提高复杂地表区可控震源炮点布设均匀性的方法及应用效果研究

魏 铁，聂明涛,2，叶朋朋，齐永飞,2，苏自权 ，张 超

(1.中国石油集团东方地球物理公司，河北 涿州 072751；2.中国石油大学 地球物理学院，北京 102249)

1 引 言

随着可控震源 “两宽一高”高效采集技术的推广与应用，在施工效率大幅提高的同时，采集的地震资料品质也有了大幅提升，该技术已经成为受地震勘探甲乙方青睐的重要勘探技术。随着地震勘探技术的进步和勘探项目的滚动式部署，在复杂地表区进行高效采集成为近年来地震勘探工作者面临的重要研究课题。

刘康等[1]提出通过高精度卫片、导航轨迹、数值化地震队等措施提高复杂区施工效率;陈敬国等[2]提出通过超前精细谋划、强化质量意识、严格过程控制、创新质量管理，安全、优质、高效地完成了项目运作；肖虎等[3]提出以“动态扫描技术为核心、轨迹导航技术和作业方案优化技术为保障”的复杂区可控震源高效采集技术；肖关华等[4]提出通过震源轨迹导航设计技术、4G网络激发及多天线通信技术、数字化地震监控技术实现提质增效；谢城亮等[5]和赵虎等[6]分别做了观测系统均匀性理论分析等方面的研究。上述文章在复杂地表区施工提效以及室内优选观测系统理论分析时，具有很好的借鉴意义，但是均未涉及在受地表障碍物及障碍物安全距离限制时，提高炮点布设均匀性的具体措施。

在复杂地表区进行地震勘探项目施工时，受地表障碍物影响，设计炮检点无法按照理论设计位置野外实施布设。尤其是可控震源施工时，周边设施容易产生共振而造成损坏，炮点布设时需要与障碍物保持足够的安全距离。点位布设不均匀对获得资料品质也会产生很大影响，尤其是对浅层资料影响严重，容易出现信息缺失或者资料空白。

为了增加复杂区布设炮点的均匀性，本文提出了一系列措施：①在大吨位施工项目中，在城区街道等道路通行受限区域穿插增加Mini震源施工炮点；②通过降低可控震源正常出力幅度，减小对周边障碍物的破坏程度，进而减小需要对障碍物保持的安全距离，以缩小不能布设炮点面积；③在多台震源组合激发项目中，通过减少组合台数，增加单台扫描长度，提高部分通行受限区炮点布设的可能性；④将常规线性或者自定义升频扫描方式改为伪随机扫描，通过减小对障碍物产生共振造成的破坏，缩小安全距离，提高炮点布设均匀性。

但是在高效采集项目中，频繁的因素切换(改变震源类型、组合方式、扫描信号、扫描长度、驱动幅度等)会对生产效率产生严重的影响。在保证点位均匀性的前提下，如何实现复杂障碍物区可控震源高效采集，成为一项需要解决的重要技术问题。本文提出在复杂区高效采集采用点代码自动匹配仪器处理类型的配套技术，对在复杂地表区可控震源施工提升施工效率和降低出错率方面效果显著。

2 均匀布设炮点的重要性

目前地震勘探主流观测系统都是炮检点均匀分布的正交观测系统，设计满覆盖面元内的炮检距分布如图1(a)所示，不同偏移距范围分布的炮检对数量统计如图1(b)所示，可以看出，正交规则观测系统随着偏移距增加炮检对数量增多，当偏移距离达到Inline或者Crossline最大偏移距时，炮检对变化趋势出现拐点。由此可见，相对于中远偏移距，近偏移距炮检对分布少。

图1 全方位观测系统炮检距分布和统计Fig.1 Offset distribution and statistics of full azimuth geometry

根据地震波勘探原理，当入射角大于临界角时，地震波变成沿地层界面滑行波，导致远偏移距接收不到浅层的反射信息；当地震波入射角较小时，地震波透射比例高，反射波比例较低。所以，近偏移距炮检对刻画浅层反射信息，远偏移距炮检对刻画深层反射信息[7]。

综上所述，因为理论设计观测系统近偏移距炮检对较少，且只能有近偏移距炮检对刻画浅层信息，所以当受地表障碍物影响不能均匀布设炮点时，对浅层资料影响最大，根据空缺面积的直径大小，还会在叠加剖面上出现不同程度的资料空缺。

3 提高炮点均匀性措施

3.1 大小震源混合应用

“两宽一高”采集技术在不同区域的广泛应用，充分证实了基于拆分震次和台次的高密度勘探通过多次水平叠加采集得到的地震资料，比传统多台组合、多次扫描垂直叠加采集资料的成像效果更好，因此越来越多的甲方开始接受单台、单次扫描的施工方式。为了满足单台震源施工对中深层勘探能量的需要，大吨位震源得到了越来越广泛的应用。随着地震勘探向复杂城区的推进，主流的大吨位可控震源由于车体大小等方面的因素，在城区施工中受到了严重的限制，小震源获得更广的研发应用[8]。

表1是常见大吨位可控震源与迷你小震源车体主要参数对比。由表1可知，迷你震源车辆长度和宽度都是大震源的三分之二左右，拐弯半径也相对较小，在高效采集施工中更加灵活，更利于在城区等道路通行受限区域应用。

表1 常用可控震源部分参数[9,10]

图2是东方地球物理公司在2016年承担的中东某超大城区三维项目中，有无UNIVIB 326震源炮点布设以及叠加剖面的对比效果。由于小震源车体较小，相对灵活，能够在居民区内相对较窄的道路上布设施工炮点，使炮点布设更加均匀，对采集资料尤其是在弥补浅层资料缺失方面效果的非常明显[8]。但是由于小震源与大震源的性能差异，需要针对小震源性能进行单独信号设计，尤其是在使用用户自定义扫描信号进行低频勘探施工时。

图2 有无迷你震源参与炮点分布及叠加剖面效果对比Fig 2 Comparison of vibroseis points distribution and seismic profiles with and without mini-vibrators

3.2 降低驱动幅度

驱动幅度(Drive Level)也称出力百分比，是指震源设定输出力与峰值出力的百分比。驱动幅度是可控震源施工中一项非常重要的施工参数，在其他参数一定的情况下，驱动幅度越大,激发总能量越强。但是，有效能量是震源输出总能量减去震源自身产生的谐波畸变能量，当驱动幅度达到一定程度时，驱动幅度越大，谐波畸变能量也越大[11]。因为地震勘探真正关注的是下传的有效能量，或者更确切的是被地层反射回来被检波器拾取的有效能量，所以需要在项目开工前进行可控震源激发系统试验来确定合适的驱动幅度。

图3是采用AHV-IV 380震源采集的不同驱动幅度单炮。单炮记录面貌随着驱动幅度减小，单炮能量有变弱趋势，但是采用60 %和50 %低驱动幅度激发单炮，中深层目的层反射信息连续、清晰。3 s以上反射信息与70 %出力效果相当，采用降驱动幅度的采集资料能够满足浅中层勘探需要。

图3 不同驱动幅度采集单炮Fig.3 Comparison of raw records with different drive levels

2021年东方地球物理公司承担的中东某城区三维项目中，工区内除城区外，密集的椰枣种植农场内分布约2万口水井(图4)。项目之初，通过PPV(Peak Particle Velocity，质点速度峰值)测试确定了安全距离，即70%驱动幅度需要100 m。对于设计炮线距为100 m的观测系统，点状井位设置100 m安全距离对炮点均匀性影响不大；但是因为水井数量众多，对井位设置100 m安全距离后，很多区域连接成片，炮点布设出现很多大面积空白区域。为了减少炮点空白区域面积，减小对浅层资料的影响，又通过PPV标定进行了严格的安全距离标定[12]，确定将可控震源驱动幅度降低到50 %时，50 m范围外不会对水井造成伤害。如图5所示，通过在100～50 m范围内增加驱动幅度为50 %的炮点来减小资料空白面积。

3.3 变扫描长度

扫描长度是可控震源每次振动持续的时间。可控震源输出能量强度与扫描长度密切相关，当组合台数、驱动幅度和扫描方式确定时，扫描时间越长，相关反射能量越强，所以，增加震源扫描长度可以提高单炮激发能量[13]。

图6是西部某探区不同扫描长度16 s、20 s、24 s采集的单炮记录及频谱和能量对比。在确定施工参数时，可以通过延长扫描时间来弥补减少震源组合台数对单炮能量的影响。

图6 不同扫描长度采集单炮及频谱和能量对比Fig.6 Comparison of raw records acquired with different sweep lengths

2021年底，东方地球物理公司开始承担的中东三维项目中，采用大吨位AHV-IV-380震源三台组合施工，但是由于部分区域地表障碍物影响通行和最小安全距离限制了炮点的布设，通过系统试验对比，确定部分受限区域三台震源改成单台施工，增加单台激发扫描长度,以适当补偿单炮激发能量。采用单台激发可以大大提高这些区域的搬点效率，同时单台激发瞬时最大震动强度远小于三台组合，通过PPV标定减小障碍物需要保持的安全距离，大幅提高了炮点布设的均匀性。

3.4 伪随机扫描

相对于目前可控震源勘探中常用的线性规则扫描而言，可控震源还有一种伪随机扫描模式，研究和应用伪随机扫描方式的目的是降低子波宽度和降低旁瓣能量及持续时间，以改善子波形态，提高分辨率。图7为不同扫描信号的特性对比。伪随机扫描的优点是，如果信号设计处理得当，可以在自相关函数中完全消除旁瓣[14，15]。可控震源施工过程中，对周围设施造成损害的原因如下：一是震动强度超过周边障碍物容忍范围；另外很主要的一方面是激发产生的震动频率与障碍物固有频率产生共振，造成损害。常见民用建筑物固有频率一般在4～12 Hz之间，高层建筑物的固有频率更低，而这正好与地震勘探可控震源激发频率重合[16]。

图7 不同扫描信号特性对比(1.5～120 Hz,18 s)Fig.7 Characteristic comparison of different sweep signals(1.5～120 Hz,18 s)

李红远等[17]通过实际试验和单炮及剖面效果对比，得出伪随机扫描虽然存在一定缺点，如输出平均相位相对较大，存在一定相关噪声，但是在安全距离受限区域局部应用，采集单炮和剖面能够满足勘探需要，较线性扫描信号存在明显优势。马铁荣等[18]通过对伪随机和线性扫描信号的实际震动测试和PPV监测结果研究对比，得出：在可控震源上长期应用伪随机扫描信号不会对震源震动和液压系统造成损害；相同起止频率和驱动幅度的情况下，伪随机扫描信号PPV测试结果震动速度更小。因为伪随机扫描信号频率随时间变化是随机的，不易与周围障碍物产生共振，所以伪随机扫描是在城区等受限区域施工时，提高炮点布设均匀性的重要技术措施。

4 应用与效果

低频地震数据采集与低频可控震源是近来国际地球物理市场上的热门话题，为了实现常规震源的低频激发， 2008年西方地球物理公司(WGC)提出了最大位移扫描(MD Sweep)技术，并测试成功。最大位移扫描信号技术实际上是一种基于激发信号振幅约束，通过增加激发时间(扫描长度)来加强低频信号能量的非线性扫描信号设计技术[19]。为了满足油田甲方不断扩展高低频的需求，基于扫描信号振幅约束的用户自定义扫描在越来越多的项目中得到应用。

前文提出的降低驱动幅度、改变扫描长度、伪随机扫描的提高复杂区域炮点布设均匀性的技术对策，均需要改变可控震源扫描信号。由于实际施工过程中地形复杂性导致需要改变扫描信号的炮点分布无规律，需要震源操作手改变震源驱动幅度或者通过仪器与震源联机重新传输施工参数，高效采集中操作性差，影响施工效率。

大小震源混用实施过程中，需要单独给小震源导航系统上传小震源施工炮点，无需频繁变更参数，但是采用用户自定义信号施工时，由于小震源输出性能与大吨位震源的差异，需要单独设计扫描信号，以适应震源自身性能以及降低输出畸变能量。

4.1 设置方法

上述四种技术措施均可通过改变设计扫描信号来实现改变信号振幅约束特性、驱动幅度、扫描长度的目的，实际应用过程中,需要提前根据震源特性设计好适合震源应用的扫描信号(通过调整振幅瞬时频率与扫描时间的关系，实现输出能量最强，震源自身畸变最小)，图8是针对不同技术对策设计的不同参数自定义扫描信号。

图8 设计的不同参数自定义扫描信号Fig.8 Different designed custom sweep signals

实际生产应用过程中，可以采用上述措施中的一种或者多种以提高复杂地表受限区域炮点布设均匀性。在预设SPS(Shell Praessing Support Format)时，将不同炮点具体激发参数使用不同炮点代码(Point Code)，仪器在加载SPS时，将处理类型(Process Type)选择设为From SPS，将点代码与预设好的不同处理类型相关联，实现自动按照处理类型选择对应信号的目的(图9)。针对调用箱体信号库内非自定义扫描信号时如何设置，李文静等做了详细研究和说明[20]。

图9 SPS内点代码设置及对应扫描类型Fig.9 Source code and process type settings in SPS files

针对Sercel箱体，可控震源预期出力计算公式为：

RF= 0.9×(AJ/100%)×(DL/100 %)×min(HPF,HDW)

(1)

式中，RF为预期出力；0.9为安全边界系数；AJ为扫描信号幅值；DL(Drive Level)为伺服力幅值；HPF(Hydraulic Peak Force)为液压峰值力，单位：lb；HDW(Hold Down Weight)为可控震源压重，单位：lb。通过公式可知，可以通过改变AJ或DL来实现改变可控震源输出力。 所以针对变驱动幅度多因素施工，可以直接将设计信号振幅修改成预期输出幅度(仪器内置DL设置100 %)；也可以通过修改DL实现降低驱动幅度的目的。这里有一点需要提醒：为了保持采集数据振幅一致，相关参考信号需要始终采用原始100 %振幅信号。

4.2 应用效果

应用点代码关联仪器处理类型施工方法前，需要降低驱动幅度，一般通过仪器与震源联机传输给震源设置高/低出力值，施工过程中，可控震源操作手根据预设出力类型手动切换高低出力模式。该方法完全依靠震源操作手进行出力切换，对雇员水平要求高，中方仪器操作员无法实现对出力类型正确性做有效监控，存在较大的质量安全控制风险。

通过人为控制频繁的改变施工参数出错率高，且严重影响施工效率。图10是手动切换驱动幅度和改成根据炮点代码自动选择出力类型前后的施工效率对比。由图10可知，改成根据炮点代码自动选择出力类型后，生产效率得到大幅提高，而且完全杜绝了之前手动选错出力类型情况的发生。图11是采用降低出力驱动幅度提高城区炮点布设均匀性采集的地震剖面，有效地弥补了浅层资料缺失，获得了甲方的高度评价。

5 结 语

在可控震源复杂地表区施工时，应用本文提到的一种或者多种技术措施可以有效提高炮点布设的均匀性，提高浅层地震资料的成像效果。俗语有云“慢工出细活”，导致施工效率与高质量往往被认为是工程施工的两个对立面，作为基层技术人员有责任通过研究与探索寻求提质、增效的技术对策。在复杂区高效采集施工过程中，采用本文提出的点代码自动匹配仪器处理类型的配套技术能够在提高采集准确性的基础上增加野外生产效率，达到施工效率和资料品质双赢的效果。