復雜地區炮點偏點優化設計方法討論及應用

伊萬順 徐 海 都小芳 趙 夏 岳震國 黃 衛

（1.中國石油大學CNPC物探重點實驗室，北京102249；2.中國地質大學 能源學院，北京100004；3.東方地球物理公司，河北 涿州072751）

傳統意義上的復雜地區三維地震資料采集的炮點偏移設計，通常是通過手工進行偏點的偏移，僅適合低復雜度與偏點數量較小的情況，效率低下而且準確度低［1，2］。近年來隨著油氣勘探進一步深入，極復雜地區（如城區、海陸過渡帶等）成為勘探的熱點，手工炮點的偏移設計遠不能滿足生產的需要，如某些工業區與城區內的線束，其偏點（偏移的炮點）數量一般占理論炮點的30%～50%，采用人工方法進行偏移設計相當困難。第一，影響設計與施工效率，增加野外施工的成本，不能保證偏點炮的有效性；第二，不能保證有效炮數量的最大化以及覆蓋次數的最優化；第三，不能保證后期資料提交的準確性［3，4］。本文根據實例，著重研究實現了一種以衛星照片、地形圖、勘察測量數據等地理信息為基礎，進行地震勘探部署設計、現場采集觀測設計的計算機自動優化技術和方法，為評估野外采集方法、降低勘探成本、避免失誤風險、優化地震資料采集觀測效果提供更為科學的分析技術和手段。

1 偏點規則與優化方法

1.1 偏點規則

以國外X地區的海陸過渡帶三維地震勘探項目為例。該項目規模大，陸地部分地表復雜，分布著密集的管線群、高速公路、石油化工廠、污水處理廠、飛機場、居民區等。地震采集存在大量空點（不能放炮的理論設計點），其中，某些線束偏移炮點（以下簡稱為偏點）數量高達50%。針對這種地面條件，如何既保證炮點布設的合理性，又保證炮點的可實施性，最大限度地滿足覆蓋次數均勻與施工效率的要求，是目前野外地震采集中所面臨的最大挑戰。

X區設計規則為：橫向偏移距≤750m，縱向偏移距≤800m；其觀測系統設計為12線24炮，炮線點距100m×50m，檢波線點距200m×50 m，最大偏移距為6km，滿覆蓋為360次。

1.2 偏點方法與優化分析

根據偏點規則，嘗試了以下偏移方法與匹配方法。以炮線為參考系定義方向，平行于檢波線方向的炮線稱為炮線的橫向，垂直于檢波線方向的炮線稱為炮線的縱向。

1.2.1 偏移方法與分析

a.先橫后縱的串聯查找（圖1）。平行于檢波線方向的橫向匹配，然后再從垂直于檢波線的炮線方向進行查找；縱向距離取絕對值的最小距離，橫向采用最優距離。

圖1 先橫向后縱向查找Fig.1 Inline－cross line search

b.橫向－橫縱并聯查找（圖2）。橫向查找完畢后，再由橫向與縱向的方向同時查找（藍色框內查找）；縱向距離取絕對值的最小距離，橫向采用最優距離。

c.橫縱的并聯查找（圖3）。即橫向與縱向同時查找，只要滿足偏移條件，就認為匹配的偏點是有效的。

圖2 先橫向再橫縱向查找Fig.2 Inline－inline ＆cross line search

圖3 橫縱向同時查找Fig.3 Inline ＆cross line search

根據以上偏點的查找思路，對這3種查找方法應用實際數據進行了試驗分析（表1），結論如下。

表1 3種匹配方法的對比試驗結果Table 1 The result of the comparison of three methods

第一種與第二種偏移查找方法皆符合地球物理偏點思路，能夠最大化地滿足空點區域CMP疊加剖面的覆蓋次數；但是第一種方法找到的匹配點數要比第二種方法少，原因是僅考慮了各個方向的單向查找。

第三種與前兩種相比，偏點的查找數量最多（與第二種方法相比，實際處理數據多出10～30個點，視具體情況而定），但是縱向偏移的炮點太多，不完全符合地球物理學家的偏點思路。

1.2.2 匹配方法與分析

假設在橫向匹配過程中偏移距離不能超過250m，抽象模型算法與分析如下。

a.最小絕對值法。在橫向匹配過程中，當空點與偏移點之間距離的絕對值最小時，認為此偏點與空點的匹配形式是最佳的（圖4）；但其中僅有3個點能夠匹配，其余2個點已經超過偏移距離250m的限制。最小絕對值的匹配方式：紅色點代表可實施設計點，藍色點代表偏點，紫色點代表空點。

b.最優距離法。在橫向匹配過程中，不以距離最小絕對值為判定標準，而是以怎樣最大化地增加空點區域覆蓋次數為目的的偏點匹配形式（圖5），其中僅有5個點皆能夠匹配，沒有超過偏移距離250m的限制。最優距離匹配方式：紅色點代表可實施設計點，藍色點代表偏點，紫色點代表空點。

圖4 最小絕對值匹配方法示意圖Fig.4 Least absolute value match

圖5 最優距離匹配方法示意圖Fig.5 Optimization distance match

通過模型的理論分析以及實際數據處理后，發現第二種匹配方法最佳（表1），找到匹配點較多，符合地球物理學家的偏點思路。

2 方法組合與實現

通過方法分析，選取了最優距離與橫向－橫縱并聯查找方法組合，進行了編程實現［5－7］。

設SPS炮點文件中設計炮點文件為aij（i＝0，1，2，…，m1；j＝0，1，2，…，n1）；不存在的設計點為bji（i＝0，1，2，…，m2；j＝0，1，2，…，n2），存在的偏點為cji（i＝0，1，2，…，m3；j＝0，1，2，…，n3）。其中bji與cji為經過二分法遞歸排序得到的結果，此時令cji中的j為一重循環，bji中的j為二重循環，實現沿橫向查找偏點所匹配的空點。空點的橫向查找方式以max（abs（cji－bij））為準，橫縱向以 min（abs（cji－bij））距離為準，實現偏點的匹配。

運行發現該方法配合，查找最合理，雖然找到的匹配點沒有橫縱并聯查找的個數多，但這種查找方式更符合地球物理學家面元覆蓋次數均一化的設計思路（圖6）。

3 偏點優化的應用

3.1 偏點優化的應用方法

基于衛星遙感圖片可將其作為踏勘依據，設計不同地形條件下的激發點，組織質控與測量人員提前踏勘，對激發點進行可行性分析，按照計劃去核實炮點的可實施性，對不合適的炮點還需要二次偏移。在商業區、居住區及城鎮等大面積復雜障礙區，要根據觀測系統的特點以及地形地物特點，通過模擬分析，在施工前需提前確定偏移炮點的分布（如偏移方向與偏移距離等），通過室內與野外密切結合，實時地使室內與野外設計達到最優化。

圖6 偏點優化流程Fig.6 Offset shot optimization flow

3.2 偏點優化的應用效果

以橫跨城區與工業區的某線束為例，其地表分布著密集的管線群、高速公路、石油化工廠、污水處理廠、居民區，地表情況極其復雜（圖7）。為滿足目標區各目的層覆蓋次數以及最大限度地降低空炮率，需要布設大量的偏移炮點。該線理論施工（假定地表地形規則，沒有障礙物）設計炮點4 723炮（圖8）。現場地球物理專家根據地表地形條件實際設計了5 306炮點（圖9），在非優化條件下，比理論多設計了583炮（5 306－4 723＝583）。若按此方案激發，在考慮覆蓋次數均勻的情況下，不但不能保證偏點的有效性，而且還會產生大量的無效炮，影響施工效率，增加施工成本。

據實際設計，在城區與工業區的無障礙物處可施工的設計點（正點）應為2 839個（圖10中粉紅色炮點），障礙物處的空點和對應有效偏點應為1 884個（圖10中藍色炮點）。

圖7 工區地面衛星圖Fig.7 High resolution satellite photo

據偏移規則，借助偏移優化算法的自動匹配，對踏勘設計炮點進行優化處理與分析后得到如下結果：在踏勘初始設計方案中有89個空點（圖11中藍色炮點）不能在所有可利用的設計偏點中找到其對應的偏移炮點，672個設計偏移點找不到與其對應的障礙物空點（圖11中粉紅色炮點）；經優化處理后被廢除，最終優化處理后的有效偏移炮點個數為1 795個（表2，表3）。

圖8 理論設計炮點分布圖Fig.8 Theoretical designed shot points distribution

圖9 踏勘初始設計炮點分布圖Fig.9 The scouting designed shot points distribution

圖10 優化后實際炮點分布圖Fig.10 The shot points distribution after optimizing正點：粉紅色點；空點：藍色點

圖11 廢棄偏點與不匹配空點分布圖Fig.11 Distribution of the abandoned offset shot and unmatched points

表2 理論點、偏點、正點、空點的關系Table 2 The relation between theoretical，offset，enforceable theoretical and skipped points

表3 設計點、正點、偏點、空點統計關系Table 3 The Statistical relation between theoretical，offset，enforceable theoretical and skipped points

4 結論和認識

通過對偏點優化設計方法的討論以及國外X復雜過渡帶三維地震勘探項目炮點施工設計的應用，得到以下結論。

a.在匹配數量以及設計觀念上，經過試驗分析可知，基于橫－橫縱向查找，并以橫向最優距離、縱向最小距離的匹配方法是最優化的。

b.通過偏點優化程序對復雜區施工方案進行反復設計、不斷優化，最大限度地提高了覆蓋次數。

c.將數量巨大的偏點設計從手工設計中解放出來，設計人員可隨意盡可能多地布設可以放炮的偏點，不需考慮偏移規則，處理后的多余偏點可通過程序自動剔除，提高了質控人員偏點設計的工作效率。

d.降低了因不合理偏移點而產生的無效炮數，節約了成本，提高了野外作業的工作效率。

e.解決了偏點與空點的相互匹配問題，降低了資料整理人員的工作量，提高了工作效率。

［1］鄔倫，劉瑜，張晶，等.地理信息系統——原理、方法和應用［M］.北京：科學出版社，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］易遠元，雷鳴，安俊.基于地理信息的三維地震資料采集設計［J］.科技經濟市場，2009（10）：29－32.

［5］莊道川，曾慶才，張亞斌，等.超大偏移距地震資料處理方法［J］.西南石油學院學報，2003，25（2）：11－14.

［6］盧開澄.單目標、多目標與整數規劃［M］.北京：清華大學出版社，1997.

［7］袁亞湘，孫文瑜.最優化理論與方法［M］.北京：科學出版社，1997.