地震探测是识别天然气水合物的重要手段，它具有探测深度大，勘探精度高等优点（杜立志等，2019）。早期的天然气水合物勘探，主要通过二维地震探测发现天然气水合物的地震异常现象，后来发展到利用三维地震勘探获取地质信息。随着勘探程度的深入，为了探测天然气水合物矿体的产状和内部结构，从而准确圈定天然气水合物矿体，估算其储量，优选钻探目标，高分辨率三维地震勘探成为天然气水合物勘探的主要技术手段（周大森等，2022）。

美国最早在墨西哥湾的布莱克海台通过地震调查发现了似海底反射（bottom simulating reflection，BSR）现象，随后的大洋钻探证实了该地区海底天然气水合物的存在，同时也证明了地震调查方法是获得天然气水合物存在的有效手段（Markl et al.，1970；Shipley et al.，1979；Holbrook et al.，1996；Hornbach et al.，2008）。此后，德国、比利时、俄罗斯、加拿大和英国等国在黑海、贝加尔湖、卡斯卡底亚大陆边缘等地相继开展的天然气水合物的调查与研究，并且无一例外地都使用了地震调查手段，获得了显著的成果（Hyndman et al.，1992；Hobro et al.，1998；Riedel et al.，1998；Rensbergen et al.，2002；Popescu et al.，2007）。日本由财务省和经济产业省主持日本的海域天然气水合物的勘探和开发工作，在日本南海海槽进行了大量的高分辨率三维地震勘探（Nagakubo et al.，2007；Seaki et al.，2009；Otsuka et al.，2015）。其采用探测系统包括一对调谐气枪阵列，单个枪阵的容量为1158 in³（1 in=2.54 cm），采用8条192道地震拖缆，道间距12.5 m，拖缆间距100 m。

自1999年以来，我国相继在西沙海槽、东沙群岛、神狐海域和琼东南海域开展了天然气水合物调查及研究工作。中国地质调查局采用地震探测技术，在南海西沙海槽区开展天然气水合物前期试验性调查，取得突破性进展，首次在我国海域发现天然气水合物存在的地震标志BSR。2007年5月，中国地质调查局在南海神狐海域3个站位钻获天然气水合物实物样品。2005~2009年，中国地质调查局广州海洋地质调查局“奋斗四号”地震调查船多次在中国南海北部神狐海域进行的多道地震采集（伍忠良等，2011；孙运宝等，2013；张光学等，2014）。采用的多道地震系统为单缆道间距12.5 m，记录道数192~240道。激发震源采用BOLT或GI枪组成的枪阵，其峰值能量频带宽度在50~120 Hz之间，枪阵总容量为160~550 in³。

目前，高精度三维地震探测装备及相应资料处理解释技术方法，在国内外仍处于研发初步应用阶段。我国具备较强研究基础，为适应我国天然气水合物精细勘察的迫切需求，发展拥有自主产权的装置和核心技术是当务之急。中国地质调查局广州海洋地质调查局联合多家单位依托科技部战略性国际科技创新合作专项，针对我国水合物产业化高精度三维地震勘探的需要，历时三年研究开发了一套针对水合物高精度勘探的小三维地震拖缆采集系统，通过制造多阵元压电探测拖缆及相关设备，对海洋地震信号进行采集、存储、显示及处理。本文研究通过开发船上采集记录系统、实时记录软件、水下数字包和数据传输技术，掌握了短拖缆长度、窄道间距（3.125 m）、窄缆间距（50 m）的地高精度小三维地震采集技术，突破了微弱信号调理与采集、高可靠性的地震数据传输和线阵列波形信息回放等关键技术，形成了数字缆总道数192道、道间距3.125 m、4缆采集的高精度小三维地震采集系统。

1 高精度小三维地震采集系统

本文研发的天然气水合物高精度小三维地震采集系统由船上采集系统、甲板设备和水下设备组成。船上采集系统由工控机、拖缆供电单元、记录系统、辅助机箱、系统控制软件和数据回放软件组成（图1a）；甲板设备包括甲板电缆、前导段、接线箱等；水下设备主要包括水下湿端光电转换舱、水上干端光电转换舱、头包（集总模块和转发模块）、水下电缆数字包、拖缆弹性段和工作段、横向跨接缆（图1b）。

高精度小三维地震采集系统采用了一种单前导段多工作电缆的水下工作结构，该结构只有1个前导段，在每条工作段最前端增加了1个转发节点。在信号采集方面，沿用采集模块与传输模块同水听器通道分离的方式，1个采集节点接收多通道的水听器模拟信号，降低了系统中采集节点的数量。在数据传输方面，采集模块完成数据采集后，传输模块对多通道数据组帧后上传，转发节点将整条工作段的数据转发至前一级转发节点上传，通过单根前导段上传至记录系统。该结构所布放的工作电缆数量受船上设施限制较小，具有较强的扩展性及灵活性，且继承了多前导段多工作段多通道水听器勘探结构的优点；只保留1条前导段，解决了多前导段在近勘探船位置缠绕的问题；同时单前导段也为震源系统的布放留出了充足的空间，满足小三维地震采集系统的目标需求。此外，从工程成本上考虑，单前导段也减少了系统的制造成本。

1.1 船上采集系统

船上采集系统包括电源系统、导航系统、记录系统和工控机等（图1a）。电源系统为其他系统供电，导航系统提供勘探船的位置信息，记录系统和工控机一方面下传同步和命令信息，另一方面接收上传的数据信息和状态信息。记录系统软件包括系统控制软件和数据回显软件。系统控制软件的功能主要包括系统参数设置、系统状态显示、系统自检功能、系统采集功能、数据存储功能和数据实时显示功能。数据回显软件的功能是读取存储的采集数据，回显采集数据的波形。船上采集系统结构如图2所示。

1.2 水下拖缆

海洋地震勘探采集过程中，震源激发产生的地震波经过地层反射后返回到海面，由放置在船尾的地震拖缆接收。海上地震数字拖缆是为记录地震波专门设计的一种精密的电子仪器装置，负责地震波信号的采集，信号处理和传输等功能，它的性能好坏直接影响地震记录的质量（徐华宁等，2009；张旭东等，2015）。

高精度小三维地震采集系统水下拖缆结构示意图如图1b所示。它是由一条前导段连接一条横向跨接缆，跨接缆垂直于调查船航行方向拖动，为4条活动拖缆段提供动力及通讯，并减少了直接从地震船拖动所有拖缆的需要。拖缆间距50 m，每缆总长150 m，水听器通道的间距为3.125 m，工作段分为4小段，每小段上有12路水听器。工作段内部有电源线、传输线和水听器信号线。转发节点之间为跨接缆，内部没有水听器通道，只有电源线和传输线，跨接缆的长度为50 m。

1.3 数字包

拖缆工作段中的数字包负责地震数据的采集和传输，是整个拖缆系统稳定工作的关键。数字包主要包括采集电路模块、传输电路模块，共包含24路采集通道，每个通道包括一个32位的模拟-数字转换器，用于采集水听器所接收的地震模拟信号，并对信号进行滤波和放大、数字化转换等工作。在采集工作开始后，数字包采集前后拖缆工作段内水听器所感知的地震反射信号，将所采集的地震数据发送至上位工作节点。除实现数据及传输采集功能外，数字包还具备状态监测及系统自检功能，检测内容主要包括：静态噪声、直流偏置、通道串扰、总谐波失真、水听器漏阻、增益误差、脉冲响应等，监测状态参数主要包括：温度、气压、电压、电流。

1.4 头部数字包

头部数字包按照其位置及功能可分为转发模块A、转发模块B及集总模块。集总模块主要用于接收转发模块B、转发模块A所对应数字包的地震数据以及本身对应的数字包的地震数据，然后将数据以流水线的方式经水下湿端光电转换舱、水上干端光电转换舱依次传输至记录系统，最终传输至工控机。除数据传输功能外，头部数字包还具备自身温度、气压、电压、电流等自身状态监测功能。

2 高精度小三维地震采集观测系统设计

根据整体勘探目标需求，通过对综合导航系统、PCS电缆深度控制系统等进行适应性设计及优化，利用RGPS、声学鸟、罗盘鸟等定位测量设备和间距绳、缰绳等间距控制设备以及扩展器等船载设备，实现缆源位置实时定位监控和距离控制，设计并优化小三维地震观测系统。采集观测系统组合参数包括拖缆横向间距、震源间距、震源数量、激发间隔、面元覆盖次数、叠加响应效果等。与常规三维地震相比，小三维地震采集观测系统接收电缆的长度、道间距、缆间距更短。

2.1 观测系统基本参数的确定

经测试，导航触发模式下气枪控制系统和PCS缆源跟踪定位系统能够稳定运行的最小炮间距为12.5 m，小三维地震采集电缆单缆长度仅为150 m，为了尽可能增加覆盖次数，保证采集数据质量，选择双源交替放炮进行采集作业，面元覆盖次数为6次。双源四缆的采集模式下，为避免单次采集的面元出现“空白区带”现象，必须满足拖缆横向间距至少为震源间距的2倍，且采集面元大小与电缆间距、震源间距成正比。从野外实施的难易程度来说，更大的电缆横向间距一方面可以降低电缆缠绕风险，提高操作可行性，另一方面可以提高野外施工效率；而野外采集的横向分辨率又与面元尺寸大小成反比，要达到清晰成像效果，意味着小三维地震采集面元要尽可能小，两方面因素相互制约。对此，对不同观测系统基本参数进行对比假设。假设50 km²的三维地震采集目标长为10 km，宽为5 km，不同观测系统参数对比结果如表1所示。

结合表1，综合考虑2500 m以上水深，300 m以浅地层清晰成像要求以及施工难度、效率、水下设备安全，提出了双源四缆采集观测参数组合（表2）。基于船载支撑设备的小三维水下设备拖带扩展见图3。

2.2 缆源深度组合的叠加响应

在常规三维采集中，采用气枪阵列作为震源，地震资料主频在5~50 Hz范围内，合理的电缆及震源的沉放深度组合，可以降低海水面的虚反射（鬼波效应）影响。本文采用545 in³ GII枪组合震源，因海水中的声波速度基本在1500 m/s左右，变化不大，致使接收的反射信号不可避免受到的虚反射的多次影响。经过缆源深度模拟（图4）可以发现，震源深度为2~3 m时，200 Hz以下不同缆深的陷波形态基本一致，随着震源沉放深度继续加深，陷波点逐渐向低频移动，因此进行缆源深度组合时，可以保持震源沉放深度2~3 m；震源沉放深度一定时，电缆沉放深度越浅，在频带范围内的陷波点个数越少，但也越容易受到海流、海浪等外界干扰影响，导致地震资料信噪比不佳，因此选择根据作业现场海况及噪音情况在2~6 m范围内选择电缆沉放深度。

3 应用示范

为了验证高精度小三维地震采集系统的稳定性和工作效率，在南海北部海域实施了满覆盖50 km² 的三维地震作业，三维地震作业工作时长32天，资料合格率和废炮率都达到规范要求。作业参数如表3所示。图5为高精度小三维地震采集系统采集的处理后的三维地震数据和常规三维地震数据的对比。从地震剖面对比图中可以看到高精度小三维地震采集系统采集的数据处理结果的分辨率显著高于常规三维资料，地层信息丰富，反射界面的小尺度变化也更突出。国外用于天然气水合物研究的P-Cable高分辨率三维系统的排列更短，工作区的水深通常小于1300 m。本文研究的高精度小三维地震采集系统成果资料目的层的频率范围为10~300 Hz，最大为10~400 Hz，主频大致在120~170 Hz之间。深水小三维工区的水深大致为1500~1800 m，目的层频率范围达10~390 Hz，主频最高可达200 Hz，表现出更优的纵向分辨率，有利于精细刻画小尺度地质体（图6）。

4 结论

随着天然气水合物勘探开发产业化进程的推进，常规的地震勘探系统在纵、横向分辨率上无法满足矿体高精度探测的要求，严重影响了天然气水合物勘探开发效率，进而制约了天然气水合物勘探开发的产业化进程。本文介绍了天然气水合物高精度小三维地震采集技术的研究，重点介绍了高精度小三维地震采集系统、高精度小三维地震采集观测系统设计、50 km² 的三维地震应用示范。通过与常规三维地震资料对比，说明了自研的小三维地震系统采集的地震资料具有更高的空间采样率，叠加剖面在横向、纵向分辨率上都有显著提升，成像效果清晰。通过在生产工区进行三维地震作业开展示范应用说明了该系统在采集质量和实用性上已经满足高精度三维地震勘探的需要。

天然气水合物高精度小三维地震采集技术突破了常规三维地震数据采集传输以及水下设备扩展拖带模式，实现多缆数据水下整合后单路传输，大幅拓展三维地震船带缆数量和调查能力。受研发经费、时间等因素制约，天然气水合物高精度小三维地震勘探系统只配备了4条电缆，未能完全发挥出该系统作业成本低、调查精度高、施工快速灵活的特点。未来可根据生产需求扩充拖带的电缆数量，将其优势发挥到最大，最终为服务天然气水合物精准勘探、快速钻探及关键科学参数获取、水合物高效开采提供装备技术支撑。

（a）—国外P-Cable地震原始剖面及其频谱（Bellwald et al.，2019）；（b）—国外P-Cable处理成果剖面及其频谱（Bellwald et al.，2019）；（c）—国外P-Cable处理成果剖面及其频谱（Bünz et al.，2012）；（d）—小三维处理成果剖面及其频谱

(a) —the P-Cable original seismic profile and its spectrum in foreign countries (Bellwald et al., 2019) ; (b) —the P-Cable processing results profile and spectrum in foreign countries (Bellwald et al., 2019) ; (c) —the P-Cable processing results profile and spectrum in foreign countries (Bünz et al., 2012) ; (d) —small 3D seismic processing results profile and spectrum

参考文献