三維地震采集施工模板優化布設方法的探討

胡 峰，李 彪，陳江力，劉攀登，陳燕雄，耿 春

(東方地球物理勘探公司 西南物探分公司，成都 610213)

0 引言

近年來，油氣勘探目標向復雜油氣藏轉變，地震勘探高密度、高精度采集技術逐步成規模化應用[1-3]，在獲取高品質地震資料的同時，三維觀測占用設備越來越多，野外采集施工效率、成本、季節工用工及現場施工管理等問題日益突出。地震采集具有大兵團、廣分布、小單元、細分工的施工特點，實踐證明，在人員、裝備有限的條件下，施工模板推演是實現高效采集的核心和關鍵[4-5]，因此，提前策劃、科學推演的施工模板布設方案設計，在整個三維地震高效采集施工中尤為重要，直接決定后續采集施工的效率和成本問題。

通常，在三維地震資料采集觀測系統參數確定后，地震資料采集施工方會根據設備投入量采用經驗類比法估算每日采集炮次，確定施工組織方案。這種方法依賴設計人員的經驗，缺乏穩定性、組織的高效性和成本的優化，并且需要花費更多的時間來模擬、分析、對比幾種排列布設方式和設備投入量，降低了工作效率，增加了工作量。

目前我國的地球物理工作者針對勘探目標需求，對觀測系統屬性參數分析方面進行了大量卓有成效的研究工作[6-7]，但基于三維觀測系統屬性約束和設備約束條件下的野外排列滾動模板優化設計方面的研究較少[8-9]。因此，有必要探索研究三維地震采集施工模板優化布設方法的配套技術，以達到采集資源最大化應用和提高工程效率的目的。

1 施工模板優化布設方法推導

施工模板是三維地震每日采集炮次所需要的排列片，施工模板一旦確定，整個工區或整大束線(多束組合),將會按照模板炮檢布設進行滾動采集，直接決定日效和工期，因此施工模板布設是否高效，在整個采集作業方案的推演中至關重要。通常采用炮道比值來衡量采集效率，即日采集炮次與所需布設排列道數的比值，炮道比越大采收率越高，說明了用盡可能少的裝備，采集盡可能多的炮[10]。

設定正交觀測系統順測線方向為inline方向，順炮線方向為crossline方向，觀測系統單元模版為：Lu=X×R，在單元模板基礎上，由工區設備投入總量，可得日采集用施工模板為式(1)。

Lc=(X+SLI/Δx×m)×(R+n)

(1)

其中：X為單元模板接收道數；SLI為激發線距；Δx為道距；m為單元模板外inline方向增加炮線數；R為單元模板接收線數；n為單元模板外crossline方向增加接收線數。

由此可知：設計一個高效、合理的施工布設模板，主要取決于兩個關鍵參數m、n，不同m、n的組合形成了雙向同時布設、crossline單向布設和inline單向布設三種布設方式(圖1)。

圖1 三種施工模板布設方式示意圖

以22L8S440R正交三維觀測系統模板(表1)為例，探討在投入設備總量(約18 000道)不變的情況下，設計施工模板布設方式如下。

表1 觀測系統參數表

1.1 列舉法推演

1.1.1 沿inline/crossline單向式排列布設

Inline方向布設排列：單元模板排列塊(22線*440道=9 680道)+拓展排列塊(22線*380道=8 360 道)=18 040道設備可采集160炮，炮道比為0.009，Crossline/inline的比值為21*400/(819*25)=0.410，成橫矩形狀，如圖2(a)所示；Crossline方向布設排列：單元模塊排列塊(22線*440道=9 680道)+拓展排列塊(19線*440道=8 360道)=18 040道設備可采集160炮，道比為0.009。crossline/inline的比值為40*400/(439*25)=1.458，成縱矩形狀，如圖2(b)所示。從上述推演可以看出，采用inline/crossline單向排列布設的方式，炮道比相同，橫縱比差異較大。

圖2 inline方向擺排列和crossline方向擺排列示意圖

1.1.2 inline/crossline雙向增加式排列布設

inline方向和crossline方向同時逐步增加排列至8L8S時效率最高(表2)，即：(22+8)線*(440+160)道=18 000道設備可采集648炮，炮道比為0.036，crossline/inline的比值為29*400/(599*25)=0.775，此比值與理論單元模板0.765接近，形狀同單元模板一致，為類正方形狀(圖3)。

圖3 inline和crossline方向同時增加排列示意圖

從表2中的推演結果可以看出，雙邊遞進布設的方式明顯優于單向遞進布設，且獲得規律性認識：布設施工模板越接近理論模板橫縱比，炮道比越大。

表2 施工模板推演數據表

1.2 公式法推演

以上述推演為例，假設布設單元模板之后，還可布設n條接收線，且能滿足炮線縱向滾動m次，根據施工模板與放炮效率的特征關系推導，日效炮次和設備投入的最優求解可以描述成公式(2)。

(2)

式中：S為采集炮次;E為采集鏈投入量;m為單元模版外縱向可增加炮線數;n為單元模版外橫向可增加接收線數;SLI為炮線距;Xmax為縱向最大偏移距;R為單元模版接收線數;Δx為道距;shots_cell為單元模版炮數。

當觀測系統參數確定時，方程剩余四個未知數S、E、m、n，通常給定E(或S)，通過公式變形可求得m、n關系函數，代入公式得到形似y=ax2+bx+c的拋物線函數(圖4)，該函數直接反映m(或n)的變化，S(或E)的變化趨勢，拋物線的頂點值即為日效炮次最大值或設備投入最小值。利用拋物線求導的方法，通過對S(或E)求導，導數為“0”時，即求得設備投入量最小值或采集日效最大值。

以表1正交三維觀測系統為例，代入已知觀測系統參數后，公式為式(3)。

(3)

同樣投入采集設備18 000道，由式E=(440+20m)×(n+22)，得n=18 000/(440+20m)-22，帶入S=(m+1)×(n+1)×8，得S=8×(-21m2+417m+438)/(22+m)，對S求導，得到S'=168×(-m2-44m+416)/(22+m)2，當S'=0，m>0時，m=8、n=8、S=648，該數值為采集日效最大值，結果與列舉法相同。

1.3 施工模板優化布設方法

通過列舉法和公式法推導證明：當施工施工模板橫縱比越接近于單元施工模板橫縱比時，我們所得到的炮道比(日效)越高，施工模板布設越優。因此，在設計布設施工模板時，應盡量使布設的排列與理論模板保持一致的橫縱比(式(3))，從而在保持投入設備不變的情況下，最大限度的提高采集炮次；或在保持可采集炮次不變的情況下，最大限度的減少設備投入；從而達到最高投入產出比。

(4)

式中：RLI為接收線距。

2 優化布設方法的應用

1)利用施工模板橫縱比確定最優施工模板布設方案的方法，對于邊框相對規則、地表條件相對較好的三維工區來說，直接套用公式計算即可得到最優方案。

2)針對地表條件相對復雜，受外界因素影響較重的工區，施工方的作業條件和作業能力受客觀條件的制約，往往達不到理論最優施工模板布設方案的要求。例如川渝某工區根據投入的設備推算出排列最優布設方案日效為2 000炮，但是由于外界干擾較重，每日的有效采集時間只有8 h，儀器車的峰值作業能力為150炮/h，1 200炮即為每日采集日效的上限，這種情況下理論最優施工布設方案顯然是不合適的。在實際應用中，可以采取將m(或n)值列舉為一段連續整數，利用公式(1)建立數學函數模型(圖5)，通過模型快速反算出不同m、n變化組合形成的施工模板布設方案庫，再通過作業條件的約束限制，就可以快速尋優滿足作業條件，同時最接近于理論最優的施工模板布設方案，從而達到快速尋優設計、高效組織生產地目的。

3)筆者認為三維地震施工模板優化布設，從數學角度出發就是平面數組排列求最優解的過程，黃金分割法等著名理論定律同樣適應于地震采集，通過多個高效施工三維地震采集實例分析認為：實際生產中，可以應用黃金分割原理，復雜工區設計采集日效(或設備投入量)達到理論最優解61.8%的(圖5虛線所示區間)，即可認定為高效采集方案。

圖5 射洪-鹽亭三維日效炮次(設備投入)數學函數模型

4)利用式(1)可以直接求取極值的特性，為生產組織決策者構建生產計劃和資源投入提供技術支撐，對于施工方和管理方而言：①對施工方，在確定裝備投入的條件下，為合理測算實際效率提供目標參考數據,

(Sk1…Skn為工區類別、氣候、交通、障礙、人員等因素影響而減少的炮次);②對管理方，根據日效目標，為合理配置裝備資源提供底線參考數據,

(Ek1…Ekn為因裝備損耗、工區季氣候、協調等因素影響而增加的設備)。

3 應用實例

四川盆地BD三維為10 472炮的多波勘探項目，觀測系統參數見表3，在僅有8 400道三分量檢波器能投入使用條件下，甲方要求30 d內完成野外作業。

表3 BD三維觀測系統參數表

現場技術人員通過演繹推算，設計出常規施工方案1(圖6(a))：單元模板外沿inline方向單線多布設264道，即接收線單線440道布通，沿 crossline方向多布設1條接收線，共布設19條接收線，模版共耗用8 360道，可采集34條*14炮=476炮，施工模板橫縱比0.29，炮道比0.06，理論工期22 d。按前面所述施工模板優化布設方法進行計算，在8 400道排列設備情況下，通過式(1)計算，獲得理論最優施工模板方案2(圖6(b))，m=13，n=12，即施工模版為：沿inline方向單線多布設104道，即接收線單線布設280道，沿 crossline方向多布設12條接收線，共布設30條接收線，模板共耗用8 400道，可采集14條*91炮=1 274炮，施工模板橫縱比0.72，炮道比0.15，理論工期12 d。考慮工區屬復雜山地地形，綜合交通運力、組織協調、人力資源及重復排列搬遷等影響因素，綜合尋優調整得出優化施工模板方案3(圖6(c))，m=16，n=6，施工模版為：沿inline方向單線多布設128道，即接收線單線布設304道，沿 crossline方向多布設6條接收線，共布設24條接收線，模板共耗用7 296道，可采集17條*49炮=833炮，施工模板橫縱比0.53，炮道比0.11，理論工期15 d。該調整模板方案位于理論推演高效采集區間內，各輪炮次相對均勻，且留備1 100道(13%)采集鏈，在較高日效、短工期的條件下，有效保障了山區持續、穩定施工。

圖6 不同施工模板布設方式示意圖

表4是三種方案的要素對比，相比常規設計施工模板，方案3提升采集炮次為43%，工期縮短為32%，采集直接成本降低。

表4 不同施工模板要素對比表

4 認識和結論

1)施工模板橫縱比越接近理論模板橫縱比，炮道比越高，采集設備的投入產出比越高，施工模板布設方案理論越優。

2)施工模板優化布設方法為快速推演"高效率、低投入"的施工組織方案提供了技術支撐，對生產組織決策者構建生產計劃和資源投入具有積極意義。

3)該項配套技術方法的應用需結合采集設備特點(節點儀、井炮源驅動等)、外界因素、交通條件及人力資源狀況等綜合權衡，在理論推演基礎上，因時因地適當調整，保證調整方案位于高效采集區間，科學組織施工生產。