复杂地区炮点偏点优化设计方法讨论及应用

伊万顺 徐 海 都小芳 赵 夏 岳震国 黄 卫

（1.中国石油大学CNPC物探重点实验室，北京102249；2.中国地质大学 能源学院，北京100004；3.东方地球物理公司，河北 涿州072751）

传统意义上的复杂地区三维地震资料采集的炮点偏移设计，通常是通过手工进行偏点的偏移，仅适合低复杂度与偏点数量较小的情况，效率低下而且准确度低［1，2］。近年来随着油气勘探进一步深入，极复杂地区（如城区、海陆过渡带等）成为勘探的热点，手工炮点的偏移设计远不能满足生产的需要，如某些工业区与城区内的线束，其偏点（偏移的炮点）数量一般占理论炮点的30%～50%，采用人工方法进行偏移设计相当困难。第一，影响设计与施工效率，增加野外施工的成本，不能保证偏点炮的有效性；第二，不能保证有效炮数量的最大化以及覆盖次数的最优化；第三，不能保证后期资料提交的准确性［3，4］。本文根据实例，着重研究实现了一种以卫星照片、地形图、勘察测量数据等地理信息为基础，进行地震勘探部署设计、现场采集观测设计的计算机自动优化技术和方法，为评估野外采集方法、降低勘探成本、避免失误风险、优化地震资料采集观测效果提供更为科学的分析技术和手段。

1 偏点规则与优化方法

1.1 偏点规则

以国外X地区的海陆过渡带三维地震勘探项目为例。该项目规模大，陆地部分地表复杂，分布着密集的管线群、高速公路、石油化工厂、污水处理厂、飞机场、居民区等。地震采集存在大量空点（不能放炮的理论设计点），其中，某些线束偏移炮点（以下简称为偏点）数量高达50%。针对这种地面条件，如何既保证炮点布设的合理性，又保证炮点的可实施性，最大限度地满足覆盖次数均匀与施工效率的要求，是目前野外地震采集中所面临的最大挑战。

X区设计规则为：横向偏移距≤750m，纵向偏移距≤800m；其观测系统设计为12线24炮，炮线点距100m×50m，检波线点距200m×50 m，最大偏移距为6km，满覆盖为360次。

1.2 偏点方法与优化分析

根据偏点规则，尝试了以下偏移方法与匹配方法。以炮线为参考系定义方向，平行于检波线方向的炮线称为炮线的横向，垂直于检波线方向的炮线称为炮线的纵向。

1.2.1 偏移方法与分析

a.先横后纵的串联查找（图1）。平行于检波线方向的横向匹配，然后再从垂直于检波线的炮线方向进行查找；纵向距离取绝对值的最小距离，横向采用最优距离。

图1 先横向后纵向查找Fig.1 Inline－cross line search

b.横向－横纵并联查找（图2）。横向查找完毕后，再由横向与纵向的方向同时查找（蓝色框内查找）；纵向距离取绝对值的最小距离，横向采用最优距离。

c.横纵的并联查找（图3）。即横向与纵向同时查找，只要满足偏移条件，就认为匹配的偏点是有效的。

图2 先横向再横纵向查找Fig.2 Inline－inline ＆cross line search

图3 横纵向同时查找Fig.3 Inline ＆cross line search

根据以上偏点的查找思路，对这3种查找方法应用实际数据进行了试验分析（表1），结论如下。

表1 3种匹配方法的对比试验结果Table 1 The result of the comparison of three methods

第一种与第二种偏移查找方法皆符合地球物理偏点思路，能够最大化地满足空点区域CMP叠加剖面的覆盖次数；但是第一种方法找到的匹配点数要比第二种方法少，原因是仅考虑了各个方向的单向查找。

第三种与前两种相比，偏点的查找数量最多（与第二种方法相比，实际处理数据多出10～30个点，视具体情况而定），但是纵向偏移的炮点太多，不完全符合地球物理学家的偏点思路。

1.2.2 匹配方法与分析

假设在横向匹配过程中偏移距离不能超过250m，抽象模型算法与分析如下。

a.最小绝对值法。在横向匹配过程中，当空点与偏移点之间距离的绝对值最小时，认为此偏点与空点的匹配形式是最佳的（图4）；但其中仅有3个点能够匹配，其余2个点已经超过偏移距离250m的限制。最小绝对值的匹配方式：红色点代表可实施设计点，蓝色点代表偏点，紫色点代表空点。

b.最优距离法。在横向匹配过程中，不以距离最小绝对值为判定标准，而是以怎样最大化地增加空点区域覆盖次数为目的的偏点匹配形式（图5），其中仅有5个点皆能够匹配，没有超过偏移距离250m的限制。最优距离匹配方式：红色点代表可实施设计点，蓝色点代表偏点，紫色点代表空点。

图4 最小绝对值匹配方法示意图Fig.4 Least absolute value match

图5 最优距离匹配方法示意图Fig.5 Optimization distance match

通过模型的理论分析以及实际数据处理后，发现第二种匹配方法最佳（表1），找到匹配点较多，符合地球物理学家的偏点思路。

2 方法组合与实现

通过方法分析，选取了最优距离与横向－横纵并联查找方法组合，进行了编程实现［5－7］。

设SPS炮点文件中设计炮点文件为aij（i＝0，1，2，…，m1；j＝0，1，2，…，n1）；不存在的设计点为bji（i＝0，1，2，…，m2；j＝0，1，2，…，n2），存在的偏点为cji（i＝0，1，2，…，m3；j＝0，1，2，…，n3）。其中bji与cji为经过二分法递归排序得到的结果，此时令cji中的j为一重循环，bji中的j为二重循环，实现沿横向查找偏点所匹配的空点。空点的横向查找方式以max（abs（cji－bij））为准，横纵向以 min（abs（cji－bij））距离为准，实现偏点的匹配。

运行发现该方法配合，查找最合理，虽然找到的匹配点没有横纵并联查找的个数多，但这种查找方式更符合地球物理学家面元覆盖次数均一化的设计思路（图6）。

3 偏点优化的应用

3.1 偏点优化的应用方法

基于卫星遥感图片可将其作为踏勘依据，设计不同地形条件下的激发点，组织质控与测量人员提前踏勘，对激发点进行可行性分析，按照计划去核实炮点的可实施性，对不合适的炮点还需要二次偏移。在商业区、居住区及城镇等大面积复杂障碍区，要根据观测系统的特点以及地形地物特点，通过模拟分析，在施工前需提前确定偏移炮点的分布（如偏移方向与偏移距离等），通过室内与野外密切结合，实时地使室内与野外设计达到最优化。

图6 偏点优化流程Fig.6 Offset shot optimization flow

3.2 偏点优化的应用效果

以横跨城区与工业区的某线束为例，其地表分布着密集的管线群、高速公路、石油化工厂、污水处理厂、居民区，地表情况极其复杂（图7）。为满足目标区各目的层覆盖次数以及最大限度地降低空炮率，需要布设大量的偏移炮点。该线理论施工（假定地表地形规则，没有障碍物）设计炮点4 723炮（图8）。现场地球物理专家根据地表地形条件实际设计了5 306炮点（图9），在非优化条件下，比理论多设计了583炮（5 306－4 723＝583）。若按此方案激发，在考虑覆盖次数均匀的情况下，不但不能保证偏点的有效性，而且还会产生大量的无效炮，影响施工效率，增加施工成本。

据实际设计，在城区与工业区的无障碍物处可施工的设计点（正点）应为2 839个（图10中粉红色炮点），障碍物处的空点和对应有效偏点应为1 884个（图10中蓝色炮点）。

图7 工区地面卫星图Fig.7 High resolution satellite photo

据偏移规则，借助偏移优化算法的自动匹配，对踏勘设计炮点进行优化处理与分析后得到如下结果：在踏勘初始设计方案中有89个空点（图11中蓝色炮点）不能在所有可利用的设计偏点中找到其对应的偏移炮点，672个设计偏移点找不到与其对应的障碍物空点（图11中粉红色炮点）；经优化处理后被废除，最终优化处理后的有效偏移炮点个数为1 795个（表2，表3）。

图8 理论设计炮点分布图Fig.8 Theoretical designed shot points distribution

图9 踏勘初始设计炮点分布图Fig.9 The scouting designed shot points distribution

图10 优化后实际炮点分布图Fig.10 The shot points distribution after optimizing正点：粉红色点；空点：蓝色点

图11 废弃偏点与不匹配空点分布图Fig.11 Distribution of the abandoned offset shot and unmatched points

表2 理论点、偏点、正点、空点的关系Table 2 The relation between theoretical，offset，enforceable theoretical and skipped points

表3 设计点、正点、偏点、空点统计关系Table 3 The Statistical relation between theoretical，offset，enforceable theoretical and skipped points

4 结论和认识

通过对偏点优化设计方法的讨论以及国外X复杂过渡带三维地震勘探项目炮点施工设计的应用，得到以下结论。

a.在匹配数量以及设计观念上，经过试验分析可知，基于横－横纵向查找，并以横向最优距离、纵向最小距离的匹配方法是最优化的。

b.通过偏点优化程序对复杂区施工方案进行反复设计、不断优化，最大限度地提高了覆盖次数。

c.将数量巨大的偏点设计从手工设计中解放出来，设计人员可随意尽可能多地布设可以放炮的偏点，不需考虑偏移规则，处理后的多余偏点可通过程序自动剔除，提高了质控人员偏点设计的工作效率。

d.降低了因不合理偏移点而产生的无效炮数，节约了成本，提高了野外作业的工作效率。

e.解决了偏点与空点的相互匹配问题，降低了资料整理人员的工作量，提高了工作效率。

［1］邬伦，刘瑜，张晶，等.地理信息系统——原理、方法和应用［M］.北京：科学出版社，2001.

［2］Beasley C J，Vermeer G J O.3－D Seismic Survey De－sign［M］.Tulsa：Soc of Exploration Geophysicists，2002.

［3］Telford W M，Geldart L P.Applied Geophysics Second Edition［M］.New York：Cambridge University Press，2004：186－190.

［4］易远元，雷鸣，安俊.基于地理信息的三维地震资料采集设计［J］.科技经济市场，2009（10）：29－32.

［5］庄道川，曾庆才，张亚斌，等.超大偏移距地震资料处理方法［J］.西南石油学院学报，2003，25（2）：11－14.

［6］卢开澄.单目标、多目标与整数规划［M］.北京：清华大学出版社，1997.

［7］袁亚湘，孙文瑜.最优化理论与方法［M］.北京：科学出版社，1997.