山地地震采集作業方案設計關鍵參數優選

胡 峰 朱 勇 鄒 軍 萬 平 涂本先

（中國石油集團東方地球物理公司西南物探分公司，四川 成都 610213）

0 引言

近年來，油氣勘探目標向復雜油氣藏轉變，常規二維和低密度三維地震勘探精度低，無法滿足油氣田二次開發或挖潛增效的精細勘探需求。以四川盆地為例，該盆地內天然氣總資源量為39.94×1012m3，已獲探明儲量5.82×1012m3，探明率僅14%，勘探處于早中期，是我國天然氣勘探開發最具潛力的盆地，未來以高密度為核心的“兩寬一高”三維地震勘探技術必將得到大規模應用［1-5］。四川盆地以山地地貌為主，在實施高密度三維地震獲取高品質地震資料的同時，三維觀測占用的設備越來越多，山地采集施工效率、成本、人員及現場施工管理等問題日益突出。目前我國的地球物理工作者針對勘探目標需求，對觀測系統參數優選方面進行了大量的研究工作［6-7］，但對山地三維地震采集施工組織，特別是對客觀條件約束下的采集作業方案設計關鍵參數優選方面的研究基本處于空白。因此，為了提高三維地震采集效率、降低成本，有必要對山地三維地震采集作業方案關鍵參數進行研究，以期達到合理調配物探裝備資源、降本增效的目的［8-14］。

1 采集作業方案設計現狀

采集作業方案設計是指在地震勘探數據采集（放炮）階段進行的施工組織作業方案設計，其關鍵與核心是排列模板布設推演，若排列模板一旦確定，整個工區或整大束線將會以布設好的排列模板為基礎進行滾動作業（圖1），直接決定了采集效率與裝備投入。通常在三維地震資料采集觀測系統參數確定后，地震采集施工方會根據以往的勘探經驗估算每日采集炮次，然后設計幾種排列布設方式并計算裝備和人員投入，簡單對比后確定最終的排列布設方式和設備投入量以及施工組織方式。這種方法過度依賴于設計人員的經驗，缺乏優化性與穩定性。此外，采集作業方案設計受到人員、設備、天氣、人文環境等多因素的制約，不同地域、工區的差異較大，僅依靠經驗可能造成有限裝備資源的盲目投入、持續均衡生產能力不足、功耗較大等問題［15］。

圖1 排列模板示意圖（綠色部分為布設排列模板）

2 采集作業方案設計關鍵參數與優選方法

一個采集作業方案設計是否優化，主要是看設計的排列模板滾動效率、資源投入產出比以及安全保障、地方協調等綜合因素的合理性。其中起決定作用的關鍵參數主要包括有效采集工期、采集日效、采集設備投入量、采集滾動方式（圖2）。

圖2 采集作業方案設計關鍵參數優選邏輯圖

2.1 有效采集工期

有效采集工期是指地震勘探項目數據采集激發的純生產天數，設計思路如下：①在甲方給定的項目工期內，根據整體施工計劃安排以及前道工序銜接時間，確定項目可利用的理論采集施工天數。②統計分析工區近3～5年同期采集時間內的惡劣天氣天數進行算術平均，得出受惡劣天氣影響的預計非生產天數。③通過提前協調介入，收集相關信息，統計出因行政因素影響的預計非生產天數。④理論采集施工天數減去因各種客觀因素導致的預計非生產天數就可以得到有效采集工期，有效采集工期直接決定了每天數據采集的日效下限值。

2.2 采集日效

采集日效為布設排列模板可采集激發的理論炮次數量，其直接決定施工效率，設計采集日效炮次S介于Smin和Smax之間，如式1所示：

式中，Smin為有效采集工期要求的最低日效，炮；Smax為施工方峰值采集作業能力，炮；S設計為采集項目設計總炮次，炮；D有效為有效采集工期，d；S為設計采集日效炮次，炮；S小時為單臺地震儀器車每小時平均采集炮次，炮；T有效為有效采集時間，h。

以西南探區為例，Sercel428XL地震采集系統平均作業能力為每小時采集150炮，為降低外界干擾影響，滿足地震資料質量指標要求，有效采集窗口時段在8～24 h之間浮動，故日效上限受有效采集時間影響較大。若采集項目在山體段進行了炮線加密，在加密后，實際采集炮次一般將達到理論采集炮次的1.2～1.5倍。理論上，采集炮次越接近上限，生產效率越高。但在實際山地采集設計中，在追求高日效的同時應著重考慮炮班投入及地形情況，特別是在高陡復雜山地區，由于相鄰炮點之間尋路時間較長，每個炮班的激發炮次不宜設計過多，只能通過增加采集炮線數及炮班投入來提高采集日效。

根據川渝地區多年的施工經驗，川中地形較緩地區，單線設計采集炮次在40～50炮為宜，川東高陡山體區，單線設計采集炮次在30炮以下為宜。所以在追求高采集炮次的同時，應充分考慮炮班組織、作業能力來選擇施工方案。

2.3 采集設備投入量

采集設備投入量是指地震采集鏈數量，每道包含一個FDU與一個（一串）檢波器，即排列模板總道數（不計算備用道）。采集設備投入過少會導致生產效率低下，采集設備投入過多會造成資源的浪費和施工成本增加。已知設計采集日效炮次S，可以通過公式2求得最優采集設備投入量：

式中，m為觀測系統單元模板外增加的炮線數，條；n為觀測系統單元模板外增加的接收線數，條；shots_cell為單元模板炮，炮；E為最優設備投入數量，道；Xmax為縱向最大偏移距，m；Δx為道距，m；SLI為炮線距，m；R為觀測系統單元模板接收線數，條。

2.4 采集滾動方式

地震采集排列滾動方式主要包括滾動方向、滾動輪次和滾動道數3個關鍵參數。

1）滾動方向。主要按照以下因素確定是采用順炮線施工還是順接收線施工：①應首先以甲方指定需求為主；②施工應遵循先易后難的原則，確保各工序間順利銜接；③搬遷是否便利，搬遷路線是否有良好的交通道路；④構造主體或大型障礙區分布。

2）滾動輪次。受采集設備數量限制，三維工區通常分為數輪（大束）滾動施工，滾動輪次的合理劃分對施工效率和成本有著重要影響，主要考慮以下因素：①資料處理需求。首輪進站的資料能夠進入滿覆蓋區域，滿足質量監控的需要。②重復排列數量。重復排列數量隨著滾動輪次的遞增而成幾何倍數增加，應盡可能減少重復排列的鋪設道數。③設備利用率。盡可能保證每一滾動輪次（大束）的工作量、采集模板基本相同，確保人員、設備、車輛等資源發揮最大效能，便于施工組織和計劃。④復雜地表影響。高陡山體區、城區、協調困難區盡量一次性通過，避免重復搬遷埋置。

采用模板浪費率參數算法可以有效控制設計方案可能出現施工輪次工作量不均勻的情況，通常設計要求模板浪費率不超過30%，如式3所示：

式中，TWs為順炮線施工模板浪費率；mod（，）為求余函數；SLD為工區設計炮線數，條；SL為排列模板布設炮線數，條；TWr為順測線施工模板浪費率；LLD為工區設計接收線數，條；LL為排列模板布設接收線數，條。

3）滾動道數。滾動道數即為布設排列模板滾動時所需重新搬埋的采集設備道數。采集日效與滾動道數成正比，同時滾動道數直接決定了采集施工所需的季節工人數和運載車輛數量（式4），影響采集成本，因此滾動道數過多或過少都不利于采集工序高效作業，應根據整體施工組織計劃和成本進行測算，合理設計滾動道數。

式中，Nw為季節工投入數量，人；ΔE為滾動道數，道；W為采集設備重量，kg；Pcl為季節工人均負重能力，kg；Ng為設備運載貨車投入數量，輛；Cvl為貨車核定載重，kg；Np為人員運載客車投入數量，輛；c為客車核定載客數，人。

施工方根據工區條件和實際作業能力對采集作業方案設計關鍵參數進行優選，同時借助計算機軟件或數據分析工具進行施工組織模擬推演，即可實現采集作業方案快速優化設計的目的，助力地震采集項目降本增效。

3 采集作業方案效率與效益關系分析

以四川盆地大川中地區三維地震采集項目為例，以不同規模三維地震勘探分別測算在同一觀測系統參數下的采集日效與效益關系，如表1所示。從表1中測算結果可知，當三維滿覆蓋面積較小時，高日效會造成投入資源的浪費，低日效更有助于成本控制。當三維滿覆蓋面積較大時，高日效有利于提升投入資源利用率，實現降本增效。因此，當觀測系統確定后，施工投入、效率、效益可以通過科學推演、精細設計獲取經濟技術一體化方案。以表1測算內容為依據，形成綜合費用與滿覆蓋面積、日效關系圖（圖3）。從圖3中可以看出，三維滿覆蓋面積相同、日采集效率不同的綜合費用波動幅度為8%～16%，且波動幅度會隨著三維滿覆蓋面積的增加而增加，即三維面積越大通過優化日效設計實現經濟挖潛的空間越大。對比不同滿覆蓋面積的綜合費用認為，采集綜合費用的增加幅度小于滿覆蓋面積的增加幅度，即隨著三維滿覆蓋面積的增加產生規模效益。

表1 三維地震采集作業方案效率與效益測算表

圖3 綜合費用與滿覆蓋面積、日效關系圖

4 結論

1）依托四川盆地多年山地地震勘探施工組織經驗，詳細闡述了山地三維采集作業方案設計關鍵參數優選方法，為生產組織決策者構建生產計劃和資源投入奠定了基礎，對合理測算工期和采集設備運轉協調具有積極意義。

2）隨著地震勘探技術的進步，大規模、高密度三維勘探必將是未來地震勘探的趨勢。針對不同規模、不同觀測系統參數的“兩寬一高”三維地震采集項目，通過精細測算、合理設計采集作業方案，可以有效控制施工成本，提高采集效率，有助于實現地震采集施工的技術經濟一體化發展。