震源激发几个位置情况。

从图中我们可以看到浅层反射波和折射波，和深层反射波和折射波的传播路径。

图2-11四个OBS的地震测线几何图

3.3数据处理

OBS记录的数据为四分量的，一个垂直分量，两个互相垂直的水平分量，水听器分量。

其中，垂直分量地震检波器记录的主要是P波；水平分量记录的是地震波（主要是P波）入射到弹性界面上发生波型转换产生的垂直和水平的转换横波，即垂直和水平的转换波，以PS代替；水听器记录的是水波以P波为主。

OBS数据包括以上四种数据，在处理中主要应用垂直分量和水平分量。

OBS数据处理与常规地震数据处理基本一致，但是OBS数据处理的目的在于得到P波和PS波的层速度剖面，最终我们利用的数据就是P波和PS波的层速度剖面。

另外，OBS是一种放置于海底而海上激发地震数据采集仪器，一般为单个意义使用，海上多炮激发，从而得到一个共接收点剖面，利用这样的数据来得到P波和PS波速度剖面，这一点也决定了我们一般不能用OBS数据获得有意思的地震叠加剖面。

所以数据处理一般仅到速度分析。

OBS数据处理包括：

预处理和常规处理两个步骤。

预处理：

⑴.格式转换

⑵.计算OBS的位置和方位

⑶.OBS时间校正

⑷.处理海上数据提取震源信息

⑸.水平分量的旋转

⑹.几何扩散校正

⑺.野外静校正

常规处理：

⑴.叠加

⑵.增益恢复

⑶.脉冲反褶积和道间均衡

⑷.滤波

⑸.P波速度分析

⑹.PS波速度分析

由于海流的存在可能使仪器漂移，导致获得的仪器位置不精确，所以要校正这些值，就必须先弄清楚OBS的位置。

OBS为三分量和水听器接收，三分量数据：

一个垂直分量，两个水平分量，按照检波器设计来说，垂直分量记录的是

P波，两个水平分量记录的是SH波和SV波，由于地震射线非垂直地表出射，使纵波和横波产生能量分解，各个分量记录的地震数据都不是纯数据。

这就需要对三分量数据进行波场分离，从而得到纯的P波和SV波。

并且水平极化的

SH波难激发,并且不如由P波转化的SV波对地下介质敏感，所以仅利用一个水平分量和垂直分量进行波场分离。

要想得到最终的P波和PS波速度剖面，必须对处理前的数据进行一定步骤的处理，即水平分量旋转和波场分离。

这些预处理对直接关系处理效果好坏，至关重要。

以下对处理流程中的其它部分做简单介绍。

3.3.1OBS时间校正

时间的校正主要是对于OBS仪器内部时钟的校正，这一校正过程贯穿整个采集过程。

仪器时钟的主要转速偏移是通过软件补偿校正的，但是仍然存在由温度导致的时间偏移，每小时一般偏移几毫秒。

仪器下水之前，时钟要进行几个小时的反复校正；回收完毕后，也要立即进行时钟校正；当震源在仪器正上方激发时，也要对时钟进行校正。

从这些校正数据来看，时钟校正一般有三方面，每个方面的校正误差为线性偏移的几毫秒（如图2-12）。

图2-12ＯＢＳ数据放炮时间延迟校正前后对比

（ａ）为时间校正前，（ｂ）为时间校正后

3.3.2几何扩散校正

地震波由震源向周围介质传播，波前面越来越大，就是说越来越远的离开震源，地震波的振幅也就越来越小。

这种现象是由地震波的波前扩散（球面扩散）所引起的，因此由震源形成的能量散布在面积不断增加的波前面上，单位面积上的能量随着传播距离r的增加而减小。

设均匀介质中