三维地震采集施工模板优化布设方法的探讨

胡 峰，李 彪，陈江力，刘攀登，陈燕雄，耿 春

(东方地球物理勘探公司 西南物探分公司，成都 610213)

0 引言

近年来，油气勘探目标向复杂油气藏转变，地震勘探高密度、高精度采集技术逐步成规模化应用[1-3]，在获取高品质地震资料的同时，三维观测占用设备越来越多，野外采集施工效率、成本、季节工用工及现场施工管理等问题日益突出。地震采集具有大兵团、广分布、小单元、细分工的施工特点，实践证明，在人员、装备有限的条件下，施工模板推演是实现高效采集的核心和关键[4-5]，因此，提前策划、科学推演的施工模板布设方案设计，在整个三维地震高效采集施工中尤为重要，直接决定后续采集施工的效率和成本问题。

通常，在三维地震资料采集观测系统参数确定后，地震资料采集施工方会根据设备投入量采用经验类比法估算每日采集炮次，确定施工组织方案。这种方法依赖设计人员的经验，缺乏稳定性、组织的高效性和成本的优化，并且需要花费更多的时间来模拟、分析、对比几种排列布设方式和设备投入量，降低了工作效率，增加了工作量。

目前我国的地球物理工作者针对勘探目标需求，对观测系统属性参数分析方面进行了大量卓有成效的研究工作[6-7]，但基于三维观测系统属性约束和设备约束条件下的野外排列滚动模板优化设计方面的研究较少[8-9]。因此，有必要探索研究三维地震采集施工模板优化布设方法的配套技术，以达到采集资源最大化应用和提高工程效率的目的。

1 施工模板优化布设方法推导

施工模板是三维地震每日采集炮次所需要的排列片，施工模板一旦确定，整个工区或整大束线(多束组合),将会按照模板炮检布设进行滚动采集，直接决定日效和工期，因此施工模板布设是否高效，在整个采集作业方案的推演中至关重要。通常采用炮道比值来衡量采集效率，即日采集炮次与所需布设排列道数的比值，炮道比越大采收率越高，说明了用尽可能少的装备，采集尽可能多的炮[10]。

设定正交观测系统顺测线方向为inline方向，顺炮线方向为crossline方向，观测系统单元模版为：Lu=X×R，在单元模板基础上，由工区设备投入总量，可得日采集用施工模板为式(1)。

Lc=(X+SLI/Δx×m)×(R+n)

(1)

其中：X为单元模板接收道数；SLI为激发线距；Δx为道距；m为单元模板外inline方向增加炮线数；R为单元模板接收线数；n为单元模板外crossline方向增加接收线数。

由此可知：设计一个高效、合理的施工布设模板，主要取决于两个关键参数m、n，不同m、n的组合形成了双向同时布设、crossline单向布设和inline单向布设三种布设方式(图1)。

图1 三种施工模板布设方式示意图

以22L8S440R正交三维观测系统模板(表1)为例，探讨在投入设备总量(约18 000道)不变的情况下，设计施工模板布设方式如下。

表1 观测系统参数表

1.1 列举法推演

1.1.1 沿inline/crossline单向式排列布设

Inline方向布设排列：单元模板排列块(22线*440道=9 680道)+拓展排列块(22线*380道=8 360 道)=18 040道设备可采集160炮，炮道比为0.009，Crossline/inline的比值为21*400/(819*25)=0.410，成横矩形状，如图2(a)所示；Crossline方向布设排列：单元模块排列块(22线*440道=9 680道)+拓展排列块(19线*440道=8 360道)=18 040道设备可采集160炮，道比为0.009。crossline/inline的比值为40*400/(439*25)=1.458，成纵矩形状，如图2(b)所示。从上述推演可以看出，采用inline/crossline单向排列布设的方式，炮道比相同，横纵比差异较大。

图2 inline方向摆排列和crossline方向摆排列示意图

1.1.2 inline/crossline双向增加式排列布设

inline方向和crossline方向同时逐步增加排列至8L8S时效率最高(表2)，即：(22+8)线*(440+160)道=18 000道设备可采集648炮，炮道比为0.036，crossline/inline的比值为29*400/(599*25)=0.775，此比值与理论单元模板0.765接近，形状同单元模板一致，为类正方形状(图3)。

图3 inline和crossline方向同时增加排列示意图

从表2中的推演结果可以看出，双边递进布设的方式明显优于单向递进布设，且获得规律性认识：布设施工模板越接近理论模板横纵比，炮道比越大。

表2 施工模板推演数据表

1.2 公式法推演

以上述推演为例，假设布设单元模板之后，还可布设n条接收线，且能满足炮线纵向滚动m次，根据施工模板与放炮效率的特征关系推导，日效炮次和设备投入的最优求解可以描述成公式(2)。

(2)

式中：S为采集炮次;E为采集链投入量;m为单元模版外纵向可增加炮线数;n为单元模版外横向可增加接收线数;SLI为炮线距;Xmax为纵向最大偏移距;R为单元模版接收线数;Δx为道距;shots_cell为单元模版炮数。

当观测系统参数确定时，方程剩余四个未知数S、E、m、n，通常给定E(或S)，通过公式变形可求得m、n关系函数，代入公式得到形似y=ax2+bx+c的抛物线函数(图4)，该函数直接反映m(或n)的变化，S(或E)的变化趋势，抛物线的顶点值即为日效炮次最大值或设备投入最小值。利用抛物线求导的方法，通过对S(或E)求导，导数为“0”时，即求得设备投入量最小值或采集日效最大值。

以表1正交三维观测系统为例，代入已知观测系统参数后，公式为式(3)。

(3)

同样投入采集设备18 000道，由式E=(440+20m)×(n+22)，得n=18 000/(440+20m)-22，带入S=(m+1)×(n+1)×8，得S=8×(-21m2+417m+438)/(22+m)，对S求导，得到S'=168×(-m2-44m+416)/(22+m)2，当S'=0，m>0时，m=8、n=8、S=648，该数值为采集日效最大值，结果与列举法相同。

1.3 施工模板优化布设方法

通过列举法和公式法推导证明：当施工施工模板横纵比越接近于单元施工模板横纵比时，我们所得到的炮道比(日效)越高，施工模板布设越优。因此，在设计布设施工模板时，应尽量使布设的排列与理论模板保持一致的横纵比(式(3))，从而在保持投入设备不变的情况下，最大限度的提高采集炮次；或在保持可采集炮次不变的情况下，最大限度的减少设备投入；从而达到最高投入产出比。

(4)

式中：RLI为接收线距。

2 优化布设方法的应用

1)利用施工模板横纵比确定最优施工模板布设方案的方法，对于边框相对规则、地表条件相对较好的三维工区来说，直接套用公式计算即可得到最优方案。

2)针对地表条件相对复杂，受外界因素影响较重的工区，施工方的作业条件和作业能力受客观条件的制约，往往达不到理论最优施工模板布设方案的要求。例如川渝某工区根据投入的设备推算出排列最优布设方案日效为2 000炮，但是由于外界干扰较重，每日的有效采集时间只有8 h，仪器车的峰值作业能力为150炮/h，1 200炮即为每日采集日效的上限，这种情况下理论最优施工布设方案显然是不合适的。在实际应用中，可以采取将m(或n)值列举为一段连续整数，利用公式(1)建立数学函数模型(图5)，通过模型快速反算出不同m、n变化组合形成的施工模板布设方案库，再通过作业条件的约束限制，就可以快速寻优满足作业条件，同时最接近于理论最优的施工模板布设方案，从而达到快速寻优设计、高效组织生产地目的。

3)笔者认为三维地震施工模板优化布设，从数学角度出发就是平面数组排列求最优解的过程，黄金分割法等著名理论定律同样适应于地震采集，通过多个高效施工三维地震采集实例分析认为：实际生产中，可以应用黄金分割原理，复杂工区设计采集日效(或设备投入量)达到理论最优解61.8%的(图5虚线所示区间)，即可认定为高效采集方案。

图5 射洪-盐亭三维日效炮次(设备投入)数学函数模型

4)利用式(1)可以直接求取极值的特性，为生产组织决策者构建生产计划和资源投入提供技术支撑，对于施工方和管理方而言：①对施工方，在确定装备投入的条件下，为合理测算实际效率提供目标参考数据,

(Sk1…Skn为工区类别、气候、交通、障碍、人员等因素影响而减少的炮次);②对管理方，根据日效目标，为合理配置装备资源提供底线参考数据,

(Ek1…Ekn为因装备损耗、工区季气候、协调等因素影响而增加的设备)。

3 应用实例

四川盆地BD三维为10 472炮的多波勘探项目，观测系统参数见表3，在仅有8 400道三分量检波器能投入使用条件下，甲方要求30 d内完成野外作业。

表3 BD三维观测系统参数表

现场技术人员通过演绎推算，设计出常规施工方案1(图6(a))：单元模板外沿inline方向单线多布设264道，即接收线单线440道布通，沿 crossline方向多布设1条接收线，共布设19条接收线，模版共耗用8 360道，可采集34条*14炮=476炮，施工模板横纵比0.29，炮道比0.06，理论工期22 d。按前面所述施工模板优化布设方法进行计算，在8 400道排列设备情况下，通过式(1)计算，获得理论最优施工模板方案2(图6(b))，m=13，n=12，即施工模版为：沿inline方向单线多布设104道，即接收线单线布设280道，沿 crossline方向多布设12条接收线，共布设30条接收线，模板共耗用8 400道，可采集14条*91炮=1 274炮，施工模板横纵比0.72，炮道比0.15，理论工期12 d。考虑工区属复杂山地地形，综合交通运力、组织协调、人力资源及重复排列搬迁等影响因素，综合寻优调整得出优化施工模板方案3(图6(c))，m=16，n=6，施工模版为：沿inline方向单线多布设128道，即接收线单线布设304道，沿 crossline方向多布设6条接收线，共布设24条接收线，模板共耗用7 296道，可采集17条*49炮=833炮，施工模板横纵比0.53，炮道比0.11，理论工期15 d。该调整模板方案位于理论推演高效采集区间内，各轮炮次相对均匀，且留备1 100道(13%)采集链，在较高日效、短工期的条件下，有效保障了山区持续、稳定施工。

图6 不同施工模板布设方式示意图

表4是三种方案的要素对比，相比常规设计施工模板，方案3提升采集炮次为43%，工期缩短为32%，采集直接成本降低。

表4 不同施工模板要素对比表

4 认识和结论

1)施工模板横纵比越接近理论模板横纵比，炮道比越高，采集设备的投入产出比越高，施工模板布设方案理论越优。

2)施工模板优化布设方法为快速推演"高效率、低投入"的施工组织方案提供了技术支撑，对生产组织决策者构建生产计划和资源投入具有积极意义。

3)该项配套技术方法的应用需结合采集设备特点(节点仪、井炮源驱动等)、外界因素、交通条件及人力资源状况等综合权衡，在理论推演基础上，因时因地适当调整，保证调整方案位于高效采集区间，科学组织施工生产。