應對當今地震勘探需求與挑戰的高精度可控震源
該文來自即將在中文期刊《天然氣勘探與開發》2018年第3期（9月25日）正式刊出。作者為中國石油集團東方地球物理公司陶知非，敬請關注！
引言
地球物理勘探技術是目前尋找地下地質目標的一種有效的科學研究手段。早期地震勘探採用的主動震源激發技術主要是應用炸藥，但隨著社會的發展與進步，炸藥源在應用中的一些弊端逐漸顯露出來。
可控震源技術源於20世紀50年代，1975年開始進入大規模工業化生產，初步解決了地震作業中如何實現低公害、高效、安全環保作業的難題。但是，由於可控震源採用連續信號激發與炸藥震源採用脈衝信號激發在信號特徵上的顯著區別，提高可控震源的激發信號頻寬與改善地震激發信號的信噪比，一直是全球業內技術人員努力攻克的難題。
可控震源的激發能量從早期16000磅級逐步發展到51000磅級，隨著60000磅級的大噸位可控震源出現，地球物理工作者彷彿認識到提高激發信號能量的重要性，於是在野外應用中出現了多達8-10台的60 000磅級震源的強組合激發方式，很快超過80 000磅級的更大激發能級的震源也橫空出世，但是，實際效果並未朝人們希望的方向發展，原本寄希望大噸位震源能夠提高信噪比，實現高解析度地震勘探效果，卻發現大噸位震源在激發高頻信號時反而缺失高頻能量，更要命的是這種超大噸位的震源在性價比上出現了嚴重失配，表現為：在複雜地區的應用靈活性受到極大限制，且還在運輸過程中受到超重限制。越來越多的人開始意識到這樣的投入有點費力不討好，於是80 000磅級的超級可控震源應用陷入尷尬境地……此時人們轉身看到了正在逐漸變熱的低頻震源市場，進而宣傳大噸位震源在低頻激發中的優勢，其實這更是錯覺！
之前多數人一度認為提高地震資料的解析度必須依靠高頻地震信息，所以提高高頻成分成為地震數據採集的努力方向，甚至一度使用60 Hz的地震檢波器應用於地震數據採集，只接收高頻地震信號。實際採集過程中還面臨一個特別糾結的問題：不使用震檢組合就無法提高接收信號的信噪比，而使用震檢組合就會壓制高頻信號的接收。隨著疊前偏移處理技術概念的明晰，基於疊前偏移概念的觀測系統設計深入人心，越來越多的人們意識到提高偏移孔徑內的炮檢對密度對改善地震資料品質的重要性，即相對於提高激發能量，提高偏移孔徑內的炮檢對密度對改善地震資料品質更重要。更多的業內人士已經意識到不應該單純追求可控震源的激發能級，而是應該如何改善可控震源的激發信噪比及改善可控震源激發信號的頻帶寬度，以期解決地震信號對地質目標的分辨能力。目前在國內外油氣勘探應用中的點激發、點接收成為現代地震採集技術的主流。
中國石油勘探院姚逢昌教授說過：地震波阻抗反演是高分率地震資料處理的最終表達方式。因此，提高反演的精度才是最終的目標。早期地震反演的方法主要靠井約束，從井中提取低頻信息與地震信息相融合，以降低地震資料解釋的多解性，其核心就是補充低頻地震信息。所以，如何得到豐富的低頻有效信息成為地震採集的關鍵，也是當今最具有挑戰性的科學問題。
1高精度模型控制技術
高精度可控震源蘊含著高精度模型控制技術。可控震源激發信號的畸變水平與激發能級有關，而激發信號的品質無疑也與激發信號的畸變水平有關。隨著激發能量的增加，激發源輸出信號的畸變水平也隨之增加。因此，如何控制輸出信號畸變的增長成為可控震源設計的難題，也是後期應用可控震源地震資料來提高複雜區地震成像的主要研究方向。
為解決這一問題，東方物探的可控震源研究團隊從2003年開始啟動「低畸變KZ28型大噸位可控震源」重點科研項目，從制約可控震源輸出信號頻寬的瓶頸問題出發，先後研發設計了降低重力影響的橫置伺服閥、降低震動器對激發介質影響的等張力平板提升機構、降低震動機構晃動的低重心振動器結構、提高/改善與地面耦合效果的四導柱壓載結構及改善矩形板邊角干涉的圓角平板，通過這些綜合技術手段來調整振動信號在激發過程中的約束條件，使振動器在激發信號上的輸出畸變水平不斷得到改善。
但是，隨著可控震源激發信號頻寬的不斷拓展，輸出信號的畸變問題已經影響到對信號質量的評價，特別是在高、低頻段畸變的非線性因素仍然存在，而可控震源激發信號頻帶寬度超過120 Hz或低頻低於6 Hz時，由於可控震源機械系統非線性因素導致的畸變極大地制約了地震勘探信號激發頻帶的應用。
為此，在高精度可控震源的研發中，團隊技術人員根據可控震源在激發信號過程中的運動學模型和近地表的土壤動力學模型，嘗試用變阻尼的方式降低低頻固有頻率對激發信號低頻端的擾動影響，提高低頻地震信號激發過程中的穩定性，使低頻地震信號的有效成分得到明顯改善，當今最新EV56型高精度可控震源車實現了從低頻（1.5Hz）到高頻（160Hz）地震掃描信號的線性化（圖1）。
圖1 東方地球物理勘探公司EV56型高精度可控震源車圖片
低頻地震技術的出現，是40多年來現代可控震源技術發展（1975年-）里程碑式的標誌。在隨後的一段應用時間裡，低頻信號對深部目標體成像效果的改善得到了業內極大認可（圖2）。但是，這種改善還只是一種伴生效應，不是低頻技術追求的終極目標。因此，初期總有一些人士質疑低頻地震技術提高地質目標成像的能力。
a.炸藥激發b.低頻可控震源激發
圖2國內西部沙漠腹地深部成像效果對比圖
隨後高精度可控震源技術的出現，又讓很多人迷惑不解：高精度震源是低頻震源嗎？為什麼不直接說是寬頻震源？這些問題的出現，都說明的確還有一些技術概念需要及時澄清，以有利於可控震源事業的健康發展。
1）地球物理技術發展對信號的要求
現代地球物理勘探技術實際上是通過對地下各種反射信息的檢測接收與處理辨識，提供地下地質構造與岩性信息的科學手段。有源主動激發地震信號的方法是這種技術手段的基礎，而對信號的綜合激發、接收、處理、解釋的水平則代表解決複雜地質問題的能力。傳統的反射地震學得到的數據並不能直接解決油氣發現問題，需要加入地質概念與地質家的經驗。但低頻伴影現象[2]的發現及應用低頻進行流體檢測技術的出現[3]，卻證實了低頻現象確實與油氣的聚集有關聯性。
即便如此，片面地把可控震源未來技術的發展限定在頻帶寬度上是對這項技術的誤解。
2）地震反演及深部探測對低頻的需求
2009年東方地球物理公司在內蒙與荷蘭皇家殼牌公司（SHELL）利用東方地球物理公司自主研發的第1代低頻可控震源LFV1合作開展低頻地震數據採集試驗，是低頻可控震源地震技術在全球首次大規模工業性應用。其地質應用效果非常令人鼓舞，在地震反演處理中使用1.5～4 Hz低頻信號開展了一系列測試，結果表明，低頻地震絕對波阻抗數據的低頻構成部分與常規反演的低頻模型相比發生了結構性的變化（圖3），其1.5～10 Hz使用的是採集到的地震低頻信息，只有極低頻（小於1.5HZ）部分使用測井模型，合成的低頻模型更加接近真實地下岩性體分布情況，空間解析度得到很大程度提高。低頻地震數據的融入降低了反演對井資料的依賴度，提高了地震反演的精度，降低了多解性。地震低頻信息在地震反演中為改善速度模型的精度與反演效率發揮了決定性作用，SHELL公司反演專家René-EdouardPlessix總結說：1.5 Hz信息對反演速度模型的精度具有決定性意義[4]。
圖3測井插值低頻與地震低頻模型對比圖
2015年，中國科學院陳顒院士主持的長江計劃項目先導試驗，使用東方公司的863可控震源採用低頻地震技術在「郯廬」大斷裂附近開展了對莫霍面（-42 km）的研究，南方科技大學張偉教授課題組展示的最終處理成果看到了滿意的效果[5]。
因此，有效的低頻信息是地球物理研究工作的基礎，也是寬頻概念的基礎，沒有低頻有效信號，就沒有足夠寬頻帶（5個倍頻程以上）的有效接收信息，也就不可能實現油公司所期待的地質效果。
3）高精度探測對信號精度與頻寬的需求
如何提高地震信號的精度一直是困擾工程人員的難題，究竟有哪些因素影響了地震信號的精度，也是人們一直爭論不休的話題。但應用地震技術實現對目標的探測與信號的精度及信號的頻帶寬度確實有直接關係。激發信號的精度越高，越有利於接收到信號的保真度，或者說二者之間的相似度（相關性）越高，對弱信號的識別能力就越強；頻帶越寬，子波的分辨能力就越高；低頻信息越豐富，地震反演的準確性越好。理論上，這些都有助於提高對地震數據的處理與解釋精度。因此提高地震探測信號的精度，更多的是要減少信號在傳遞過程中的頻率/能量損失。
4）淺層探測對低頻的需求
淺層探測對高頻信號的需求是眾所周知的。但是，高頻信號究竟能高到多少？目前看還有許多疑問，特別是怎麼合理解決高頻信號的信噪比問題，才是擴展高頻，滿足淺層探測應用的關鍵。同時，淺層探測也不可以忽視低頻的作用，往往淺表層會覆蓋一些高速（夾）層，如溢流相火山岩或膏岩，如果沒有低頻信號，就很難得到好的下覆地層目標成像效果（圖4）。因此，低頻是寬頻的基礎，穩定的低頻才能保證複雜目標的正確成像。高精度可控震源在低頻的穩定性與寬頻這2個重要指標上具有突出優勢，使得歷年在淺表層為火成岩地區採用各種激發、觀測手段攻關都難以見效的難題得到破解。
圖4不同震源在淺表層火成岩對下覆目標的成像對比圖
2地震信號激發技術面臨的挑戰
2.1低頻瓶頸
未來低頻能做到多低？經濟技術性價比如何做到最優？
低頻可控震源定義的低頻是指：①全流量下的低頻；②使用線性函數實現的低頻信號；③地面或井下可直接探測的有效信息，而不是設計信號。
之前在低頻地震技術應用中失誤的一些項目中，普遍反映地震數據（體）中的有效低頻信息表現出時有時無的現象。從這個定義的角度出發，筆者認為之前一些地震採集項目對低頻的應用存在投機性，可能這些低頻信息的能量在激發設計時就不夠，含有太多的非線性因素並引發較大的輸出信號畸變。常規可控震源的系統結構對低頻的響應較差或大地對激發類似的低頻信號幾乎無響應，而質量控制又看不到最關鍵的～0.5 s的監控數據，因此應用效果才顯示時靈時不靈。
目前看，可控震源的線性低頻激發能做到1.5 Hz是個坎（挑戰），也是個門檻。這是現代可控震源系統結構決定的。筆者團隊在研究低頻信號的激發與檢測中做過更深入的探索，研究表明深入下去的成本非常高，可能無法令應用層面接受。
2.2 高頻瓶頸
未來影響高頻拓展的因素主要有哪些？從可控震源激發的角度看，拓展高頻與延展低頻是一個相當糾結的矛盾。當低頻確定後，實際上就限定了高頻的拓展。
前期研究中，當3 Hz低頻確定後，高頻一度掉到80 Hz才能實現穩定。目前的研究結果可以實現高頻穩定在140 Hz，更高的拓展研究還在進行中，難度與挑戰相當大。
2.3 信號精度瓶頸
地球物理勘探技術已從早些年的高解析度勘探、高密度勘探發展到今日的高精度勘探。但之前從未聽說過高精度可控震源，許多專業公司強調的都是寬頻可控震源。而東方地球物理公司的研發人員在國家「十二五」的863計劃中提出了高精度可控震源技術的概念，這個概念的提出早於高精度勘探概念的出台（國家「十三五」期間的一些項目設計就是基於高精度勘探的概念）。從這個角度看，高精度可控震源概念比寬頻可控震源概念涵蓋的範圍更廣，且更準確。
高精度可控震源必須要有高精度的地震信號源和寬頻（6個倍頻程的信號能力）可控震源。前者說的是信號的品質，後者說的是信號頻寬，二者對高精度概念的描述充分且必要。前期的潛心研究通過對可控震源結構的重構，使其信號品質實現了歷史性突破，輸出信號畸變水平平均降低10%，而拓展頻寬問題也得到了極大改進，有效頻寬達到了1.5～160 Hz（6.737 Oct）。
未來影響地震激發信號精度的瓶頸還是在於對信號品質的提升，降低信號在傳輸過程中的信號頻寬、信號能量的沿程損失與頻率及相位的沿程畸變。
2.4 信號辨識度瓶頸
信號辨識度瓶頸也即信噪比、相似度與處理方法的關聯性問題。可控震源產生的信號與地震信號中的其它主要信號相比，輸出與檢測到的信號相似性較高。在之前的應用中，可控震源的能量可以採用多台同步組合與垂直疊加技術來增加下傳信號的能量。但是，可控震源激發的地震信號也存在致命的問題，即信噪比不高。因此可控震源信號的辨識度不高！換言之，受可控震源信號辨識度的影響，或受當前地震信號信噪分離處理技術的限制，可控震源信號在解決深部地質目標成像的過程中會受到極大的制約，這也是未來深部地震勘探在是否選擇可控震源（低頻）技術時的糾結之處。
相比之下，一些設備的發射功率非常小（mW～W級），但能夠接收的距離卻非常遠（≥100 km），這裡面就涉及到信號編碼與信號處理方法上的不同，也是未來研究的工作重點。
2.5 激發能量瓶頸
可控震源的激發存在能量瓶頸問題嗎？答案是肯定的。而且制約可控震源激發能量的瓶頸是多方面形成的綜合效果。對於從事物探工作的地球物理工作者而言，地震激發作業過程中炸藥的藥量肯定不是越大越好，大藥量與小藥量的激發作用明顯不同，因此不同的勘探目標、不同的地區、不同的井深對藥量的使用是有比較科學和嚴格的界定的[6]；另外，大藥量帶來的作業成本與HSE風險的增加也是人所共知的，因此，使用炸藥震源激發是有局限性的。
可控震源的應用領域卻不斷地要求提高激發能量，原因有3點：①處理技術沒能滿足對類似可控震源類的相關信號的處理要求；②資源不夠，無法實現成像需要的觀測方式設計，只能用提高激發能量的方式來彌補，而這種空間採樣不足，恰恰是彌補不了的；③由於對相關技術缺乏信心，企圖用一些極限參數做擋箭牌。其實，震源組合是最傷信號帶寬的能量強化方法，也是最容易帶來混波效應的方法，參見圖5。
圖5震源組合帶來的混波效應對比圖
3 結束語
高精度可控震源的出現，為地球物理應用帶來新的感受：原來真的可以採用點激發來實現深部探測。未來可控震源地震信號的激發不僅僅需要解決高頻激發的問題，更要解決低頻激發的穩定性問題。因此，高精度可控震源不是簡單的寬頻可控震源，而是涵蓋了2個概念：①高精度可控震源模型控制；②寬頻地震信號的激發。
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