1、本科毕业论文（20 届）浅海环境下气枪震源激发的优化研究所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录摘要 .IABSTRACT .II引言 .11.气枪简介 .31.1 气枪震源的发展 .31.2 气枪工作原理 .31.3 气枪震源的优势 .42.水库试验简介 .53.试验数据处理及气枪信号特征分析 .63.1 沉放深度对气枪激发信号的影响 .73.1.1 沉放深度对压力脉冲频率的影响 .83.1.2 沉放深度对气泡脉冲频率的影响 .93.1.3 沉放深度对振幅的影响 .103.2 工作压力对气枪激发信号的影响 .114.气枪对浅海海洋生物的影响 .1
2、34.1 室内实验 .135.讨论 .165.1 理论分析 .165.2 优化方案的提出 .176.结论 .19参考文献 .20致谢 .22I浅海环境下气枪震源激发的优化研究摘要气枪震源是一种新兴、环保、绿色的人工震源，在寻找油气资源、探测地下结构等，有着重要的意义和应用前景。为了进一步提高浅海环境下气枪震源激发的效果，本文对18m水深环境下单枪容量为2000in 3的气枪震源激发信号特征及其与激发条件之间的依赖关系进行了研究，气枪震源沉放深度范围为5至11m ，工作压力10MPa或15MPa，距离气枪激发点水平距离50m、深8m位置布置水听器（采样率200Hz，频带50Hz-40kHz）记录
3、下其近场子波数据。利用MATLAB对水库试验记录数据进行了处理，并绘制了波形图、相关系数图、PSD 图等。此外还研究了气枪震源激发信号对浅海海洋生物的影响。在分析图像的基础上，得出以下结论：（1）沉放深度对气泡脉冲影响大，对压力脉冲影响小；（2）压力脉冲低频信号的主频（9Hz）和高频优势频带（50-80Hz）随着深度的变化始终保持不变；（ 3）当沉放深度越浅，对气泡脉冲而言，其能量快速降低，气泡的振荡效应越弱；（4）工作压力越高，气枪激发的压力脉冲能量越大。综合以上的讨论，我们从定性的角度上提出以下优化方案：（1）降低气枪的沉放深度，以此来抑制气泡振荡，从而提高地震数据的分辨率，并且频带变宽，
4、频谱中的高频效果变好；（2）增大气枪的工作压力，使得压力脉冲加强，子波总能量增大，因此增强了其穿透能力。关键词：浅海；气枪震源；沉放深度；工作压力IIAn optimization study on air-gun source excitation in shallow waterAbstractAir-gun source is a new,environmentally friendly and green artificial source,which has important meaning and application to search for hydrocarbon res
5、ourcess and detect underground structures.To further enhance the effect of air-gun source excitation in shallow water, this paper studies the stimulation signal feature in a submarine environment of 18 m depth and the dependencies between signal feature and stimulate conditions, of the air-gun with
6、a single gun capacity of 2000 in3 .We set the air-gun in the depth of 5 m-11 m with a working pressure of 10MPa or 15MPa and a hydrophorce which was 50 m horizontally distant from the shot point and in the depth of 8m (sampling rate is 200 Hz ,frequency range is 50Hz-40kHz) recorded its near-field w
7、avelet. By using MATLAB, reservoir test record data are processed, and waveform figures, correlation coefficient figures and PSD figures are drawed. In addition, we study the influence of air-gun source excitation signal on marine organism .Based on the analysis of figures, it is concluded that the
8、following conclusions:(1) the bubble pulses are heavy affected by gun depth , while the pressure pulses are little affected by gun depth . (2) the pressure pulsesdominant frequency of low-frequency signals (9Hz) and high-frequency band (50-80Hz) change little with gun depth . (3) when the gun depth
9、are more shallow , bubble pulsess energy are rapidly decreased, and the effect of bubble oscillation are more weaker . (4) the energy of pressure pulses increase with firing pressure . Based on the above discussion, from the qualitative point we propose the following optimization programs: (1) in or
10、der to suppress the bubble oscillation , the depth of guns depth are reduced , thereby the resolution of seismic data are improved, and frequency band are wider, the high-frequency effects of the frequency spectrum are better . (2) by increasing firing pressure, it is make the pressure pulses streng
11、then, the total energy of wavelet increases, thus its ability to penetrate are enhanced.Key words:shallowwater;air-gun source;submergence depth;work pressure1引言早期的海上人工震源主要是炸药震源，但很快发现其有很多缺陷，如对环境的破坏，而且作为震源不经济、可重复性差、操作危险，其产生的声波频率无法得到很好控制等，以致于国际上许多海域的炸药使用渐渐地被限制。从那时起，人们发明并测试了各种海上震源，其中气枪震源因其卓越性能（如可重复性好、绿色
12、环保、子波可测、可控性强等）发展最快，在海洋地震勘探中得到广泛应用 1。据统计，现在海洋震源95%以上是气枪震源 2。近年来，气枪震源在长炮检距、深穿透的区域尺度地下深部结构探测等方面得到了广泛的应用，包括利用海洋气枪激发但在陆地进行信号接收的科学尝试 3-8和陆地水库的大容量气枪震源激发野外实验 9-11。但由于气枪震源的性能受到激发条件和激发环境的影响很大，许多学者通过理论分析、数值模拟和现场实验这些手段，对气枪震源激发规律进行了一系列研究，并取得了大量的研究成果。Rayleigh 方程是最早的水体中气泡振荡研究的结果，在此基础上，Keller 和 Kolodner12建立了水中爆炸自由气
13、泡的振荡理论。Ziolkowski 13提出了常规气枪近场声波压力场的计算方法，成为计算气枪压力波场的经典方法。近年来，国内外开展了一系列关于气枪子波模拟的研究工作，通过对气泡振荡过程中的衰减及阻尼机制的研究，使得理论模型与气枪实测子波更加接近 14-16。Langhammer 和 Landro17通过 1.6 立方英寸小气枪在水箱中的激发实验和数值模拟实验，研究了粘滞系数、水温等外界条件对气泡周期、气泡比、子波振幅等气枪激发信号特征的影响。罗桂纯等人 18在气枪激发子波的基础上对气枪的主要激发模式进行了分析和研究，并且讨论了在激发时间、气枪间距、频率和分辨率等方面上各种激发模式的差异。许多学
14、者通过理论分析和数值模拟的方法研究气枪激发过程及激发条件影响的同时，也进行了现场实验研究，但大部分是针对深海环境下气枪震源激发的。如Mayne 和 Quay19通过深海气枪激发实验对 300 立方英寸和 1000 立方英寸的气枪震源激发波形特征进行了研究，讨论了气枪沉放深度等因素对其激发波形的影响，并指出沉放深度对压力脉冲振幅影响不大等规律，为了减小水底反射的影响，还选择432 米深的深海水区作为实验基地。Dragoset 20研究了容量范围为 10 至 500 立方英寸的气枪震源在水下 3 至 10 米深度激发时激发信号与气枪容量、工作压力和沉放深度等参数之间的经验公式与具体关系，实验过程中
15、记录气枪信号的水听器位于气枪源下方 300 米的深水处。在国内，陈浩林等曾在浅海海域进行气枪震源激发试验，他们将实验地点选在水深 30 米、海底地形较为平坦的渤海湾海域，所用气枪为 30 支小容量气枪组成的阵列，总容量为 2430 立方英寸。但他们没有正式给出提高气枪震源激发特性和激发效果的研究结果。同时在气枪容量上，为了获得高信噪比的记录结果，通常需要采用大容量气枪震源来提高激发信号的能量。但长期以来，小容量气因激发信号具有2更高主频，可以获得更高分辨率而成为主要发展对象与研究内容。至今为止，气枪震源激发特性研究中所用气枪（单支）最大容量为 1000 立方英寸。本论文将通过分析 2000 立
16、方英寸的气枪试验数据，获得大容量气枪震源的激发特性，以支撑本论文的目标：实现浅海环境下气枪震源激发的优化。浅海海域蕴含有丰富的油气资源，但浅海区域的地震勘探方法一直是一个难题。由于近海水域水深较浅、水体相对比较小，气枪震源在浅水区激发具有更加复杂的激发环境，其激发特性和近场子波传播规律也因此更加复杂。因此，浅海海域勘探难度大，勘探程度相对于陆地勘探程度低，其发展前景十分广阔。研究讨论浅海环境下气枪震源激发的优化方案，有其必要性。综上所述，要提高气枪震源在近海浅水区进行区域尺度地质等探测的效果，必须先对浅水环境下气枪震源的激发特性与近场波传播规律进行全面、准确的研究。本论文拟通过水库试验记录数据
17、的分析研究浅水环境中气枪震源激发信号特征及其与激发条件之间的依赖关系，探讨优化激发效果的方案，为提高气枪震源在浅海海域进行海洋石油勘探中的激发效果提供数据支持。31.气枪简介1.1 气枪震源的发展1964 年，美国 Bolt 公司的卡尔米思克发明了气枪震源，这是历史上最早的气枪，这支气枪发明的目的主要是将其应用到海洋地质调查中。在 1960 年末至 1970 年初，气泡振荡的衰减方式、周期和振荡模型等理论被齐奥科斯基和舒尔茨盖特曼等学者提出了，这些理论为气枪阵列的建立奠定了理论基础。在这之后，许多厂家设计并生产了很多种类的气枪阵列，且通过多次试验和改进后，在诸多领域得到了广泛应用。随后，气枪广
18、泛应用于海洋石油勘探中，并得到了迅速的发展，这是因为气枪阵列具有优良的特性：能够有效提高输出能量和很好地抑制气泡振荡，并使得气枪震源激发的子波信号显著地改善了。1970 年末到 1980 年初期间，美国西方地球物理公司（Western-Geco）根据多年的经验，设计出 LRS6000 高压型气枪。它与原先的老式 BOLT 枪相比较而言，具有结构简单、可靠性高、输出频带宽、易操作、能量强、穿透力强、收放容易等诸多优点，而被广泛应用 21,22。因为高压枪主脉冲输出大的优势逐渐减弱，而且高压枪具有一定的危险性，则逐渐被工作压力低于 3000psi（20.7MPa）的低压气枪所淘汰。1983 年，美
19、国西方地球物理公司在结合 BOLT 公司技术的基础上，研制出了工作压力为 2000psi（13.8MPa）的套筒（sleeve ）枪。该气枪很快地盛行起来，并且成为了 20 世纪 80 年代的主流气枪，因为它具有以下这些优点：结构简单、同步误差小和子波特性好。之后，在 1991 年西方地球物理公司（Western-Geco）在第一型套筒枪的基础上作了改进，生产出 II 型套筒枪，其性能和可靠性有了较大提高。随着时间的推移，气枪震源理论和气枪研发技术得到不断地提高，特别是1980年至1990年初这段时间内，气枪阵列理论通过相干枪技术的发展得到了较大的完善。1989 年，美国的地震震源系统有限公司
20、(SSI)研制出了一种新型枪G枪和GI 枪。GI枪具有了G 枪所有的特点，并除此之外还具有自身消除气泡效应的特点。正因为如此，G枪得到了科研工作者的青睐。随后，由于市场竞争的激烈，为了能抢占市场，BOLT 公司于1991年生产出了长命枪（Long Life Airgun） ，此枪同时具备了套筒枪和G枪的优点，并具有更高的可靠性，可实现50 万震次无需大修 21,22。至今，包括软件设计技术、气枪稳定性、集成性等各方面的气枪技术仍然在不断完善和发展中。同时，作为海上石油勘探核心装备的气枪震源，完全由国外三家公司: BOLT、ION 和Sercel垄断，国内还没有研制单位，仅处于应用研究的水平 2
21、3。1.2 气枪工作原理气枪是由最高标准的耐腐蚀不锈钢铸造形成的。气枪震源的种类多种多样，但其基本原理是一致。气枪外形如图 1.1 所示。4我们选取 BOLT 的长命枪为例子，并简单介绍气枪的工作原理。如图 1.2 所示，通常气枪枪体的梭阀两端分别有启爆气室和主气室这两个气室。在气枪激发之前，高压气体通过控制面板的调节，并且分流进入气枪的这两个气室，这时启爆气室内的高压气体就会压住梭阀的活塞，并使梭阀封住主气室的排气口。然后，电磁阀通电，启爆气室内的气体首先会被释放掉。螺线管的阀门打开，高压空气到达活塞截面 A 的下方，产生一个向上的作用力 24，这时就会使梭阀失去平衡，并向启爆室滑动，同时主
22、气室的排气口被打开了，使得高压气体迅速释放到水体中，产生了主脉冲。随后，以气泡形式在水中反复振荡，这就完成了一次点火激发。从电磁阀点火到高压气释放到水体的过程中，因存在摩擦则有一定的时间延迟。各个枪体的延迟时间由传感器传给气枪控制器，再由气枪控制器根据传感器传回的数据调节各枪启爆时间，从而达到同步激发的目的。图 1.1 气枪 图 1.2 气枪工作原理图Fig.1.1 Air gun Fig.1.2 Air gun working principle diagram51.3 气枪震源的优势气枪震源是一种绿环保、经济实用、可重复性高的人工震源，它在应用过程中，与天然地震或其它人工震源相比，具有以下
23、这些优势：1、绿色环保：气枪激发不会像炸药震源一样引起海洋水浑浊度、悬浮物的增高，也不会破坏地表形态；2、成本低：除去船舶的航行时间和设备花销，水中的气枪发射比陆地的钻孔爆破所需费用低很多；3、可量测的源：在船上设置接收器或水听器来记录气枪震源的特征信号；4、重复性和可控性高：好的气枪可以达到 100 万次无障碍工作，并可以通过调剂气枪激发参数来获得较好的激发效果。正是这些众多的优点使得气枪震源成为新一代的人工震源，它在海洋石油勘探应用上获得巨大成功，成为上个世纪末海洋地震勘探的重大成果 25。62.水库试验简介2007 年 9 月，林建民等 26在容积为 3600 万立方米（中型水库）的河北
24、省遵化市上关湖水库进行了大容量气枪激发试验，采用的气枪震源（Bolt 1500LL 型）容量为 2000in3，在水深 18m 的水体环境下激发，沉放深度范围为 5m 至 11m，工作压力（气枪中压缩气体的压力）10MPa 或 15MPa，如表 1 所示给出了本文所采用数据相对应的试验参数。为了研究浅水环境中气枪震源激发信号特征，试验过程中在距离气枪激发点水平距离 50m、深 8m 位置放置水听器（采样率 200Hz，频带 50Hz-40kHz） ，记录气枪激发的近场子波数据。这与海洋石油勘探中所说的子波测量不同，气枪的多枪组合是海洋石油勘探中常用的震源，为了使气枪阵列中各单枪激发的信号能够在
25、一个采样时间间隔内到达水听器，所以其测量点与气枪源之间的距离必须在几百米以上。而本次试验工作中采用的是单枪激发，且重点研究近场信号特征。在试验期间，水库中没有进行排水和放水，也没有雨水或有洪流注入，所以水位保持恒定。我们可忽略气压、温度变化等因素带来的影响，因为不同的激发条件下进行气枪激发前后的时间仅为几分钟。表1.1 大容量气枪激发试验激发参数Table 1.1 Parameters of air gun excitation in the experiment气枪容量 /枪数（ in3/ 支） 沉放深度（ m）工作压力（ MPa） 激发次数（次）2000/1 5 10 32000/1 6 10 22000/1 7 10 22000/1 8 10 22000/1 9 10 22000/1 10 10 22000/1 11 10/15 2/1
