復(fù)雜地區(qū)炮點(diǎn)偏點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法討論及應(yīng)用

伊萬(wàn)順 徐 海 都小芳 趙 夏 岳震國(guó) 黃 衛(wèi)

（1.中國(guó)石油大學(xué)CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京100004；3.東方地球物理公司，河北 涿州072751）

傳統(tǒng)意義上的復(fù)雜地區(qū)三維地震資料采集的炮點(diǎn)偏移設(shè)計(jì)，通常是通過(guò)手工進(jìn)行偏點(diǎn)的偏移，僅適合低復(fù)雜度與偏點(diǎn)數(shù)量較小的情況，效率低下而且準(zhǔn)確度低［1，2］。近年來(lái)隨著油氣勘探進(jìn)一步深入，極復(fù)雜地區(qū)（如城區(qū)、海陸過(guò)渡帶等）成為勘探的熱點(diǎn)，手工炮點(diǎn)的偏移設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要，如某些工業(yè)區(qū)與城區(qū)內(nèi)的線束，其偏點(diǎn)（偏移的炮點(diǎn)）數(shù)量一般占理論炮點(diǎn)的30%～50%，采用人工方法進(jìn)行偏移設(shè)計(jì)相當(dāng)困難。第一，影響設(shè)計(jì)與施工效率，增加野外施工的成本，不能保證偏點(diǎn)炮的有效性；第二，不能保證有效炮數(shù)量的最大化以及覆蓋次數(shù)的最優(yōu)化；第三，不能保證后期資料提交的準(zhǔn)確性［3，4］。本文根據(jù)實(shí)例，著重研究實(shí)現(xiàn)了一種以衛(wèi)星照片、地形圖、勘察測(cè)量數(shù)據(jù)等地理信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行地震勘探部署設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)采集觀測(cè)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)和方法，為評(píng)估野外采集方法、降低勘探成本、避免失誤風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化地震資料采集觀測(cè)效果提供更為科學(xué)的分析技術(shù)和手段。

1 偏點(diǎn)規(guī)則與優(yōu)化方法

1.1 偏點(diǎn)規(guī)則

以國(guó)外X地區(qū)的海陸過(guò)渡帶三維地震勘探項(xiàng)目為例。該項(xiàng)目規(guī)模大，陸地部分地表復(fù)雜，分布著密集的管線群、高速公路、石油化工廠、污水處理廠、飛機(jī)場(chǎng)、居民區(qū)等。地震采集存在大量空點(diǎn)（不能放炮的理論設(shè)計(jì)點(diǎn)），其中，某些線束偏移炮點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱為偏點(diǎn)）數(shù)量高達(dá)50%。針對(duì)這種地面條件，如何既保證炮點(diǎn)布設(shè)的合理性，又保證炮點(diǎn)的可實(shí)施性，最大限度地滿足覆蓋次數(shù)均勻與施工效率的要求，是目前野外地震采集中所面臨的最大挑戰(zhàn)。

X區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)則為：橫向偏移距≤750m，縱向偏移距≤800m；其觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為12線24炮，炮線點(diǎn)距100m×50m，檢波線點(diǎn)距200m×50 m，最大偏移距為6km，滿覆蓋為360次。

1.2 偏點(diǎn)方法與優(yōu)化分析

根據(jù)偏點(diǎn)規(guī)則，嘗試了以下偏移方法與匹配方法。以炮線為參考系定義方向，平行于檢波線方向的炮線稱為炮線的橫向，垂直于檢波線方向的炮線稱為炮線的縱向。

1.2.1 偏移方法與分析

a.先橫后縱的串聯(lián)查找（圖1）。平行于檢波線方向的橫向匹配，然后再?gòu)拇怪庇跈z波線的炮線方向進(jìn)行查找；縱向距離取絕對(duì)值的最小距離，橫向采用最優(yōu)距離。

圖1 先橫向后縱向查找Fig.1 Inline－cross line search

b.橫向－橫縱并聯(lián)查找（圖2）。橫向查找完畢后，再由橫向與縱向的方向同時(shí)查找（藍(lán)色框內(nèi)查找）；縱向距離取絕對(duì)值的最小距離，橫向采用最優(yōu)距離。

c.橫縱的并聯(lián)查找（圖3）。即橫向與縱向同時(shí)查找，只要滿足偏移條件，就認(rèn)為匹配的偏點(diǎn)是有效的。

圖2 先橫向再橫縱向查找Fig.2 Inline－inline ＆cross line search

圖3 橫縱向同時(shí)查找Fig.3 Inline ＆cross line search

根據(jù)以上偏點(diǎn)的查找思路，對(duì)這3種查找方法應(yīng)用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)分析（表1），結(jié)論如下。

表1 3種匹配方法的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The result of the comparison of three methods

第一種與第二種偏移查找方法皆符合地球物理偏點(diǎn)思路，能夠最大化地滿足空點(diǎn)區(qū)域CMP疊加剖面的覆蓋次數(shù)；但是第一種方法找到的匹配點(diǎn)數(shù)要比第二種方法少，原因是僅考慮了各個(gè)方向的單向查找。

第三種與前兩種相比，偏點(diǎn)的查找數(shù)量最多（與第二種方法相比，實(shí)際處理數(shù)據(jù)多出10～30個(gè)點(diǎn)，視具體情況而定），但是縱向偏移的炮點(diǎn)太多，不完全符合地球物理學(xué)家的偏點(diǎn)思路。

1.2.2 匹配方法與分析

假設(shè)在橫向匹配過(guò)程中偏移距離不能超過(guò)250m，抽象模型算法與分析如下。

a.最小絕對(duì)值法。在橫向匹配過(guò)程中，當(dāng)空點(diǎn)與偏移點(diǎn)之間距離的絕對(duì)值最小時(shí)，認(rèn)為此偏點(diǎn)與空點(diǎn)的匹配形式是最佳的（圖4）；但其中僅有3個(gè)點(diǎn)能夠匹配，其余2個(gè)點(diǎn)已經(jīng)超過(guò)偏移距離250m的限制。最小絕對(duì)值的匹配方式：紅色點(diǎn)代表可實(shí)施設(shè)計(jì)點(diǎn)，藍(lán)色點(diǎn)代表偏點(diǎn)，紫色點(diǎn)代表空點(diǎn)。

b.最優(yōu)距離法。在橫向匹配過(guò)程中，不以距離最小絕對(duì)值為判定標(biāo)準(zhǔn)，而是以怎樣最大化地增加空點(diǎn)區(qū)域覆蓋次數(shù)為目的的偏點(diǎn)匹配形式（圖5），其中僅有5個(gè)點(diǎn)皆能夠匹配，沒(méi)有超過(guò)偏移距離250m的限制。最優(yōu)距離匹配方式：紅色點(diǎn)代表可實(shí)施設(shè)計(jì)點(diǎn)，藍(lán)色點(diǎn)代表偏點(diǎn)，紫色點(diǎn)代表空點(diǎn)。

圖4 最小絕對(duì)值匹配方法示意圖Fig.4 Least absolute value match

圖5 最優(yōu)距離匹配方法示意圖Fig.5 Optimization distance match

通過(guò)模型的理論分析以及實(shí)際數(shù)據(jù)處理后，發(fā)現(xiàn)第二種匹配方法最佳（表1），找到匹配點(diǎn)較多，符合地球物理學(xué)家的偏點(diǎn)思路。

2 方法組合與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)方法分析，選取了最優(yōu)距離與橫向－橫縱并聯(lián)查找方法組合，進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)［5－7］。

設(shè)SPS炮點(diǎn)文件中設(shè)計(jì)炮點(diǎn)文件為aij（i＝0，1，2，…，m1；j＝0，1，2，…，n1）；不存在的設(shè)計(jì)點(diǎn)為bji（i＝0，1，2，…，m2；j＝0，1，2，…，n2），存在的偏點(diǎn)為cji（i＝0，1，2，…，m3；j＝0，1，2，…，n3）。其中bji與cji為經(jīng)過(guò)二分法遞歸排序得到的結(jié)果，此時(shí)令cji中的j為一重循環(huán)，bji中的j為二重循環(huán)，實(shí)現(xiàn)沿橫向查找偏點(diǎn)所匹配的空點(diǎn)。空點(diǎn)的橫向查找方式以max（abs（cji－bij））為準(zhǔn)，橫縱向以 min（abs（cji－bij））距離為準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)偏點(diǎn)的匹配。

運(yùn)行發(fā)現(xiàn)該方法配合，查找最合理，雖然找到的匹配點(diǎn)沒(méi)有橫縱并聯(lián)查找的個(gè)數(shù)多，但這種查找方式更符合地球物理學(xué)家面元覆蓋次數(shù)均一化的設(shè)計(jì)思路（圖6）。

3 偏點(diǎn)優(yōu)化的應(yīng)用

3.1 偏點(diǎn)優(yōu)化的應(yīng)用方法

基于衛(wèi)星遙感圖片可將其作為踏勘依據(jù)，設(shè)計(jì)不同地形條件下的激發(fā)點(diǎn)，組織質(zhì)控與測(cè)量人員提前踏勘，對(duì)激發(fā)點(diǎn)進(jìn)行可行性分析，按照計(jì)劃去核實(shí)炮點(diǎn)的可實(shí)施性，對(duì)不合適的炮點(diǎn)還需要二次偏移。在商業(yè)區(qū)、居住區(qū)及城鎮(zhèn)等大面積復(fù)雜障礙區(qū)，要根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及地形地物特點(diǎn)，通過(guò)模擬分析，在施工前需提前確定偏移炮點(diǎn)的分布（如偏移方向與偏移距離等），通過(guò)室內(nèi)與野外密切結(jié)合，實(shí)時(shí)地使室內(nèi)與野外設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。

圖6 偏點(diǎn)優(yōu)化流程Fig.6 Offset shot optimization flow

3.2 偏點(diǎn)優(yōu)化的應(yīng)用效果

以橫跨城區(qū)與工業(yè)區(qū)的某線束為例，其地表分布著密集的管線群、高速公路、石油化工廠、污水處理廠、居民區(qū)，地表情況極其復(fù)雜（圖7）。為滿足目標(biāo)區(qū)各目的層覆蓋次數(shù)以及最大限度地降低空炮率，需要布設(shè)大量的偏移炮點(diǎn)。該線理論施工（假定地表地形規(guī)則，沒(méi)有障礙物）設(shè)計(jì)炮點(diǎn)4 723炮（圖8）?，F(xiàn)場(chǎng)地球物理專家根據(jù)地表地形條件實(shí)際設(shè)計(jì)了5 306炮點(diǎn)（圖9），在非優(yōu)化條件下，比理論多設(shè)計(jì)了583炮（5 306－4 723＝583）。若按此方案激發(fā)，在考慮覆蓋次數(shù)均勻的情況下，不但不能保證偏點(diǎn)的有效性，而且還會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)效炮，影響施工效率，增加施工成本。

據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)，在城區(qū)與工業(yè)區(qū)的無(wú)障礙物處可施工的設(shè)計(jì)點(diǎn)（正點(diǎn)）應(yīng)為2 839個(gè)（圖10中粉紅色炮點(diǎn)），障礙物處的空點(diǎn)和對(duì)應(yīng)有效偏點(diǎn)應(yīng)為1 884個(gè)（圖10中藍(lán)色炮點(diǎn)）。

圖7 工區(qū)地面衛(wèi)星圖Fig.7 High resolution satellite photo

據(jù)偏移規(guī)則，借助偏移優(yōu)化算法的自動(dòng)匹配，對(duì)踏勘設(shè)計(jì)炮點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化處理與分析后得到如下結(jié)果：在踏勘初始設(shè)計(jì)方案中有89個(gè)空點(diǎn)（圖11中藍(lán)色炮點(diǎn)）不能在所有可利用的設(shè)計(jì)偏點(diǎn)中找到其對(duì)應(yīng)的偏移炮點(diǎn)，672個(gè)設(shè)計(jì)偏移點(diǎn)找不到與其對(duì)應(yīng)的障礙物空點(diǎn)（圖11中粉紅色炮點(diǎn)）；經(jīng)優(yōu)化處理后被廢除，最終優(yōu)化處理后的有效偏移炮點(diǎn)個(gè)數(shù)為1 795個(gè)（表2，表3）。

圖8 理論設(shè)計(jì)炮點(diǎn)分布圖Fig.8 Theoretical designed shot points distribution

圖9 踏勘初始設(shè)計(jì)炮點(diǎn)分布圖Fig.9 The scouting designed shot points distribution

圖10 優(yōu)化后實(shí)際炮點(diǎn)分布圖Fig.10 The shot points distribution after optimizing正點(diǎn)：粉紅色點(diǎn)；空點(diǎn)：藍(lán)色點(diǎn)

圖11 廢棄偏點(diǎn)與不匹配空點(diǎn)分布圖Fig.11 Distribution of the abandoned offset shot and unmatched points

表2 理論點(diǎn)、偏點(diǎn)、正點(diǎn)、空點(diǎn)的關(guān)系Table 2 The relation between theoretical，offset，enforceable theoretical and skipped points

表3 設(shè)計(jì)點(diǎn)、正點(diǎn)、偏點(diǎn)、空點(diǎn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系Table 3 The Statistical relation between theoretical，offset，enforceable theoretical and skipped points

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

通過(guò)對(duì)偏點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的討論以及國(guó)外X復(fù)雜過(guò)渡帶三維地震勘探項(xiàng)目炮點(diǎn)施工設(shè)計(jì)的應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

a.在匹配數(shù)量以及設(shè)計(jì)觀念上，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析可知，基于橫－橫縱向查找，并以橫向最優(yōu)距離、縱向最小距離的匹配方法是最優(yōu)化的。

b.通過(guò)偏點(diǎn)優(yōu)化程序?qū)?fù)雜區(qū)施工方案進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)、不斷優(yōu)化，最大限度地提高了覆蓋次數(shù)。

c.將數(shù)量巨大的偏點(diǎn)設(shè)計(jì)從手工設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，設(shè)計(jì)人員可隨意盡可能多地布設(shè)可以放炮的偏點(diǎn)，不需考慮偏移規(guī)則，處理后的多余偏點(diǎn)可通過(guò)程序自動(dòng)剔除，提高了質(zhì)控人員偏點(diǎn)設(shè)計(jì)的工作效率。

d.降低了因不合理偏移點(diǎn)而產(chǎn)生的無(wú)效炮數(shù)，節(jié)約了成本，提高了野外作業(yè)的工作效率。

e.解決了偏點(diǎn)與空點(diǎn)的相互匹配問(wèn)題，降低了資料整理人員的工作量，提高了工作效率。

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