山地地震采集作业方案设计关键参数优选

胡 峰 朱 勇 邹 军 万 平 涂本先

（中国石油集团东方地球物理公司西南物探分公司，四川 成都 610213）

0 引言

近年来，油气勘探目标向复杂油气藏转变，常规二维和低密度三维地震勘探精度低，无法满足油气田二次开发或挖潜增效的精细勘探需求。以四川盆地为例，该盆地内天然气总资源量为39.94×1012m3，已获探明储量5.82×1012m3，探明率仅14%，勘探处于早中期，是我国天然气勘探开发最具潜力的盆地，未来以高密度为核心的“两宽一高”三维地震勘探技术必将得到大规模应用［1-5］。四川盆地以山地地貌为主，在实施高密度三维地震获取高品质地震资料的同时，三维观测占用的设备越来越多，山地采集施工效率、成本、人员及现场施工管理等问题日益突出。目前我国的地球物理工作者针对勘探目标需求，对观测系统参数优选方面进行了大量的研究工作［6-7］，但对山地三维地震采集施工组织，特别是对客观条件约束下的采集作业方案设计关键参数优选方面的研究基本处于空白。因此，为了提高三维地震采集效率、降低成本，有必要对山地三维地震采集作业方案关键参数进行研究，以期达到合理调配物探装备资源、降本增效的目的［8-14］。

1 采集作业方案设计现状

采集作业方案设计是指在地震勘探数据采集（放炮）阶段进行的施工组织作业方案设计，其关键与核心是排列模板布设推演，若排列模板一旦确定，整个工区或整大束线将会以布设好的排列模板为基础进行滚动作业（图1），直接决定了采集效率与装备投入。通常在三维地震资料采集观测系统参数确定后，地震采集施工方会根据以往的勘探经验估算每日采集炮次，然后设计几种排列布设方式并计算装备和人员投入，简单对比后确定最终的排列布设方式和设备投入量以及施工组织方式。这种方法过度依赖于设计人员的经验，缺乏优化性与稳定性。此外，采集作业方案设计受到人员、设备、天气、人文环境等多因素的制约，不同地域、工区的差异较大，仅依靠经验可能造成有限装备资源的盲目投入、持续均衡生产能力不足、功耗较大等问题［15］。

图1 排列模板示意图（绿色部分为布设排列模板）

2 采集作业方案设计关键参数与优选方法

一个采集作业方案设计是否优化，主要是看设计的排列模板滚动效率、资源投入产出比以及安全保障、地方协调等综合因素的合理性。其中起决定作用的关键参数主要包括有效采集工期、采集日效、采集设备投入量、采集滚动方式（图2）。

图2 采集作业方案设计关键参数优选逻辑图

2.1 有效采集工期

有效采集工期是指地震勘探项目数据采集激发的纯生产天数，设计思路如下：①在甲方给定的项目工期内，根据整体施工计划安排以及前道工序衔接时间，确定项目可利用的理论采集施工天数。②统计分析工区近3～5年同期采集时间内的恶劣天气天数进行算术平均，得出受恶劣天气影响的预计非生产天数。③通过提前协调介入，收集相关信息，统计出因行政因素影响的预计非生产天数。④理论采集施工天数减去因各种客观因素导致的预计非生产天数就可以得到有效采集工期，有效采集工期直接决定了每天数据采集的日效下限值。

2.2 采集日效

采集日效为布设排列模板可采集激发的理论炮次数量，其直接决定施工效率，设计采集日效炮次S介于Smin和Smax之间，如式1所示：

式中，Smin为有效采集工期要求的最低日效，炮；Smax为施工方峰值采集作业能力，炮；S设计为采集项目设计总炮次，炮；D有效为有效采集工期，d；S为设计采集日效炮次，炮；S小时为单台地震仪器车每小时平均采集炮次，炮；T有效为有效采集时间，h。

以西南探区为例，Sercel428XL地震采集系统平均作业能力为每小时采集150炮，为降低外界干扰影响，满足地震资料质量指标要求，有效采集窗口时段在8～24 h之间浮动，故日效上限受有效采集时间影响较大。若采集项目在山体段进行了炮线加密，在加密后，实际采集炮次一般将达到理论采集炮次的1.2～1.5倍。理论上，采集炮次越接近上限，生产效率越高。但在实际山地采集设计中，在追求高日效的同时应着重考虑炮班投入及地形情况，特别是在高陡复杂山地区，由于相邻炮点之间寻路时间较长，每个炮班的激发炮次不宜设计过多，只能通过增加采集炮线数及炮班投入来提高采集日效。

根据川渝地区多年的施工经验，川中地形较缓地区，单线设计采集炮次在40～50炮为宜，川东高陡山体区，单线设计采集炮次在30炮以下为宜。所以在追求高采集炮次的同时，应充分考虑炮班组织、作业能力来选择施工方案。

2.3 采集设备投入量

采集设备投入量是指地震采集链数量，每道包含一个FDU与一个（一串）检波器，即排列模板总道数（不计算备用道）。采集设备投入过少会导致生产效率低下，采集设备投入过多会造成资源的浪费和施工成本增加。已知设计采集日效炮次S，可以通过公式2求得最优采集设备投入量：

式中，m为观测系统单元模板外增加的炮线数，条；n为观测系统单元模板外增加的接收线数，条；shots_cell为单元模板炮，炮；E为最优设备投入数量，道；Xmax为纵向最大偏移距，m；Δx为道距，m；SLI为炮线距，m；R为观测系统单元模板接收线数，条。

2.4 采集滚动方式

地震采集排列滚动方式主要包括滚动方向、滚动轮次和滚动道数3个关键参数。

1）滚动方向。主要按照以下因素确定是采用顺炮线施工还是顺接收线施工：①应首先以甲方指定需求为主；②施工应遵循先易后难的原则，确保各工序间顺利衔接；③搬迁是否便利，搬迁路线是否有良好的交通道路；④构造主体或大型障碍区分布。

2）滚动轮次。受采集设备数量限制，三维工区通常分为数轮（大束）滚动施工，滚动轮次的合理划分对施工效率和成本有着重要影响，主要考虑以下因素：①资料处理需求。首轮进站的资料能够进入满覆盖区域，满足质量监控的需要。②重复排列数量。重复排列数量随着滚动轮次的递增而成几何倍数增加，应尽可能减少重复排列的铺设道数。③设备利用率。尽可能保证每一滚动轮次（大束）的工作量、采集模板基本相同，确保人员、设备、车辆等资源发挥最大效能，便于施工组织和计划。④复杂地表影响。高陡山体区、城区、协调困难区尽量一次性通过，避免重复搬迁埋置。

采用模板浪费率参数算法可以有效控制设计方案可能出现施工轮次工作量不均匀的情况，通常设计要求模板浪费率不超过30%，如式3所示：

式中，TWs为顺炮线施工模板浪费率；mod（，）为求余函数；SLD为工区设计炮线数，条；SL为排列模板布设炮线数，条；TWr为顺测线施工模板浪费率；LLD为工区设计接收线数，条；LL为排列模板布设接收线数，条。

3）滚动道数。滚动道数即为布设排列模板滚动时所需重新搬埋的采集设备道数。采集日效与滚动道数成正比，同时滚动道数直接决定了采集施工所需的季节工人数和运载车辆数量（式4），影响采集成本，因此滚动道数过多或过少都不利于采集工序高效作业，应根据整体施工组织计划和成本进行测算，合理设计滚动道数。

式中，Nw为季节工投入数量，人；ΔE为滚动道数，道；W为采集设备重量，kg；Pcl为季节工人均负重能力，kg；Ng为设备运载货车投入数量，辆；Cvl为货车核定载重，kg；Np为人员运载客车投入数量，辆；c为客车核定载客数，人。

施工方根据工区条件和实际作业能力对采集作业方案设计关键参数进行优选，同时借助计算机软件或数据分析工具进行施工组织模拟推演，即可实现采集作业方案快速优化设计的目的，助力地震采集项目降本增效。

3 采集作业方案效率与效益关系分析

以四川盆地大川中地区三维地震采集项目为例，以不同规模三维地震勘探分别测算在同一观测系统参数下的采集日效与效益关系，如表1所示。从表1中测算结果可知，当三维满覆盖面积较小时，高日效会造成投入资源的浪费，低日效更有助于成本控制。当三维满覆盖面积较大时，高日效有利于提升投入资源利用率，实现降本增效。因此，当观测系统确定后，施工投入、效率、效益可以通过科学推演、精细设计获取经济技术一体化方案。以表1测算内容为依据，形成综合费用与满覆盖面积、日效关系图（图3）。从图3中可以看出，三维满覆盖面积相同、日采集效率不同的综合费用波动幅度为8%～16%，且波动幅度会随着三维满覆盖面积的增加而增加，即三维面积越大通过优化日效设计实现经济挖潜的空间越大。对比不同满覆盖面积的综合费用认为，采集综合费用的增加幅度小于满覆盖面积的增加幅度，即随着三维满覆盖面积的增加产生规模效益。

表1 三维地震采集作业方案效率与效益测算表

图3 综合费用与满覆盖面积、日效关系图

4 结论

1）依托四川盆地多年山地地震勘探施工组织经验，详细阐述了山地三维采集作业方案设计关键参数优选方法，为生产组织决策者构建生产计划和资源投入奠定了基础，对合理测算工期和采集设备运转协调具有积极意义。

2）随着地震勘探技术的进步，大规模、高密度三维勘探必将是未来地震勘探的趋势。针对不同规模、不同观测系统参数的“两宽一高”三维地震采集项目，通过精细测算、合理设计采集作业方案，可以有效控制施工成本，提高采集效率，有助于实现地震采集施工的技术经济一体化发展。