自動優化設計在過渡帶三維地震勘探中的應用①

石雙虎， 李培明， 白光宇， 賀 涌， 李紅星

(1.中國石油東方地球物理勘探有限責任公司，河北 涿州 072751； 2.東華理工大學核工程與物理學院，福建 福州 330013)

應用實踐

自動優化設計在過渡帶三維地震勘探中的應用①

石雙虎1， 李培明1， 白光宇1， 賀 涌1， 李紅星2

(1.中國石油東方地球物理勘探有限責任公司，河北 涿州 072751； 2.東華理工大學核工程與物理學院，福建 福州 330013)

在復雜過渡帶三維地震勘探項目中，施工設計包括海陸觀測系統設計、從屬線束設計、偏點設計等，其優化對于提高地震數據采集效率，保證資料品質，減少空炮、廢炮和重炮，實現資料無縫連接至關重要。這就要求技術人員針對工區特點提前合理設計特殊觀測系統，優化炮點布設，從而最大限度地滿足覆蓋次數均勻的需要。通過自動優化設計施工方式，可以減少人工誤差，使采集結果最大限度地實現設計要求，從而提高效率、節約成本。

過渡帶； 自動優化； 微觀設計； 障礙物

0 引言

常規的過渡帶三維施工設計是按照合同確定的基本參數，在實際踏勘了解水深、障礙物、地形情況的基礎上將工區分成海上部分和陸上部分，然后利用兩種觀測系統進行數據采集。期間借助專業軟件，比如綠山或者KLseis進行偏點設計[1-2]，當野外采集完成后，再進行偏點優化。在實際操作中存在三個問題：(1)工程進度受限于許可進度，有些地方的許可很難辦理，影響生產進度；(2)受常規設計方式的影響，設計周期較長；(3)對于復雜區，后期偏點優化難以滿足設計初衷的要求，從而產生廢炮和空炮，影響經濟效益。

鑒于上述問題，迫切需要一種方法進行靈活、快速的設計，從而減少設計周期、提高設計效率，并在優化設計的過程中最大限度地滿足覆蓋次數均勻的需求[1，3-5]。

1 常規的過渡帶施工設計

常規的過渡帶野外設計是基于水深對海陸過渡帶邊界區的炮點，在測得水深的基礎上劃分海、陸觀測系統邊界，再根據設備條件及海陸施工難易程度設計兩套觀測系統[6]。根據地表條件和水域施工條件，陸上部分采取可控振源與井炮激發，海上根據水深情況分別采用深水氣槍、淺水氣槍或小氣槍進行激發。觀測系統和激發方式一旦決定，設計人員就需要利用綠山、Klseis等軟件，在野外踏勘的基礎上，在底圖上加載障礙物及理論炮點，并進行“開-關”炮點編輯。

這種施工設計方式存在以下缺點：

(1) 觀測系統變通性較差。

在復雜三維過渡帶施工區域中常常有許多大型的企業，有些區域因為重復放炮需辦理多次許可。如果一味地按照海陸兩套觀測系統設計，則工程進度勢必受到許可的影響，因此必須考慮在原來海陸觀測系統設計的基礎上再行細化，從而提高施工效率[7]。

(2) “開-關”炮點編輯法受如下因素制約：

① 耗時長。一束線的偏點有時能達到兩千炮，對炮點進行編輯設計需要幾天時間。如果地形復雜，障礙物較多，則需要更長時間，偏點設計的滯后很容易造成生產的停滯[8-9]。

②容易出錯。由于人工操作，很容易因疲勞造成偏差誤差，產生廢炮、影響覆蓋次數及造成產量損失[10-13]。

③沒有后臺痕跡。這種設計方式不能在后臺產生文本形式的痕跡，即設計的痕跡存在圖片與文本的斷層，或者圖片與文本的失真，這將影響后期的偏點歸位。偏點應該是與無法按照理論位置放炮的正點一一對應，否則要么產生空炮，要么產生廢炮，勢必影響生產效率。

2 優化施工方案

針對常規設計方式的缺陷，本文嘗試了多種優化方案。

2.1 微觀設計法

表1是東方公司某海外三維項目的海陸兩套觀測系統參數。其中陸地與過渡帶采用重復排列的放炮模式，淺水和深水采用重復炮點的模式。

表1 某過渡帶施工參數

所謂微觀設計法即在受限制的海上部分采用氣槍激發、陸地排列接收的基礎上，綜合考慮生產效益，兼顧生產進度與產量，選擇適當的微觀系統進行生產。實際生產中，通常只有在受限制的水域采取從屬線束(SubSWATH)進行放炮，所謂從屬線束指的是在整條線束里“摳出”一些區域，兼顧覆蓋次數均勻的基礎上采用不同于當前線束的激發源和觀測系統放炮。比如在受限制水域采用小氣槍激發陸地排列接收(圖1)。但在一些地區，由于許可難以辦理，為提高效率，采用大氣槍激發、陸地排列接收的從屬線束放炮的模式，即重復排列不重復炮點。這種方式既滿足了覆蓋次數，又減少了風險。雖然因炮數減少一半，影響了經濟效益，但節省了時間，推動了整體項目的進程。

圖1 從屬線束示意圖 Fig.1 Sketch map of the subswath

2.2 “移動”炮點進行偏點設計

“開-關”編輯炮點法是在綠山軟件中簡單的“開-關”炮點，要求關掉無法激發的理論炮點，打開偏移后的新點，兩者一一對應(圖2)。只開不關造成廢炮，只關不開造成空炮，這種方法進行炮點偏移時沒有痕跡，后期難以歸位。

圖2 “開-關”炮點偏移法示意圖 Fig.2 Diagram of the “on-off” shot-points offset method

為了產生與過程相匹配數據，利用綠山“移動”炮點時只改變樁號而坐標不變(在一個網格內的差別)的原理，偏移完炮點后輸出炮點文件，利用程序通過坐標尋找匹配的炮點，從而解決了“開關”編輯有時不能歸位的弊端。圖3(a)是移動前的炮點顯示；圖3(b)是移動進行中；圖3(c)是移動后的炮點顯示。這種方法對于少量相對復雜的炮點偏移可收到預期效果，但對于大批量的炮點偏移，由于采用手工操作，效率很低，相較于“開-關”編輯炮點法，更耗時且更易造成空炮和廢炮，因此適用范圍較小。

圖3 移動炮點偏移法示意圖 Fig.3 Diagram of the moving shot-points offset method

2.3 加密多放炮后期匹配法

加密多放炮后期匹配法即在復雜施工區域或許可較難辦理的區域，為防止空點的產生，采用加密多放炮的方法，放炮完成后進行偏點歸位。

這種方法可解決覆蓋次數均勻，但由于甲方要求偏點和正點是一一對應的，因此不可避免會產生廢炮。如圖4(a)是未加密的炮點，即3個藍點黑心處及原點都未放炮，也就是造成了空炮；圖4(b)為針對原點有3個藍點紅心的加密點，實際生產中只能用到其中的一個點作為原點的偏點，另外兩個點則只能作為廢炮進行處理。既浪費了資源，又造成了生產冗余。

圖4 加密放炮法Fig.4 Shooting encryption method

2.4 自動優化設計法(包括炮點偏移)

針對以上情況，我們須找到一種平衡的施工優化設計方案，從而使得野外設計省時，且準確率較高。在完成了相當量的線束后，發現造成空炮、廢炮的原因相當一部分在于手工操作。這就要求我們通過自動優化的方式完成設計。

野外施工設計方案確定以后，主要工作就是偏點設計。

對于過渡帶三維項目而言，自動優化設計主要體現在兩個方面：第一，觀測系統優化設計；第二，偏點優化設計。

自動優化設計的原理如下：通過輸入水深、潮差文件劃分海陸邊界，進而通過船體尺寸、設備、許可情況等文件確定微觀系統和激發源類型。一旦觀測系統和邊界確定，輸入線束邊界、障礙物邊界、炮點偏移規則及安全距離，障礙物邊界經過安全距離約束后，利用障礙物邊界剔除理論邊界中需要偏移的炮點和加密點。此時將產生剔除障礙物后的炮點(包括加密點)和被剔除的炮點(不包括加密點)。根據合同中確定的偏移規則，建立偏點的一一對應關系。詳細流程見圖5。

圖5 過渡帶自動優化設計流程圖Fig.5 Flow chart of auto-optimization design in transitional zone

這種方法不需要通過綠山將障礙物或水深的邊界轉化成炮點的邊界，可以直接輸入障礙物或水深的坐標進行優化設計。實現坐標與炮點、水深與炮點的互通，從而簡化了過程，加快了設計速度。

偏點的具體步驟如圖6，將去除障礙物等文件的炮點文件中的加密點分離出來，產生加密點文件，再將障礙物范圍內的炮點分離出來，形成暫時的空點文件。計算在加密點文件中符合偏移規則的偏點個數，然后按照最少匹配原則進行匹配。不符合匹配規則的或符合匹配規則卻無點匹配(被其他點占用)就是最終的空點，而加密點中參與匹配的點就是最終的偏移炮點。

在一些較為復雜的工區，利用常規的炮點偏移方法很難，即使可行也耗時較大，且容易出現廢炮、空炮。利用自動優化設計方案可避免這些情況的發生。

3 效果分析

眾所周知，對于過渡帶項目施工，由于船只的租賃費極高，縮短工期意味著提升效率、節約成本。

圖6 偏點優化流程圖Fig.6 Flow chart of offset point optimization

東方公司承擔的海外某過渡帶三維項目，工區內陸地部分分布著沙漠、機場、生活居住區、鉆井平臺、管線、油區管線設施等；過渡帶地區，分布著航道、海上油田及區域頻繁活動的船只。障礙物種類繁多，勘探難度相當大。

項目采用海、陸兩套儀器，四種震源(可控震源、炸藥、大氣槍和小氣槍)激發和三種檢波器(陸檢、沼澤以及雙檢)接收的方式進行施工，要求實現從陸地跨越過渡帶至近岸淺海區的地震資料無縫采集，且工期限制在3年內。

在項目實施過程中，由于施工設計過程的優化，節省了時間，提高了效率，效果明顯。

3.1 微觀系統的靈活應用

此過渡帶三維項目陸上因較易放線，采取重復排列放炮，而海上因為生產進度較快，使用重復炮點放炮。但在水深受限制區域，淺水氣槍與鉆井船無法使用，采用小氣槍放炮、重復排列或重復炮點接收的原則。而對于一些許可難辦理的區域區域和船駛入駛出有危險的區域，采用淺水氣槍激發、重復排列接收的原則。這在一定程度上減少炮點，使生產進度和安全得到保障，從而提高了效益。

3.2 偏點優化設計方案

利用自動優化程序，摒棄手工偏點易造成空炮或廢炮的弊端，在最大程度滿足覆蓋次數均勻的基礎上最大化地減少空點和因偏移造成的廢炮。

圖7 覆蓋次數圖Fig.7 Coverage plot

圖7是某線束常規設計和自動優化設計的覆蓋次數圖。從圖上圈出的部分可以看到，應用自動優化法其炮點(圖中紅點部分)部署更為合理，覆蓋次數也較為均勻。另外常規設計耗時1.4天，產生偏點1 178炮，空點345個；通過自動優化設計，實現程序化的偏點，耗時0.5小時(包括數據準備)，偏點個數為1 149炮，比常規設計少29炮，空點為326個，減少19個。由于產生過程是一一對應的關系，且最大限度地減少了人為誤差的影響，因此不存在后期因找不到對應關系而產生廢炮、空炮，造成質量、資源雙重損失的情況。

通過偏點優化和微觀系統等的應用，野外解釋組較快地提供了設計方案，保證項目的高速運行和資料的完整性，項目得以提前183天完成施工。

4 結論和問題

自動優化設計在復雜三維過渡帶項目中的應用，有著如下的優點：

(1) 靈活的應用微觀設計可因地制宜地處理生產進度與效益的關系；

(2) 應用偏點優化設計可有效地減少空炮、廢炮、重炮的產生，從而有效地降低生產成本，提高生產效率；

(3) 根據偏點優化設計原理，結合水深和其他障礙物的信息可以劃分海陸采集線束，也可以細分震源、井炮和不同類型氣槍的激發區域；

(4) 可直接利用測量獲得的障礙物坐標進行偏點優化設計，明顯簡化運算步驟，節省設計時間；

(5) 制定的過渡帶自動優化設計為復雜過渡帶施工設計提供了依據。

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Application of Auto-optimization Design to Three-dimensional Seismic Exploration in Transitional Zone

SHI Shuang-hu1， LI Pei-ming1， BAI Guang-yu1， HE Yong1， LI Hong-xing2

(1.BureauofGeophysicalProspectingINC.，CNPC，Zhuozhou，Hebei072751，China；2.DepartmentofNuclearEngineeringandGeophy，EastChinaInstituteofTechnology，Fuzhou，Fujian330013，China)

The conventional transition zone in three-dimensional (3D) operational design is made by splitting the operational area into two parts (land and ocean) in accordance with the basic parameters of the contract after scouting the practical water depth，obstacles，and terrain.Then the acquisition can be made according to two kinds of geometry.of course，the kinds of sources are different due to water depth and land terrains；there are different guns，explosives，and vibroseis.During the period of design，the design of offset points is finished by using professional software，such as green mountain or KLseis.When acquisition is completed, the offset point’s optimization is made.There are three problems in the actual operation.Firstly，the progress of the project is limited to permit progress，and permits are very difficult to get in some places，which affect the production schedule.Secondly，the design period is longer due to the conventional design methods.Thirdly，for the complex region，the late offset point optimization makes it very difficult to meet the requirements of the original design，which results in void or invalid shots and affects the economic benefits.Because of these problems，it is urgent to find a method to make design flexible and fast.This design can reduce the design period，improve the design efficiency，and meet the requirement of uniform fold to the maximum extent in the process of optimization design.It is even more important in complex transition zone 3D seismic exploration projects.Our operational designs include ocean geometry，land geometry，sub-swath，and offset point designs.It is vital for the optimization of the operation design method to improve the seismic data acquisition efficiency，ensure the data quality，reduce duplication of shooting，and realize a seamless connection of the data.This requires that the technician designs special micro-geometry and optimizes shot layout in view of project characteristics to meet the needs of maximum uniform fold.This paper presents an automatic optimization design method，that is to say，using a program to optimize reduces the manual errors，makes the acquisition results realize design requirements，and then improves the efficiency.This paper provides a detailed example and gives the detailed flows of design and offset point optimization.Application of automatic optimization design in complex 3D transition zone projects has the following advantages：(1) Flexible application of micro-design or sub-swath design can deal with the relationship between the production schedules and operational efficiency very well.(2)Application of offset point optimization design can effectively reduce void shots，invalid shots，and duplicated shots，which will effectively decrease production costs，shorten the design period，and improve production efficiency.(3)According to the principle of the offset point optimization design，combined with information about the water depth and other obstacles，land and ocean acquisition geometries can be divided，the excitation region can also be easily achieved，and the excitation sources include vibroseis，explosives，and different kinds of air guns.(4)The coordinates of obstacles which the survey department provides can be directly used to offset optimization design，which significantly simplifies the computation steps and saves design time.(5)Automatic optimization design and its flow that the paper gives provide a basis for complex transition zone operations.

transitional zone； automatic optimization； micro-design； obstacle

2014-07-25

國家自然科學基金項目(41364004)

石雙虎(1980-)，高級工程師，博士，主要從事地震勘探數據采集和非常規油氣勘探與開發方面的研究.E-mail：dgtgha@126.com

P631.4

A

1000-0844(2015)02-0629-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0629