三維地震采集施工模板優(yōu)化布設(shè)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(biāo)向復(fù)雜油氣藏轉(zhuǎn)變，地震勘探高密度、高精度采集技術(shù)逐步成規(guī)?；瘧?yīng)用[1-3]，在獲取高品質(zhì)地震資料的同時(shí)，三維觀測(cè)占用設(shè)備越來越多，野外采集施工效率、成本、季節(jié)工用工及現(xiàn)場(chǎng)施工管理等問題日益突出。地震采集具有大兵團(tuán)、廣分布、小單元、細(xì)分工的施工特點(diǎn)，實(shí)踐證明，在人員、裝備有限的條件下，施工模板推演是實(shí)現(xiàn)高效采集的核心和關(guān)鍵[4-5]，因此，提前策劃、科學(xué)推演的施工模板布設(shè)方案設(shè)計(jì)，在整個(gè)三維地震高效采集施工中尤為重要，直接決定后續(xù)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(cè)系統(tǒng)參數(shù)確定后，地震資料采集施工方會(huì)根據(jù)設(shè)備投入量采用經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏穩(wěn)定性、組織的高效性和成本的優(yōu)化，并且需要花費(fèi)更多的時(shí)間來模擬、分析、對(duì)比幾種排列布設(shè)方式和設(shè)備投入量，降低了工作效率，增加了工作量。

目前我國(guó)的地球物理工作者針對(duì)勘探目標(biāo)需求，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)屬性參數(shù)分析方面進(jìn)行了大量卓有成效的研究工作[6-7]，但基于三維觀測(cè)系統(tǒng)屬性約束和設(shè)備約束條件下的野外排列滾動(dòng)模板優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yōu)化布設(shè)方法的配套技術(shù)，以達(dá)到采集資源最大化應(yīng)用和提高工程效率的目的。

1 施工模板優(yōu)化布設(shè)方法推導(dǎo)

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(gè)工區(qū)或整大束線(多束組合),將會(huì)按照模板炮檢布設(shè)進(jìn)行滾動(dòng)采集，直接決定日效和工期，因此施工模板布設(shè)是否高效，在整個(gè)采集作業(yè)方案的推演中至關(guān)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(shè)排列道數(shù)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(shè)定正交觀測(cè)系統(tǒng)順測(cè)線方向?yàn)閕nline方向，順炮線方向?yàn)閏rossline方向，觀測(cè)系統(tǒng)單元模版為：Lu=X×R，在單元模板基礎(chǔ)上，由工區(qū)設(shè)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(shù)；SLI為激發(fā)線距；Δx為道距；m為單元模板外inline方向增加炮線數(shù)；R為單元模板接收線數(shù)；n為單元模板外crossline方向增加接收線數(shù)。

由此可知：設(shè)計(jì)一個(gè)高效、合理的施工布設(shè)模板，主要取決于兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)m、n，不同m、n的組合形成了雙向同時(shí)布設(shè)、crossline單向布設(shè)和inline單向布設(shè)三種布設(shè)方式(圖1)。

圖1 三種施工模板布設(shè)方式示意圖

以22L8S440R正交三維觀測(cè)系統(tǒng)模板(表1)為例，探討在投入設(shè)備總量(約18 000道)不變的情況下，設(shè)計(jì)施工模板布設(shè)方式如下。

表1 觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)表

1.1 列舉法推演

1.1.1 沿inline/crossline單向式排列布設(shè)

Inline方向布設(shè)排列：?jiǎn)卧０迮帕袎K(22線*440道=9 680道)+拓展排列塊(22線*380道=8 360 道)=18 040道設(shè)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(shè)排列：?jiǎn)卧K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(shè)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(shè)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(shè)

inline方向和crossline方向同時(shí)逐步增加排列至8L8S時(shí)效率最高(表2)，即：(22+8)線*(440+160)道=18 000道設(shè)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(shí)增加排列示意圖

從表2中的推演結(jié)果可以看出，雙邊遞進(jìn)布設(shè)的方式明顯優(yōu)于單向遞進(jìn)布設(shè)，且獲得規(guī)律性認(rèn)識(shí)：布設(shè)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(shù)據(jù)表

1.2 公式法推演

以上述推演為例，假設(shè)布設(shè)單元模板之后，還可布設(shè)n條接收線，且能滿足炮線縱向滾動(dòng)m次，根據(jù)施工模板與放炮效率的特征關(guān)系推導(dǎo)，日效炮次和設(shè)備投入的最優(yōu)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(shù);n為單元模版外橫向可增加接收線數(shù);SLI為炮線距;Xmax為縱向最大偏移距;R為單元模版接收線數(shù);Δx為道距;shots_cell為單元模版炮數(shù)。

當(dāng)觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)確定時(shí)，方程剩余四個(gè)未知數(shù)S、E、m、n，通常給定E(或S)，通過公式變形可求得m、n關(guān)系函數(shù)，代入公式得到形似y=ax2+bx+c的拋物線函數(shù)(圖4)，該函數(shù)直接反映m(或n)的變化，S(或E)的變化趨勢(shì)，拋物線的頂點(diǎn)值即為日效炮次最大值或設(shè)備投入最小值。利用拋物線求導(dǎo)的方法，通過對(duì)S(或E)求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)為“0”時(shí)，即求得設(shè)備投入量最小值或采集日效最大值。

以表1正交三維觀測(cè)系統(tǒng)為例，代入已知觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)后，公式為式(3)。

(3)

同樣投入采集設(shè)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(duì)S求導(dǎo)，得到S'=168×(-m2-44m+416)/(22+m)2，當(dāng)S'=0，m>0時(shí)，m=8、n=8、S=648，該數(shù)值為采集日效最大值，結(jié)果與列舉法相同。

1.3 施工模板優(yōu)化布設(shè)方法

通過列舉法和公式法推導(dǎo)證明：當(dāng)施工施工模板橫縱比越接近于單元施工模板橫縱比時(shí)，我們所得到的炮道比(日效)越高，施工模板布設(shè)越優(yōu)。因此，在設(shè)計(jì)布設(shè)施工模板時(shí)，應(yīng)盡量使布設(shè)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(shè)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(shè)備投入；從而達(dá)到最高投入產(chǎn)出比。

(4)

式中：RLI為接收線距。

2 優(yōu)化布設(shè)方法的應(yīng)用

1)利用施工模板橫縱比確定最優(yōu)施工模板布設(shè)方案的方法，對(duì)于邊框相對(duì)規(guī)則、地表?xiàng)l件相對(duì)較好的三維工區(qū)來說，直接套用公式計(jì)算即可得到最優(yōu)方案。

2)針對(duì)地表?xiàng)l件相對(duì)復(fù)雜，受外界因素影響較重的工區(qū)，施工方的作業(yè)條件和作業(yè)能力受客觀條件的制約，往往達(dá)不到理論最優(yōu)施工模板布設(shè)方案的要求。例如川渝某工區(qū)根據(jù)投入的設(shè)備推算出排列最優(yōu)布設(shè)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(shí)間只有8 h，儀器車的峰值作業(yè)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(yōu)施工布設(shè)方案顯然是不合適的。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采取將m(或n)值列舉為一段連續(xù)整數(shù)，利用公式(1)建立數(shù)學(xué)函數(shù)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(shè)方案庫，再通過作業(yè)條件的約束限制，就可以快速尋優(yōu)滿足作業(yè)條件，同時(shí)最接近于理論最優(yōu)的施工模板布設(shè)方案，從而達(dá)到快速尋優(yōu)設(shè)計(jì)、高效組織生產(chǎn)地目的。

3)筆者認(rèn)為三維地震施工模板優(yōu)化布設(shè)，從數(shù)學(xué)角度出發(fā)就是平面數(shù)組排列求最優(yōu)解的過程，黃金分割法等著名理論定律同樣適應(yīng)于地震采集，通過多個(gè)高效施工三維地震采集實(shí)例分析認(rèn)為：實(shí)際生產(chǎn)中，可以應(yīng)用黃金分割原理，復(fù)雜工區(qū)設(shè)計(jì)采集日效(或設(shè)備投入量)達(dá)到理論最優(yōu)解61.8%的(圖5虛線所示區(qū)間)，即可認(rèn)定為高效采集方案。

圖5 射洪-鹽亭三維日效炮次(設(shè)備投入)數(shù)學(xué)函數(shù)模型

4)利用式(1)可以直接求取極值的特性，為生產(chǎn)組織決策者構(gòu)建生產(chǎn)計(jì)劃和資源投入提供技術(shù)支撐，對(duì)于施工方和管理方而言：①對(duì)施工方，在確定裝備投入的條件下，為合理測(cè)算實(shí)際效率提供目標(biāo)參考數(shù)據(jù),

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

(Ek1…Ekn為因裝備損耗、工區(qū)季氣候、協(xié)調(diào)等因素影響而增加的設(shè)備)。

3 應(yīng)用實(shí)例

四川盆地BD三維為10 472炮的多波勘探項(xiàng)目，觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)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(nèi)完成野外作業(yè)。

表3 BD三維觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)表

現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通過演繹推算，設(shè)計(jì)出常規(guī)施工方案1(圖6(a))：?jiǎn)卧０逋庋豬nline方向單線多布設(shè)264道，即接收線單線440道布通，沿 crossline方向多布設(shè)1條接收線，共布設(shè)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(yōu)化布設(shè)方法進(jìn)行計(jì)算，在8 400道排列設(shè)備情況下，通過式(1)計(jì)算，獲得理論最優(yōu)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(shè)104道，即接收線單線布設(shè)280道，沿 crossline方向多布設(shè)12條接收線，共布設(shè)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?？紤]工區(qū)屬復(fù)雜山地地形，綜合交通運(yùn)力、組織協(xié)調(diào)、人力資源及重復(fù)排列搬遷等影響因素，綜合尋優(yōu)調(diào)整得出優(yōu)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(shè)128道，即接收線單線布設(shè)304道，沿 crossline方向多布設(shè)6條接收線，共布設(shè)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(diào)整模板方案位于理論推演高效采集區(qū)間內(nèi)，各輪炮次相對(duì)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(qū)持續(xù)、穩(wěn)定施工。

圖6 不同施工模板布設(shè)方式示意圖

表4是三種方案的要素對(duì)比，相比常規(guī)設(shè)計(jì)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(duì)比表

4 認(rèn)識(shí)和結(jié)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(shè)備的投入產(chǎn)出比越高，施工模板布設(shè)方案理論越優(yōu)。

2)施工模板優(yōu)化布設(shè)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(shù)支撐，對(duì)生產(chǎn)組織決策者構(gòu)建生產(chǎn)計(jì)劃和資源投入具有積極意義。

3)該項(xiàng)配套技術(shù)方法的應(yīng)用需結(jié)合采集設(shè)備特點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)儀、井炮源驅(qū)動(dòng)等)、外界因素、交通條件及人力資源狀況等綜合權(quán)衡，在理論推演基礎(chǔ)上，因時(shí)因地適當(dāng)調(diào)整，保證調(diào)整方案位于高效采集區(qū)間，科學(xué)組織施工生產(chǎn)。