海上風電場址淺地層剖面信息采集及關鍵處理技術

龍 成,孫 輝,安永寧

(1.天津水運工程勘察設計院有限公司 天津市水運工程測繪技術重點實驗室,天津 300456;2.深圳市恒永曄海洋技術有限公司,深圳 518101)

海上風能是一種清潔的可再生能源,是當今發展最快的綠色能源之一。中國海上風能資源豐富,可開發風能資源約7.5億 kW,是陸上風能資源的3倍[1-2],且靠近沿海城市負荷中心,發展海上風電將是我國能源結構轉型的重要戰略支撐[3]。風電場建設的制約因素有多種,其中要求場址區具備良好的地質環境[4],且需要面對風機建成后樁基附近普遍存在的海床沖刷問題[5]。因此,建設前需對海上風電場址進行勘察,淺地層剖面調查作為勘察的重要手段,在探查海底地層結構、基巖埋深,進而評價海底地質條件及確定樁基礎類型等工作中具有重要意義[6]。

當前淺地層剖面探測系統種類較多,震源各有不同,如電火花、壓電陶瓷聲學釋放器、參量陣、標準化震源等,不同震源類型獲得的剖面效果及分辨率不同[7],其中電火花震源因其較高的分辨率和良好的穿透性,被廣泛應用于海上風電場場址剖面調查中,本文主要討論電火花剖面系統在海上風電場中信息采集與處理方法及應用,文中淺地層剖面資料取自渤海及北部灣等風電場勘察中獲取的數據。

1 剖面信息的采集

1.1 剖面信息采集原理

淺地層剖面調查設備通常由震源系統、聲信號接收器、甲板控制單元及信號采集系統組成[8]。工作時,震源激發后,聲波在不同介質(如泥、砂等)的波阻抗界面發生反射、透射,直至信號逐漸衰減并消失。聲信號接收器通過接收反射波信號傳回時間、振幅及頻率等信息,并將接收到的聲信號轉換為電信號傳輸至信號采集系統,獲得最終的淺地層剖面的信息資料。

通常把海底地質結構看作一個層狀的模型[9](圖1-a),聲波在其介質中的速度、衰減特征、振幅強度等要素與沉積物性質、結構特征密切相關。在通過波阻抗界面時,其反射振幅及反射強度系數如下

Ar=R×Ai

(1)

(2)

式中：Ar為反射振幅;Ai為入射振幅;R為波阻抗界面反射系數;ρ1、v1、ρ2、v2分別為上、下層介質的平均密度及聲波在介質中的傳播速度。其中平均密度與波速的乘積為波阻抗值,由式中可見波阻抗差值越大,界面反射系數越大,反射振幅(即能量)越強[10]。

1.2 剖面信息的采集

多電極電火花震源是最早應用于海洋地層剖面探測的非炸藥類震源,數據采集時,一般采用后拖的方式進行,電火花震源及水聽器分別位于調查船尾兩側,以避開船舶螺旋槳轉動產生的尾流的影響。進行探測前一般需要進行能量測試,在同一測線上,根據地質情況、探測深度等實際因素,采用不同的能量參數進行信息的采集,通過對均一性、穿透能力及圖像分辨率等方面特征進行比較,選擇圖像效果最佳的能量值。圖1-b為在同一測線分別采用300 J、500 J及700 J能量進行測試獲得剖面圖像。風電場剖面調查一般要求探測到泥面以下約100 m或到基巖頂界面為止。電火花系統的工作原理如圖1-a所示。

在海上風電場剖面信息采集中,影響數據質量的因素有多種,主要包括海況、采集方法、地質及地形變化因素等。在剖面上則表現為高頻雜亂信號干擾、多路徑虛反射、多次波等。分別表述如下：

(1)海況引起的信號干擾。在儀器正常的情況下,海況是影響剖面質量的主要因素,因電火花震源及水聽器均通過軟連接后拖于船尾,海況較差時,起伏的涌浪會使電火花震源和水聽器的相對位置發生空間上不規律的變化,造成剖面海底地形的起伏變化,同時攪動的海浪對聲學信號的發射及接受亦會產生不良影響,在子波全范圍內出現較多的高頻干擾,在削弱有效信號的同時會增加干擾信號(如圖2-a)。

(2)多路徑虛反射。在地震波數據接收的過程中,因水聽器自重的原因,檢波器接收段一般會入水一定深度,因海面水體與空氣間較為明顯的波阻抗面,水聽器在收到一次波時的同時,會收到經過水面的反射形成虛反射(亦稱鬼波)。虛反射限制了有效頻帶的寬度,對緊鄰的有效信號形成遮蓋(如圖2-b)。在現場工作中一般將水聽器前方線纜包裹住一定量的泡沫等起浮物,從而確保水聽器漂浮于海面,有效地壓制鬼波的形成?；虿捎蒙舷吕|法[11],在不同深度同時進行信號采集,獲得兩組剖面信息,再通過后處理對鬼波進行消除,獲得有效波信號。

(3)多次波干擾。在風電場所在的淺水區,因海底及水面為強聲阻抗界面,通常伴隨有周期性的強振幅多次波反射(如圖2-c),對數據解譯帶來嚴重干擾,一般通過數據后處理加以解決。

2 剖面特征分析及處理策略

2.1 數據基本特征分析

在數據處理之前,需要對數據總體特征進行相應的分析和判斷,本次研究區域大部分為砂質海底,地質條件一般,采集質量整體一般,主要數據特征包括以下幾個方面：

(1)風浪等外部環境對資料的影響分析。在本風電場區域風浪噪音干擾嚴重,如圖3-a中剖面深部區域可以看到明顯的風浪噪音,海況差時對有效信號干擾較強。這類噪音能量強,幾乎是全頻帶分布,而且出現具有隨機性。

3-a 受海浪影響的剖面 3-b 海底識別困難區域 3-c 多次波反射圖像圖3 剖面資料受海浪、地形及不良地質影響Fig.3 Profile effected by wave、topography or unfavorable geology

(2)區域地形地貌對資料的影響分析。通常在水深較淺區域,由于儀器設備的緣故,子波震蕩較長,直達波與海底很難分清楚,海底識別較難,如本區域剖面圖3-b所示。

(3)由于水深較淺且底質較硬,數據中多次波非常發育。在工區主要發育海底的一階多次波[12](圖3-c)。這種多次波主要是由于海底的一次反射造成的,其能量較強,且與有效波相疊加,因此在保護有效信號的基礎上如何去除多次波是淺剖數據處理的難點。

2.2 數據處理的基本策略

地震剖面根據采集設備、采集所處的天氣及地質地貌環境的不同而有不同的特點,因而采用的處理策略亦會有所不同。如從本研究區域地震剖面面貌上看,本區數據可以分為兩類,一類剖面表現為子波無氣泡震蕩,無虛反射,淺層分辨率高,但是穿透弱;另一類特點為子波包含氣泡震蕩和虛反射,淺層分辨率低,但是穿透強。通過進行相應處理,發現消除子波氣泡和虛反射后,雖然部分剖面淺層分辨率得到極大提升,但是對于剖面的前積地層及古河道中較弱的反射也會衰減,同時在分辨率提高的同時,降低了剖面的信噪比。由于本區地震剖面大部分底質為砂質底,剖面本身的信噪比不高,因此處理時不再對子波進行進一步處理。

處理的重點工作主要是噪音和多次波的去除工作。在近海淺水風電場,往往伴隨海底崎嶇和較淺的海底,海底反射不清楚,且海底能量差異太大,造成很難進行數字化海底識別,此時一般結合同步探測的地形資料進行海底識別工作。對于多次波的處理,通過多年經驗的積累,目前已經探索出一套適合淺剖的多次波處理技術,然而由于本地區海底崎嶇,子波復雜,多次波類型多樣,處理時各項參數需根據實際地形、地質情況及每條測線不同的特點做針對性的改進,以獲得最佳多次波去除效果。

3 剖面處理關鍵技術在海上風電場勘察中的應用

受外業資料采集干擾因素的影響,當外業采集資料效果不佳時,剖面信息不可避免地需要進行相應的數據處理,以下內容應用異常振幅去除、多次波壓制等剖面處理關鍵技術,對北部灣及渤海等風電場剖面信息進行了處理,并取得了良好的效果。

3.1 異常大值的去除

異常大值在淺剖中并不常見,在渤海某風電場區域中部分測線中較明顯,推測可能跟儀器靜電釋放不佳相關,在淺地層剖面上表現為瞬時異常值,在密度剖面上表現為一個奇異值點,通過對地震子波的幅值進行統計分析,篩選并去除異常大值即可有效消除這種干擾。去除效果如圖4所示。

4-a 去除前 4-b 去除后 4-c 去除的噪音圖4 異常大值去除前后剖面圖像Fig.4 Profile images before and after process of abnormal large amplitude

3.2 涌浪校正

當海況較差時,由于海浪的起伏較大,造成不同震源和檢波器無法保持在同一水平面上,且海浪的不斷變化,使得兩者之間的高度不斷變化,這樣使得采集的不同炮點之間的數據出現上下跳動的現象,即有一種“毛刺”感。實際上,這種炮點與檢波點存在高度差的現象普遍存在于山地采集過程中,在渤海某風電場剖面數據處理中也采用類似于山地靜校正的方法,數據處理前后的剖面對比如圖5所示?？梢钥吹届o校正前后“毛刺”現象消失,剖面同相軸連續性增強,信噪比提高。靜校正的關鍵在于海底的平滑因子,平滑因子越小,海底越不光滑,但是對于起伏海底的形態保持較好。而當平滑因子越大,則海底越光滑,但是對比海底形態的保持越差。在實際的工作中,應根據受海浪影響程度和當地地形變化情況采用合適的平滑因子,在去除涌浪影響和海底形態保持中取得一種較好的折中。

5-a 校正前5-b 校正后圖5 涌浪校正前后剖面對比Fig.5 Profile images before and after swell correction

3.3 異常振幅去除

當風浪較大時,易造成電纜接收到較嚴重的噪音,由于其能量較強,可以根據其能量大于有效信號能量的方法進行去除,即采用分頻分時振幅衰減方法(AAA)來進行壓制,該方法是將數據從時間域轉換到頻率域,應用中值濾波來壓制異常振幅,設定門檻值,在一定的時窗內與振幅中值差異較大的振幅,對其衰減或用相鄰道插值,去噪效果如圖6所示?？梢钥吹綁褐魄捌拭嫔嫌忻黠@的振幅異常,剖面上似被豎條分割,異常振幅壓制后的地震剖面,豎條帶現象消失,異常振幅得到了較好的壓制。異常振幅噪音壓制中,中值寬度是非常重要的參數,中值寬度越大,則去噪越強,但是對于傾斜構造和孤立地質體的傷害也在加大,在處理中以能基本消除較強的風浪噪音為限[5],一般選擇合適的中值寬度,基本可以滿足測線處理的要求。

海底多次波是地層剖面探測中經常出現的一類干擾波。由于與多次波伴隨的隨機噪音發育比較嚴重,去除多次波時,首先要對隨機噪音進行衰減[13-14]。這種隨機噪音為高頻噪音、無連續性,自適應相減無法去除,且由于其能量較強,容易掩蓋多次波,造成自適應相減時無法判斷去除效果的好壞,因此首先要將隨機噪音進行衰減。對于多次波去除主要采用零炮檢距的多次波去除方法[15],該方法從數據本身的靜態漂移或自相關得到多次波模型,運用自適應算法,將多次波模型從原始波場中減去,能夠有效地壓制多次波,同時不會影響與多次波交叉的有效波。

對于具體的處理,涉及海底底質不同,海底地形變化較大,參數一般無法做到統一,只能根據測線的情況做相應的調整。對于海底崎嶇,且水深較深,多次波發育明顯,在處理時需要選擇具有針對性的參數,在北部灣海域某風電場勘察中,剖面信息處理效果如圖7所示。

7-a 去除前 7-b 去除后 7-c 去除的多次波圖7 水深較深區域多次波去除前后效果圖Fig.7 Profile images before and after multiple wave suppression at relative deep sea area

4 結論

本文通過對海上風電場地層剖面調查外業數據采集及剖面信息處理過程關鍵技術方法的分析及研究,得出以下結論：

(1)海況、采集方法、地形地貌及儀器狀態是影響外業剖面信息質量的關鍵因素,外業數據采集時應從這幾個方面加以控制。

(2)通過異常振幅去除、涌浪改正、多次波壓制等數據處理技術,可達到去除干擾波、地質假象,還原海底以下真實地層信息的要求,大幅提高淺地層剖面的數據質量。

對于在淺水區剖面信息采集及數據處理的思考：對水深很淺的區域,受直達波及聲波傳播路徑的影響,基本無法區分海底面,后期處理難度很大,這時應結合使用單波束測深儀進行海底位置的判別,同時考慮使用其他類型的淺地層剖面系統,如固定安裝的參量陣或壓電陶瓷類型的淺地層剖面儀,可有效地分辨海底面并對淺部地層進行較高分辨率的探測。在海上風電場淺地層剖面探測的過程中,綜合使用多種淺剖設備進行探測的方法,進行更為精細化的探測已較為普遍。