可控震源动态扫描技术及应用

肖 虎 唐东磊 杨国平 王井富 吴永国 樊 平

(①东方地球物理公司采集技术中心，河北涿州 072751； ②东方地球物理公司青海物探处，甘肃敦煌 736202； ③东方地球物理公司辽河物探处，辽宁盘锦 124000)

0 引言

经过多年的地震勘探实践及科技发展，可控震源高效采集技术日渐完善[1-2]、应用范围不断扩大，已形成交替扫描[3]、滑动扫描[4]、距离分离同步扫描[5-6]、独立同步扫描[7]、分频同时扫描[8]等系列扫描技术，满足了不同勘探项目的多样化需求。这些技术在所用设备、实际作业、质控、谐波压制[9-13]、邻炮噪声压制[14]等方面的要求不尽相同，且各有其特定适用范围。综合国内外应用实情，目前是以交替扫描、滑动扫描和距离分离同步扫描为主。其中国外公司主要选择滑动扫描和距离分离同步扫描； 国内则以滑动扫描为主，交替扫描次之，距离分离同步扫描尚处于推广之中。

上述三种常用扫描方式仅考虑了时间域的变化，且各有其优势和适用条件，细述如下。

(1)交替扫描虽然效率最低，但其邻炮噪声最弱，后续不需做进一步去噪处理，适用于信噪比较低且覆盖密度不高的勘探项目。

(2)滑动扫描邻炮噪声强度中等，震源台数约为交替扫描的2～5倍，震源布设相对复杂，常需做谐波分离处理，但其工效约为交替扫描的两倍，是目前国内外广泛采用的主流高效采集技术。

(3)距离分离同步扫描的适用条件较苛刻，两组震源的间距不能小于两倍的最大炮检距，即既要求具有足够的工区长度，还要求有足够的排列设备和可控震源数量； 其效率在理论上是滑动扫描的两倍，为推动采集日效达万炮提供了根本支撑。国外很多大项目因能满足上述同步扫描的条件而多采用该技术； 而国内项目大多因工区面积较小，在应用时受到一定制约。

由于各自特点和适用条件的不同，常规地震采集施工时，这三种扫描方式各自独立使用，因而制约了这些技术优势的发挥和应用范围的扩大。为此，本文通过开展可控震源动态扫描技术的细致研究，尝试将上述三种技术综合起来，实现优势互补，最终取得了较好应用效果。

1 基本原理

可控震源动态扫描(Dynamic sweep)技术通过分析时空关系(T-D曲线)将时间域与空间域联合起来，进而将交替扫描、滑动扫描和距离分离同步扫描综合在一起(图1)。采集施工时，可实时计算震源间距，然后根据时空关系选用符合条件的扫描方式。因此，作业方式灵活方便，施工效率显著提高。

之所以称其为“动态”扫描，是因为该技术在两个方面实现了突破，即有两大“动”的特点。

图1 时空关系曲线与扫描方式

1.1 “动态”选择扫描方式

如前所述，现今地震数据采集施工中，交替、滑动和距离分离同步滑动等三种扫描方式只考虑了时间域的变化，一个采集施工项目通常只会采用三种扫描方式中的一种。但动态扫描技术则不然，首次引入空间域理念，通过建立时空关系将三者综合在一起，可实时从三种扫描方式中自动确定最优的一种。

(1)当震源间距大于或等于同步扫描所需的最小距离(图1中Lds3)时，就采用距离分离同步扫描，此时效率最高。

(2)当震源间距满足滑动扫描所需距离时(小于图1中Lds3)，即采用滑动扫描，该滑动扫描还可分为固定间隔和变化间隔两种，后有详述。

(3)当震源间距满足交替扫描要求时，则采用交替扫描。

无论选用哪种扫描方式，其扫描间隔的确定必须保证采集数据不会受到邻炮干扰。

1.2 “动态”确定采集时间间隔

因交替扫描相对简单，下面仅分析如何动态确定滑动扫描和同步扫描的采集时间间隔。

Rozemond[15]将滑动扫描定义为“一组震源开始扫描时无需等待前一组震源扫描结束”。其基本原理是在不考虑谐波干扰的情况下，若相邻扫描的时间间隔(滑动时间)不小于听时间，则连续扫描的地震响应在时频域就不会重叠，但下一次扫描所激发的谐波会干扰前一次扫描记录[16-18]。为尽量减少谐波影响，一般会采用一个大于记录长度的时间间隔作为滑动时间，且在一个工区内该时间间隔将保持不变。

理论分析和试验证明，谐波能量远小于基波能量[19]，且其能量主要集中于中近炮检距。从多个地区的谐波发育统计来看，谐波的影响范围一般在1.5km以内，超过2km则影响甚微。此结论说明当相邻两炮的间距超过最大炮检距后，可忽略谐波影响，主要考虑邻炮噪声干扰。随着邻炮间距的增大，邻炮干扰越来越弱，采集时间间隔(滑动时间)可相应减小。当相互干扰趋近于零时，即可同时(采集时间间隔为零)激发，实现“距离分离同步扫描”。由此可见，滑动时间可随邻炮间距的增大而减小，相对于采集时间间隔固定的滑动扫描，避免了全区都采用一个固定时间间隔所造成的局限，使采集施工效率显著提高。这是可变滑动时间采集的理论基础。

针对不同的炮间距确定相应的采集时间间隔，是动态扫描技术的关键所在。

假设相邻两炮的相对关系如图2所示。其中①、②对应第1、第2炮； 0点为第1炮的位置，保持不动；Lmax为最大炮检距；Lds3为距离分离同步激发的最小距离，显然Lds3/2≥Lmax；T0为最深目的层时间；Tmax为最大滑动时间。

分析理论情况下第2炮处于不同位置时应采用的扫描时间间隔。

(1)当第2炮处于0～Lmax区间时，该炮谐波干扰为主要干扰，滑动时间的确立应遵循滑动扫描对采集时间间隔的要求，即在此区间应采用固定滑动时间Tmax(图2a、图2b)。

(2)当第2炮位于Lds3及以后区间时，两炮记录的初至交叉线均在T0之上(图2c中两条蓝色虚线)，此时已满足距离分离同步扫描条件，在最深目的层T0之上未见邻炮信息，即认为邻炮对资料已无影响，可采用同步(时间间隔为0)激发。

(3)当第2炮位于Lmax～Lds3区间时，可忽略谐波干扰对第1炮的影响，在确定采集时间间隔时主要考虑避开两炮记录的互相干扰。

首先分析时间间隔与两炮记录相对位置的对应关系。假设第2炮从Lmax向Lds3移动时，时间间隔维持T0不变，可见随着两炮距离的增加，两炮记录的互干扰区域逐渐减少直至消失(图2d、图2e)。因此，随着距离增大，时间间隔可相应减小，没必要始终维持固定时间间隔。

图2 相邻两炮记录位置随炮间距变化示意图

仔细分析同步激发时的两条初至交叉线(图2c中蓝色虚线)发现，只要第2炮的初至不越过蓝色虚线，两炮记录就不会重叠或重叠很少，可认为不存在相互干扰，因此在选择扫描间隔时只要确保第2炮的记录不超过该虚线即可。

初至时间线与工区的折射波、直达波发育情况都有关系，且在整个工区内可能会有较大变化，不宜直接作为时间间隔标准线，否则易使时间选择变得过于复杂。最简单有效的方法是将(Lmax，Tmax)点与(Lds3，0)点的连线作为标准线——图2f中红线。由于(Lmax，Tmax)点的位置低于(Lds3/2，0)点，使标准线始终处于同步扫描时第2炮初至线(蓝色线)的下方。即使折射波速度变化较大，第2炮记录也不会越过该蓝线，这样就能确保全工区都不会出现两炮记录相互干扰的情况。

综上所述，当第2炮从Lmax点向Lds3点移动时，扫描间隔可沿该标准线从最大滑动时间Tmax线性递减到0。

以上时间间隔变化过程可用图3直观表示：

(1)段1空间关系对应0～Lmax区间，采用固定时间间隔滑动扫描方式，滑动时间为Tmax；

(2)段2对应Lmax～Lds3区间，采用可变时间间隔滑动扫描方式，滑动时间从Tmax线性递减至0；

(3)段3对应Lds3点及以后，采用同步扫描方式，扫描间隔为0。

图3 扫描时间随震源间距变化示意图

2 实现方法

动态扫描技术的核心是设置时空关系，同时也要求地震仪器能实现动态扫描功能。

2.1 时空关系T-D曲线的建立

在施工参数论证和资料品质分析的基础上，通过给定已知参数，计算同步扫描所要求的距离并确定至少3个控制点，从而勾绘T-D曲线。通常包括三大步骤。

2.1.1 参数准备

根据施工参数和单炮记录，先设定5个主要参数(图4)：最大炮检距Lmax，折射层速度Vr，折射波截距时Tin，主要目的层深度Tt，滑动扫描的最大滑动时间Tmax(假设已知)。

2.1.2 确立同步扫描的最小距离Lds3

同步激发的最小距离Lds3可通过不同方法设定，如可用单炮模拟同时激发过程求取，也可采用初至折射波分析方法[20]等。本文不深入探讨该参数确定方法，仅简要列举折射波分析法。

假设初至记录仅由直达波和折射波构成，两炮记录的对应关系如图4所示。同步激发所需最小距离Lds3应满足两炮初至交叉在最深目的层上，相应计算公式为

Lds3=Lmax+Vr(Tt-Tin)

(1)

2.1.3 确定至少3个控制点，形成T-D曲线

3个控制点为：等间隔滑动扫描段的两个端点(0，Tmax)和(Lmax，Tmax)，可变间隔滑动扫描段的末端点(Lds3，0)。

在有些地区，出于对资料信噪比和可控震源机械干扰等方面的考虑，可能会要求在近炮间距如1～2km内采用交替扫描，并再增加一个交替扫描的控制点，相应的T-D曲线如图1所示。

图4 距离分离同步激发示意图

上述关系曲线是为了重点保护最深目的层以上资料而建立的。实际施工中，有时要求在一定炮间距范围内整个记录都不能互相干扰，有时要求可接受的干扰深度大于最深目的层，这些要求均可通过调整(增加)变间隔滑动扫描拐点满足资料需求，此处不详述。

2.2 动态扫描的优先级管理

实际施工中，地震仪器必须具备动态扫描功能，可据T-D曲线自动选定扫描方式。为确保较高施工效率，地震仪器还应具有扫描方式的优先级管理功能，针对多组已备好的候选可控震源，遵循“效率最高者优先激发”原则： ①距离同步扫描效率最高，确定为最优先级； ②可变时间滑动扫描效率次之，列为第二级； ③固定时间的常规滑动扫描列为第三级； ④若设计有交替扫描，则将其定为最后一级。

2.3 可控震源的摆放

可控震源的现场摆放对施工效率也会产生较大影响。合理的摆放会使同步激发和变间隔滑动扫描在全区占比较大，则整体施工效率会显著提高； 否则，若固定间隔滑动扫描占比较大，则施工效率就很难有实质性提高。根据理论分析和多个项目实际操作经验，现场摆放震源时主要考虑以下三方面因素，列举实例进行说明。

M项目设计为正交观测系统，最大炮检距为5km，同步激发的最小距离为10km，共投入15台震源，采取单台单次激发。

(1)若工区沿接收线方向较长，满足同步激发距离条件的炮数较多，不宜采用均匀分布方式，可考虑分成几列，每排间距不小于最大炮检距，使变间隔滑动扫描和同步激发的占比较大。

如工区长度(首尾炮线间距)达到18km，可将15台震源分成5台 3列(图5a)，排间距为6km，那么A-B列、B-C列就可组合成变间隔滑动扫描，A-C列可组合成同步扫描。

(2)若工区沿接收线方向较短，满足同步激发距离条件的炮数很少，则应加大变间隔滑动扫描的比例，可考虑采用相对均匀的方式。

如工区长度为12km，可将14(或15)台震源分成4列(图5b)，排间距为3km，每列为3或4台，那么A-C、A-D和B-D列都可组合成变间隔滑动扫描。

(3)还需考虑地形因素。在复杂地形区，应备足震源以确保每列震源都能同时完工。

图5 震源分布示意图

2.4 地震记录的获取

与常规滑动扫描、距离同步扫描相同，只要地震仪器具有动态扫描模块，其地震记录即可在现场实时获取，无须在室内进行记录分割等后续处理。

3 实例分析

中国石油集团东方地球物理公司于2017年在青海尖顶山三维项目中实施了动态扫描技术，这是该项技术在国内首次大规模推广应用。

3.1 项目基本情况

项目施工面积为1001km2，总炮数达20.1万，共261束线。工区地表主要为盐碱滩、盐碱包，宜采用可控震源激发作业。开工初期配备了22台震源和34000道排列，激发因素为2台1次扫描。

前期采用10组常规滑动扫描，滑动时间为10s，共采集了7.3万炮，平均日效约3090炮，最高日效达3942炮。

项目进入中期，因考虑其他因素需加快进度。但从前期近一个月施工进度看，采用常规滑动扫描方式不可能大幅度提高施工效率。通过细致论证，决定从第162束线开始调整为动态扫描，该方式施工在总项目中的占比达64% (图6)。

根据前述动态扫描参数设定方法和甲方对资料的要求，拟合了该区时空关系曲线(图7)。图中可见：0～8km，正常10s滑动间隔； 8～14km，10～7s变间隔滑动扫描；14km以上，零间隔同时激发。另外，为保证动态扫描施工方式的有效实施，也追加了一部分设备，同时还增加了少量施工人员。

图6 常规滑动扫描与动态扫描应用分区图

图7 设计的时空关系曲线

3.2 应用效果

应用动态扫描方式当天即产生显著效果，日效达到6208炮，比前期滑动扫描的最高日效还高2266炮。到项目施工结束，动态扫描方式施工的平均日效为5972炮，是前期滑动扫描的近两倍；最高日效达8002炮。效率的提高使施工期提前结束半个多月，为完成目标发挥了关键作用。

通过对实际采集时间间隔进行分析和统计(图8和表1)，得到以下两项认识：

(1)所有炮的采集时间间隔都在图7的曲线之上，显示各种扫描方式均遵循了时空关系，证明所设计的时距曲线是行之有效的；

(2)应用动态扫描技术后，1/3以上炮的采集间隔为10s以下，这是效率提高的根本原因，充分表明距离同步扫描和变间隔扫描方式的高效性。

图8 实际时空关系统计图

采集时间间隔动态扫描应用前/%动态扫描应用后/%0(同步滑动扫描)N/A217～10s(变间隔滑动扫描)N/A1410s(等间隔滑动扫描)654810s以上3517

4 结论

本文的研究及其应用表明，动态扫描技术进一步推动了可控震源采集效率的提高，并扩大了可控震源多种扫描方式的应用范围。与其他扫描方法相比，动态扫描技术具有以下两方面特点：

(1)首次在原有时间域基础上引入空间域理念，通过建立时空关系将交替、滑动、距离分离同步等三种扫描方式结合起来，充分利用三者各自优势，扩大了可控震源的适用范围，尤其是具有最高效率的距离同步扫描方式。无论工区大小，能采用同步扫描的就采用同步扫描，不能采用的就调整为滑动扫描，这样就避免了以往国内普遍因工区面积小不能有效实施同步扫描技术的窘境。

(2)首次将滑动扫描的滑动时间由等间隔调整为变间隔，采集资料品质未受影响，但效率显著提高。