曾军财

（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌 443003）

基于气枪阵列的海洋地震勘探研究

曾军财

（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌 443003）

简要介绍了海洋地震勘探基本原理，提出了气枪阵列组合的两种设计方法，并进行了详细描述。然后针对影响气枪阵列激发效果的多个因素进行了具体阐述，为气枪阵列的具体设计提供了参考；最后对气枪阵列的悬挂方式进行了分析说明。

气枪阵列；悬挂方式；海洋地震

1 概述

海洋地震勘探是由专用船只拖着海上拖缆来完成的。在船只经过目标区域时放炮，由拖缆或仪器记录信号。标准的拖缆是3 000～8 000 m长，在常规采集中，它要携带几百个检波器组。震源产生地震波，震波向下传播，进入地下，并在岩石之间的界面上产生反射，反射波回到水体介质，被水下检波器接受，并把反射波到达的时间和反射距离记录在磁带记录仪，经计算机处理和地质人员的分析，就可获知海底地质结构。一般的地震船和水下检波器电缆的组合形式示意图如图1所示。

图1 地震船和水下检波器电缆的组合形式示意图

2 气枪阵列

目前海洋地震勘探中，为了获得较好的气枪子波特性，提高震源能量，基本都采用气枪阵列组合。依据不同容积的气枪其气泡周期存在差别的特性，把确定容积的气枪按照设计好的位置进行布置，实现各枪输出的主脉冲叠加，气泡脉冲互相抑制，从而实现提高能量及气枪子波品质，减少气泡振荡的目的，组合后输出子波及频谱特性良好的组合为组合枪。而目前海洋勘探经常采用相干组合与调谐组合[1]。目前对气枪阵列的设计，主要有以下两种。

一是依据已经成熟的气枪阵列组合理论公式，进行计算机编程设计，形成专用的气枪阵列的计算机软件，并在计算机中设置好气枪阵列中各把枪的容量，并模拟出气枪阵列的子波。然后，对理论设计好的气枪阵列进行海上拖曳放炮试验，将实际测出的气枪阵列的子波与计算机软件模拟的子波进行对比，如果两者相似，则说明重新设计的气枪阵列是可用的，否则要重新调整设计参数[2]。

二是采用类比法。类比法是在已经通过试验验证，对确定可用的气枪阵列进行部分调整。比如：已知一个气枪阵列为：2×（200+150+120+ 100+80+60），其总容量为0.023 m3共12把枪，如图2所示。则可运用类比法设计成以下一个新的阵列：2×（2×100+2×75+120+2×50+2×40+60），该阵列共20把枪，此次气枪阵列的调整，从总容量上来看未发生变化，但其采用了8组相干枪取代了原有的6个大容量枪，从而使主脉冲和气泡比都有了显著提高，有利于数据分析。

图2 气枪阵列排列图

3 影响气枪阵列激发效果的因素

（1）气枪同步的影响

国际上通用的气枪同步标准是：在常规地震勘探时，气枪的同步误差的绝对值小于或等于1 ms，在进行高分辨勘探时，同步误差的指标为±0.3～±0.5 ms，无论是常规勘探还是高分辨勘探，小于同步误差的泡数都不能低于95%。如果气枪不同步，会严重影响气枪的子波和频谱，因为在设计气枪阵列时，是在考虑气枪同步的条件下使各枪主脉冲恰好叠加，而气泡脉冲相互抵消。严重时可能会产生废泡[3]。

（2）气泡半径

在气枪阵列中，各组气枪产生的气泡脉冲会相互作用，这将导致气泡脉冲振幅得到一定的衰减，所以有必要使其降低至一个可以忽略的量级。经试验验证得出各组气枪之间的距离，必须大于等于10倍气泡平衡半径才能满足要求。

（3）供气压力

气枪结构尺寸一定，受力情况的分配一定，气枪的稳定工作就有一个压力范围。随着压力降低，气枪则容易失稳。而且随着供气压力的变化，需要调节气枪主控电磁阀的导通气流时间，以获得合适的激发气枪的送气量(或压力)，使气枪稳定工作。气枪压力升高后，频谱中低频输出增加，峰-峰值升高，气泡比增加。故压力升高后，气枪子波品质变好，穿透力增加。

（4）主控电磁阀的选配

不同型号的电磁阀，对气枪的控制效果不同。因为激发气枪的气动力随电磁阀的不同而不同，致使气枪工作的稳定性和气枪耗气量，都有一定的影响。气枪如用的二位二通电磁阀，其激发气枪时的导通时间对气枪工作稳定情况很大。如果进一步合理选用二位三通或二位四通电磁阀，对改善气枪性能是有好处的。

（5）气枪阵列耗气系数

气枪阵列耗气系数：气枪阵列实际用气量与气枪阵列公称用气量之比值。从单把气枪(bolt型气枪)的结构形式看出，储气室和上气室是通过活塞杆中心孔相通的，而在整个工作过程中，又是始终与气源相通。这种气枪的这一特点，致使气枪在高压下工作耗气系数明显增加，低压时则小。此种现象，已有试验数据证实。而且试验中还可看到，当气压很低时，由于气枪储气室的气体释放不彻底，而造成气枪耗气系数小于1，此时气枪能量没有完全释放，被视为是一种特殊情况。同样从单把气枪结构可看出，当气枪排气口从打开到关闭的整个时间里气枪所有气室连同气源都是与外界畅通的，因此，气枪阵列的耗气系数对气枪阵列的激发效果有较大的影响。

（6）气枪容量

是描述气枪大小，能量强弱的指标，而针对气枪阵列，气枪容量是指所有气枪容量的总和；

（7）延迟时间

是指从电磁阀开启到高压气体释放到水中的时间间隔；

影响气枪阵列激发效果的因素还有气枪阵沉放深度、控制器及充气时间等，这里不再详细叙述。

4 气枪阵列的悬挂方式

气枪阵列在水中的布置方式主要有两种：一种是船尾后拖式，另一种是船体两侧侧吊式。船尾后拖式如图1所示。这种方式主要是将气枪阵列安装在拖缆上，并要保证拖缆在水下一定深度，以达到最佳的勘探效果。船体两侧侧吊式如图3所示[4]。

图3 气枪阵列船体两侧侧吊式示意图

当气枪阵列在靠近岸边浅水区进行试验时，以如图3所示的方式进行试验较合适；其中船体两侧气枪阵列的距离L、船体同侧两气枪阵列的距离H及气枪阵列中两枪之间的间距d都需要在进行试验时先进行理论计算，以得出最佳的取值。然后在试验中进行验证及修改。

5 气枪阵列在海洋地震勘探中的应用

气枪阵列是目前海上地震勘探中应用最广泛的海上震源。气枪阵列具有绿色环保、高精度、可重复、经济适用、结构简单、维修方便、寿命长、性能稳定、自动化程度高、同步性好等诸多优点，其已占海上震源的95%以上。目前在国内，气枪阵列的运用主要是在石油勘探上，如果水深大于3 m，一般选用气枪作为勘探震源。石油勘探要求气枪激发高频率的气枪信号，高分辨率探测浅部海洋地壳的结构。倘若进行远距离的探测深部地壳甚至是上地幔的结构，则根据高频信号的易衰减性的理论，若想在远距离处，接收到气枪信号，并进行深部探测，就必须让气枪激发出低频信号。同时，因为垂直穿透深，水平传播距离远，必须要求气枪激发的信号能量足够大，所以，要求得到能激发低频高能的气枪阵列，作为海洋地震勘探的手段和方法，而大容量的气枪阵列能够满足要求，这也是气枪阵列的一个发展方向[5]。

6 结论

以气枪阵列作为海洋地震勘探的人工震源，主动探测深部地下结构，能获得海量的数据，来解决天然地震的有限而使研究区域的数据覆盖不够等问题。本文针对气枪阵列的设计进行了说明，并对影响气枪阵列激发效果的因素进行了详细分析，同时提出了两种气枪阵列的悬挂方式，对基于气枪阵列的海洋地震勘探研究提供了参考。

［1］赵秀鹏.海洋气枪震源组合及子波模拟［J］.油气地质与采收率，2004，11（4）：36-38.

［2］狄帮让，唐博文，陈浩林，等.气枪震源的理论子波研究.石油大学学报：自然科学版，2003，27（5）：32-35.

［3］大港油田科技丛书编委会.地震勘探资料采集技术［M］.北京：石油工业出版社，1999.

［4］於国平，姜海.将浅水钻井船改造成浅水小型气枪震源船［J］.物探装备，2005，15（3）：153-155.

［5］罗桂纯，王宝善，葛洪魁，等.气枪震源在地球深部结构探测中的应用研究进展［J］.地球物理学进展，2006，21（2）：400-407.

Research on Ocean Seismic Prospecting Based on the Air Gun Array

ZENG Jun-cai
（Yichang Testing Technique Research Institute，Yichang 443003，China）

The paper simply explained the work principles of Ocean Seismic Prospecting，advanced two design methods about air gun array,and particular description of the ways.Then emphases expatiate some influence factors of the fire effect for air gun array,it can provide reference for the design of air gun array and explain the hanging ways of the air gun array.

air gun array；hanging ways；ocean seismic

P715

A

1009－9492(2014)03－0030－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.009

曾军财，男，1980年生，江西赣州人，硕士，工程师。研究领域：海洋环境监测及地质勘探。

(编辑：阮 毅)

2013－09－03