石雙虎， 李培明， 白光宇， 賀 涌， 李紅星

(1.中國(guó)石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072751； 2.東華理工大學(xué)核工程與物理學(xué)院，福建 福州 330013)

應(yīng)用實(shí)踐

自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)在過渡帶三維地震勘探中的應(yīng)用①

石雙虎1， 李培明1， 白光宇1， 賀 涌1， 李紅星2

(1.中國(guó)石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072751； 2.東華理工大學(xué)核工程與物理學(xué)院，福建 福州 330013)

在復(fù)雜過渡帶三維地震勘探項(xiàng)目中，施工設(shè)計(jì)包括海陸觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、從屬線束設(shè)計(jì)、偏點(diǎn)設(shè)計(jì)等，其優(yōu)化對(duì)于提高地震數(shù)據(jù)采集效率，保證資料品質(zhì)，減少空炮、廢炮和重炮，實(shí)現(xiàn)資料無縫連接至關(guān)重要。這就要求技術(shù)人員針對(duì)工區(qū)特點(diǎn)提前合理設(shè)計(jì)特殊觀測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)化炮點(diǎn)布設(shè)，從而最大限度地滿足覆蓋次數(shù)均勻的需要。通過自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方式，可以減少人工誤差，使采集結(jié)果最大限度地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，從而提高效率、節(jié)約成本。

過渡帶； 自動(dòng)優(yōu)化； 微觀設(shè)計(jì)； 障礙物

0 引言

常規(guī)的過渡帶三維施工設(shè)計(jì)是按照合同確定的基本參數(shù)，在實(shí)際踏勘了解水深、障礙物、地形情況的基礎(chǔ)上將工區(qū)分成海上部分和陸上部分，然后利用兩種觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。期間借助專業(yè)軟件，比如綠山或者KLseis進(jìn)行偏點(diǎn)設(shè)計(jì)[1-2]，當(dāng)野外采集完成后，再進(jìn)行偏點(diǎn)優(yōu)化。在實(shí)際操作中存在三個(gè)問題：(1)工程進(jìn)度受限于許可進(jìn)度，有些地方的許可很難辦理，影響生產(chǎn)進(jìn)度；(2)受常規(guī)設(shè)計(jì)方式的影響，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)；(3)對(duì)于復(fù)雜區(qū)，后期偏點(diǎn)優(yōu)化難以滿足設(shè)計(jì)初衷的要求，從而產(chǎn)生廢炮和空炮，影響經(jīng)濟(jì)效益。

鑒于上述問題，迫切需要一種方法進(jìn)行靈活、快速的設(shè)計(jì)，從而減少設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率，并在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中最大限度地滿足覆蓋次數(shù)均勻的需求[1，3-5]。

1 常規(guī)的過渡帶施工設(shè)計(jì)

常規(guī)的過渡帶野外設(shè)計(jì)是基于水深對(duì)海陸過渡帶邊界區(qū)的炮點(diǎn)，在測(cè)得水深的基礎(chǔ)上劃分海、陸觀測(cè)系統(tǒng)邊界，再根據(jù)設(shè)備條件及海陸施工難易程度設(shè)計(jì)兩套觀測(cè)系統(tǒng)[6]。根據(jù)地表?xiàng)l件和水域施工條件，陸上部分采取可控振源與井炮激發(fā)，海上根據(jù)水深情況分別采用深水氣槍、淺水氣槍或小氣槍進(jìn)行激發(fā)。觀測(cè)系統(tǒng)和激發(fā)方式一旦決定，設(shè)計(jì)人員就需要利用綠山、Klseis等軟件，在野外踏勘的基礎(chǔ)上，在底圖上加載障礙物及理論炮點(diǎn)，并進(jìn)行“開-關(guān)”炮點(diǎn)編輯。

這種施工設(shè)計(jì)方式存在以下缺點(diǎn)：

(1) 觀測(cè)系統(tǒng)變通性較差。

在復(fù)雜三維過渡帶施工區(qū)域中常常有許多大型的企業(yè)，有些區(qū)域因?yàn)橹貜?fù)放炮需辦理多次許可。如果一味地按照海陸兩套觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，則工程進(jìn)度勢(shì)必受到許可的影響，因此必須考慮在原來海陸觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上再行細(xì)化，從而提高施工效率[7]。

(2) “開-關(guān)”炮點(diǎn)編輯法受如下因素制約：

① 耗時(shí)長(zhǎng)。一束線的偏點(diǎn)有時(shí)能達(dá)到兩千炮，對(duì)炮點(diǎn)進(jìn)行編輯設(shè)計(jì)需要幾天時(shí)間。如果地形復(fù)雜，障礙物較多，則需要更長(zhǎng)時(shí)間，偏點(diǎn)設(shè)計(jì)的滯后很容易造成生產(chǎn)的停滯[8-9]。

②容易出錯(cuò)。由于人工操作，很容易因疲勞造成偏差誤差，產(chǎn)生廢炮、影響覆蓋次數(shù)及造成產(chǎn)量損失[10-13]。

③沒有后臺(tái)痕跡。這種設(shè)計(jì)方式不能在后臺(tái)產(chǎn)生文本形式的痕跡，即設(shè)計(jì)的痕跡存在圖片與文本的斷層，或者圖片與文本的失真，這將影響后期的偏點(diǎn)歸位。偏點(diǎn)應(yīng)該是與無法按照理論位置放炮的正點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，否則要么產(chǎn)生空炮，要么產(chǎn)生廢炮，勢(shì)必影響生產(chǎn)效率。

2 優(yōu)化施工方案

針對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)方式的缺陷，本文嘗試了多種優(yōu)化方案。

2.1 微觀設(shè)計(jì)法

表1是東方公司某海外三維項(xiàng)目的海陸兩套觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)。其中陸地與過渡帶采用重復(fù)排列的放炮模式，淺水和深水采用重復(fù)炮點(diǎn)的模式。

表1 某過渡帶施工參數(shù)

所謂微觀設(shè)計(jì)法即在受限制的海上部分采用氣槍激發(fā)、陸地排列接收的基礎(chǔ)上，綜合考慮生產(chǎn)效益，兼顧生產(chǎn)進(jìn)度與產(chǎn)量，選擇適當(dāng)?shù)奈⒂^系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)。實(shí)際生產(chǎn)中，通常只有在受限制的水域采取從屬線束(SubSWATH)進(jìn)行放炮，所謂從屬線束指的是在整條線束里“摳出”一些區(qū)域，兼顧覆蓋次數(shù)均勻的基礎(chǔ)上采用不同于當(dāng)前線束的激發(fā)源和觀測(cè)系統(tǒng)放炮。比如在受限制水域采用小氣槍激發(fā)陸地排列接收(圖1)。但在一些地區(qū)，由于許可難以辦理，為提高效率，采用大氣槍激發(fā)、陸地排列接收的從屬線束放炮的模式，即重復(fù)排列不重復(fù)炮點(diǎn)。這種方式既滿足了覆蓋次數(shù)，又減少了風(fēng)險(xiǎn)。雖然因炮數(shù)減少一半，影響了經(jīng)濟(jì)效益，但節(jié)省了時(shí)間，推動(dòng)了整體項(xiàng)目的進(jìn)程。

圖1 從屬線束示意圖 Fig.1 Sketch map of the subswath

2.2 “移動(dòng)”炮點(diǎn)進(jìn)行偏點(diǎn)設(shè)計(jì)

“開-關(guān)”編輯炮點(diǎn)法是在綠山軟件中簡(jiǎn)單的“開-關(guān)”炮點(diǎn)，要求關(guān)掉無法激發(fā)的理論炮點(diǎn)，打開偏移后的新點(diǎn)，兩者一一對(duì)應(yīng)(圖2)。只開不關(guān)造成廢炮，只關(guān)不開造成空炮，這種方法進(jìn)行炮點(diǎn)偏移時(shí)沒有痕跡，后期難以歸位。

圖2 “開-關(guān)”炮點(diǎn)偏移法示意圖 Fig.2 Diagram of the “on-off” shot-points offset method

為了產(chǎn)生與過程相匹配數(shù)據(jù)，利用綠山“移動(dòng)”炮點(diǎn)時(shí)只改變樁號(hào)而坐標(biāo)不變(在一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的差別)的原理，偏移完炮點(diǎn)后輸出炮點(diǎn)文件，利用程序通過坐標(biāo)尋找匹配的炮點(diǎn)，從而解決了“開關(guān)”編輯有時(shí)不能歸位的弊端。圖3(a)是移動(dòng)前的炮點(diǎn)顯示；圖3(b)是移動(dòng)進(jìn)行中；圖3(c)是移動(dòng)后的炮點(diǎn)顯示。這種方法對(duì)于少量相對(duì)復(fù)雜的炮點(diǎn)偏移可收到預(yù)期效果，但對(duì)于大批量的炮點(diǎn)偏移，由于采用手工操作，效率很低，相較于“開-關(guān)”編輯炮點(diǎn)法，更耗時(shí)且更易造成空炮和廢炮，因此適用范圍較小。

圖3 移動(dòng)炮點(diǎn)偏移法示意圖 Fig.3 Diagram of the moving shot-points offset method

2.3 加密多放炮后期匹配法

加密多放炮后期匹配法即在復(fù)雜施工區(qū)域或許可較難辦理的區(qū)域，為防止空點(diǎn)的產(chǎn)生，采用加密多放炮的方法，放炮完成后進(jìn)行偏點(diǎn)歸位。

這種方法可解決覆蓋次數(shù)均勻，但由于甲方要求偏點(diǎn)和正點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的，因此不可避免會(huì)產(chǎn)生廢炮。如圖4(a)是未加密的炮點(diǎn)，即3個(gè)藍(lán)點(diǎn)黑心處及原點(diǎn)都未放炮，也就是造成了空炮；圖4(b)為針對(duì)原點(diǎn)有3個(gè)藍(lán)點(diǎn)紅心的加密點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中只能用到其中的一個(gè)點(diǎn)作為原點(diǎn)的偏點(diǎn)，另外兩個(gè)點(diǎn)則只能作為廢炮進(jìn)行處理。既浪費(fèi)了資源，又造成了生產(chǎn)冗余。

圖4 加密放炮法Fig.4 Shooting encryption method

2.4 自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)法(包括炮點(diǎn)偏移)

針對(duì)以上情況，我們須找到一種平衡的施工優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而使得野外設(shè)計(jì)省時(shí)，且準(zhǔn)確率較高。在完成了相當(dāng)量的線束后，發(fā)現(xiàn)造成空炮、廢炮的原因相當(dāng)一部分在于手工操作。這就要求我們通過自動(dòng)優(yōu)化的方式完成設(shè)計(jì)。

野外施工設(shè)計(jì)方案確定以后，主要工作就是偏點(diǎn)設(shè)計(jì)。

對(duì)于過渡帶三維項(xiàng)目而言，自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；第二，偏點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理如下：通過輸入水深、潮差文件劃分海陸邊界，進(jìn)而通過船體尺寸、設(shè)備、許可情況等文件確定微觀系統(tǒng)和激發(fā)源類型。一旦觀測(cè)系統(tǒng)和邊界確定，輸入線束邊界、障礙物邊界、炮點(diǎn)偏移規(guī)則及安全距離，障礙物邊界經(jīng)過安全距離約束后，利用障礙物邊界剔除理論邊界中需要偏移的炮點(diǎn)和加密點(diǎn)。此時(shí)將產(chǎn)生剔除障礙物后的炮點(diǎn)(包括加密點(diǎn))和被剔除的炮點(diǎn)(不包括加密點(diǎn))。根據(jù)合同中確定的偏移規(guī)則，建立偏點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。詳細(xì)流程見圖5。

圖5 過渡帶自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Flow chart of auto-optimization design in transitional zone

這種方法不需要通過綠山將障礙物或水深的邊界轉(zhuǎn)化成炮點(diǎn)的邊界，可以直接輸入障礙物或水深的坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)與炮點(diǎn)、水深與炮點(diǎn)的互通，從而簡(jiǎn)化了過程，加快了設(shè)計(jì)速度。

偏點(diǎn)的具體步驟如圖6，將去除障礙物等文件的炮點(diǎn)文件中的加密點(diǎn)分離出來，產(chǎn)生加密點(diǎn)文件，再將障礙物范圍內(nèi)的炮點(diǎn)分離出來，形成暫時(shí)的空點(diǎn)文件。計(jì)算在加密點(diǎn)文件中符合偏移規(guī)則的偏點(diǎn)個(gè)數(shù)，然后按照最少匹配原則進(jìn)行匹配。不符合匹配規(guī)則的或符合匹配規(guī)則卻無點(diǎn)匹配(被其他點(diǎn)占用)就是最終的空點(diǎn)，而加密點(diǎn)中參與匹配的點(diǎn)就是最終的偏移炮點(diǎn)。

在一些較為復(fù)雜的工區(qū)，利用常規(guī)的炮點(diǎn)偏移方法很難，即使可行也耗時(shí)較大，且容易出現(xiàn)廢炮、空炮。利用自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可避免這些情況的發(fā)生。

3 效果分析

眾所周知，對(duì)于過渡帶項(xiàng)目施工，由于船只的租賃費(fèi)極高，縮短工期意味著提升效率、節(jié)約成本。

圖6 偏點(diǎn)優(yōu)化流程圖Fig.6 Flow chart of offset point optimization

東方公司承擔(dān)的海外某過渡帶三維項(xiàng)目，工區(qū)內(nèi)陸地部分分布著沙漠、機(jī)場(chǎng)、生活居住區(qū)、鉆井平臺(tái)、管線、油區(qū)管線設(shè)施等；過渡帶地區(qū)，分布著航道、海上油田及區(qū)域頻繁活動(dòng)的船只。障礙物種類繁多，勘探難度相當(dāng)大。

項(xiàng)目采用海、陸兩套儀器，四種震源(可控震源、炸藥、大氣槍和小氣槍)激發(fā)和三種檢波器(陸檢、沼澤以及雙檢)接收的方式進(jìn)行施工，要求實(shí)現(xiàn)從陸地跨越過渡帶至近岸淺海區(qū)的地震資料無縫采集，且工期限制在3年內(nèi)。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，由于施工設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率，效果明顯。

3.1 微觀系統(tǒng)的靈活應(yīng)用

此過渡帶三維項(xiàng)目陸上因較易放線，采取重復(fù)排列放炮，而海上因?yàn)樯a(chǎn)進(jìn)度較快，使用重復(fù)炮點(diǎn)放炮。但在水深受限制區(qū)域，淺水氣槍與鉆井船無法使用，采用小氣槍放炮、重復(fù)排列或重復(fù)炮點(diǎn)接收的原則。而對(duì)于一些許可難辦理的區(qū)域區(qū)域和船駛?cè)腭偝鲇形ｋU(xiǎn)的區(qū)域，采用淺水氣槍激發(fā)、重復(fù)排列接收的原則。這在一定程度上減少炮點(diǎn)，使生產(chǎn)進(jìn)度和安全得到保障，從而提高了效益。

3.2 偏點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

利用自動(dòng)優(yōu)化程序，摒棄手工偏點(diǎn)易造成空炮或廢炮的弊端，在最大程度滿足覆蓋次數(shù)均勻的基礎(chǔ)上最大化地減少空點(diǎn)和因偏移造成的廢炮。

圖7 覆蓋次數(shù)圖Fig.7 Coverage plot

圖7是某線束常規(guī)設(shè)計(jì)和自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的覆蓋次數(shù)圖。從圖上圈出的部分可以看到，應(yīng)用自動(dòng)優(yōu)化法其炮點(diǎn)(圖中紅點(diǎn)部分)部署更為合理，覆蓋次數(shù)也較為均勻。另外常規(guī)設(shè)計(jì)耗時(shí)1.4天，產(chǎn)生偏點(diǎn)1 178炮，空點(diǎn)345個(gè)；通過自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)程序化的偏點(diǎn)，耗時(shí)0.5小時(shí)(包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備)，偏點(diǎn)個(gè)數(shù)為1 149炮，比常規(guī)設(shè)計(jì)少29炮，空點(diǎn)為326個(gè)，減少19個(gè)。由于產(chǎn)生過程是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，且最大限度地減少了人為誤差的影響，因此不存在后期因找不到對(duì)應(yīng)關(guān)系而產(chǎn)生廢炮、空炮，造成質(zhì)量、資源雙重?fù)p失的情況。

通過偏點(diǎn)優(yōu)化和微觀系統(tǒng)等的應(yīng)用，野外解釋組較快地提供了設(shè)計(jì)方案，保證項(xiàng)目的高速運(yùn)行和資料的完整性，項(xiàng)目得以提前183天完成施工。

4 結(jié)論和問題

自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)在復(fù)雜三維過渡帶項(xiàng)目中的應(yīng)用，有著如下的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 靈活的應(yīng)用微觀設(shè)計(jì)可因地制宜地處理生產(chǎn)進(jìn)度與效益的關(guān)系；

(2) 應(yīng)用偏點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效地減少空炮、廢炮、重炮的產(chǎn)生，從而有效地降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率；

(3) 根據(jù)偏點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理，結(jié)合水深和其他障礙物的信息可以劃分海陸采集線束，也可以細(xì)分震源、井炮和不同類型氣槍的激發(fā)區(qū)域；

(4) 可直接利用測(cè)量獲得的障礙物坐標(biāo)進(jìn)行偏點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，明顯簡(jiǎn)化運(yùn)算步驟，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間；

(5) 制定的過渡帶自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)為復(fù)雜過渡帶施工設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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Application of Auto-optimization Design to Three-dimensional Seismic Exploration in Transitional Zone

SHI Shuang-hu1， LI Pei-ming1， BAI Guang-yu1， HE Yong1， LI Hong-xing2

(1.BureauofGeophysicalProspectingINC.，CNPC，Zhuozhou，Hebei072751，China；2.DepartmentofNuclearEngineeringandGeophy，EastChinaInstituteofTechnology，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian330013，China)

The conventional transition zone in three-dimensional (3D) operational design is made by splitting the operational area into two parts (land and ocean) in accordance with the basic parameters of the contract after scouting the practical water depth，obstacles，and terrain.Then the acquisition can be made according to two kinds of geometry.of course，the kinds of sources are different due to water depth and land terrains；there are different guns，explosives，and vibroseis.During the period of design，the design of offset points is finished by using professional software，such as green mountain or KLseis.When acquisition is completed, the offset point’s optimization is made.There are three problems in the actual operation.Firstly，the progress of the project is limited to permit progress，and permits are very difficult to get in some places，which affect the production schedule.Secondly，the design period is longer due to the conventional design methods.Thirdly，for the complex region，the late offset point optimization makes it very difficult to meet the requirements of the original design，which results in void or invalid shots and affects the economic benefits.Because of these problems，it is urgent to find a method to make design flexible and fast.This design can reduce the design period，improve the design efficiency，and meet the requirement of uniform fold to the maximum extent in the process of optimization design.It is even more important in complex transition zone 3D seismic exploration projects.Our operational designs include ocean geometry，land geometry，sub-swath，and offset point designs.It is vital for the optimization of the operation design method to improve the seismic data acquisition efficiency，ensure the data quality，reduce duplication of shooting，and realize a seamless connection of the data.This requires that the technician designs special micro-geometry and optimizes shot layout in view of project characteristics to meet the needs of maximum uniform fold.This paper presents an automatic optimization design method，that is to say，using a program to optimize reduces the manual errors，makes the acquisition results realize design requirements，and then improves the efficiency.This paper provides a detailed example and gives the detailed flows of design and offset point optimization.Application of automatic optimization design in complex 3D transition zone projects has the following advantages：(1) Flexible application of micro-design or sub-swath design can deal with the relationship between the production schedules and operational efficiency very well.(2)Application of offset point optimization design can effectively reduce void shots，invalid shots，and duplicated shots，which will effectively decrease production costs，shorten the design period，and improve production efficiency.(3)According to the principle of the offset point optimization design，combined with information about the water depth and other obstacles，land and ocean acquisition geometries can be divided，the excitation region can also be easily achieved，and the excitation sources include vibroseis，explosives，and different kinds of air guns.(4)The coordinates of obstacles which the survey department provides can be directly used to offset optimization design，which significantly simplifies the computation steps and saves design time.(5)Automatic optimization design and its flow that the paper gives provide a basis for complex transition zone operations.

transitional zone； automatic optimization； micro-design； obstacle

2014-07-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41364004)

石雙虎(1980-)，高級(jí)工程師，博士，主要從事地震勘探數(shù)據(jù)采集和非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)方面的研究.E-mail：dgtgha@126.com

P631.4

A

1000-0844(2015)02-0629-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0629