可控震源高效采集技術(shù)在復(fù)雜障礙區(qū)應(yīng)用效果分析

1與地表本身的差距自1960年美國(guó)coo公司成功開(kāi)發(fā)可控震源以來(lái)，可控源采集技術(shù)已經(jīng)發(fā)展迅速，尤其是近20年來(lái)，發(fā)展迅速。20世紀(jì)90年代末，shell和bp公司率先在生產(chǎn)中進(jìn)行了交替掃描。和國(guó)際大部分項(xiàng)目一樣,此前我國(guó)的可控震源也主要用于沙漠、戈壁、平原等中西部地表簡(jiǎn)單區(qū)域,導(dǎo)航、施工組織等配套技術(shù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。2014年年底,為保障“兩寬一高”在東部復(fù)雜區(qū)的推廣,東方地球物理公司首次在東部嘗試可控震源采集技術(shù),遇到了較大挑戰(zhàn),整個(gè)項(xiàng)目平均效率僅有1370炮,與地表簡(jiǎn)單的西部差距較大。其他物探公司也進(jìn)行了探索1)地表復(fù)雜,作業(yè)時(shí)間有限,目前國(guó)內(nèi)常用的滑動(dòng)掃描方式提升效率困難。中西部地區(qū)的每天有效作業(yè)時(shí)間一般為18～20h,但東部地區(qū)由于地表太復(fù)雜、人口更集中、交通更繁忙、生產(chǎn)或經(jīng)濟(jì)活動(dòng)更密集,每天的有效作業(yè)時(shí)間只有13～15h左右。有效作業(yè)時(shí)間的減少,使得傳統(tǒng)的滑動(dòng)掃描方式很難再進(jìn)一步提升效率;2)交通復(fù)雜,常規(guī)導(dǎo)航無(wú)法滿(mǎn)足震源通行效率和安全保障需求。常規(guī)導(dǎo)航比較簡(jiǎn)單,在相鄰兩個(gè)炮點(diǎn)之間簡(jiǎn)單連了一條直線(xiàn)作為參考方向,這在戈壁、沙漠等簡(jiǎn)單地區(qū)沒(méi)問(wèn)題,但在東部無(wú)法滿(mǎn)足需求。東部地區(qū)的炮點(diǎn)往往分布在城鎮(zhèn)、村莊、工廠、農(nóng)田、大棚、魚(yú)塘、河流、樹(shù)林等內(nèi)部或周?chē)?兩炮之間經(jīng)常會(huì)隔著各種障礙物,震源不得不花很長(zhǎng)時(shí)間去找路或繞路;另外常規(guī)導(dǎo)航?jīng)]有偏離路線(xiàn)提示,晚上或雪天作業(yè)時(shí)交通安全風(fēng)險(xiǎn)很大,因此常規(guī)導(dǎo)航在東部基本發(fā)揮不了作用;3)施工組織困難,常規(guī)組織模式不能滿(mǎn)足高效作業(yè)需求。以往給多組震源分配任務(wù)時(shí)主要按炮數(shù)平均方法進(jìn)行分配,比如一天計(jì)劃采集3000炮,投入10組震源,每組就300炮的任務(wù),但東部情況太復(fù)雜,每組震源所在位置的障礙情況不一樣,不能保證都能同時(shí)完成,如果不能同時(shí)完成就無(wú)法倒放排列,所以如何組織震源非常關(guān)鍵;另外排列是縱滾還是橫滾涉及到設(shè)備與人員的投入問(wèn)題,也是需要考慮的重點(diǎn)。上述三個(gè)技術(shù)難題給可控震源高效采集技術(shù)在東部地區(qū)的推廣帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn),2015年以來(lái),從生產(chǎn)管理2技術(shù)對(duì)策針對(duì)三個(gè)挑戰(zhàn)發(fā)展了三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù),具體內(nèi)容如下。2.1可控震源動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)如前所述,可控震源高效采集技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,已形成交替掃描、滑動(dòng)掃描、距離分離同步掃描等一系列掃描技術(shù),這三種掃描方式主要考慮了時(shí)間域的變化,應(yīng)用時(shí)各有優(yōu)勢(shì)和適用條件,其中:1)交替掃描雖然效率最低,但其鄰炮噪聲最小,后續(xù)不需要做進(jìn)一步去噪處理,適用于信噪比較低且覆蓋密度不高的勘探項(xiàng)目;2)滑動(dòng)掃描鄰炮噪聲適中,投入震源約為交替掃描的2～5倍,震源擺布也相對(duì)復(fù)雜,有時(shí)還需要進(jìn)行諧波壓制處理3)距離分離同步掃描的適用條件最苛刻,兩組震源間距必須大于或等于兩倍的最大炮檢距,要求工區(qū)長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng)、排列設(shè)備和可控震源的數(shù)量要足夠多,必要時(shí)也要進(jìn)行噪聲壓制由于特點(diǎn)和適用條件的不同,以往施工時(shí),這三種掃描方式各自獨(dú)立,不能同時(shí)應(yīng)用在一個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)。前面講到復(fù)雜區(qū)僅依靠滑動(dòng)掃描已無(wú)法進(jìn)一步提高效率,曾考慮采用距離分離同步掃描,但同步掃描的應(yīng)用條件較為苛刻,小工區(qū)不能全部應(yīng)用。經(jīng)過(guò)分析后,認(rèn)為如果能把這幾種掃描方式集中在一起,滿(mǎn)足哪個(gè)條件就自動(dòng)選用哪種掃描方式,這樣就能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),確保效率可進(jìn)一步提升?；谶@一需要,研究形成了可控震源動(dòng)態(tài)掃描技術(shù),并取得了較好的應(yīng)用效果?？煽卣鹪磩?dòng)態(tài)掃描技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)空關(guān)系規(guī)則(T-D曲線(xiàn))將時(shí)間域和空間域聯(lián)合起來(lái),進(jìn)而將交替掃描、滑動(dòng)掃描和距離分離同步掃描綜合在了一起(圖1),作業(yè)時(shí)可實(shí)時(shí)計(jì)算震源間距然后根據(jù)時(shí)空關(guān)系規(guī)則采用符合條件的掃描方式,作業(yè)方式非常靈活,施工效率得到了進(jìn)一步提高。之所以稱(chēng)之為“動(dòng)態(tài)”掃描,是因?yàn)樵摷夹g(shù)在兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了突破,即有兩個(gè)“動(dòng)”的特點(diǎn):1)“動(dòng)態(tài)”選擇掃描方式動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)首次引入空間域理念,通過(guò)建立時(shí)空關(guān)系規(guī)則將三者綜合在一起,掃描方式不再固定,能夠?qū)崟r(shí)從三種掃描方式中自動(dòng)確定最優(yōu)的一種:①當(dāng)震源間距大于或等于同步掃描所需的距離時(shí)(圖1的②當(dāng)震源間距滿(mǎn)足滑動(dòng)掃描所需的距離時(shí)(小于圖1的③當(dāng)震源間距滿(mǎn)足交替掃描要求時(shí),則采用交替掃描。2)“動(dòng)態(tài)”確定滑動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)期以來(lái),采用滑動(dòng)掃描施工的項(xiàng)目一般都會(huì)從始至終保持滑動(dòng)時(shí)間不變,動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)則不然,它改變了以往的規(guī)則,滑動(dòng)時(shí)間可以不再固定不變。H.JustusRozemond根據(jù)理論分析和試驗(yàn)證明,諧波能量遠(yuǎn)小于基波能量如何為不同的炮間距確定相應(yīng)的采集時(shí)間間隔是動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)的關(guān)鍵所在,下面具體分析。假設(shè)相鄰兩炮的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示,其中①為第1炮,②為第2炮;0點(diǎn)為第1炮的位置,保持不動(dòng);1)當(dāng)?shù)?炮位于0～2)當(dāng)?shù)?炮位于3)當(dāng)?shù)?炮位于首先分析一下時(shí)間間隔與兩炮記錄相對(duì)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系,假設(shè)第2炮從仔細(xì)分析同步激發(fā)時(shí)的兩條初至交叉線(xiàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)(圖2(c)的藍(lán)色虛線(xiàn)),只要第2炮的初至不越過(guò)藍(lán)色虛線(xiàn),兩炮記錄就不會(huì)重疊或者重疊很少,可以認(rèn)為不存在互相干擾,因此在選擇掃描間隔時(shí)只要確保第2炮的記錄不超過(guò)該虛線(xiàn)就可以。該初至?xí)r間線(xiàn)與工區(qū)的折射波、直達(dá)波發(fā)育情況都有關(guān)系,整個(gè)工區(qū)內(nèi)可能會(huì)有較大變化,不宜直接作為時(shí)間間隔標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn),否則容易使時(shí)間選擇變得過(guò)于復(fù)雜,最簡(jiǎn)單有效的辦法是把(綜上所述,當(dāng)?shù)?炮從以上時(shí)間間隔變化過(guò)程可通過(guò)圖3直觀表示,1)段1空間關(guān)系上對(duì)應(yīng)0～2)段2對(duì)應(yīng)3)段3對(duì)應(yīng)綜上所述,相對(duì)于常規(guī)滑動(dòng)掃描,動(dòng)態(tài)掃描能進(jìn)一步提高效率,主要因?yàn)樵趦蓚€(gè)方面取得了突破:1)在原有時(shí)間域基礎(chǔ)上引入空間域理念,通過(guò)建立時(shí)間空間關(guān)系規(guī)則將交替、滑動(dòng)、距離分離同步三種掃描方式結(jié)合起來(lái),充分利用了三者的各自?xún)?yōu)勢(shì),擴(kuò)大了可控震源的適用范圍,尤其是最高效率的距離分離同步掃描方式的適用范圍。無(wú)論工區(qū)大小,能采用同步掃描的就采用同步掃描,不能采用的就調(diào)整為滑動(dòng)掃描,這樣就避免了以往國(guó)內(nèi)普遍因部署面積小不能有效應(yīng)用同步掃描的窘境;2)將滑動(dòng)掃描的滑動(dòng)時(shí)間由等間隔調(diào)整為變間隔,滑動(dòng)時(shí)間可以隨炮間距適當(dāng)縮小,采集資料品質(zhì)為受影響,但效率顯著提高。2.2軌跡導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)東部地區(qū)障礙物眾多,道路縱橫交錯(cuò),其中很多都是田間小道,其特點(diǎn)是普遍較窄、岔路很多,夜間行駛或冬季下雪后很難確認(rèn)準(zhǔn)確方向。出于交通安全和工農(nóng)關(guān)系的需要,震源必須嚴(yán)格按照指定路線(xiàn)前進(jìn),并且左右偏差要控制在一定范圍內(nèi)(一般不能超過(guò)1m),早期的普通導(dǎo)航技術(shù)不能滿(mǎn)足這種新的需求,因此又進(jìn)一步研究形成了軌跡導(dǎo)航技術(shù),并研制了相應(yīng)的導(dǎo)航設(shè)備(圖4)。軌跡導(dǎo)航技術(shù)的核心主要有兩點(diǎn):1)在作業(yè)之前要通過(guò)踏勘、高精度衛(wèi)片的障礙物識(shí)別及其他手段把震源能夠行進(jìn)的路線(xiàn)準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出來(lái)。精確的軌跡設(shè)計(jì)是震源能夠高效、安全行進(jìn)的基礎(chǔ),需要在作業(yè)前做大量的準(zhǔn)備工作。一般要經(jīng)歷兩個(gè)階段:首先在正式施工前要詳細(xì)踏勘工區(qū),確定施工區(qū)域內(nèi)的各類(lèi)障礙物及可能影響施工效率的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,如農(nóng)田、管線(xiàn),溝渠、湖泊、民房、道路、橋梁等,將其形成矢量文件,展布在高清衛(wèi)片上。在此基礎(chǔ)上根據(jù)炮點(diǎn)分布情況進(jìn)行震源理論路徑設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮避開(kāi)障礙物又要考慮路徑最優(yōu);然后踏勘小組攜帶手持GPS在野外驗(yàn)證該理論軌跡的可行性,并記錄實(shí)際可行的軌跡,室內(nèi)對(duì)此軌跡再進(jìn)行必要的修正并形成最終軌跡文件。2)軌跡導(dǎo)航系統(tǒng)必須有高精度的定位設(shè)備和完備的軟件功能。硬件系統(tǒng)可實(shí)時(shí)提供高精度的位置、時(shí)間、速度、衛(wèi)星信息等數(shù)據(jù);軟件系統(tǒng)則要完成導(dǎo)航地形圖和震源任務(wù)數(shù)據(jù)的疊加處理、加載SPS文件和預(yù)設(shè)計(jì)路線(xiàn)、指引可控震源前進(jìn)、已采集炮點(diǎn)和空點(diǎn)的區(qū)分等,更重要的是要具備完備的警示功能來(lái)提醒震源不能偏離前進(jìn)方向和左右寬度的允許誤差。經(jīng)過(guò)多次研究對(duì)比,一個(gè)完善的軌跡導(dǎo)航系統(tǒng)還應(yīng)滿(mǎn)足三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)要求:實(shí)時(shí)定位刷新頻率要≥10次/秒,實(shí)時(shí)定位精度<10cm,航向偏離的允許誤差左右不大于1m?；谏鲜鰞身?xiàng)核心技術(shù)形成的軌跡導(dǎo)航技術(shù)具有實(shí)時(shí)、自動(dòng)、高效的顯著特點(diǎn),工作過(guò)程大致如下:每組震源接受施工任務(wù)后,導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)指引震源沿著設(shè)計(jì)的軌跡路線(xiàn)行進(jìn),行進(jìn)過(guò)程中如果路線(xiàn)偏離超過(guò)預(yù)設(shè)要求,系統(tǒng)會(huì)警報(bào)提示;震源來(lái)到任意目標(biāo)炮點(diǎn)附近時(shí),會(huì)不斷提示已接近炮點(diǎn)(如圖4左上角圓形表盤(pán)所示),當(dāng)?shù)诌_(dá)準(zhǔn)確點(diǎn)位后,則提示震源可以落板,然后自動(dòng)連接儀器系統(tǒng),排隊(duì)等待激發(fā)?？梢钥吹?由于軌跡導(dǎo)航系統(tǒng)的高度自動(dòng)化和智能化,使得震源操作手只需按照提示安全駕駛震源即可,大大提高了效率、降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用,從根本上解決了復(fù)雜地表區(qū)因交通問(wèn)題所造成的可控震源頻繁繞路、找路、行車(chē)安全隱患大的突出難題。2.3震源作業(yè)方案優(yōu)化流程目前高密度三維投入的排列設(shè)備大都在2～3萬(wàn)道,施工人員一般在400～500人,如果因?yàn)槭┕そM織不當(dāng)造成工期延誤,將會(huì)帶來(lái)很大損失,而東部的人文、地理?xiàng)l件更為復(fù)雜,對(duì)施工組織的要求更高,因此作業(yè)方案的合理與否是復(fù)雜區(qū)項(xiàng)目能否成功實(shí)施的關(guān)鍵。如何實(shí)現(xiàn)可控震源作業(yè)效率與設(shè)備投入的平衡是作業(yè)計(jì)劃的核心,資源投入多,單日成本就比較高,但可控震源的作業(yè)能力越有保證,工期會(huì)相應(yīng)縮短,綜合成本可能會(huì)降低;資源投入少,單日成本相對(duì)較低,但可控震源的高效優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分發(fā)揮,工期可能會(huì)延長(zhǎng),綜合成本可能會(huì)增加。因此,一個(gè)科學(xué)合理的作業(yè)方案一定要從整個(gè)工期的角度來(lái)來(lái)尋求可控震源作業(yè)能力與設(shè)備、人員投入的平衡。作業(yè)方案主要包含兩個(gè)關(guān)鍵計(jì)劃,首先要確定整個(gè)項(xiàng)目的線(xiàn)束滾動(dòng)計(jì)劃,根據(jù)設(shè)備、人員的投入能力來(lái)確定采用正常線(xiàn)束施工還是分塊施工、排列是縱滾還是橫滾;其次要確定每日震源任務(wù)的分配計(jì)劃,即通過(guò)合理分配任務(wù)實(shí)現(xiàn)震源效率最大化。根據(jù)多個(gè)復(fù)雜區(qū)項(xiàng)目的摸索和總結(jié),建立了一套作業(yè)方案優(yōu)化流程,主要由4個(gè)技術(shù)、分4步完成:1)根據(jù)道炮比優(yōu)化技術(shù),確定施工組織方案即線(xiàn)束滾動(dòng)計(jì)劃。綜合部署面積、地表?xiàng)l件、設(shè)備投入能力、有效采集時(shí)窗進(jìn)行評(píng)價(jià),確定排列滾動(dòng)方式、重復(fù)方式、每日工作量等關(guān)鍵要素;2)通過(guò)自動(dòng)偏移避障技術(shù),室內(nèi)偏移炮檢點(diǎn)。基于高精度衛(wèi)片/航片,盡量減小震源越障次數(shù),沿著農(nóng)田走向逐點(diǎn)布設(shè)炮點(diǎn),匹配接收關(guān)系,保證全區(qū)總體均勻;3)通過(guò)軌跡錄制技術(shù),預(yù)設(shè)震源行進(jìn)軌跡。結(jié)合地形條件,對(duì)炮點(diǎn)逐點(diǎn)放樣,以震源快速通行為原則,按作業(yè)單元進(jìn)行震源行進(jìn)軌跡預(yù)設(shè)計(jì),引導(dǎo)震源循跡高效激發(fā);4)根據(jù)軌跡量化技術(shù),分塊分配震源任務(wù)(圖5)。按照震源機(jī)組作業(yè)能力,均衡分配各個(gè)震源每天采集工作量;集約化管理全部震源,兼顧激發(fā)進(jìn)度,實(shí)現(xiàn)線(xiàn)束最大效率生產(chǎn)。后面兩項(xiàng)是本次研究的重要成果,改變了傳統(tǒng)的震源組織模式,任務(wù)分配由按炮數(shù)平均改為按軌跡平均,解決了復(fù)雜區(qū)經(jīng)常因路途時(shí)間不同導(dǎo)致多組震源無(wú)法同時(shí)完工的困難,為最大可能地發(fā)揮可控震源多組作業(yè)的優(yōu)勢(shì)提供了重要保障。以引言中提到的例子為例,假如項(xiàng)目共投入10組震源,每天計(jì)劃3000炮,3000炮的軌跡總長(zhǎng)度有150km,分配任務(wù)時(shí)就不再以300炮/組為標(biāo)準(zhǔn),而改為每組負(fù)責(zé)15km的軌跡。由于不同位置的繞路情況不同,15km包含的炮點(diǎn)不一定都是300炮。經(jīng)驗(yàn)表明,每組工作量相差幾十炮對(duì)復(fù)雜區(qū)采集效率影響不大,主要影響因素是路途時(shí)間,新的分配方式由于每組的路途時(shí)間都相同,就確保了所有震源都能同時(shí)完工。3雜區(qū)的推廣效果三年來(lái)研究成果在遼河、華北等渤海灣復(fù)雜區(qū)得到大規(guī)模推廣應(yīng)用并取得了顯著效果,隨后也推廣至柴達(dá)木、內(nèi)蒙、北疆等地區(qū),應(yīng)用效果具體表現(xiàn)在以下兩方面。3.1復(fù)雜區(qū)可控震源高效采集作業(yè)方案優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果三項(xiàng)技術(shù)首先在遼河探區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)和推廣,三年來(lái)共應(yīng)用5個(gè)項(xiàng)目,采集效率持續(xù)攀升(圖6),平均日效已是3年前的3倍多,最高日效達(dá)7940炮,創(chuàng)造了東部復(fù)雜區(qū)地震采集的平均日效和單日產(chǎn)量的最高記錄。研究成果隨后在其他探區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模推廣,共計(jì)應(yīng)用11個(gè)項(xiàng)目,滿(mǎn)覆蓋面積達(dá)2987km2017年遼河探區(qū)實(shí)施的陸東高密度三維,滿(mǎn)覆蓋面積200km根據(jù)此前鄰區(qū)滑動(dòng)掃描的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和本區(qū)的實(shí)際情況,如果繼續(xù)采用滑動(dòng)掃描,預(yù)計(jì)效率最高為3000炮,無(wú)法滿(mǎn)足工期要求。經(jīng)過(guò)仔細(xì)論證,決定將復(fù)雜區(qū)可控震源高效采集的三項(xiàng)配套技術(shù)全部投入應(yīng)用:1)將滑動(dòng)掃描調(diào)整為動(dòng)態(tài)掃描,在滿(mǎn)足資料品質(zhì)要求的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了該項(xiàng)目的時(shí)空規(guī)則曲線(xiàn),其關(guān)鍵參數(shù)為:0～4km:正常11s滑動(dòng)間隔;4～9km:11～9s變間隔滑掃;9km以上:0s間隔(同步激發(fā))。技術(shù)的應(yīng)用使平均日效提升到4031炮,并創(chuàng)造出7940炮的東部最高日效記錄;2)應(yīng)用軌跡導(dǎo)航技術(shù),全工區(qū)提前設(shè)計(jì)軌跡3000多公里。應(yīng)用后設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)際軌跡的符合率達(dá)到95%以上,可控震源實(shí)現(xiàn)安全作業(yè),沒(méi)有再出現(xiàn)震源頻繁找路、繞路的情況;3)應(yīng)用作業(yè)方案優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行分析,確定投入13臺(tái)可控震源和32000道排列,采用分塊施工、排列橫滾、震源按軌跡分配任務(wù)等方案,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的高效利用和計(jì)劃日效與實(shí)際日效的高度吻合。三項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用為項(xiàng)目的高效、安全運(yùn)行提供了根本支撐,使得該項(xiàng)目比傳統(tǒng)方法提前半個(gè)多月收工。3.2新老三維疊前剖面效果對(duì)比研究成果有效降低了地震采集的勘探成本、縮短了勘探周期,支撐了“兩寬一高”地震技術(shù)在復(fù)雜區(qū)的推廣。以遼河探區(qū)為例,3年前探區(qū)內(nèi)的三維主要以井炮為主,受成本和效率的制