復雜障礙物區(qū)三維地震觀測系統(tǒng)多方位角變觀設計技術及應用

田錦瑞, 亞東菊, 張 昭, 曹秀森, 張曉盼, 牛清華, 邱兆泰

(河北省煤田地質(zhì)局 物測地質(zhì)隊,邢臺 054000)

0 引言

三維地震勘探項目的地震數(shù)據(jù)采集難度,通常與區(qū)內(nèi)的地表復雜程度存在較大關系。當施工區(qū)域內(nèi)存在湖泊、村莊、工廠等大型障礙區(qū)時,障礙區(qū)下一定深度的地震數(shù)據(jù)將會丟失。這致使區(qū)域中淺層地質(zhì)任務無法完成,并且地震數(shù)據(jù)采集的施工成本控制將變得極其困難。

目前解決這些問題的主要技術手段為,增加布置與原有觀測系統(tǒng)同測線方位角的特殊觀測系統(tǒng)。特殊觀測系統(tǒng)設計通常首先要依據(jù)障礙區(qū)復雜程度進行分級,在此基礎上將局部的激發(fā)點和接收點的物理位置及組合方式進行合理、可行的修改,以彌補因障礙區(qū)造成的目的層地震數(shù)據(jù)缺失。優(yōu)秀的特殊觀測系統(tǒng)設計需在覆蓋次數(shù)、炮檢距分布及方位角分布上具備良好的均勻性。

近些年,諸多學者在特殊觀測系統(tǒng)方面做了許多研究,徐忠華[1]設計了Design地震軟件,該軟件具有人工特殊觀測系統(tǒng)設計功能,可對實際覆蓋情況進行模擬演示,并及時指導野外生產(chǎn);李飛等[2]提出樹枝型特殊觀測系統(tǒng),在野外現(xiàn)場進行實施中取得了較好的應用效果;孫希杰[3]針對大村莊、鐵路及公路等多種障礙物,使用Goody GIS結合克浪軟件,采用人機交互方式反復論證,取得高質(zhì)量的地震原始數(shù)據(jù);劉軍勝[4]利用加減法設計思路,通過Omni軟件的觀測系統(tǒng)設計模塊,在激發(fā)點障礙區(qū)的特殊觀測系統(tǒng)設計應用中獲取了高品質(zhì)的地震資料;王樹威[5]應用克浪地震采集設計系統(tǒng)進行特殊觀測系統(tǒng)設計,在我國東部某復雜區(qū)的實際應用中取得了良好的野外數(shù)據(jù)資料。

基于此,筆者使用了基于貪心算法的地震數(shù)據(jù),采集特殊觀測系統(tǒng)設計優(yōu)化程序[6],結合在山東省西南部地表復雜區(qū)的三維地震數(shù)據(jù)采集工作,針對該區(qū)中應用不同測線方位角的觀測系統(tǒng)疊加,實現(xiàn)特殊觀測系統(tǒng)設計進行了探討,為不同測線方位角的觀測系統(tǒng)疊加,在大型障礙區(qū)的特殊觀測系統(tǒng)設計做出了嘗試。

1 系統(tǒng)設計優(yōu)化程序簡介

地震數(shù)據(jù)采集特殊觀測系統(tǒng)設計優(yōu)化程序是基于貪心算法開展的程序設計。

貪心算法是一種以局部最優(yōu)解疊加來近似達到整體最優(yōu)解的算法。在程序的設計過程中,結合當前CMP面元中疊加次數(shù)的缺失情況,選取修補效果最佳的炮檢組合,在不斷修改缺失情況的同時,不斷累加這種最佳組合以達到最為經(jīng)濟的變觀方案。

算法的實現(xiàn)如圖1所示,由CMP面元中缺失的疊加次數(shù)建立模型,并評價所有可用炮檢組合的對于缺失模型的修補程度,選取修補效果最佳的一個組合,將該組合修補后的模型替代原模型,并將該組合添加至最終輸出的方案中,繼續(xù)以上循環(huán)。在該循環(huán)過程中,若選取的最佳組合滿足跳出條件,即選取的組合數(shù)達到設定的上限,則修補效果滿足需求,則輸出最終方案,并終止程序。圖1中虛框內(nèi)的流程即為貪心算法在本程序設計中的應用過程。

圖1 地震數(shù)據(jù)采集變觀設計優(yōu)化程序流程圖Fig.1 Flow chart of the variable-view design optimization program for seismic data acquisition

2 方位角觀測系統(tǒng)疊加的理論支撐

當前主流的地震數(shù)據(jù)采集設計中,整個地震數(shù)據(jù)采集過程通常使用單一測線方位角的觀測系統(tǒng)。單一測線方位角的三維地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可以將地震波反射點集中于設計的面元中心,對于后期數(shù)據(jù)的準確性有著重要意義。單一測線方位角的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以更加高效地施工,使施工成本得到良好控制。

然而,在某些工區(qū)施工過程中,因地震數(shù)據(jù)采集區(qū)域內(nèi)地表條件極為復雜,大型障礙物(如村莊、河湖)的存在,致使設計的接收點與激發(fā)點無法布設,影響障礙物下方的地震數(shù)據(jù)采集,且在原設計的測線方位角下進行特殊觀測系統(tǒng)設計已無法達成項目任務。

因此,在實際工作中我們需要結合村莊內(nèi)部建筑、道路的實際特點,考慮布設不同與原設計測線方位角的觀測系統(tǒng),沿村莊道路進行布設接收點,并在村莊內(nèi)主要道路進行采集作業(yè),完成障礙物下方的地震數(shù)據(jù)采集任務。

實際施工過程中,由于觀測系統(tǒng)間的測線方位角的不同、激發(fā)點和接收點不符合理論點位,會造成觀測系統(tǒng)面元中的CMP(共中心點)位置分散,對于這種情況,數(shù)據(jù)采集質(zhì)量將與面元設計大小具有直接關系。

在地震數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)的設計過程中,面元的大小是非常重要的[7-10]。面元的大小將直接影響地震數(shù)據(jù)資料的橫向分辨率精度,更對構造及斷裂細節(jié)特征的解釋產(chǎn)生重要的影響,對于各面元疊加時的反射信息的真實性具有根本性作用[11]。因此,特觀設計必須滿足面元大小的要求。鑒于對以上因素的考慮,面元大小必須滿足以下三個方面的要求:

1)滿足橫向分辨率的要求?？紤]分辨主要目的層的最小地質(zhì)體的橫向尺度,則需要在地震信號優(yōu)勢頻率的波長內(nèi)要有不少于3個采樣點,對應的面元就能保證有良好的分辨率,具體公式為式(1)。

b=Vint/(2×fp)

(1)

式中:b為面元尺寸(m);Vint為目的層上覆地層層速度(m/s);fp為目的層主頻(Hz)。

2)滿足最高無混疊頻率的要求?？紤]偏移前最高無混疊頻率的要求,每個傾斜同相軸都有一個偏移前可能的最高無混疊頻率fmax,它依賴于此同相軸的上一層的速度Vint、傾角θ和CMP面元的大小,計算公式為式(2)。

b=Vint/(4×fmax×sinθ)

(2)

式中:b為面元尺寸(m);Vint為目的層上覆地層層速度(m/s);fmax為最高無混疊頻率(Hz),θ為地層最大傾角(°)。

3)滿足30°繞射收斂要求。

b=Vrms/(4×fmax×sin 30° )

(3)

式中:b為面元尺寸(m);Vrms為均方根速度(m/s);f為最高無混疊頻率(Hz)。

鑒于以上參數(shù),結合目標區(qū)域的相關參數(shù)得出數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 目標區(qū)域的面元尺寸分析計算表Tab. 1 Analysis and calculation of bin size in target area

該區(qū)實際使用的面元采集參數(shù)為5 m×10 m,依據(jù)論證結果,在目標區(qū)中,當選擇面元最小尺寸不大于15.4 m時,則面元內(nèi)數(shù)據(jù)可滿足反射信息正確成像;當選擇面元最小尺寸不大于10.26 m時,則可滿足對斷點繞射的充分收斂;當選擇面元最小尺寸的不大于60.4 m時,則可滿足最高無混疊頻率的要求[12-13]。

由此可知,在工區(qū)的實際采集過程中,雖然測線間方向存在夾角且激發(fā)、接收點布設不符合理論點位,導致面元中CMP位置分散,但其仍在設計面元大小范圍內(nèi),對于采集數(shù)據(jù)應無顯著影響,即采用不同測線方位角觀測系統(tǒng)疊加采集,不會顯著影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

3 設計應用范例

為檢驗不同測線方位角觀測系統(tǒng)疊加設計方案,選擇鮑店煤礦八采區(qū)作為本次應用的研究靶區(qū)。

鮑店煤礦行政區(qū)劃歸上隸屬鄒城市管轄,八采區(qū)位于井田西南部,區(qū)內(nèi)有北林廠村、鮑廠村兩個村莊,還分布有在建工地、選煤廠、飼料工廠及廢棄工廠等零星建筑物。

本目標區(qū)三維地震勘探觀測系統(tǒng)設計為14L×4S×48T×7R×24次線束狀,線距為20 m,道距為10 m,縱向最大炮檢距為240 m,橫向最大炮檢距為190 m,最大非縱炮檢距為306.1 m。

北林廠村對于原設計施工的影響最為嚴重,該村建筑房屋間距較小,村內(nèi)道路呈“井”字形,道路方向與設計測線方向夾角5°。村莊內(nèi)設計接收點、激發(fā)點均無法正常布設(圖2)。

對北林廠村整個障礙區(qū)使用最大炮檢距為250 m。將村內(nèi)不能布設的接收點、激發(fā)點去除后,疊加情況如圖3所示。按照原設計的測線方位角建立特殊接收排列并布設激發(fā)點的傳統(tǒng)特殊觀測系統(tǒng)設計方式,經(jīng)過多次嘗試,無法滿足疊加次數(shù)需求。

圖3 北林廠村疊加情況圖Fig.3 Superposition of Beilinchang Village

在實際采集過程中結合實際情況,沿村莊內(nèi)道路布設接收點,依據(jù)村莊內(nèi)道路特點建立不同于原觀測系統(tǒng)測線方位角的觀測系統(tǒng),彌補原設計中因激發(fā)點和接收點缺失所造成的疊加次數(shù)減少情況。

將沿村莊道路布設的接收點定義為一個完整接收排列,應用地震數(shù)據(jù)采集特殊觀測系統(tǒng)設計優(yōu)化程序進行特殊觀測系統(tǒng)設計。將程序生成的接收組合與實際情況相結合進行地震數(shù)據(jù)采集工作,實際施工中激發(fā)點位、接收點位與實際疊加覆蓋次數(shù)如圖4、圖5所示。

圖4 北林廠村實際布設情況圖Fig.4 Actual layout of Beilinchang Village

圖5 北林廠村實際疊加情況圖Fig.5 Actual superposition of Beilinchang Village

圖4為該區(qū)域地震數(shù)據(jù)采集所采用的激發(fā)點、接收點的布設情況。該區(qū)域的特殊觀測系統(tǒng)設計所選用的最大炮檢距為250 m,相較于原設計增加激發(fā)點140個。

實際施工中村(障礙物)內(nèi)采用了上面的特殊觀測系統(tǒng),村(障礙物)外采用了原來的觀測系統(tǒng)。圖5為村內(nèi)村外兩種觀測系統(tǒng)疊加后的實際施工圖,從圖5可以看出,村莊障礙區(qū)域內(nèi)疊加次數(shù)較為均勻,且在北林廠村為主體的障礙區(qū)域內(nèi)面元疊加次數(shù)均已達到10次左右,無零次疊加區(qū)域,保證了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量,達到了地震數(shù)據(jù)采集的要求。

該項目采集完成后,在地震數(shù)據(jù)處理軟件中重建觀測系統(tǒng),CMP(共中心點)與面元的相對關系見圖6。

圖6 北林廠村區(qū)域內(nèi)CMP與面元的相對關系圖Fig.6 Actual superposition of Beilinchang Village

圖6(a)面元位置位于北林廠村中,該面元內(nèi)僅有沿村莊內(nèi)道路布設的特殊方位角觀測系統(tǒng)所產(chǎn)生的CMP點。由于村內(nèi)激發(fā)點與接收點位無法規(guī)則布置,致使CMP位置較為分散。圖6(b)的面元位置位于北林廠村邊,該處面元中同時存在原觀測系統(tǒng)設計與特殊方位角觀測系統(tǒng)設計的CMP。由于村內(nèi)接收點位無法規(guī)則布置,致使特殊方位角觀測系統(tǒng)產(chǎn)生的CMP位置較為分散。村莊外布設的原觀測系統(tǒng)由于接收點的布設相對規(guī)律,所產(chǎn)生的CMP位置較為集中。圖6(c)的面元位置位于北林廠村外,該處面元中的CMP僅為原觀測系統(tǒng)設計產(chǎn)生的CMP,由于接收點位布置較規(guī)則,面元中CMP位置較為集中。

對該區(qū)域的地震數(shù)據(jù)進行完整處理后,在北林廠村區(qū)域中,分別在村莊中部沿東西、南北兩個方向選取剖面見圖7。

圖7 北林廠村區(qū)域地震剖面圖Fig.7 Regional seismic profile of Beilinchang Village

圖7中3號煤層目的層在地震時間剖面上的反映較為清晰連續(xù),基本完成了該項目的地質(zhì)任務。其次,特觀前在村莊范圍內(nèi)淺層地震數(shù)據(jù)連續(xù)性較差存在開天窗問題,經(jīng)方位角不同個觀測系統(tǒng)疊加后,村莊內(nèi)外雖有差距,但反射波連續(xù)性較好。

總體來看,不同于原設計測線方位角的特觀設計與原設計的觀測系統(tǒng)交疊應用,解決了實際地震數(shù)據(jù)采集中因障礙區(qū)過大而無法采集的問題,雖然由于障礙區(qū)域內(nèi)接收點與激發(fā)點無法規(guī)則布設,導致特殊方位角觀測系統(tǒng)的CMP位置無法集中于設計面元的中心,但面元大小的設計有效控制了該情況對于數(shù)據(jù)的影響程度,對于采集數(shù)據(jù)無顯著影響。就應用效果而言,雖然在最終處理的時間剖面中特殊方位角觀測系統(tǒng)所參與的剖面質(zhì)量,較原觀測系統(tǒng)設計下的剖面仍具有一定差距,但基本可以解決障礙區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)任務,尤其在淺層地震剖面的質(zhì)量上,影響較為顯著。

4 結論

基于貪心算法設計的特殊觀測系統(tǒng)設計,應用于不同測線方位角觀測系統(tǒng)疊加得出:

1)三維地震勘探區(qū)內(nèi)大型障礙物影響觀測系統(tǒng)中接收點和激發(fā)點的布設,采用不同測線方位角觀測系統(tǒng)疊加的施工方案,在實際施工中存在觀測系統(tǒng)面元中CMP位置分散的情況,但面元大小的設計可以有效控制該情況對于數(shù)據(jù)的影響程度,對于最終的采集數(shù)據(jù)質(zhì)量無顯著影響。

2)基于貪心算法編寫的特殊觀測系統(tǒng)設計優(yōu)化程序,對于不同測線方位角的觀測系統(tǒng)交疊下特殊觀測系統(tǒng)設計優(yōu)化計算合理,設計經(jīng)濟適用,提高了施工效率。經(jīng)實際應用,獲得了大型障礙物下地震反射數(shù)據(jù),保障了采集質(zhì)量。