基于可控震源高效采集的单炮智能化评价方法的研究与应用

余飞君，毕广明，曹晓辉，于文杰，聂明涛，李金刚

中国石油集团 东方地球物理勘探有限责任公司（河北 涿州 072750）

0 引言

自19 世纪50 年代，前苏联及美国Conoco 石油公司首次将可控震源技术应用于地震勘探[1]，可控震源逐渐变为主要激发源。随着地震采集仪器系统的不断改进，计算机性能大幅提升，地震勘探迈入“两宽一高”（宽方位、宽频带和高密度）的地震数据采集时代[2]。

可控震源采集技术的发展历经交替扫描、常规滑动扫描技术、距离分离同步激发技术、动态滑动扫描技术[3]、独立同步滑动扫描技术到超高效混叠采集技术。

这些通过压缩相邻两炮的距离间隔或者时间间隔来实现提高采集效率的方法，在充足排列道数的支持下，极大地提高了生产效率，在中东和北非等大型陆上采集项目中得到迅速推广，并大幅提升采集生产日效，如阿曼PDO 项目最高日效达2 万炮以上[4]。

近年来，针对如何加强可控震源现场质控的实时性、便捷性与表象性（图形与声音提示等），进行了一定的研究与应用，例如东方地球物理公司研发的数字化地震队系统（数字化导航系统和数字化地震队指挥系统），采用4G网络搭载DSC指挥中心，将震源轨迹、震源QC 属性数据通过无线网络传回DSC，对可控震源的QC参数进行实时质控[5]，在提高野外现场质控效率的同时，某种程度上减轻了在后续室内单炮质控和评价的工作量。

由于目前野外地震资料采集的操作依然离不开人的操作，因此如何有效、及时地快速质控与评价海量的地震数据信息，对室内质量监控方法的有效性和适应性提出了更高要求。

基于中东地区阿联酋2019 年采集的两块三维高效采集项目，探索出相应的质量控制方法，制定合理的质控流程，较好地满足了上述高效采集给室内质量控制方法提出的要求。

1 质控方法研究

1.1 问题的提出

全球物探市场竞争不均衡，为了应对行业低谷，降低物探项目运作成本，各大物探公司纷纷以低成本发展为目标，项目投标与运作都着重于设备投入、施工组织和采集效率之间的研究。当提高采集设备使用率作为控制成本的要素之一时，面临高效采集和紧凑施工组织，室内质控要解决的第一个问题则是：如何快速有效的评价单炮。

以阿联酋某三维地震资料采集项目为例，野外采用Sercel 428XL仪器录制系统，日产高达9 000多炮，室内评价有效震次如果完全依托于地震资料处理软件系统来目视化评价，相对日益紧凑的施工组织要求，愈发显得滞后。在该国家另一某无线节点和DSSS融合的高效采集项目中，由于相对有线采集系统无线节点资料无法在采集当天通过处理软件检查质控单炮记录，这一问题尤为凸显。

在上述采集项目过程中，甲方要求无法返回震源坐标和质控参数信息的震次一律为废炮，并要求重新采集。该要求的合理性与正确性存在疑问，如野外无线电台设备的偶尔通讯不畅等也会导致该现象产生。

因此，如何制定一套合理的有效震次评价流程，并快速有效地实施该流程，是保障紧凑、高效施工的一项必要措施。

1.2 质控流程

经研究发现，通过结合震源属性数据（Vaps）以及震源DSD箱体资料的交叉对比，是制定评价可控震源有效震次的有效方式之一。而某种程度的“智能化评价”，即通过特征参数（震源QC 数据、坐标、扫描时长等），自动评判被误判的潜在有效震次并提取相应震源编号与日期等，从海量的DSD数据文件中自适应检索该震源当日的有效数据（尽量减小参与运算的数据体），并完成相应的计算和自动更新有效震次数据库，是实现单炮评价自动化、有效性和完整性的重要手段。

通过多方对比和验证，结合阿联酋地震资料采集项目的施工特点，制定可控震源扫描震次的评价与质控流程如下。

1）检查仪器板报，检查试验等非有效生产大炮的震次记录。

2）检查筛选仪器Vaps记录数据，剔除无效震次。

3）检查震源箱体DSD施工记录数据，剔除无效震次。

4）再次检查无震源状态参数返回的扫描震次，筛选对比相应DSD记录，检查该扫描震次参数通过计算恢复的可能性。

5）针对上述筛选出的有效震次，检查是否满足甲方制定的TD规则，如图1所示。基于时空分布特征，所允许震源施工的约束条件，比如当任意两台震源距离大于6 000 m时，可以允许同时采集，该距离为最小同时激发距离D；当相邻两组震源距离d等于0时（实际为大于0的极小值，如相邻炮点或炮线处分布的两组震源），当A 震源震动还没有结束时，B震源就可以开始震动，A、B震源扫描启动的最小时间差为滑动时间T(例如某项目通过试验定为10 s)；当任意相邻两组震源的间距d大于0但小于D（6 000 m）时，以动态的滑动时间t进行滑动扫描，t的计算公式为

式中：T 为正常滑动时间间隔，s；d 为相邻两组震源的间距，m；D为最小同时激发距离6 000 m。

6）生成并检查有效震次和空炮点报告。

1.3 GPGGA信息计算

对于无震源状态参数返回的震次，通过扫描、对比DSD箱体施工记录，提取GPGGA 字段信息，计算和恢复其重要的施工参数（实时坐标和TB 时间等），其中坐标用于后续地震采集资料质控与处理，TB 时间则作为同步刻度用来从连续采集的数据体资料中切分出相应的单炮记录。

图1 TD规则示意图

GPGGA是一帧GPS定位的主要数据，也是NMEA（National Marine Electronics Association）定义格式中使用最广的数据之一，其字段信息见表1。

表1 GPGGA字段说明

图2 Vaps和DSD资料匹配搜索

针对因没有震源状态参数返回的无效震次（图2），搜索匹配震源DSD 箱体施工记录，当确认扫描长度、扫描过程记录完整时，主要恢复TB时间、坐标和高程等参数。

当匹配Vaps资料和DSD数据时，由于某炮点可能有多个震次，完全靠炮点线号和点号匹配查找会出现匹配错误，因此按微秒级的TB时间作为匹配关键字。TB时间指的是GPS原子时，即以1980年1月6日0点为基准（此时与世界协调时刻相一致），以后按原子时的秒长来累计时间，其与UTC时间之差为秒的整倍数。以原子时为基准，当UTC时间与之误差每相差一秒时进行UTC 时间的校准，即跳闰秒（UTC时间+1秒或-1秒）。

关于TB 时间的转换计算，指将从GPGGA 字段中提取的UTC 时间转换计算为GPS 原子时。其计算公式为：

式中：TC为GPGGA中提取的UTC时间；TS为1980年1月6日零点；TL为当前闰秒（+18秒）；A为1 000 000，即将结果转为微秒。

关于坐标的计算，则是将GPGGA 字段中的经纬度数值，转换计算到阿联酋项目指定的UTM 北39 度带（椭球基准面为WGS84）。通过对比Sercel 428XL系统Vaps中的坐标，转换算法的精度误差为0.065 m（图3），符合甲方要求。

利用扫描DSD箱体记录，检查各震次记录数据的完整性和有效性，搜索出被“误判”为无效的扫描震次。通过提取其震源编号和日期，利用正则表达式自动搜寻匹配当日该震源的数据样本，并提取和计算GPGGA 恢复必要震源施工参数，将其恢复为有效震次记录。

2 应用效果

通过编写相应软件，按上述流程模拟评价单炮流程，实现了海量单炮数据智能化评价的自动和快速实施。以阿联酋某节点地震资料采集项目（可控震源动态滑动扫描）应用效果为例，5 min 内可以完成10 000炮的震次初步评价与筛选，并快速生成有效震次和空炮点的统计报告（图4）和相应震源施工状态参数的质控图件（图5）。

图3 坐标转换计算误差精度统计图

统计两个可控震源高效采集项目的应用效果见表2。从表2可知，该智能化评价方法的应用效果切实有效，并得到了甲方的认可。

表4 额效震次和空点统计表

图5 某项目TD规则检查和震源属性QC分析图

表2 智能化评价法效果统计对比表

3 结语

通过实际运作项目中单炮评价与监控方法的探索和实践，基于TD规则、有效震次评价及震源QC数据恢复，探索出一套行之有效的单炮智能化评价方法，对类似地震资料高效采集项目进行快速而有效的单炮评价有较好的参考作用。随着数据挖掘与分析、机器学习等在地震资料采集与监控等各方面应用研究的不断发展，将极大地提高相关工作的智能化与高效性。