海底地震监测方法与技术

海底油田与陆地油田相比，其特殊性在于表面覆盖了水层，带来了主动源多道反射地震测量方法的差异。20世纪60年代人们发明了海洋拖缆反射地震测量方法，它是由地震勘探船拖曳一条由若干压力水听器组成的拖缆，拖缆一般沉放到离水面几米到数十米深度，勘探船在行走过程中连续激发地震波，压力水听器记录到来自海底下的地震反射波信号并通过拖缆实时传递到船载地震仪上，实行走航式连续测量。20世纪80年代末期，人们提出了海底电缆反射地震测量方法（Timothy，1987），即将记录电缆沉放到海底，电缆与海底沉积物耦合，不仅可以记录水体中的压力波场，而且可以记录空间三个方向上质点位移速度波场，即所谓1个水听器+3个检波器组成的四分量记录（Four Components，4C），特别是两个水平方向上质点位移速度记录包含了丰富的横波信息，这种海底电缆地震测量与海面拖缆地震测量相比具有如下优越性（耿建华等，2011）。

1.原始记录信噪比高

海面拖缆地震记录受潮汐和波浪等噪音的影响较大，为了降低拖缆观测记录中噪音水平，一般将拖缆沉放到离海面一定深度。观测实践证明，拖缆沉放深度越深，拖缆观测到的海面噪音越小，但当拖缆沉放到一定深度后，拖缆观测到的海面噪音水平基本保持不变，因此，沉放到一定深度的海底电缆观测几乎不受海面噪音的影响，这在深海地震观测中尤为显著。

2.地震成像质量高

当海底地层中少量含气时就会引起反射纵波的散射，因此，压力检波器记录的地震纵波成像质量较差；而由于横波不在流体（含气体）中传播，受岩石中孔隙流体影响很小，所以，速度检波器记录的地震横波成像质量较高。此外，当地下介质呈现出地震各向异性时，不同方位观测会得到不同的观测结果。由于海面拖缆测量中震源与记录拖缆相对位置固定，只能记录窄方位数据，而海底地震测量中震源与记录电缆相对位置可灵活布设，可记录全方位观测数据，因此，更有利于提高地震成像与反演质量。

3.能够直接识别岩性与流体

由于横波传播不受岩石中孔隙流体的影响，横波反映的是岩石骨架（岩性）信息，而纵波传播受岩石中孔隙流体的影响较大，海底地震多分量记录包含丰富的纵横波信息，这样可以联合纵横信息进行岩性与流体的直接识别。

4.测量可重复性高

在百年甚至千年时间尺度上，地下岩石骨架（岩性）信息为静态信息，不随时间而改变；而在油气田开发或CO2注入过程中，岩石中孔隙流体运移是动态信息，这种动态信息的地震记录响应非常微弱，这样，利用长期观测来监测地下流体运移的关键问题是保证前后观测应具有可重复性，即不同时间观测的地震数据对地下岩石骨架的响应是一致的，前后观测数据的差异部分反映的是地下流体的运移，避免非流体运移因素产生的影响，例如环境噪音、数据定位误差和数据处理非一致性等问题。实践证明，海底地震观测由于检波器或地震仪固定在海底，数据定位精度高，受海面噪音影响小，测量可重复性高；而海面拖缆地震观测受海流影响拖缆往往发生不规则漂移，数据定位精度降低，同时，受海浪噪音影响大，测量可重复性低。

5.数据采集性价比高

尽管海底地震测量相对海面地震测量成本要高，但是，海底地震观测性价较高，例如，可同时采集四分量地震数据和全方位数据，这些数据对岩性和流体识别、提高成像质量有不可替代的作用。同时，随着海洋开发活动的增多，众多的海洋作业平台、渔业活动、船舶运输以及恶劣气候等越来越影响海面拖缆地震测量作业，增加了船时开销，甚至无法开展作业，而海底地震测量由于检波器/地震仪放置在海底，独立的震源船作业非常灵活方便，不受海况及海面障碍物影响，实施具有很强的便利性，减少了船时开销。

下面简述目前几种不同的海底地震测量方法及其发展历程，并比较它们各自的优缺点。

7.1.1 海底电缆

海底电缆（Ocean Bottom Cable，OBC）是最早提出的海底地震测量方法，和传统的拖缆相比，电缆中增加了记录质点位移速度的三分量检波器。图7-1显示了海底电缆记录的纵波与转换横波成像对比，转换横波显著改善了气云区的地震成像质量。图7-2显示了利用海底电缆记录获得的纵波与转换横波地震剖面，清晰揭示了海底下岩性异常体的存在（Hoffe，2000）。OBC除上述优点外，还具有观测数据可实时传输、无需电池供电等优点，但是，OBC地震测量也存在以下问题：

（1）为保证电缆和海底之间的良好耦合，导致地震作业难度增加，电缆和海底之间的耦合性降低也导致检波器记录的位移速度场质量下降。

（2）受海底底流的影响海底电缆会产生振动，振动产生的噪音为后续地震数据处理带来困难。

（3）抗高压深水海底电缆在设计、材料选择以及制造工艺等方面存在挑战。

图7-1 海底电缆记录的纵波（PP）与转换横波（PS）成像结果对比

转换横波显著改善了起气云区的地震成像质量（Hoffe，2000）

图7-2 海面拖缆记录的纵波与海底电缆记录的转换横波成像结果对比

纵横波联合揭示了海底下岩性异常体的存在（Hof-fe，2000）

7.1.2 海底地震

为了克服海底电缆存在的不足，类似天然地震观测中的海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer，OBS）做法，人们提出了基于单个接收器的海底地震方法（Ocean Bottom Seis-mic，OBS；Granger et al.，2005）。这种观测方法的优点是：和海底耦合性好；适应深水压力的性能好；因为不使用电缆，所以无电缆噪声；可实现全方位地震数据采集；通过增加震源激发的办法只需要少量海底检波器即可达到海面拖缆测量高覆盖成像效果。图7-3显示了法国CGG公司在西非安哥拉安外深水区（水深1300m）的海底地震四分量接收器以及利用ROV布放情况，图7-4为海面拖缆高分辨率成像与海底地震成像结果对比，可以看出，只有5个海底地震仪记录数据的成像结果和52次覆盖的海面拖缆高分辨率成像结果几乎相当。但是，OBS观测也存在以下问题：

（1）由于OBS需要ROV布放，带来了布放成本高、时间长（多船布放可减少布放周期）等问题，同时ROV有缆线链接，在有障碍物海区给ROV操作带来不便。

（2）OBS需要电池供电，长时间电池供电技术面临挑战。

（3）记录数据不能实时传输，需要将OBS回收后才能下载数据，因此，对数据采集质量不能进行实时监控，如OBS出现工作不正常或与海底耦合不良等情况则不能进行及时调整。

（4）OBS布放后一般要在几十天甚至1个多月后才能回收，时钟漂移带来了地震记录时间序列不准确，因此，需要考虑高精度时钟。

图7-3 西非安哥拉安岸外深水区 （水深1300m）海底反射地震（OBS）观测

（a）单点海底四分量接收器；（b）海底四分量接收器ROV 布 放 （Granger et al.，2005）

图7-4 西非安哥拉安岸外深水区 （水深1300m）海面拖缆（TSS）高分辨率成像与海底地震（OBS）成像结果对比

从左到右依次为海面拖缆记录成像、海底地震水听器成像与海底地震检波器成像剖面（Granger et al.， 2005）

7.1.3 海底节点

“节点”（Node）一词最早出现在2004—2005年前后（Ray，2004，2005；Granger， 2005）。海底节点（Ocean Bottom Nodes，OBN）实际是OBC和OBS的概念扩展，OBC和OBS可以统称为OBN，在一定程度上指示长期观测。长期地震观测已被视为“地震生命”（Life-of-Field-Seismic，Lo FS；Foster，2008），即将地震波接收器永久埋置在海底之下（Smit，2006；Landrø，2008；Eriksrud，2009；Berg，2010），可以根据需要随时开展主动源地震测量。一方面，利用长期地震测量评价海洋油气田石油、天然气以及水的运移情况，另一方面，长期地震测量中的单次地震采集费用大大降低，因此可以不太考虑单次采集成本进行多次地震采集，这意味着地震数据采集的生命可以延续。目前世界上绝大多数已经开采的油气田都实施了多次地震数据采集，由于地震数据采集费用昂贵，油气公司在没有足够理由的情况下不可能再次进行地震数据重复采集投资，这样可能带来地球物理数据采集服务业的衰退，而相对便宜的长期地震观测给地球物理数据采集服务业提供了延续生命的机会。当然，这里的“永久”并不是“永远”，而是指一段较长的时间，时间长短大致与海底油田的开发期相当。由于OBS电池供电时间有限，所以永久式海底节点长期地震观测采用OBC观测方式（图7-5）。

图7-5 永久式光纤海底电缆长期地震观测（Eriksrudetal.，2009）

7.1.4 海底机器人节点

为了解决ROV布放OBS存在的问题，人们提出用AUV运载OBS并自行布放的想法（Kok，2012）。图7-6显示了这种设想的概念。最近，法国CGG地球物理公司和沙特阿美石油公司提出了海底机器人节点（Ocean Bottom Robonodes，OBRN），将AUV与OBS结合在一起，实现自主航行、定位、布放与回收。图7-7显示了近期的设计以及机器人地震节点海试情况（Tsingas et al.，2013）。2015年，自主机器人技术有限公司（Autonomous Robotics Limited）等公司联合提出下一代深水OBS——“飞行节点”（Flying Node，FN）。FN应当具有体积小、价格便宜、定位精度高、与海底沉积物耦合性能好、适应不同的海况条件、高效布放与回收等特点。FN布放系统拟采用两套USBL进行导航，一套USBL装载在FN母船上，另一套装载在无人驾驶船（Unmanned Surface Vehicle，USV）上，无人驾驶船始终航行在FN的上方，在FN即将着底时，USBL和惯性导航系统保证FN定位和ROV布放具有相同的精度。图7-8给出FN概念图以及服务于深水油田工作概念图（Holloway， 2015）。

图7-6 AUV布放OBS设想

（a）AUV运载OBS；（b）OBS自主与海底沉积物耦合，在完成记录后，释放回收声学信号，OBS自主上浮并回收（Kok，2012）

图7-7 法国CGG地球物理公司和沙特阿美石油公司推出的机器人地震节点

（a）早期设计的一种机器人节点；（b）OBRN与ROV；（c）一种款式的OB-RN海试（Tsingas，2013）

图7-8 下一代深水飞行节点

（a）飞行节点概念图；（b）飞行节点服务于深水油田工作概念图（Hollo-way，2015）