基于最小炮檢距道快速檢測(cè)炮點(diǎn)偏移方法

魏新建 楊午陽(yáng) 王萬(wàn)里 李 冬 陳德武 李書(shū)平

(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州 730020)

0 引言

隨著對(duì)地震資料采集精度要求的不斷提高[1-4]，如何通過(guò)更有效的質(zhì)控手段監(jiān)控野外采集施工過(guò)程，降低或消除影響地震源數(shù)據(jù)質(zhì)量的不利因素，越來(lái)越受到各方重視[5-6]。其中，炮點(diǎn)位置精確與否對(duì)后期的數(shù)據(jù)處理、解釋具有重要影響，而在地震勘探現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于受地表?xiàng)l件的限制或者人為因素，致使炮點(diǎn)施工位置與設(shè)計(jì)位置有所偏離[7-9]。如果不予以糾正，不僅影響動(dòng)校正和疊加的精度，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。已有的炮點(diǎn)位置偏移檢查及校正方法列舉如下。

(1)對(duì)比炮檢距曲線與初至的對(duì)應(yīng)關(guān)系[10-12]。通過(guò)對(duì)比炮檢距曲線與初至的對(duì)應(yīng)關(guān)系，檢查單炮記錄的物理位置。其優(yōu)點(diǎn)是不用做靜校正、迅速直觀，不足之處是需要人工逐個(gè)單炮肉眼對(duì)比，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，主觀性強(qiáng)。

(2)線性動(dòng)校正法[13-14]。如果炮點(diǎn)位置準(zhǔn)確，線性動(dòng)校正的結(jié)果將是接近于標(biāo)準(zhǔn)的直線，當(dāng)炮點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差的時(shí)候，線性動(dòng)校正得到的初至曲線是不規(guī)則曲線。通過(guò)此方法判斷炮點(diǎn)偏移時(shí)，會(huì)影響動(dòng)校正效率，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控需求；另外，野外激發(fā)條件多變時(shí)，應(yīng)用效果不好，一般需要精確靜校正后，再通過(guò)此方法判斷炮點(diǎn)位置偏移與否。

(3)王民等[15]在線性動(dòng)校正的基礎(chǔ)上，分象限疊加，然后采用分排列校正時(shí)差分析方法確定炮點(diǎn)的偏離量。但是這種方法需要?jiǎng)有Ｕ皩?duì)各個(gè)象限疊加成圖，很難滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。

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

(5)朱海偉等[17]利用粒子群算法進(jìn)行炮點(diǎn)偏移校正，通過(guò)觀測(cè)初至與計(jì)算初至建立誤差目標(biāo)函數(shù)，利用粒子群算法求解目標(biāo)函數(shù)得到最優(yōu)解即炮點(diǎn)位置。雖然該算法比常規(guī)網(wǎng)格搜索法的計(jì)算效率明顯提升，但還是很難滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控需求，大多只應(yīng)用于室內(nèi)處理。

(6)利用ArcGIS檢查炮偏[18]。該方法通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)炮點(diǎn)位置和施工炮點(diǎn)位置，超過(guò)給定閾值為炮點(diǎn)位置偏移。這種算法需獲得精確的炮點(diǎn)施工坐標(biāo)信息，在實(shí)際應(yīng)用中精度很難達(dá)到； 另外，這種方法不能有效解決因報(bào)錯(cuò)炮點(diǎn)樁號(hào)等人為因素造成的炮偏問(wèn)題。

總之，常規(guī)的炮點(diǎn)位置偏移檢測(cè)方法一般存在兩方面不足： ①依賴人工交互，肉眼對(duì)比，主觀性強(qiáng)，精度低； ②效率低。需要對(duì)單炮數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)校正、靜校正等操作，很難滿足當(dāng)前野外高效地震采集條件下實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求。

本文通過(guò)深入研究最小炮檢距道的性質(zhì)，從最大能量和最短旅行時(shí)出發(fā)，通過(guò)對(duì)比理論初至和實(shí)際初至，自動(dòng)判斷炮點(diǎn)是否偏移，并計(jì)算出偏移量，然后予以校正。

1 炮點(diǎn)位置偏移原因分析

引起炮點(diǎn)位置偏移的原因可歸結(jié)為客觀和主觀兩類。

(1)客觀因素。由于有些地震采集區(qū)域的地表存在障礙物，比如建筑物、河流、池塘等。在這樣的區(qū)域施工，無(wú)論是震源施工還是炸藥施工，都要避開(kāi)這些障礙物，這就不可避免地導(dǎo)致施工炮點(diǎn)位置與設(shè)計(jì)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(xiàn)場(chǎng)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(duì)講機(jī)，由于天色、地形、信號(hào)弱等因素，加上儀器車內(nèi)比較嘈雜，難免會(huì)出現(xiàn)漏報(bào)或錯(cuò)報(bào)樁號(hào)的情況。如果這種情況不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)連續(xù)廢炮。如圖1所示，當(dāng)前施工單炮的點(diǎn)號(hào)為804，下一個(gè)施工單炮點(diǎn)號(hào)應(yīng)該為805，但是由于單炮805不在主測(cè)線上，炮班施工人員誤將單炮806當(dāng)成了805報(bào)給現(xiàn)場(chǎng)儀器操作人員，這樣儀器操作人員會(huì)用806對(duì)應(yīng)的接收道接收805單炮數(shù)據(jù)，造成炮點(diǎn)位置從806所在位置偏移到805所在位置。若上述錯(cuò)誤未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成后續(xù)施工的單炮807、808、……等都是廢炮，引起現(xiàn)場(chǎng)事故。

另一種主觀因素是室內(nèi)資料人員整理SPS等文件的過(guò)程中，將個(gè)別炮點(diǎn)位置弄錯(cuò)，導(dǎo)致炮檢關(guān)系錯(cuò)誤。

無(wú)論是客觀原因還是主觀原因引起的炮點(diǎn)位置偏移，都會(huì)給后期資料處理、解釋造成不良影響，甚至是錯(cuò)誤。炮點(diǎn)位置出現(xiàn)偏離，動(dòng)校正后同相軸不能被拉平，因此也不能進(jìn)行同相疊加。因?yàn)槟壳暗卣鹂碧降挠涗浀罃?shù)較多，往往有幾千道甚至幾萬(wàn)道，如果炮點(diǎn)位置出現(xiàn)偏離，將會(huì)有眾多偏離道參與抽道疊加，就可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，如剖面上出現(xiàn)一些與實(shí)際情況不符的孤立斷點(diǎn)等[19]。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)放錯(cuò)炮示意圖

2 快速檢測(cè)炮偏原理

距離激發(fā)點(diǎn)最近的地震道——最小炮檢距道顯然具有兩個(gè)特性： ①最先接收到初至波的地震信號(hào)，即其初至波旅行時(shí)間是最短的； ②由于距離激發(fā)點(diǎn)最近，在近排列范圍內(nèi)剔除能量異常道后，該地震道的能量最強(qiáng)。如果炮點(diǎn)位置存在偏移時(shí)，最小炮檢距道會(huì)出現(xiàn)如下情況： ①初至波旅行時(shí)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(qiáng)的?；谧钚∨跈z距道的上述性質(zhì)，該方法的實(shí)現(xiàn)包括以下五個(gè)過(guò)程。

2.1 計(jì)算單炮最近排列

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

圖2 炮點(diǎn)S0的最近排列(紅色框范圍)

2.2 計(jì)算最小炮檢距道

根據(jù)炮點(diǎn)大地坐標(biāo)、近排列上各檢波點(diǎn)大地坐標(biāo)，由下式計(jì)算近排列上各檢波點(diǎn)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(biāo)；x0、y0是激發(fā)點(diǎn)的大地橫、縱坐標(biāo)。

據(jù)下式可求取最小炮檢距，并得到對(duì)應(yīng)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(diǎn)到激發(fā)點(diǎn)(x0,y0)的距離。此步驟可以計(jì)算出單炮設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)的最小炮檢距道，用l設(shè)表示。

2.3 計(jì)算近排列道集能量并剔除能量異常道

根據(jù)

(3)

計(jì)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(diǎn)振幅；n為單道的樣點(diǎn)數(shù)。再根據(jù)設(shè)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(jì)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(guò)建立最近排列的理論初至模型確定拾取范圍，采用改進(jìn)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(diǎn)，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(jì)算的樣點(diǎn)限制在由理論初至模型確定的近排列上一定范圍的時(shí)窗內(nèi)(圖3粉色線)，計(jì)算數(shù)據(jù)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(nèi)搜索相比，拾取的初至點(diǎn)出現(xiàn)異常值的幾率大大降低。

根據(jù)下式建立理論初至模型

?h

(4)

式中：t0為交叉時(shí)；d為炮檢距；v為速度；h為上下時(shí)窗的大小。根據(jù)工區(qū)實(shí)際情況，調(diào)整t0、v、h的大小，確保將整個(gè)初至區(qū)域包絡(luò)在內(nèi)(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(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)[20-21]，為了提高能量比算法的穩(wěn)定性，減少拾取的錯(cuò)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(jìn)。算法中用到3個(gè)滑動(dòng)時(shí)窗： 前、后時(shí)窗、第三時(shí)窗。首先計(jì)算后前時(shí)窗能量比，獲得能量比極大值； 然后在極大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間前段搜索能量比次極值，在對(duì)應(yīng)樣點(diǎn)計(jì)算其前時(shí)窗與第三時(shí)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(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間被認(rèn)為是正確的初至?xí)r間(折射波先起跳時(shí)間)

(5)

(6)

式中：A為后、前時(shí)窗能量比；A′為后時(shí)窗與第三時(shí)窗能量比；M為后時(shí)窗內(nèi)l1個(gè)采樣點(diǎn)的能量和；N為前時(shí)窗內(nèi)l2個(gè)采樣點(diǎn)的能量和；D為第三時(shí)窗內(nèi)l3個(gè)采樣點(diǎn)的能量和；α為穩(wěn)定因子；t為當(dāng)前采樣點(diǎn)；m為后時(shí)窗與第三時(shí)窗的起點(diǎn)間隔；C為一整道n個(gè)采樣點(diǎn)的能量的平均值；T為時(shí)窗終點(diǎn)。

圖4 批量刪除異常點(diǎn)前(a)、后(b)炮檢距—初至點(diǎn)交會(huì)圖(上)及其單炮記錄初至(下)對(duì)比

2.4.3 批量剔除異常點(diǎn)

根據(jù)前面拾取的初至點(diǎn)，利用炮檢距和初至點(diǎn)交會(huì)，構(gòu)成了“炮檢距—初至點(diǎn)”交會(huì)圖，初至異常點(diǎn)在交會(huì)圖上以游離點(diǎn)形式存在(圖4a)。批量刪除這些游離點(diǎn)極大提高了初至異常點(diǎn)編輯效率(圖4b)。通過(guò)上述步驟拾取初至，可快速、準(zhǔn)確地拾取近排列上所有道的初至?xí)r間，排序可得最短初至?xí)r間對(duì)應(yīng)的地震道，用l時(shí)0表示。

2.5 判斷炮點(diǎn)位置偏移與否

根據(jù)前面2.2節(jié)、2.3節(jié)計(jì)算出的最小炮檢距道l設(shè)和能量最高道l能0，若l設(shè)=l能0，則不存在炮偏； 否則，根據(jù)前述步驟(4)拾取的最小初至，找出最短旅行道l時(shí)0，若l設(shè)=l時(shí)0，則不存在炮偏，否則炮點(diǎn)位置存在炮偏。利用設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)的最小炮檢距道序號(hào)l設(shè)，最高能量道序號(hào)l能0或者最短旅行時(shí)道序號(hào)l時(shí)0，二者的差就是需糾正的炮檢量，其流程如圖5。

3 應(yīng)用實(shí)例

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

圖5 自動(dòng)檢測(cè)、校正炮偏流程

3.1 應(yīng)用實(shí)例Ⅰ

M工區(qū)曾在晚間采集地震數(shù)據(jù)，激發(fā)班組將炮點(diǎn)號(hào)為3119.5的單炮錯(cuò)報(bào)為3120.5，由于儀器操作人員的同時(shí)疏忽，用3120.5單炮的接收道進(jìn)行了接收，出現(xiàn)了如圖6a所示的情況：炮點(diǎn)的理論初至(單炮記錄上藍(lán)線)與單炮記錄相比，向左偏移了5道，即最小炮檢距道(藍(lán)三角所指)向左偏移了5道，與自動(dòng)拾取初至(單炮記錄上紅線)得到的初至?xí)r間最短道(紅三角所指)對(duì)應(yīng)不上，軟件系統(tǒng)自動(dòng)判斷為“存在炮偏”。

經(jīng)儀器操作人員與激發(fā)班組人員核實(shí)，炮點(diǎn)號(hào)為3119.5的單炮存在炮偏(由炮檢關(guān)系錯(cuò)誤引起的)，更正炮檢關(guān)系之后，紅箭頭與藍(lán)箭頭對(duì)應(yīng)一致，炮偏問(wèn)題得到解決(圖6b)。利用此方法，在該工區(qū)共計(jì)實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)兩處因報(bào)錯(cuò)施工炮樁號(hào)而引起的炮點(diǎn)位置偏移和3處因地形原因引起的炮點(diǎn)位置偏移，并分別進(jìn)行了校正。

由于多處考慮了降低參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)量和線程池機(jī)制，此方法效率很高，檢測(cè)一炮炮偏平均耗時(shí)約2s，完全能滿足采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)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(duì)比紅色由實(shí)際初至確定，藍(lán)色由理論初至確定

3.2 應(yīng)用實(shí)例Ⅱ

N工區(qū)地震采集屬于山地施工，如圖7所示。受地形、地表?xiàng)l件限制，某些理論設(shè)計(jì)的激發(fā)點(diǎn)在實(shí)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(diǎn)位置移動(dòng)之后，如果設(shè)計(jì)初至沒(méi)有及時(shí)改正，會(huì)造成炮點(diǎn)位置偏移，這些單炮要及時(shí)發(fā)現(xiàn)，否則，會(huì)影響后期的數(shù)據(jù)處理、解釋等環(huán)節(jié)。

在實(shí)際采集過(guò)程中，單炮880的設(shè)計(jì)位置為峭壁，為此將炸藥點(diǎn)埋置位置向一邊移動(dòng)了60m(3個(gè)道間距)，通過(guò)軟件檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)理論初至與實(shí)際初至不對(duì)應(yīng)，如圖8a所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員核實(shí)，修正了設(shè)計(jì)的觀測(cè)系統(tǒng)，將接收道統(tǒng)一向同一方向移動(dòng)3道，炮點(diǎn)偏移問(wèn)題得到解決(圖8b)。

圖7 N工區(qū)三維衛(wèi)星遙感圖

圖8 糾正炮偏前(a)、后(b)的880單炮藍(lán)線為理論初至，紅線為實(shí)際初至

基于此項(xiàng)技術(shù)，在該工區(qū)實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)共計(jì)12處因施工位置移動(dòng)導(dǎo)致炮點(diǎn)偏移的單炮，3處因施工人員報(bào)錯(cuò)樁號(hào)導(dǎo)致的炮點(diǎn)位置偏移的單炮，并進(jìn)行了校正。

4 結(jié)論

本文基于最小炮檢距道快速檢測(cè)炮點(diǎn)偏移方法有以下特點(diǎn)。

(1)檢測(cè)效率高，滿足實(shí)際施工需求。不需要做靜校正和動(dòng)校正，只需對(duì)最近排列的數(shù)據(jù)進(jìn)行初至拾取和能量計(jì)算，快速確定單炮位置是否存在偏移。

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

(3)檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)化。不需要人工干預(yù)，該方法集成軟件模塊會(huì)自動(dòng)判斷炮點(diǎn)位置是否偏移、自動(dòng)報(bào)警。

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，本文方法能完全滿足高效采集條件下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)炮點(diǎn)位置偏移的需求。