基于属性评价分析的三维观测系统优化设计与应用效果

姚 江

(中国石油化工集团公司石油工程地球物理有限公司,北京100029)

随着东部油区勘探开发进程的不断深入，复杂断块、隐蔽及岩性油气藏等地质问题逐步成为亟需解决的主要问题。三维观测系统产生的采集脚印会严重影响地震资料精度的提高。因此，在进行高精度地震勘探时，应尽量减小观测系统属性差异带来的后续资料处理与解释误差。

国内外关于观测系统设计问题的研究很多。20世纪90年代以前，观测系统设计人员主要依靠采集设计经验来进行三维观测系统设计；90年代以后，Vermeer提出了均衡采样法，但这种方法仍是一种定性描述方法，有关观测系统属性定量分析的方法一直较少见诸报道[1-5]。近几年，针对观测系统属性定量分析方法的研究力度逐渐加大，尹成等[6]从炮检距分布的均匀性，即炮检距变化率的方差最小化出发，建立起观测系统参数最优化选择的目标函数；吴永国等[7]引用均值、方差和加权因子概念，提出了一种面元内炮检距均匀度的定量估算方法，通过计算满覆盖区域内所有面元炮检距均匀度标准方差来描述整个观测系统均匀度。

我们首先基于文献[7]提出的面元内炮检距均匀度定量分析方法，计算对比正交、斜交、砖墙、奇偶等多种观测系统的均匀度，以优选面元属性的均匀性最好的观测系统；然后从观测系统属性的变化规律出发，分析接收点距、激发点距、束线距等参数变化对采集脚印的影响，以明确观测系统参数优化的方向。进一步通过胜利探区三维观测系统设计优选的实际应用，来说明所论观测系统优选和参数优化方法的实用性。

1 观测系统属性变化规律分析

1.1 观测系统属性变化规律

在进行三维地震勘探观测系统属性分析时，通常的判断标准是依据其覆盖次数分布是否均匀[8-11]。但由于目前采用的三维观测系统均需要炮检点的纵、横向滚动才能保证覆盖次数均匀，从而造成了其它属性的差异。图1显示了常规6线9炮束线状观测系统覆盖次数分布。从图1中可以清楚地看到，其满次范围内覆盖次数分布非常均匀，不存在差异。但如果进一步分析其单个面元的属性和其它属性时，可见面元内部的炮检距分布非常不均匀，面元间的差异明显。图2是常规6线9炮束线状观测系统叠加响应分析结果。

通过对不同观测系统的属性进行分析，发现这种差异呈现一定的规律性变化，在纵向和横向上均表现为每隔一定数量的面元后，其各种属性的变化完全重复。从图2叠加组合响应分析可以看出，常规6线9炮束线状观测系统属性在横向上每18个面元重复一次，纵向上每6个面元重复一次。从炮检距分布及方位角分布可以得到相同的结论，且每隔一个变化周期，面元的炮检距属性和方位角完全一样。

图1 常规6线9炮束线状观测系统覆盖次数分布

图2 常规6线9炮束线状观测系统叠加响应分析结果

1.2 观测系统属性周期性变化原因分析

为寻求了解该差异现象的实质，研究面元内反射信息的来源点。将面元内不同来源点的反射信息简记为s(i)，其中s表示炮序号，i表示道序号，如：1(3)即表示面元内由第1炮激发、第3道接收获得的反射信息。

应用上述分析方法，对常规6线9炮束线状观测系统的纵向差异进行剖析。图3记录了该观测系统在纵向上各面元内的不同炮检点的组合。从图3可以看出，纵向面元属性呈规律性变化，间隔周期为6个面元，与叠加组合响应的分析结果完全一致。

图3 常规6线9炮束线状观测系统满覆盖范围内各面元纵向反射信息

同样，横向面元属性也呈规律性变化，间隔周期为18个面元，与叠加组合响应分析结果完全一致。

观测系统属性周期性变化原因的分析表明，观测系统在横向和纵向上产生的不均匀性是因为炮点在横向和纵向滚动过程中，在每个CMP点产生了相对位置不同的炮检点组合，使得每个面元的炮检距和方位角分布产生变化。这种变化在横向和纵向都沿着各自的周期反复变化，这就是观测系统产生不均匀性的实质，周期越长，说明观测系统属性差异变化越大，也就是说采集脚印现象越严重。

2 观测系统属性评价方法

不同观测系统参数会造成面元内炮检距的均匀性分布特征不相同。观测系统满覆盖面元内炮检距分布的均匀性可以作为衡量观测系统优劣的一个主要指标，主要由两个参数来表示：一是炮检距值均匀性特征(炮检距分布均匀度)；二是炮检距与面元内平均中点个数(可用柱状图、曲线图或玫瑰图表示)。第1个参数表示炮检距值的整体均匀性；第2个参数衡量炮检距集中分布的范围。某个炮检距范围内分布的中点个数越多，说明该范围的炮检距分布越密集，我们采用满覆盖范围中的面元内各个偏移距出现的次数的方式来描述炮检距比较集中分布的情况，即炮检距与面元内平均中点个数。

2.1 炮检距分布均匀度

面元内炮检距分布均匀度用下列公式表示[7]：

(1)

其中，

(2)

式中：U表示炮检距分布均匀度；F为面元的覆盖次数(炮检对数量)；Xr为实际炮检距；XtN为对应第N个理想炮检距值，XtN=[(Xmax-Xmin)/(F-1)]·(N-1)+Xmin(或XtN=(Xmax/F)·N，Xmin=0)，计算中每个XtN只能使用一次，故XtN只能使用未使用的与某个Xr最接近的理想炮检距值；ΔXt=(Xmax-Xmin)/(F-1)(或ΔXt=Xmax/F)；Wx为Xr与对应计算的XtN的以ΔXt为基数的距离取整加1。均匀度U越接近1，说明面元内炮检距分布越均匀。

2.2 标准方差

尽管满覆盖区域内各面元的覆盖次数相同，但炮检距分布存在差异，因此某一个面元内炮检距分布均匀程度并不能够代表整个观测系统整体的炮检距分布均匀性，为了能够定量分析观测系统整体炮检距分布均匀性，引入标准方差来表示观测系统整体炮检距分布的均匀程度：

(3)

2.3 采集脚印变化周期

当覆盖次数和地层深度一定时，采集脚印周期只与接收线距和炮点距有关。采集脚印的周期为

(4)

式中：E为反射点移动距离(m)；L为接收点反射间隔(m)；I(L,E)为达到一次覆盖的反射点间隔(m)；S为达到一次覆盖的炮点数量，S=I(L,E)/E；R为达到一次覆盖的检波线数量，R=2(I(L,E)/L)；F为达到N次覆盖所需要的检波线数量，F=RN；D为达到N次覆盖所需要的炮数，D=SN；N为需要的覆盖次数。

3 不同类型观测系统分析与优选

我们选择正交、斜交、砖墙、奇偶4种观测系统(表1)进行对比分析。根据均匀度U的数学定义，分别计算均匀度的极小值(Umin)、极大值(Umax)、平均值(Uave)、均方根值(Urms)和标准方差(Ugeo)，采用统计方法来定量评价不同类型观测系统的属性。均方根值反映了面元内属性的均匀性，方差大小反映了面元间均匀度的相近性。只有均匀度值越接近于1，相邻面元的均匀度值又比较接近，该观测系统所对应的面元属性才是均匀的。

表2为4种不同类型观测系统均匀度U统计结果。对比来看，正交观测系统均匀度平均值最接近1，标准方差最小，表明正交观测系统均匀度最好。图4为4种类型观测系统均匀度U统计曲线。图5 为4种类型观测系统的炮检距与面元内平均中点个数，从图5可以看出,不同类型观测系统的炮检空间分布特征相近。

4种不同类型观测系统均匀度分析结果表明，正交式观测系统的面元属性的均匀性最好，其次是斜交式和奇偶式观测系统，砖墙式观测系统的面元属性的均匀性最差。

表1 4种不同类型观测系统参数

表2 4种不同类型观测系统均匀度U统计结果

图4 4种不同类型观测系统均匀度U统计曲线(a)和均匀度标准方差(b)

图5 4种不同类型观测系统的炮检距与面元内平均中点个数的关系曲线

4 观测系统参数对采集脚印的影响

在三维地震观测系统参数与采集脚印的关系方面，国内已有很多研究[8-11]。目前应用较多的方法是通过正演计算地震波传播过程中满足Zoeppritz方程组条件的一种近似能量变化权系数，模拟特定观测系统参数下反射波振幅能量变化，利用针对目的层的模拟振幅水平切片来进行采集脚印分析[12]。我们主要通过分析不同参数变化对采集脚印周期的影响，以明确实际生产中三维地震观测系统设计的参数优化方向。

对于同一种观测系统，不同的参数也会引起观测系统属性变化，增强或减弱采集脚印的影响。下面仍以6线9炮束线状正交观测系统为例，分析几个主要参数对采集脚印的影响。

4.1 接收线距的影响

保持炮点距不变，将6线9炮束线状观测系统的接收线距增大到400m，则由(4)式可知，达到一次覆盖的炮点数S为4，达到一次覆盖的检波线数R为2，需要的覆盖次数N为3，而达到3次覆盖所需的检波线数F为6，达到3次覆盖所需的炮数D为12。覆盖次数分布很均匀，但在叠加组合响应图中面元属性呈周期性变化，变化周期为24。由图2可知，常规6线9炮观测系统的采集脚印周期为18。可见，增大接收线距将加大采集脚印的周期。

但是，如果将接收线距减小为200m，则S为2，R为2，N仍为3，而F为6，达到3次覆盖所需的炮数D为6。所形成的观测系统不仅覆盖次数很均匀，而且叠加组合响应图中面元属性的变化周期减小为12。因此，减小接收线距可以减小采集脚印的周期，减弱采集脚印的影响(图6)。

图6 6线9炮束线状观测系统减小接收线距后的叠加响应分析结果

4.2 炮点距的影响

保持接收线距不变，同时将6线9炮束线状正交观测系统的炮点距增大到200m，则S为3，R为4，N仍为3，而F为12，采集脚印周期为36，达到了常规6线9炮观测系统采集脚印周期的两倍，炮点距增大后的观测系统不均匀性更加明显。因此，炮点距增大将加大采集脚印周期。如果将炮点距减小到50m，则S为6，R为2，N仍为3，而F为6，覆盖次数分布非常均匀。但在叠加组合响应图中面元属性成周期性变化，变化周期仍是36。所以，减小炮点距不能减小采集脚印周期。

4.3 束线距的影响

6线9炮正交观测系统束线移动距离为900m，重复3个排列。如果减小束线移动距离，即在保持其它参数不变的情况下改变为6线3炮观测系统，则其第1个面元与第6个面元相同，所以面元属性变化周期是6，比6线9炮时采集脚印周期缩短了。因此，减小束线滚动距离也是减弱采集脚印影响的方法。

5 实际应用效果

在胜利油田B12区块三维地震采集观测系统设计中，设计了20L15S和32L40S两种观测系统，采用本文方法优选了20L15S的正交观测系统，取得了较好的勘探效果。表3是两种观测系统均匀度U统计结果，对比可见，方案20L15S的均匀性更好。图7是两种观测系统炮检距与面元内平均中点个数对比结果，可见主要目的层1000～3500m范围内，方案20L15S炮检距与面元内平均中点分布更加均匀。两种方案20L15S与32L40S相比，束线距由1000m优化为750m，接收线距由200m优化为150m。图8是两种观测系统采集主要目的层1000～3500m观测系统属性采集痕迹分析对比结果，可见方案20L15S采集痕迹更小。图9是新、老剖面的对比结果，可以看出，通过优化观测系统设计，采用20L15S正交观测系统采集资料的品质明显提高，低序级小断层成像效果良好，小断层组合可以准确刻画，分辨率明显提高。

表3 20L15S和32L40S观测系统均匀度U统计结果

图7 20L15S(a)和32L40S(b)观测系统的炮检距与面元内平均中点个数对比

图8 20L15S(a)和32L40S(b)观测系统对1000～3500m主要目的层的采集痕迹对比

图9 老剖面(a)和新剖面(b)上断层成像效果对比

6 几点认识

总结不同观测系统类型、不同观测系统参数与观测系统属性关系的分析结果，取得以下认识：

1) 束线状观测系统由于横向炮点距、束线距和纵向炮线距的存在，观测系统属性存在不均匀性，这种差异性呈现一定的周期性变化；

2) 不同观测系统类型是影响属性不均匀性的主要原因，正交式观测系统的面元属性的均匀性最好，其次是斜交式和奇偶式观测系统，砖墙式观测系统的面元属性的均匀性最差；

3) 观测系统参数的变化也能引起属性差异，减小接收线距、减小炮线距、减小束线距可以削弱观测系统的采集脚印。

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