山地地震采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選

胡 峰 朱 勇 鄒 軍 萬(wàn) 平 涂本先

（中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司西南物探分公司，四川 成都 610213）

0 引言

近年來(lái)，油氣勘探目標(biāo)向復(fù)雜油氣藏轉(zhuǎn)變，常規(guī)二維和低密度三維地震勘探精度低，無(wú)法滿足油氣田二次開(kāi)發(fā)或挖潛增效的精細(xì)勘探需求。以四川盆地為例，該盆地內(nèi)天然氣總資源量為39.94×1012m3，已獲探明儲(chǔ)量5.82×1012m3，探明率僅14%，勘探處于早中期，是我國(guó)天然氣勘探開(kāi)發(fā)最具潛力的盆地，未來(lái)以高密度為核心的“兩寬一高”三維地震勘探技術(shù)必將得到大規(guī)模應(yīng)用［1-5］。四川盆地以山地地貌為主，在實(shí)施高密度三維地震獲取高品質(zhì)地震資料的同時(shí)，三維觀測(cè)占用的設(shè)備越來(lái)越多，山地采集施工效率、成本、人員及現(xiàn)場(chǎng)施工管理等問(wèn)題日益突出。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)參數(shù)優(yōu)選方面進(jìn)行了大量的研究工作［6-7］，但對(duì)山地三維地震采集施工組織，特別是對(duì)客觀條件約束下的采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選方面的研究基本處于空白。因此，為了提高三維地震采集效率、降低成本，有必要對(duì)山地三維地震采集作業(yè)方案關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，以期達(dá)到合理調(diào)配物探裝備資源、降本增效的目的［8-14］。

1 采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)是指在地震勘探數(shù)據(jù)采集（放炮）階段進(jìn)行的施工組織作業(yè)方案設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵與核心是排列模板布設(shè)推演，若排列模板一旦確定，整個(gè)工區(qū)或整大束線將會(huì)以布設(shè)好的排列模板為基礎(chǔ)進(jìn)行滾動(dòng)作業(yè)（圖1），直接決定了采集效率與裝備投入。通常在三維地震資料采集觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)確定后，地震采集施工方會(huì)根據(jù)以往的勘探經(jīng)驗(yàn)估算每日采集炮次，然后設(shè)計(jì)幾種排列布設(shè)方式并計(jì)算裝備和人員投入，簡(jiǎn)單對(duì)比后確定最終的排列布設(shè)方式和設(shè)備投入量以及施工組織方式。這種方法過(guò)度依賴(lài)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏優(yōu)化性與穩(wěn)定性。此外，采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)受到人員、設(shè)備、天氣、人文環(huán)境等多因素的制約，不同地域、工區(qū)的差異較大，僅依靠經(jīng)驗(yàn)可能造成有限裝備資源的盲目投入、持續(xù)均衡生產(chǎn)能力不足、功耗較大等問(wèn)題［15］。

圖1 排列模板示意圖（綠色部分為布設(shè)排列模板）

2 采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)與優(yōu)選方法

一個(gè)采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)是否優(yōu)化，主要是看設(shè)計(jì)的排列模板滾動(dòng)效率、資源投入產(chǎn)出比以及安全保障、地方協(xié)調(diào)等綜合因素的合理性。其中起決定作用的關(guān)鍵參數(shù)主要包括有效采集工期、采集日效、采集設(shè)備投入量、采集滾動(dòng)方式（圖2）。

圖2 采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選邏輯圖

2.1 有效采集工期

有效采集工期是指地震勘探項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集激發(fā)的純生產(chǎn)天數(shù)，設(shè)計(jì)思路如下：①在甲方給定的項(xiàng)目工期內(nèi)，根據(jù)整體施工計(jì)劃安排以及前道工序銜接時(shí)間，確定項(xiàng)目可利用的理論采集施工天數(shù)。②統(tǒng)計(jì)分析工區(qū)近3～5年同期采集時(shí)間內(nèi)的惡劣天氣天數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，得出受惡劣天氣影響的預(yù)計(jì)非生產(chǎn)天數(shù)。③通過(guò)提前協(xié)調(diào)介入，收集相關(guān)信息，統(tǒng)計(jì)出因行政因素影響的預(yù)計(jì)非生產(chǎn)天數(shù)。④理論采集施工天數(shù)減去因各種客觀因素導(dǎo)致的預(yù)計(jì)非生產(chǎn)天數(shù)就可以得到有效采集工期，有效采集工期直接決定了每天數(shù)據(jù)采集的日效下限值。

2.2 采集日效

采集日效為布設(shè)排列模板可采集激發(fā)的理論炮次數(shù)量，其直接決定施工效率，設(shè)計(jì)采集日效炮次S介于Smin和Smax之間，如式1所示：

式中，Smin為有效采集工期要求的最低日效，炮；Smax為施工方峰值采集作業(yè)能力，炮；S設(shè)計(jì)為采集項(xiàng)目設(shè)計(jì)總炮次，炮；D有效為有效采集工期，d；S為設(shè)計(jì)采集日效炮次，炮；S小時(shí)為單臺(tái)地震儀器車(chē)每小時(shí)平均采集炮次，炮；T有效為有效采集時(shí)間，h。

以西南探區(qū)為例，Sercel428XL地震采集系統(tǒng)平均作業(yè)能力為每小時(shí)采集150炮，為降低外界干擾影響，滿足地震資料質(zhì)量指標(biāo)要求，有效采集窗口時(shí)段在8～24 h之間浮動(dòng)，故日效上限受有效采集時(shí)間影響較大。若采集項(xiàng)目在山體段進(jìn)行了炮線加密，在加密后，實(shí)際采集炮次一般將達(dá)到理論采集炮次的1.2～1.5倍。理論上，采集炮次越接近上限，生產(chǎn)效率越高。但在實(shí)際山地采集設(shè)計(jì)中，在追求高日效的同時(shí)應(yīng)著重考慮炮班投入及地形情況，特別是在高陡復(fù)雜山地區(qū)，由于相鄰炮點(diǎn)之間尋路時(shí)間較長(zhǎng)，每個(gè)炮班的激發(fā)炮次不宜設(shè)計(jì)過(guò)多，只能通過(guò)增加采集炮線數(shù)及炮班投入來(lái)提高采集日效。

根據(jù)川渝地區(qū)多年的施工經(jīng)驗(yàn)，川中地形較緩地區(qū)，單線設(shè)計(jì)采集炮次在40～50炮為宜，川東高陡山體區(qū)，單線設(shè)計(jì)采集炮次在30炮以下為宜。所以在追求高采集炮次的同時(shí)，應(yīng)充分考慮炮班組織、作業(yè)能力來(lái)選擇施工方案。

2.3 采集設(shè)備投入量

采集設(shè)備投入量是指地震采集鏈數(shù)量，每道包含一個(gè)FDU與一個(gè)（一串）檢波器，即排列模板總道數(shù)（不計(jì)算備用道）。采集設(shè)備投入過(guò)少會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，采集設(shè)備投入過(guò)多會(huì)造成資源的浪費(fèi)和施工成本增加。已知設(shè)計(jì)采集日效炮次S，可以通過(guò)公式2求得最優(yōu)采集設(shè)備投入量：

式中，m為觀測(cè)系統(tǒng)單元模板外增加的炮線數(shù)，條；n為觀測(cè)系統(tǒng)單元模板外增加的接收線數(shù)，條；shots_cell為單元模板炮，炮；E為最優(yōu)設(shè)備投入數(shù)量，道；Xmax為縱向最大偏移距，m；Δx為道距，m；SLI為炮線距，m；R為觀測(cè)系統(tǒng)單元模板接收線數(shù)，條。

2.4 采集滾動(dòng)方式

地震采集排列滾動(dòng)方式主要包括滾動(dòng)方向、滾動(dòng)輪次和滾動(dòng)道數(shù)3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

1）滾動(dòng)方向。主要按照以下因素確定是采用順炮線施工還是順接收線施工：①應(yīng)首先以甲方指定需求為主；②施工應(yīng)遵循先易后難的原則，確保各工序間順利銜接；③搬遷是否便利，搬遷路線是否有良好的交通道路；④構(gòu)造主體或大型障礙區(qū)分布。

2）滾動(dòng)輪次。受采集設(shè)備數(shù)量限制，三維工區(qū)通常分為數(shù)輪（大束）滾動(dòng)施工，滾動(dòng)輪次的合理劃分對(duì)施工效率和成本有著重要影響，主要考慮以下因素：①資料處理需求。首輪進(jìn)站的資料能夠進(jìn)入滿覆蓋區(qū)域，滿足質(zhì)量監(jiān)控的需要。②重復(fù)排列數(shù)量。重復(fù)排列數(shù)量隨著滾動(dòng)輪次的遞增而成幾何倍數(shù)增加，應(yīng)盡可能減少重復(fù)排列的鋪設(shè)道數(shù)。③設(shè)備利用率。盡可能保證每一滾動(dòng)輪次（大束）的工作量、采集模板基本相同，確保人員、設(shè)備、車(chē)輛等資源發(fā)揮最大效能，便于施工組織和計(jì)劃。④復(fù)雜地表影響。高陡山體區(qū)、城區(qū)、協(xié)調(diào)困難區(qū)盡量一次性通過(guò)，避免重復(fù)搬遷埋置。

采用模板浪費(fèi)率參數(shù)算法可以有效控制設(shè)計(jì)方案可能出現(xiàn)施工輪次工作量不均勻的情況，通常設(shè)計(jì)要求模板浪費(fèi)率不超過(guò)30%，如式3所示：

式中，TWs為順炮線施工模板浪費(fèi)率；mod（，）為求余函數(shù)；SLD為工區(qū)設(shè)計(jì)炮線數(shù)，條；SL為排列模板布設(shè)炮線數(shù)，條；TWr為順測(cè)線施工模板浪費(fèi)率；LLD為工區(qū)設(shè)計(jì)接收線數(shù)，條；LL為排列模板布設(shè)接收線數(shù)，條。

3）滾動(dòng)道數(shù)。滾動(dòng)道數(shù)即為布設(shè)排列模板滾動(dòng)時(shí)所需重新搬埋的采集設(shè)備道數(shù)。采集日效與滾動(dòng)道數(shù)成正比，同時(shí)滾動(dòng)道數(shù)直接決定了采集施工所需的季節(jié)工人數(shù)和運(yùn)載車(chē)輛數(shù)量（式4），影響采集成本，因此滾動(dòng)道數(shù)過(guò)多或過(guò)少都不利于采集工序高效作業(yè)，應(yīng)根據(jù)整體施工組織計(jì)劃和成本進(jìn)行測(cè)算，合理設(shè)計(jì)滾動(dòng)道數(shù)。

式中，Nw為季節(jié)工投入數(shù)量，人；ΔE為滾動(dòng)道數(shù)，道；W為采集設(shè)備重量，kg；Pcl為季節(jié)工人均負(fù)重能力，kg；Ng為設(shè)備運(yùn)載貨車(chē)投入數(shù)量，輛；Cvl為貨車(chē)核定載重，kg；Np為人員運(yùn)載客車(chē)投入數(shù)量，輛；c為客車(chē)核定載客數(shù)，人。

施工方根據(jù)工區(qū)條件和實(shí)際作業(yè)能力對(duì)采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，同時(shí)借助計(jì)算機(jī)軟件或數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行施工組織模擬推演，即可實(shí)現(xiàn)采集作業(yè)方案快速優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，助力地震采集項(xiàng)目降本增效。

3 采集作業(yè)方案效率與效益關(guān)系分析

以四川盆地大川中地區(qū)三維地震采集項(xiàng)目為例，以不同規(guī)模三維地震勘探分別測(cè)算在同一觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)下的采集日效與效益關(guān)系，如表1所示。從表1中測(cè)算結(jié)果可知，當(dāng)三維滿覆蓋面積較小時(shí)，高日效會(huì)造成投入資源的浪費(fèi)，低日效更有助于成本控制。當(dāng)三維滿覆蓋面積較大時(shí)，高日效有利于提升投入資源利用率，實(shí)現(xiàn)降本增效。因此，當(dāng)觀測(cè)系統(tǒng)確定后，施工投入、效率、效益可以通過(guò)科學(xué)推演、精細(xì)設(shè)計(jì)獲取經(jīng)濟(jì)技術(shù)一體化方案。以表1測(cè)算內(nèi)容為依據(jù)，形成綜合費(fèi)用與滿覆蓋面積、日效關(guān)系圖（圖3）。從圖3中可以看出，三維滿覆蓋面積相同、日采集效率不同的綜合費(fèi)用波動(dòng)幅度為8%～16%，且波動(dòng)幅度會(huì)隨著三維滿覆蓋面積的增加而增加，即三維面積越大通過(guò)優(yōu)化日效設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)挖潛的空間越大。對(duì)比不同滿覆蓋面積的綜合費(fèi)用認(rèn)為，采集綜合費(fèi)用的增加幅度小于滿覆蓋面積的增加幅度，即隨著三維滿覆蓋面積的增加產(chǎn)生規(guī)模效益。

表1 三維地震采集作業(yè)方案效率與效益測(cè)算表

圖3 綜合費(fèi)用與滿覆蓋面積、日效關(guān)系圖

4 結(jié)論

1）依托四川盆地多年山地地震勘探施工組織經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述了山地三維采集作業(yè)方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選方法，為生產(chǎn)組織決策者構(gòu)建生產(chǎn)計(jì)劃和資源投入奠定了基礎(chǔ)，對(duì)合理測(cè)算工期和采集設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)具有積極意義。

2）隨著地震勘探技術(shù)的進(jìn)步，大規(guī)模、高密度三維勘探必將是未來(lái)地震勘探的趨勢(shì)。針對(duì)不同規(guī)模、不同觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的“兩寬一高”三維地震采集項(xiàng)目，通過(guò)精細(xì)測(cè)算、合理設(shè)計(jì)采集作業(yè)方案，可以有效控制施工成本，提高采集效率，有助于實(shí)現(xiàn)地震采集施工的技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展。