海洋技术▏海底原位高分辨率二维时移地震探测系统设计 - 副本.docVIP

知识的力量Tel 所有页眉页脚均可轻松去除 海洋技术▏海底原位高分辨率二维时移地震探测系统设计 一、引言 天然气水合物(以下简称“水合物”)作为一种清洁能源，储量丰厚，是我国新能源战略的重要组成部分。2011年实施的国家天然气水合物勘查与试采专项计划初步探明了我国海域，尤其是南海北部的水合物储量，并分别于2017年5～7月和2020年2～3月成功进行了两次试采。尽管目前我国海域水合物资源开发工作已基本由勘查阶段进入试采阶段，但是离大规模商业性开采还有很长一段路要走。由于海底水合物成藏较浅，且大多矿体没有完整的圈闭构造和致密盖层，因此开采易引发海底滑坡、地面沉降、甲烷泄漏等次生灾害。水合物在形成过程中可固化沉积物空隙，有助于提高海底地层的稳定性。而开采主要是通过加温、降压、注入化学剂等方法使沉积物中的固态水合物变成气体并加以释放。这个过程会改变沉积物密度等物理性质，从而导致地层失稳与沉积层滑动。此外，水合物分解也可能使钻井孔压急剧上升，引起井壁失稳，影响钻探平台与水下工程设施的安全。所以在开采过程中，需要对储层地质条件变化进行监测，以确保开采过程的安全。 我国前期的水合物开采环境监测主要针对甲烷泄露、地面沉降等，监测范围只涵盖海底地表及浅表沉积层。例如，2017年我国南海北部神狐海域水合物试采利用了潜标、遥控无人潜水器(ROV)搭载甲烷传感器、二氧化碳传感器进行海底开采环境的水化参数监测；“十三五”国家重点研发计划深水专项立项开展在水合物开采过程中，对海底地形和地表沉积层变化监测的技术攻关。但目前对水合物储层地质条件变化的监测工作仍然缺乏系统性。 水合物开采改变了储层沉积物的物理性质，如密度、波速和波阻抗等。因此会明显改变其地震反射特性，该变化过程可以通过时移地震技术进行监测。中国科学院地质与地球物理研究所曾利用模拟计算的方法对此进行了验证。美国加州大学也曾理论验证了在水合物开采过程中，利用垂直地震剖面对墨西哥湾的储层变化进行时移地震监测的可行性。 本文提出基于潜标的海底原位高分辨率时移地震探测系统，在开采井口附近海床上布置深水电火花震源和海底小道距多道接收缆，实现了海底震源和采集的同步激发。同时，该系统可采集井口附近的高分辨率地震数据，形成时移地震剖面，从而反映开采行为对储层稳定性的影响。本研究结果可用于评估沉积层滑动、地面沉降以及甲烷泄露等次生灾害发生的可能性并提供预判的科学依据。 二、系统设计 ⒈结构与流程设计 我国南海北部水合物主要试采区域(神狐水域)的平均水深在1000m左右，前期钻探取样结果显示，含天然气水合物沉积层位于海底以下153～225m深度。因此本文设计的海底原位高分辨率二维时移地震系统最大工作水深为1500m，地层穿透深度为250m，满足神狐水域试采水深和水合物储层深度的基本要求。同时设计最高垂直和水平分辨率达到0.5m，满足工程地质风险评价的要求。该装置主要由深海电火花震源(包括震源电子舱和发射头)、深水小道距多道接收缆、多通道数据采集系统(采集电子舱)和电池组及管理系统(电池舱)等单元组成，同时还包括深水电机、深水电滑环自动排缆器等辅助机构，具体结构如图1所示。 ?图1 海底原位高分辨率二维时移地震系统结构示意图 图1装置设计施工流程如下：①在装置入水前，通过外设对系统工作参数进行设定，包括工作周期、工作次数、震源激发能量、采集时间长度等；②通过甲板钢缆将装置释放到海底，并由ROV将多道接收缆铺设在海床上(接收缆为弱重力缆，尾端固定有沉块)，此后装置根据程序设定进入定时自主唤醒、激发采集和自主休眠的周期性工作模式；③设定的激发采集次数完成后，ROV通过磁性开关启动深水电机将多道接收缆回收至装置内，并将装置与甲板钢缆连接；④装置回收后，通过外设读取原位存储的数据进行结果分析。 此外，装置各主要部分的连接如图2所示，每个工作周期的流程设计如下：①采集电子舱内的多通道数据时，采集系统根据程序设定自主唤醒，并发出唤醒信号给震源电子舱，启动震源开始储能；②储能完成后，采集系统发出激发信号给震源电子舱，震源电子舱输出脉冲高电压至发射头，激发产生地震子波，同时多道接收缆采集地震反射数据，经滤波和数字化处理后进行原位存储；③数据采集完毕后，采集电子舱和震源电子舱自动进入休眠，至此完成1个工作周期。 ?图2 海底原位高分辨率二维时移地震系统连接示意图 ⒉关键参数设计 由于传统高分辨率多道地震的穿透深度和分辨率不仅受硬件系统、数据后处理软件等影响，而且受作业水深、海况、海底底质以及船体噪声等环境参数的影响，所以硬件系统的相关设计一定程度上依赖海上作业经验。本文设计的装置为海底原位作业，环境参数相对固定，且受海况、船体噪声等影响较小，因此穿透深度和分辨率的设计指标主要取决于硬件系统参数。本文参照水声主动声呐方程对装置达到设计