可控震源動態(tài)掃描技術(shù)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(shù)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(jīng)過多年的地震勘探實踐及科技發(fā)展，可控震源高效采集技術(shù)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(shù)，滿足了不同勘探項目的多樣化需求。這些技術(shù)在所用設備、實際作業(yè)、質(zhì)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(nèi)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(nèi)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(yōu)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(xù)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(shù)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(nèi)外廣泛采用的主流高效采集技術(shù)。

(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(qū)長度，還要求有足夠的排列設備和可控震源數(shù)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(shù)； 而國內(nèi)項目大多因工區(qū)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(guī)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(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮和應用范圍的擴大。為此，本文通過開展可控震源動態(tài)掃描技術(shù)的細致研究，嘗試將上述三種技術(shù)綜合起來，實現(xiàn)優(yōu)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(tài)掃描(Dynamic sweep)技術(shù)通過分析時空關(guān)系(T-D曲線)將時間域與空間域聯(lián)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(jù)時空關(guān)系選用符合條件的掃描方式。因此，作業(yè)方式靈活方便，施工效率顯著提高。

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

圖1 時空關(guān)系曲線與掃描方式

1.1 “動態(tài)”選擇掃描方式

如前所述，現(xiàn)今地震數(shù)據(jù)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(tài)掃描技術(shù)則不然，首次引入空間域理念，通過建立時空關(guān)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(yōu)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(shù)據(jù)不會受到鄰炮干擾。

1.2 “動態(tài)”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(tài)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(jié)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(xù)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(fā)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(qū)內(nèi)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(qū)的諧波發(fā)育統(tǒng)計來看，諧波的影響范圍一般在1.5km以內(nèi)，超過2km則影響甚微。此結(jié)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(fā)，實現(xiàn)“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(qū)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(chǔ)。

針對不同的炮間距確定相應的采集時間間隔，是動態(tài)掃描技術(shù)的關(guān)鍵所在。

假設相鄰兩炮的相對關(guān)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(fā)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?shù)?炮處于0～Lmax區(qū)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(qū)間應采用固定滑動時間Tmax(圖2a、圖2b)。

(2)當?shù)?炮位于Lds3及以后區(qū)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(fā)。

(3)當?shù)?炮位于Lmax～Lds3區(qū)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(guān)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(qū)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(fā)時的兩條初至交叉線(圖2c中藍色虛線)發(fā)現(xiàn)，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(qū)的折射波、直達波發(fā)育情況都有關(guān)系，且在整個工區(qū)內(nèi)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(qū)都不會出現(xiàn)兩炮記錄相互干擾的情況。

綜上所述，當?shù)?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(guān)系對應0～Lmax區(qū)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(qū)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(xiàn)方法

動態(tài)掃描技術(shù)的核心是設置時空關(guān)系，同時也要求地震儀器能實現(xiàn)動態(tài)掃描功能。

2.1 時空關(guān)系T-D曲線的建立

在施工參數(shù)論證和資料品質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，通過給定已知參數(shù)，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(shù)準備

根據(jù)施工參數(shù)和單炮記錄，先設定5個主要參數(shù)(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(fā)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(fā)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(shù)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(gòu)成，兩炮記錄的對應關(guān)系如圖4所示。同步激發(fā)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(qū)，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(nèi)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(fā)示意圖

上述關(guān)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(nèi)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(diào)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(tài)掃描的優(yōu)先級管理

實際施工中，地震儀器必須具備動態(tài)掃描功能，可據(jù)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(yōu)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(yōu)先激發(fā)”原則： ①距離同步掃描效率最高，確定為最優(yōu)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(guī)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(xiàn)場擺放對施工效率也會產(chǎn)生較大影響。合理的擺放會使同步激發(fā)和變間隔滑動掃描在全區(qū)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(zhì)性提高。根據(jù)理論分析和多個項目實際操作經(jīng)驗，現(xiàn)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(tǒng)，最大炮檢距為5km，同步激發(fā)的最小距離為10km，共投入15臺震源，采取單臺單次激發(fā)。

(1)若工區(qū)沿接收線方向較長，滿足同步激發(fā)距離條件的炮數(shù)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(fā)的占比較大。

如工區(qū)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(qū)沿接收線方向較短，滿足同步激發(fā)距離條件的炮數(shù)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(qū)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(qū)，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(guī)滑動掃描、距離同步掃描相同，只要地震儀器具有動態(tài)掃描模塊，其地震記錄即可在現(xiàn)場實時獲取，無須在室內(nèi)進行記錄分割等后續(xù)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(tài)掃描技術(shù)，這是該項技術(shù)在國內(nèi)首次大規(guī)模推廣應用。

3.1 項目基本情況

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

前期采用10組常規(guī)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(guī)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(diào)整為動態(tài)掃描，該方式施工在總項目中的占比達64% (圖6)。

根據(jù)前述動態(tài)掃描參數(shù)設定方法和甲方對資料的要求，擬合了該區(qū)時空關(guān)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(fā)。另外，為保證動態(tài)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(guī)滑動掃描與動態(tài)掃描應用分區(qū)圖

圖7 設計的時空關(guān)系曲線

3.2 應用效果

應用動態(tài)掃描方式當天即產(chǎn)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(jié)束，動態(tài)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(jié)束半個多月，為完成目標發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

通過對實際采集時間間隔進行分析和統(tǒng)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(guān)系，證明所設計的時距曲線是行之有效的；

(2)應用動態(tài)掃描技術(shù)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(guān)系統(tǒng)計圖

采集時間間隔動態(tài)掃描應用前/%動態(tài)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(jié)論

本文的研究及其應用表明，動態(tài)掃描技術(shù)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(tài)掃描技術(shù)具有以下兩方面特點：

(1)首次在原有時間域基礎(chǔ)上引入空間域理念，通過建立時空關(guān)系將交替、滑動、距離分離同步等三種掃描方式結(jié)合起來，充分利用三者各自優(yōu)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(qū)大小，能采用同步掃描的就采用同步掃描，不能采用的就調(diào)整為滑動掃描，這樣就避免了以往國內(nèi)普遍因工區(qū)面積小不能有效實施同步掃描技術(shù)的窘境。

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