可控震源動態掃描技術及應用

肖 虎 唐東磊 楊國平 王井富 吳永國 樊 平

(①東方地球物理公司采集技術中心，河北涿州 072751； ②東方地球物理公司青海物探處，甘肅敦煌 736202； ③東方地球物理公司遼河物探處，遼寧盤錦 124000)

0 引言

經過多年的地震勘探實踐及科技發展，可控震源高效采集技術日漸完善[1-2]、應用范圍不斷擴大，已形成交替掃描[3]、滑動掃描[4]、距離分離同步掃描[5-6]、獨立同步掃描[7]、分頻同時掃描[8]等系列掃描技術，滿足了不同勘探項目的多樣化需求。這些技術在所用設備、實際作業、質控、諧波壓制[9-13]、鄰炮噪聲壓制[14]等方面的要求不盡相同，且各有其特定適用范圍。綜合國內外應用實情，目前是以交替掃描、滑動掃描和距離分離同步掃描為主。其中國外公司主要選擇滑動掃描和距離分離同步掃描； 國內則以滑動掃描為主，交替掃描次之，距離分離同步掃描尚處于推廣之中。

上述三種常用掃描方式僅考慮了時間域的變化，且各有其優勢和適用條件，細述如下。

(1)交替掃描雖然效率最低，但其鄰炮噪聲最弱，后續不需做進一步去噪處理，適用于信噪比較低且覆蓋密度不高的勘探項目。

(2)滑動掃描鄰炮噪聲強度中等，震源臺數約為交替掃描的2～5倍，震源布設相對復雜，常需做諧波分離處理，但其工效約為交替掃描的兩倍，是目前國內外廣泛采用的主流高效采集技術。

(3)距離分離同步掃描的適用條件較苛刻，兩組震源的間距不能小于兩倍的最大炮檢距，即既要求具有足夠的工區長度，還要求有足夠的排列設備和可控震源數量； 其效率在理論上是滑動掃描的兩倍，為推動采集日效達萬炮提供了根本支撐。國外很多大項目因能滿足上述同步掃描的條件而多采用該技術； 而國內項目大多因工區面積較小，在應用時受到一定制約。

由于各自特點和適用條件的不同，常規地震采集施工時，這三種掃描方式各自獨立使用，因而制約了這些技術優勢的發揮和應用范圍的擴大。為此，本文通過開展可控震源動態掃描技術的細致研究，嘗試將上述三種技術綜合起來，實現優勢互補，最終取得了較好應用效果。

1 基本原理

可控震源動態掃描(Dynamic sweep)技術通過分析時空關系(T-D曲線)將時間域與空間域聯合起來，進而將交替掃描、滑動掃描和距離分離同步掃描綜合在一起(圖1)。采集施工時，可實時計算震源間距，然后根據時空關系選用符合條件的掃描方式。因此，作業方式靈活方便，施工效率顯著提高。

之所以稱其為“動態”掃描，是因為該技術在兩個方面實現了突破，即有兩大“動”的特點。

圖1 時空關系曲線與掃描方式

1.1 “動態”選擇掃描方式

如前所述，現今地震數據采集施工中，交替、滑動和距離分離同步滑動等三種掃描方式只考慮了時間域的變化，一個采集施工項目通常只會采用三種掃描方式中的一種。但動態掃描技術則不然，首次引入空間域理念，通過建立時空關系將三者綜合在一起，可實時從三種掃描方式中自動確定最優的一種。

(1)當震源間距大于或等于同步掃描所需的最小距離(圖1中Lds3)時，就采用距離分離同步掃描，此時效率最高。

(2)當震源間距滿足滑動掃描所需距離時(小于圖1中Lds3)，即采用滑動掃描，該滑動掃描還可分為固定間隔和變化間隔兩種，后有詳述。

(3)當震源間距滿足交替掃描要求時，則采用交替掃描。

無論選用哪種掃描方式，其掃描間隔的確定必須保證采集數據不會受到鄰炮干擾。

1.2 “動態”確定采集時間間隔

因交替掃描相對簡單，下面僅分析如何動態確定滑動掃描和同步掃描的采集時間間隔。

Rozemond[15]將滑動掃描定義為“一組震源開始掃描時無需等待前一組震源掃描結束”。其基本原理是在不考慮諧波干擾的情況下，若相鄰掃描的時間間隔(滑動時間)不小于聽時間，則連續掃描的地震響應在時頻域就不會重疊，但下一次掃描所激發的諧波會干擾前一次掃描記錄[16-18]。為盡量減少諧波影響，一般會采用一個大于記錄長度的時間間隔作為滑動時間，且在一個工區內該時間間隔將保持不變。

理論分析和試驗證明，諧波能量遠小于基波能量[19]，且其能量主要集中于中近炮檢距。從多個地區的諧波發育統計來看，諧波的影響范圍一般在1.5km以內，超過2km則影響甚微。此結論說明當相鄰兩炮的間距超過最大炮檢距后，可忽略諧波影響，主要考慮鄰炮噪聲干擾。隨著鄰炮間距的增大，鄰炮干擾越來越弱，采集時間間隔(滑動時間)可相應減小。當相互干擾趨近于零時，即可同時(采集時間間隔為零)激發，實現“距離分離同步掃描”。由此可見，滑動時間可隨鄰炮間距的增大而減小，相對于采集時間間隔固定的滑動掃描，避免了全區都采用一個固定時間間隔所造成的局限，使采集施工效率顯著提高。這是可變滑動時間采集的理論基礎。

針對不同的炮間距確定相應的采集時間間隔，是動態掃描技術的關鍵所在。

假設相鄰兩炮的相對關系如圖2所示。其中①、②對應第1、第2炮； 0點為第1炮的位置，保持不動；Lmax為最大炮檢距；Lds3為距離分離同步激發的最小距離，顯然Lds3/2≥Lmax；T0為最深目的層時間；Tmax為最大滑動時間。

分析理論情況下第2炮處于不同位置時應采用的掃描時間間隔。

(1)當第2炮處于0～Lmax區間時，該炮諧波干擾為主要干擾，滑動時間的確立應遵循滑動掃描對采集時間間隔的要求，即在此區間應采用固定滑動時間Tmax(圖2a、圖2b)。

(2)當第2炮位于Lds3及以后區間時，兩炮記錄的初至交叉線均在T0之上(圖2c中兩條藍色虛線)，此時已滿足距離分離同步掃描條件，在最深目的層T0之上未見鄰炮信息，即認為鄰炮對資料已無影響，可采用同步(時間間隔為0)激發。

(3)當第2炮位于Lmax～Lds3區間時，可忽略諧波干擾對第1炮的影響，在確定采集時間間隔時主要考慮避開兩炮記錄的互相干擾。

首先分析時間間隔與兩炮記錄相對位置的對應關系。假設第2炮從Lmax向Lds3移動時，時間間隔維持T0不變，可見隨著兩炮距離的增加，兩炮記錄的互干擾區域逐漸減少直至消失(圖2d、圖2e)。因此，隨著距離增大，時間間隔可相應減小，沒必要始終維持固定時間間隔。

圖2 相鄰兩炮記錄位置隨炮間距變化示意圖

仔細分析同步激發時的兩條初至交叉線(圖2c中藍色虛線)發現，只要第2炮的初至不越過藍色虛線，兩炮記錄就不會重疊或重疊很少，可認為不存在相互干擾，因此在選擇掃描間隔時只要確保第2炮的記錄不超過該虛線即可。

初至時間線與工區的折射波、直達波發育情況都有關系，且在整個工區內可能會有較大變化，不宜直接作為時間間隔標準線，否則易使時間選擇變得過于復雜。最簡單有效的方法是將(Lmax，Tmax)點與(Lds3，0)點的連線作為標準線——圖2f中紅線。由于(Lmax，Tmax)點的位置低于(Lds3/2，0)點，使標準線始終處于同步掃描時第2炮初至線(藍色線)的下方。即使折射波速度變化較大，第2炮記錄也不會越過該藍線，這樣就能確保全工區都不會出現兩炮記錄相互干擾的情況。

綜上所述，當第2炮從Lmax點向Lds3點移動時，掃描間隔可沿該標準線從最大滑動時間Tmax線性遞減到0。

以上時間間隔變化過程可用圖3直觀表示：

(1)段1空間關系對應0～Lmax區間，采用固定時間間隔滑動掃描方式，滑動時間為Tmax；

(2)段2對應Lmax～Lds3區間，采用可變時間間隔滑動掃描方式，滑動時間從Tmax線性遞減至0；

(3)段3對應Lds3點及以后，采用同步掃描方式，掃描間隔為0。

圖3 掃描時間隨震源間距變化示意圖

2 實現方法

動態掃描技術的核心是設置時空關系，同時也要求地震儀器能實現動態掃描功能。

2.1 時空關系T-D曲線的建立

在施工參數論證和資料品質分析的基礎上，通過給定已知參數，計算同步掃描所要求的距離并確定至少3個控制點，從而勾繪T-D曲線。通常包括三大步驟。

2.1.1 參數準備

根據施工參數和單炮記錄，先設定5個主要參數(圖4)：最大炮檢距Lmax，折射層速度Vr，折射波截距時Tin，主要目的層深度Tt，滑動掃描的最大滑動時間Tmax(假設已知)。

2.1.2 確立同步掃描的最小距離Lds3

同步激發的最小距離Lds3可通過不同方法設定，如可用單炮模擬同時激發過程求取，也可采用初至折射波分析方法[20]等。本文不深入探討該參數確定方法，僅簡要列舉折射波分析法。

假設初至記錄僅由直達波和折射波構成，兩炮記錄的對應關系如圖4所示。同步激發所需最小距離Lds3應滿足兩炮初至交叉在最深目的層上，相應計算公式為

Lds3=Lmax+Vr(Tt-Tin)

(1)

2.1.3 確定至少3個控制點，形成T-D曲線

3個控制點為：等間隔滑動掃描段的兩個端點(0，Tmax)和(Lmax，Tmax)，可變間隔滑動掃描段的末端點(Lds3，0)。

在有些地區，出于對資料信噪比和可控震源機械干擾等方面的考慮，可能會要求在近炮間距如1～2km內采用交替掃描，并再增加一個交替掃描的控制點，相應的T-D曲線如圖1所示。

圖4 距離分離同步激發示意圖

上述關系曲線是為了重點保護最深目的層以上資料而建立的。實際施工中，有時要求在一定炮間距范圍內整個記錄都不能互相干擾，有時要求可接受的干擾深度大于最深目的層，這些要求均可通過調整(增加)變間隔滑動掃描拐點滿足資料需求，此處不詳述。

2.2 動態掃描的優先級管理

實際施工中，地震儀器必須具備動態掃描功能，可據T-D曲線自動選定掃描方式。為確保較高施工效率，地震儀器還應具有掃描方式的優先級管理功能，針對多組已備好的候選可控震源，遵循“效率最高者優先激發”原則： ①距離同步掃描效率最高，確定為最優先級； ②可變時間滑動掃描效率次之，列為第二級； ③固定時間的常規滑動掃描列為第三級； ④若設計有交替掃描，則將其定為最后一級。

2.3 可控震源的擺放

可控震源的現場擺放對施工效率也會產生較大影響。合理的擺放會使同步激發和變間隔滑動掃描在全區占比較大，則整體施工效率會顯著提高； 否則，若固定間隔滑動掃描占比較大，則施工效率就很難有實質性提高。根據理論分析和多個項目實際操作經驗，現場擺放震源時主要考慮以下三方面因素，列舉實例進行說明。

M項目設計為正交觀測系統，最大炮檢距為5km，同步激發的最小距離為10km，共投入15臺震源，采取單臺單次激發。

(1)若工區沿接收線方向較長，滿足同步激發距離條件的炮數較多，不宜采用均勻分布方式，可考慮分成幾列，每排間距不小于最大炮檢距，使變間隔滑動掃描和同步激發的占比較大。

如工區長度(首尾炮線間距)達到18km，可將15臺震源分成5臺 3列(圖5a)，排間距為6km，那么A-B列、B-C列就可組合成變間隔滑動掃描，A-C列可組合成同步掃描。

(2)若工區沿接收線方向較短，滿足同步激發距離條件的炮數很少，則應加大變間隔滑動掃描的比例，可考慮采用相對均勻的方式。

如工區長度為12km，可將14(或15)臺震源分成4列(圖5b)，排間距為3km，每列為3或4臺，那么A-C、A-D和B-D列都可組合成變間隔滑動掃描。

(3)還需考慮地形因素。在復雜地形區，應備足震源以確保每列震源都能同時完工。

圖5 震源分布示意圖

2.4 地震記錄的獲取

與常規滑動掃描、距離同步掃描相同，只要地震儀器具有動態掃描模塊，其地震記錄即可在現場實時獲取，無須在室內進行記錄分割等后續處理。

3 實例分析

中國石油集團東方地球物理公司于2017年在青海尖頂山三維項目中實施了動態掃描技術，這是該項技術在國內首次大規模推廣應用。

3.1 項目基本情況

項目施工面積為1001km2，總炮數達20.1萬，共261束線。工區地表主要為鹽堿灘、鹽堿包，宜采用可控震源激發作業。開工初期配備了22臺震源和34000道排列，激發因素為2臺1次掃描。

前期采用10組常規滑動掃描，滑動時間為10s，共采集了7.3萬炮，平均日效約3090炮，最高日效達3942炮。

項目進入中期，因考慮其他因素需加快進度。但從前期近一個月施工進度看，采用常規滑動掃描方式不可能大幅度提高施工效率。通過細致論證，決定從第162束線開始調整為動態掃描，該方式施工在總項目中的占比達64% (圖6)。

根據前述動態掃描參數設定方法和甲方對資料的要求，擬合了該區時空關系曲線(圖7)。圖中可見：0～8km，正常10s滑動間隔； 8～14km，10～7s變間隔滑動掃描；14km以上，零間隔同時激發。另外，為保證動態掃描施工方式的有效實施，也追加了一部分設備，同時還增加了少量施工人員。

圖6 常規滑動掃描與動態掃描應用分區圖

圖7 設計的時空關系曲線

3.2 應用效果

應用動態掃描方式當天即產生顯著效果，日效達到6208炮，比前期滑動掃描的最高日效還高2266炮。到項目施工結束，動態掃描方式施工的平均日效為5972炮，是前期滑動掃描的近兩倍；最高日效達8002炮。效率的提高使施工期提前結束半個多月，為完成目標發揮了關鍵作用。

通過對實際采集時間間隔進行分析和統計(圖8和表1)，得到以下兩項認識：

(1)所有炮的采集時間間隔都在圖7的曲線之上，顯示各種掃描方式均遵循了時空關系，證明所設計的時距曲線是行之有效的；

(2)應用動態掃描技術后，1/3以上炮的采集間隔為10s以下，這是效率提高的根本原因，充分表明距離同步掃描和變間隔掃描方式的高效性。

圖8 實際時空關系統計圖

采集時間間隔動態掃描應用前/%動態掃描應用后/%0(同步滑動掃描)N/A217～10s(變間隔滑動掃描)N/A1410s(等間隔滑動掃描)654810s以上3517

4 結論

本文的研究及其應用表明，動態掃描技術進一步推動了可控震源采集效率的提高，并擴大了可控震源多種掃描方式的應用范圍。與其他掃描方法相比，動態掃描技術具有以下兩方面特點：

(1)首次在原有時間域基礎上引入空間域理念，通過建立時空關系將交替、滑動、距離分離同步等三種掃描方式結合起來，充分利用三者各自優勢，擴大了可控震源的適用范圍，尤其是具有最高效率的距離同步掃描方式。無論工區大小，能采用同步掃描的就采用同步掃描，不能采用的就調整為滑動掃描，這樣就避免了以往國內普遍因工區面積小不能有效實施同步掃描技術的窘境。

(2)首次將滑動掃描的滑動時間由等間隔調整為變間隔，采集資料品質未受影響，但效率顯著提高。