基于可控震源高效采集的單炮智能化評價方法的研究與應(yīng)用

余飛君，畢廣明，曹曉輝，于文杰，聶明濤，李金剛

中國石油集團(tuán) 東方地球物理勘探有限責(zé)任公司（河北 涿州 072750）

0 引言

自19 世紀(jì)50 年代，前蘇聯(lián)及美國Conoco 石油公司首次將可控震源技術(shù)應(yīng)用于地震勘探[1]，可控震源逐漸變?yōu)橹饕ぐl(fā)源。隨著地震采集儀器系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，計(jì)算機(jī)性能大幅提升，地震勘探邁入“兩寬一高”（寬方位、寬頻帶和高密度）的地震數(shù)據(jù)采集時代[2]。

可控震源采集技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)交替掃描、常規(guī)滑動掃描技術(shù)、距離分離同步激發(fā)技術(shù)、動態(tài)滑動掃描技術(shù)[3]、獨(dú)立同步滑動掃描技術(shù)到超高效混疊采集技術(shù)。

這些通過壓縮相鄰兩炮的距離間隔或者時間間隔來實(shí)現(xiàn)提高采集效率的方法，在充足排列道數(shù)的支持下，極大地提高了生產(chǎn)效率，在中東和北非等大型陸上采集項(xiàng)目中得到迅速推廣，并大幅提升采集生產(chǎn)日效，如阿曼PDO 項(xiàng)目最高日效達(dá)2 萬炮以上[4]。

近年來，針對如何加強(qiáng)可控震源現(xiàn)場質(zhì)控的實(shí)時性、便捷性與表象性（圖形與聲音提示等），進(jìn)行了一定的研究與應(yīng)用，例如東方地球物理公司研發(fā)的數(shù)字化地震隊(duì)系統(tǒng)（數(shù)字化導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)字化地震隊(duì)指揮系統(tǒng)），采用4G網(wǎng)絡(luò)搭載DSC指揮中心，將震源軌跡、震源QC 屬性數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回DSC，對可控震源的QC參數(shù)進(jìn)行實(shí)時質(zhì)控[5]，在提高野外現(xiàn)場質(zhì)控效率的同時，某種程度上減輕了在后續(xù)室內(nèi)單炮質(zhì)控和評價的工作量。

由于目前野外地震資料采集的操作依然離不開人的操作，因此如何有效、及時地快速質(zhì)控與評價海量的地震數(shù)據(jù)信息，對室內(nèi)質(zhì)量監(jiān)控方法的有效性和適應(yīng)性提出了更高要求。

基于中東地區(qū)阿聯(lián)酋2019 年采集的兩塊三維高效采集項(xiàng)目，探索出相應(yīng)的質(zhì)量控制方法，制定合理的質(zhì)控流程，較好地滿足了上述高效采集給室內(nèi)質(zhì)量控制方法提出的要求。

1 質(zhì)控方法研究

1.1 問題的提出

全球物探市場競爭不均衡，為了應(yīng)對行業(yè)低谷，降低物探項(xiàng)目運(yùn)作成本，各大物探公司紛紛以低成本發(fā)展為目標(biāo)，項(xiàng)目投標(biāo)與運(yùn)作都著重于設(shè)備投入、施工組織和采集效率之間的研究。當(dāng)提高采集設(shè)備使用率作為控制成本的要素之一時，面臨高效采集和緊湊施工組織，室內(nèi)質(zhì)控要解決的第一個問題則是：如何快速有效的評價單炮。

以阿聯(lián)酋某三維地震資料采集項(xiàng)目為例，野外采用Sercel 428XL儀器錄制系統(tǒng)，日產(chǎn)高達(dá)9 000多炮，室內(nèi)評價有效震次如果完全依托于地震資料處理軟件系統(tǒng)來目視化評價，相對日益緊湊的施工組織要求，愈發(fā)顯得滯后。在該國家另一某無線節(jié)點(diǎn)和DSSS融合的高效采集項(xiàng)目中，由于相對有線采集系統(tǒng)無線節(jié)點(diǎn)資料無法在采集當(dāng)天通過處理軟件檢查質(zhì)控單炮記錄，這一問題尤為凸顯。

在上述采集項(xiàng)目過程中，甲方要求無法返回震源坐標(biāo)和質(zhì)控參數(shù)信息的震次一律為廢炮，并要求重新采集。該要求的合理性與正確性存在疑問，如野外無線電臺設(shè)備的偶爾通訊不暢等也會導(dǎo)致該現(xiàn)象產(chǎn)生。

因此，如何制定一套合理的有效震次評價流程，并快速有效地實(shí)施該流程，是保障緊湊、高效施工的一項(xiàng)必要措施。

1.2 質(zhì)控流程

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過結(jié)合震源屬性數(shù)據(jù)（Vaps）以及震源DSD箱體資料的交叉對比，是制定評價可控震源有效震次的有效方式之一。而某種程度的“智能化評價”，即通過特征參數(shù)（震源QC 數(shù)據(jù)、坐標(biāo)、掃描時長等），自動評判被誤判的潛在有效震次并提取相應(yīng)震源編號與日期等，從海量的DSD數(shù)據(jù)文件中自適應(yīng)檢索該震源當(dāng)日的有效數(shù)據(jù)（盡量減小參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)體），并完成相應(yīng)的計(jì)算和自動更新有效震次數(shù)據(jù)庫，是實(shí)現(xiàn)單炮評價自動化、有效性和完整性的重要手段。

通過多方對比和驗(yàn)證，結(jié)合阿聯(lián)酋地震資料采集項(xiàng)目的施工特點(diǎn)，制定可控震源掃描震次的評價與質(zhì)控流程如下。

1）檢查儀器板報，檢查試驗(yàn)等非有效生產(chǎn)大炮的震次記錄。

2）檢查篩選儀器Vaps記錄數(shù)據(jù)，剔除無效震次。

3）檢查震源箱體DSD施工記錄數(shù)據(jù)，剔除無效震次。

4）再次檢查無震源狀態(tài)參數(shù)返回的掃描震次，篩選對比相應(yīng)DSD記錄，檢查該掃描震次參數(shù)通過計(jì)算恢復(fù)的可能性。

5）針對上述篩選出的有效震次，檢查是否滿足甲方制定的TD規(guī)則，如圖1所示。基于時空分布特征，所允許震源施工的約束條件，比如當(dāng)任意兩臺震源距離大于6 000 m時，可以允許同時采集，該距離為最小同時激發(fā)距離D；當(dāng)相鄰兩組震源距離d等于0時（實(shí)際為大于0的極小值，如相鄰炮點(diǎn)或炮線處分布的兩組震源），當(dāng)A 震源震動還沒有結(jié)束時，B震源就可以開始震動，A、B震源掃描啟動的最小時間差為滑動時間T(例如某項(xiàng)目通過試驗(yàn)定為10 s)；當(dāng)任意相鄰兩組震源的間距d大于0但小于D（6 000 m）時，以動態(tài)的滑動時間t進(jìn)行滑動掃描，t的計(jì)算公式為

式中：T 為正常滑動時間間隔，s；d 為相鄰兩組震源的間距，m；D為最小同時激發(fā)距離6 000 m。

6）生成并檢查有效震次和空炮點(diǎn)報告。

1.3 GPGGA信息計(jì)算

對于無震源狀態(tài)參數(shù)返回的震次，通過掃描、對比DSD箱體施工記錄，提取GPGGA 字段信息，計(jì)算和恢復(fù)其重要的施工參數(shù)（實(shí)時坐標(biāo)和TB 時間等），其中坐標(biāo)用于后續(xù)地震采集資料質(zhì)控與處理，TB 時間則作為同步刻度用來從連續(xù)采集的數(shù)據(jù)體資料中切分出相應(yīng)的單炮記錄。

圖1 TD規(guī)則示意圖

GPGGA是一幀GPS定位的主要數(shù)據(jù)，也是NMEA（National Marine Electronics Association）定義格式中使用最廣的數(shù)據(jù)之一，其字段信息見表1。

表1 GPGGA字段說明

圖2 Vaps和DSD資料匹配搜索

針對因沒有震源狀態(tài)參數(shù)返回的無效震次（圖2），搜索匹配震源DSD 箱體施工記錄，當(dāng)確認(rèn)掃描長度、掃描過程記錄完整時，主要恢復(fù)TB時間、坐標(biāo)和高程等參數(shù)。

當(dāng)匹配Vaps資料和DSD數(shù)據(jù)時，由于某炮點(diǎn)可能有多個震次，完全靠炮點(diǎn)線號和點(diǎn)號匹配查找會出現(xiàn)匹配錯誤，因此按微秒級的TB時間作為匹配關(guān)鍵字。TB時間指的是GPS原子時，即以1980年1月6日0點(diǎn)為基準(zhǔn)（此時與世界協(xié)調(diào)時刻相一致），以后按原子時的秒長來累計(jì)時間，其與UTC時間之差為秒的整倍數(shù)。以原子時為基準(zhǔn)，當(dāng)UTC時間與之誤差每相差一秒時進(jìn)行UTC 時間的校準(zhǔn)，即跳閏秒（UTC時間+1秒或-1秒）。

關(guān)于TB 時間的轉(zhuǎn)換計(jì)算，指將從GPGGA 字段中提取的UTC 時間轉(zhuǎn)換計(jì)算為GPS 原子時。其計(jì)算公式為：

式中：TC為GPGGA中提取的UTC時間；TS為1980年1月6日零點(diǎn)；TL為當(dāng)前閏秒（+18秒）；A為1 000 000，即將結(jié)果轉(zhuǎn)為微秒。

關(guān)于坐標(biāo)的計(jì)算，則是將GPGGA 字段中的經(jīng)緯度數(shù)值，轉(zhuǎn)換計(jì)算到阿聯(lián)酋項(xiàng)目指定的UTM 北39 度帶（橢球基準(zhǔn)面為WGS84）。通過對比Sercel 428XL系統(tǒng)Vaps中的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換算法的精度誤差為0.065 m（圖3），符合甲方要求。

利用掃描DSD箱體記錄，檢查各震次記錄數(shù)據(jù)的完整性和有效性，搜索出被“誤判”為無效的掃描震次。通過提取其震源編號和日期，利用正則表達(dá)式自動搜尋匹配當(dāng)日該震源的數(shù)據(jù)樣本，并提取和計(jì)算GPGGA 恢復(fù)必要震源施工參數(shù)，將其恢復(fù)為有效震次記錄。

2 應(yīng)用效果

通過編寫相應(yīng)軟件，按上述流程模擬評價單炮流程，實(shí)現(xiàn)了海量單炮數(shù)據(jù)智能化評價的自動和快速實(shí)施。以阿聯(lián)酋某節(jié)點(diǎn)地震資料采集項(xiàng)目（可控震源動態(tài)滑動掃描）應(yīng)用效果為例，5 min 內(nèi)可以完成10 000炮的震次初步評價與篩選，并快速生成有效震次和空炮點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)報告（圖4）和相應(yīng)震源施工狀態(tài)參數(shù)的質(zhì)控圖件（圖5）。

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算誤差精度統(tǒng)計(jì)圖

統(tǒng)計(jì)兩個可控震源高效采集項(xiàng)目的應(yīng)用效果見表2。從表2可知，該智能化評價方法的應(yīng)用效果切實(shí)有效，并得到了甲方的認(rèn)可。

表4 額效震次和空點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

圖5 某項(xiàng)目TD規(guī)則檢查和震源屬性QC分析圖

表2 智能化評價法效果統(tǒng)計(jì)對比表

3 結(jié)語

通過實(shí)際運(yùn)作項(xiàng)目中單炮評價與監(jiān)控方法的探索和實(shí)踐，基于TD規(guī)則、有效震次評價及震源QC數(shù)據(jù)恢復(fù)，探索出一套行之有效的單炮智能化評價方法，對類似地震資料高效采集項(xiàng)目進(jìn)行快速而有效的單炮評價有較好的參考作用。隨著數(shù)據(jù)挖掘與分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等在地震資料采集與監(jiān)控等各方面應(yīng)用研究的不斷發(fā)展，將極大地提高相關(guān)工作的智能化與高效性。