基于最小炮檢距道快速檢測炮點偏移方法

魏新建 楊午陽 王萬里 李 冬 陳德武 李書平

(中國石油勘探開發研究院西北分院，甘肅蘭州 730020)

0 引言

隨著對地震資料采集精度要求的不斷提高[1-4]，如何通過更有效的質控手段監控野外采集施工過程，降低或消除影響地震源數據質量的不利因素，越來越受到各方重視[5-6]。其中，炮點位置精確與否對后期的數據處理、解釋具有重要影響，而在地震勘探現場數據采集過程中，由于受地表條件的限制或者人為因素，致使炮點施工位置與設計位置有所偏離[7-9]。如果不予以糾正，不僅影響動校正和疊加的精度，有時甚至會導致錯誤的結果。已有的炮點位置偏移檢查及校正方法列舉如下。

(1)對比炮檢距曲線與初至的對應關系[10-12]。通過對比炮檢距曲線與初至的對應關系，檢查單炮記錄的物理位置。其優點是不用做靜校正、迅速直觀，不足之處是需要人工逐個單炮肉眼對比，費時費力，主觀性強。

(2)線性動校正法[13-14]。如果炮點位置準確，線性動校正的結果將是接近于標準的直線，當炮點位置出現偏差的時候，線性動校正得到的初至曲線是不規則曲線。通過此方法判斷炮點偏移時，會影響動校正效率，無法滿足現場實時監控需求；另外，野外激發條件多變時，應用效果不好，一般需要精確靜校正后，再通過此方法判斷炮點位置偏移與否。

(3)王民等[15]在線性動校正的基礎上，分象限疊加，然后采用分排列校正時差分析方法確定炮點的偏離量。但是這種方法需要動校正及對各個象限疊加成圖，很難滿足現場實時監控的需求。

(4)利用時距曲線建立量板進行炮點位置批量校正[16]。此方法對于地表起伏較大的西部地區精度欠佳。

(5)朱海偉等[17]利用粒子群算法進行炮點偏移校正，通過觀測初至與計算初至建立誤差目標函數，利用粒子群算法求解目標函數得到最優解即炮點位置。雖然該算法比常規網格搜索法的計算效率明顯提升，但還是很難滿足現場實時監控需求，大多只應用于室內處理。

(6)利用ArcGIS檢查炮偏[18]。該方法通過對比設計炮點位置和施工炮點位置，超過給定閾值為炮點位置偏移。這種算法需獲得精確的炮點施工坐標信息，在實際應用中精度很難達到； 另外，這種方法不能有效解決因報錯炮點樁號等人為因素造成的炮偏問題。

總之，常規的炮點位置偏移檢測方法一般存在兩方面不足： ①依賴人工交互，肉眼對比，主觀性強，精度低； ②效率低。需要對單炮數據進行動校正、靜校正等操作，很難滿足當前野外高效地震采集條件下實時檢測的需求。

本文通過深入研究最小炮檢距道的性質，從最大能量和最短旅行時出發，通過對比理論初至和實際初至，自動判斷炮點是否偏移，并計算出偏移量，然后予以校正。

1 炮點位置偏移原因分析

引起炮點位置偏移的原因可歸結為客觀和主觀兩類。

(1)客觀因素。由于有些地震采集區域的地表存在障礙物，比如建筑物、河流、池塘等。在這樣的區域施工，無論是震源施工還是炸藥施工，都要避開這些障礙物，這就不可避免地導致施工炮點位置與設計位置不一致的情況，引起炮偏。

(2)主觀因素。主觀因素可分兩種：一種是采集現場施工人員之間溝通不暢造成的。地震采集施工一般在晚上，炮班人員與儀器操作人員的通話裝置是對講機，由于天色、地形、信號弱等因素，加上儀器車內比較嘈雜，難免會出現漏報或錯報樁號的情況。如果這種情況不能被及時發現，就會出現連續廢炮。如圖1所示，當前施工單炮的點號為804，下一個施工單炮點號應該為805，但是由于單炮805不在主測線上，炮班施工人員誤將單炮806當成了805報給現場儀器操作人員，這樣儀器操作人員會用806對應的接收道接收805單炮數據，造成炮點位置從806所在位置偏移到805所在位置。若上述錯誤未被及時發現，會造成后續施工的單炮807、808、……等都是廢炮，引起現場事故。

另一種主觀因素是室內資料人員整理SPS等文件的過程中，將個別炮點位置弄錯，導致炮檢關系錯誤。

無論是客觀原因還是主觀原因引起的炮點位置偏移，都會給后期資料處理、解釋造成不良影響，甚至是錯誤。炮點位置出現偏離，動校正后同相軸不能被拉平，因此也不能進行同相疊加。因為目前地震勘探的記錄道數較多，往往有幾千道甚至幾萬道，如果炮點位置出現偏離，將會有眾多偏離道參與抽道疊加，就可能導致錯誤的結果，如剖面上出現一些與實際情況不符的孤立斷點等[19]。

圖1 現場放錯炮示意圖

2 快速檢測炮偏原理

距離激發點最近的地震道——最小炮檢距道顯然具有兩個特性： ①最先接收到初至波的地震信號，即其初至波旅行時間是最短的； ②由于距離激發點最近，在近排列范圍內剔除能量異常道后，該地震道的能量最強。如果炮點位置存在偏移時，最小炮檢距道會出現如下情況： ①初至波旅行時間在近排列道中不是最短的； ②道能量在近排列道中不是最強的。基于最小炮檢距道的上述性質，該方法的實現包括以下五個過程。

2.1 計算單炮最近排列

為了降低能量異常道出現概率，同時提升計算效率，本文根據最小炮檢距道一定在單炮的最近排列上這一特點，將計算數據范圍限制在最近排列上，這樣大大降低了參與計算數據的數量級，極大降低了能量異常道出現的概率。最近排列是指距離某激發點S0最近的排列，計算最近排列時，要考慮平行布線和十字交叉布線兩種情況，通過SPS中的X文件快速得到每個排列的起止道號，再將炮點到每個排列的距離排序，距離最小排列即為最近排列。

圖2 炮點S0的最近排列(紅色框范圍)

2.2 計算最小炮檢距道

根據炮點大地坐標、近排列上各檢波點大地坐標，由下式計算近排列上各檢波點的炮檢距

(1)

式中：di是近排列上第i道的炮檢距；xi、yi是近排列上第i道的大地橫、縱坐標；x0、y0是激發點的大地橫、縱坐標。

據下式可求取最小炮檢距，并得到對應地震道

d0=min(d1，d2，…，dn)

(2)

式中：d0是最小炮檢距；d1，d2，…，dn依次為近排列上各檢波點到激發點(x0,y0)的距離。此步驟可以計算出單炮設計時對應的最小炮檢距道，用l設表示。

2.3 計算近排列道集能量并剔除能量異常道

根據

(3)

計算近排列中每道的能量，并按從高到低排序。式中：e是單道能量；ai是樣點振幅；n為單道的樣點數。再根據設定閾值，剔除能量極高的異常道，確保找到的高能量道是最小炮檢距道。此步驟可計算出能量最高道，用l能0表示。

2.4 基于理論初至模型法拾取初至

為了提升拾取初至的效率和精度，通過建立最近排列的理論初至模型確定拾取范圍，采用改進的能量比法拾取初至，最后利用批量編輯法剔除初至異常點，確保拾取初至的精度和效率。

2.4.1 確定初至范圍

建立理論初至模型一是為了提升拾取效率，將參與計算的樣點限制在由理論初至模型確定的近排列上一定范圍的時窗內(圖3粉色線)，計算數據量大大降低；二是為了提升拾取精度，由于限制在理論初至模型上下，與在整道范圍內搜索相比，拾取的初至點出現異常值的幾率大大降低。

根據下式建立理論初至模型

?h

(4)

式中：t0為交叉時；d為炮檢距；v為速度；h為上下時窗的大小。根據工區實際情況，調整t0、v、h的大小，確保將整個初至區域包絡在內(圖3)。

圖3 理論初至模型

2.4.2 初至拾取

利用能量比法拾取初至具有簡單、效率高的特點[20-21]，為了提高能量比算法的穩定性，減少拾取的錯誤率，采用多窗口能量比法[22]，該方法是能量比法的一種改進。算法中用到3個滑動時窗： 前、后時窗、第三時窗。首先計算后前時窗能量比，獲得能量比極大值； 然后在極大值所對應的時間前段搜索能量比次極值，在對應樣點計算其前時窗與第三時窗的能量比。若此能量比值與極大能量比值滿足某一條件(次極值一般為極大值的70%)，則該樣點對應時間被認為是正確的初至時間(折射波先起跳時間)

(5)

(6)

式中：A為后、前時窗能量比；A′為后時窗與第三時窗能量比；M為后時窗內l1個采樣點的能量和；N為前時窗內l2個采樣點的能量和；D為第三時窗內l3個采樣點的能量和；α為穩定因子；t為當前采樣點；m為后時窗與第三時窗的起點間隔；C為一整道n個采樣點的能量的平均值；T為時窗終點。

圖4 批量刪除異常點前(a)、后(b)炮檢距—初至點交會圖(上)及其單炮記錄初至(下)對比

2.4.3 批量剔除異常點

根據前面拾取的初至點，利用炮檢距和初至點交會，構成了“炮檢距—初至點”交會圖，初至異常點在交會圖上以游離點形式存在(圖4a)。批量刪除這些游離點極大提高了初至異常點編輯效率(圖4b)。通過上述步驟拾取初至，可快速、準確地拾取近排列上所有道的初至時間，排序可得最短初至時間對應的地震道，用l時0表示。

2.5 判斷炮點位置偏移與否

根據前面2.2節、2.3節計算出的最小炮檢距道l設和能量最高道l能0，若l設=l能0，則不存在炮偏； 否則，根據前述步驟(4)拾取的最小初至，找出最短旅行道l時0，若l設=l時0，則不存在炮偏，否則炮點位置存在炮偏。利用設計時對應的最小炮檢距道序號l設，最高能量道序號l能0或者最短旅行時道序號l時0，二者的差就是需糾正的炮檢量，其流程如圖5。

3 應用實例

該算法在實際應用中取得了良好的效果，下面以青海油田M工區、西南油氣田N工區應用為例介紹一下該算法的應用情況。

圖5 自動檢測、校正炮偏流程

3.1 應用實例Ⅰ

M工區曾在晚間采集地震數據，激發班組將炮點號為3119.5的單炮錯報為3120.5，由于儀器操作人員的同時疏忽，用3120.5單炮的接收道進行了接收，出現了如圖6a所示的情況：炮點的理論初至(單炮記錄上藍線)與單炮記錄相比，向左偏移了5道，即最小炮檢距道(藍三角所指)向左偏移了5道，與自動拾取初至(單炮記錄上紅線)得到的初至時間最短道(紅三角所指)對應不上，軟件系統自動判斷為“存在炮偏”。

經儀器操作人員與激發班組人員核實，炮點號為3119.5的單炮存在炮偏(由炮檢關系錯誤引起的)，更正炮檢關系之后，紅箭頭與藍箭頭對應一致，炮偏問題得到解決(圖6b)。利用此方法，在該工區共計實時發現兩處因報錯施工炮樁號而引起的炮點位置偏移和3處因地形原因引起的炮點位置偏移，并分別進行了校正。

由于多處考慮了降低參與運算的數據量和線程池機制，此方法效率很高，檢測一炮炮偏平均耗時約2s，完全能滿足采集現場實時監控需求。

圖6 糾正炮偏前(a，最小炮檢距道不一致)、后(b，最小炮檢距道一致)最小炮檢距道位置對比紅色由實際初至確定，藍色由理論初至確定

3.2 應用實例Ⅱ

N工區地震采集屬于山地施工，如圖7所示。受地形、地表條件限制，某些理論設計的激發點在實際施工中不能埋置炸藥，比如懸崖、溝壑、河流等。在此地域施工，炮點位置移動之后，如果設計初至沒有及時改正，會造成炮點位置偏移，這些單炮要及時發現，否則，會影響后期的數據處理、解釋等環節。

在實際采集過程中，單炮880的設計位置為峭壁，為此將炸藥點埋置位置向一邊移動了60m(3個道間距)，通過軟件檢測，發現理論初至與實際初至不對應，如圖8a所示。經現場人員核實，修正了設計的觀測系統，將接收道統一向同一方向移動3道，炮點偏移問題得到解決(圖8b)。

圖7 N工區三維衛星遙感圖

圖8 糾正炮偏前(a)、后(b)的880單炮藍線為理論初至，紅線為實際初至

基于此項技術，在該工區實時發現共計12處因施工位置移動導致炮點偏移的單炮，3處因施工人員報錯樁號導致的炮點位置偏移的單炮，并進行了校正。

4 結論

本文基于最小炮檢距道快速檢測炮點偏移方法有以下特點。

(1)檢測效率高，滿足實際施工需求。不需要做靜校正和動校正，只需對最近排列的數據進行初至拾取和能量計算，快速確定單炮位置是否存在偏移。

(2)定量化檢測炮偏。傳統方法靠肉眼觀察，或多或少存在誤差，本方法通過定量計算出最小炮檢距道和最短初至時間道、最大能量道，并將它們比對，定量判斷存在炮偏與否。

(3)檢測過程自動化。不需要人工干預，該方法集成軟件模塊會自動判斷炮點位置是否偏移、自動報警。

通過實際應用，本文方法能完全滿足高效采集條件下現場實時監測炮點位置偏移的需求。