基于成本分析的高密度勘探观测系统优化设计与评价

杨丽莹, 许海州, 王豆豆

(1.中国石油化工股份有限公司 石油物探技术研究院，南京 211103；2.四川第四纪能源科技有限公司,成都 610000)

0 引言

随着油气勘探开发逐渐向精细、深层和特殊岩性体方向发展，油气开发人员对地震资料的处理效果和成像质量也有了更高的要求。为了在储层预测、油藏描述和岩性分布中表现出更高的信噪比和分辨率，作为地震勘探的第一步，地震资料采集显得尤为重要。其中，高密度采集对地质构造复杂地区的精细勘探问题有明显帮助。高密度观测系统在多个实际工区的应用表明，经高密度观测系统采集的资料较老成果在信噪比和分辨率上有明显提高。显然优秀的观测系统会得到更高品质数据，同时我们不得不考虑采集成本的问题，因此，最优性价比的观测系统设计是重中之重。

观测系统的质量评价分析以及观测系统经济性的评价分析,对于深层勘探有着举足轻重的作用。王超越等[1]认为在高密度地震观测系统设计中，炮检距均匀性也是评价观测系统的重要指标之一，均匀的炮检距有利于减少噪音干扰，帮助接收中、深层反射波。除此之外，宋红玲[2]认为勘探成本也是一个需要解决的问题，勘探成本与观测系统的各种参数选取有着直接的关系(如覆盖次数、排列线道数、炮间距、道间距和最大炮检距等);赵虎等[3]也经过研究实践论证出观测系统的设计好坏是决定采集数据质量的关键因素，其受多个属性参数综合作用，衡量的标准可以用观测系统综合质量因子C来判断,综合质量因子值越大，表示观测系统质量越好;徐峰等[4]认为观测系统中的炮检距、接收线数和炮密度也对实际勘探地震资料采集质量有重要意义;王书文等[5]首次提出观测系统受综合质量因子影响的同时，也影响着地震资料的成像质量(回采工作面地震CT成像质量)，单位面积的覆盖率与地震资料的成像质量成正比。

随着勘探深度和难度地增大，观测系统的设计与性价比有了越来越严格的要求，观测系统设计也在实用化地震勘探中处于重中之重。诸如李万万[6]提出的基于波动方程正演的地震观测系统设计、李忠熊等[7]提出的高密度高覆盖宽线采集技术、张友焱等[8]提出的利用高精度遥感信息辅助设计检波器点位。相信对于未来的观测系统设计，是一个从二维到三维，从高成本到低成本，从二维评价开发到三维评价开发的过程。

1 方法原理

本次研究主要集中在总成本(每平方公里)的对比分析从而确定不同地质条件下的适合的最优观测系统

本次研究主要是在已知道间距Δx、炮点距Δy、输入纵向和横向覆盖次数fx和fy、接收线数R、接收线距dR以及炮线距ds五个等参数，来确定一个三维观测系统并得到相关参数(如总的接收线数、每条接收线道数、总覆盖次数和工区单位面积炮点数等参数)。得到三维观测系统相关参数后，结合所给的与成本有关参数(如勘探许可成本CPER，每道测量成本CSSV等)，计算出该观测系统的各项成本及总成本。

赵虎等[9]提出三维观测系统的成本可分成多项小成本：前期准备成本、野外施工成本和现场处理成本。其中前期准备成本包括勘探许可成本、钻井成本、测量成本以及清理成本。野外施工成本包括仪器成本和地震队日常施工成本。

在设计三维观测系统过程中，给定道间距Δx和炮点距Δy，将纵向和横向覆盖次数fx和fy，接收线数R，接收线距dR以及炮线距ds五个参数作为变量。根据以上几个变量，代入表1中的计算公式可以得到观测系统的其他参数(表1)。在得到一个观测系统的各种参数之后，结合所给的与各项成本有关的参数(表2),可以计算出该观测系统的各项成本与总成本,如表3所示。总成本为表3中各项成本的总和。即从表3中的勘探许可成本一直累加到处理成本。据以上参数及公式，可以计算出观测系统的各项参数，将所给参数作为输入变量，各项细分成本和总成本作为输出变量，计算出所设计三维观测系统的细分成本以及总成本。总结规律，为不同地质条件的勘探确定最优观测系统的设计方案。

表1 参数计算公式

表2 成本参数

表3 成本计算公式

根据参考文献[3]对综合质量因子的分析阐述，该参数可尽最大可能综合观测系统的各项重要参数的特点，从宏观角度对观测系统的优劣进行分析。综合质量因子C计算公式如式(1)。

(1)

式中:NMaxFold为满覆盖次数(最大覆盖次数)；NReFold为参考覆盖次数，为一常数;ΔNMaxFold为满覆盖次数区域中最大与最小覆盖次数的差值；ηMaxOffsetCor为炮检距非均匀性系数与参考非均匀系数的比值；ΔηMaxOffsetCor为满覆盖次数区域中最大和最小ηMaxOffsetCor的差值；γMaxOcc为最大所占比例，即为有色区域与整个区域的比值的最大值；ΔγMaxOcc为最大和最小γMaxOcc的差值；K为常数，为了调节综合质量因子C。式(1)用NMaxFold和NReFold两个主要参数实现了对观测系统的分析与评价,且综合质量C越大，一定程度上说明了观测系统越好[3]。综合质量因子较为全面和详细的评价了观测系统，对于设计改进地震观测系统有很好地帮助。

2 实际工区应用

2.1 不同接收线距的观测系统性价比评价

在同一地震勘探区域设计了五套观测系统，这五套观测系统总体相近，但是接收线距不同，接收线距最小为100 m，间隔为50 m逐步递增。其中，观测系统的其他关键参数相同，例如：接收线数为36线，单线接收道数为420道，炮线距为150 m，道间距为25 m，炮点距为50 m，覆盖次数630次。最后得到五套观测系统的总成本见表4。

表4 不同接收线距观测系统的总成本

分别对这五套观测系统的总成本变化成图进行分析。建立接收线距和总成本之间的关系,如图1所示。

图1 总成本随接收线距变化规律图

从计算结果可以看出，保持其他参数不变，随着接收线距增加，观测系统的总成本减小；同时，图1更加清晰直观地反映了总成本与接收线距的关系。据此，可以初步得出观测系统的总花费随着接收线距的增大而减小。需要注意的是，从图1中我们看出总成本随接收线距的变化并非一条规则直线，而是一条不规则变化的曲线，也就是说总成本与接收线距的变化并非简单反比关系。

将总成本随观测系统接收线距的变化和综合质量因子随观测系统接收线距的变化进行统一成图(图2)。

图2 总成本和综合质量因子图

因此可以得出结论：在同一工区进行地震勘探时，对于观测系统的设计选择，应该选择成本与质量都能满足的观测系统。在这里，优先选择接收线距为250 m的观测系统。

2.2 不同接收线数的观测系统性价比评价

在同一地震勘探区域设计了五套观测系统，这五套观测系统总体相近，但是接收线数不同。这五套观测系统的接收线数以32线为首项，每次增加2条线。其中，观测系统的其他关键参数相同，例如：接收线距为150 m，单线接收道数为420道，炮线距为150 m，道间距为25 m，炮点距为50 m。最后得到五套观测系统的总成本如表5所示。

分别对这五套观测系统的总成本变化变化成图进行分析,将接收线数作为自变量，总成本作为因变量成图见图3。

从计算结果(表5)可以看出，保持其他参数不变，随着接收线数增加，观测系统的总成本增大；同时如图3所示，更加清晰直观地反映了总成本随着接收线数变化的趋势。据此，可以初步得出观测系统的总花费随着接收线数的增大而增大。需要注意的是，从图3可以看出总成本随接收线数的变化近似于一条规则的直线，而非曲线或者折线，这是因为自变量接收线数的变化是按照等差数列的形式来变化的，因此，总成本与接收线数的变化成正比关系。

表5 不同接收线数观测系统的总成本

图3 总成本随接收线数变化规律图

从图4可知，随着观测系统的接收线数增大，总成本渐渐变高，综合质量因子渐渐变大；成本变高增加了勘探成本，综合质量因子变大提升了观测系统的质量。观测系统的接收线数增大导致的总成本变化和综合质量因子的变化相同，前者不利于野外地震勘探成本节省原则，而后者有利于地震勘探工作。这就需要根据具体工区的地质条件和要求的勘探成像精度与质量因地制宜。

图4 总成本和综合质量因子图

2.3 不同炮线距的观测系统性价比评价

在同一地震勘探区域设计了五套观测系统，参数一致，但是炮线距不同。五套观测系统的炮线距以100 m为首项，变化间隔为50 m。其中，观测系统的其他关键参数相同(接收线距为150 m，单线接收道数为420道，接收线数36线，道间距为25 m，炮点距为50 m)。最后得到五套观测系统的总成本如表6所示。

表6 不同炮线距观测系统的总成本

这五套观测系统的总成本变化成图进行分析,将炮线距作为自变量，总成本作为因变量成图(图5)。

图5 总成本随炮线距变化规律图

从计算结果表6可以看出，保持其他参数不变，随着炮线距增加，观测系统的总成本减小；同时图5更加清晰直观地反映了总成本随着炮线距的变化趋势。据此，可以初步得出观测系统的总花费随着炮线距的增大而减小。从图5中看出，总成本随接收线距的变化不是一条规则的直线，而是一条不规则变化的曲线。

从图6可知，随着观测系统的炮线距增大，总成本渐渐降低，综合质量因子渐渐变小；虽然总成本变低减少了勘探成本，但是同时综合质量因子降低也导致了观测系统的质量的降低。观测系统的炮线距增大导致的总成本变化和综合质量因子的变化相同，前者有利于野外地震勘探成本节省原则，而后者不利于地震勘探工作，影响后期室内数据处理工作的质量、精确度和分辨率。这就需要根据具体工区的地质条件和要求的勘探成像精度与质量因地制宜。

图6 总成本和综合质量因子图

据此，在设计选择观测系统的时候，其他参数不变的情况下，不影响成像质量和地震资料分辨率的前提下，可以优先选择炮线距较大的观测系统，以此来控制地震勘探过程中野外数据资料采集的总成本。

2.4 不同接收道数的观测系统性价比评价

在同一地震勘探区域设计了十套观测系统，十套观测系统参数一致，但是接收道数不同。单线接收道数以396道为首项，变化间隔为24道。其中，观测系统的其他关键参数相同(接收线距为150 m，炮线距为150 m，接收线数36线，道间距为25 m，炮点距为50 m)。

将接收道数作为自变量，总成本作为因变量成图(图7)。从计算结果(表7)可以看出，保持其他参数不变，随着接收道数增加，观测系统的总成本在变大；同时由图7更加清晰直观地反映了总成本随着接收道数变化的趋势。据此，可以初步得出观测系统的总花费随着接收道数的增大而增大。

图7 总成本随接收道数变化规律图

表7 不同接收道数观测系统的总成本

从图8可知，随着观测系统的接收道数增大，总成本渐渐变高，综合质量因子渐渐变大；成本变高增加了勘探成本，综合质量因子变大提升了观测系统的质量。因此，在设计选择观测系统的时候，其他参数不变的情况下，不影响成像质量和地震资料分辨率的前提下，可以优先选择接收道数较小的观测系统，以此来控制地震勘探过程中野外数据资料采集的总成本。

图8 总成本和综合质量因子图

3 结论与展望

通过本次研究可得观测系统的四个主要参数能够计算出观测系统的最后的总成本。其他条件不变时，增大炮线距、接收线距，观测系统的总花费降低；增大接收道数、接收线数，观测系统的总成本升高。当其他条件不变时，增大接收线距、接收线数、接收道数的时候，观测系统的综合质量因子增大；增大炮线距的时候，观测系统的综合质量因子减小。因此可以通过建立数学模型的方式，利用观测系统的主要参数计算出观测系统最后的总成本和综合质量因子，能够科学有效地对观测系统进行性价比评价分析，从而达到选取深层勘探最优性价比观测系统的目的，该方法可用于实际生产。

在今后设计观测系统时，可以设计出多套参数不同的观测系统，这些参数都能够满足地质任务需求，在选取时，可以利用高密度勘探最优性价比观测系统评价分析的方法，对每一套观测系统参数进行计算，得到各个观测系统的总成本与综合质量因子，然后再选取最合适具体地质条件和采集任务的观测系统。