張 華 王梅生 吳 克 儲仿東 張洪濤 高子涵

(①東方地球物理公司采集技術中心，河北涿州 072751；②東方地球物理公司新興物探開發(fā)處，河北涿州 072751)

0 引言

隨著地震勘探技術的發(fā)展，“兩寬一高”地震觀測系統(tǒng)采集道數(shù)越來越多。目前，陸上地震采集的觀測道數(shù)呈現(xiàn)跨越式增長態(tài)勢，在中國已達到5.0×104道/炮的量級，國際上已開始采用超過1.0×105道/炮量級的地震采集[1]，這樣對地震采集裝備資源的需求快速增長，使得地震采集成本日趨增高，采集施工難度越來越大。與此同時，海底節(jié)點(電纜)采集能獲得寬方位、寬頻、高信噪比、高保真地震數(shù)據(jù)，尤其隨著深海油氣勘探力度的不斷加大，海底節(jié)點采集將得到越來越廣泛的應用[2-3]。但海底節(jié)點數(shù)據(jù)采集具有成本高，即投放難、回收難，需要二次定位等特點，使得“兩寬一高”地震采集技術在海域的推廣應用，可能面臨比陸上更突出的地震數(shù)據(jù)采集設備不足問題。陸上可控震源激發(fā)和海上氣槍激發(fā)均具有成本低、可重復激發(fā)的特點，“以炮代道”觀測系統(tǒng)變換(變觀)技術對解決寬方位、高密度觀測系統(tǒng)的地震采集設備不足、減少海上地震采集設備工作量提供了思路，為“兩寬一高”地震勘探技術的推廣拓展了空間。

近年來，陸上和海上不同的地震探區(qū)嘗試了各種以炮代道的變觀方式，實施地震數(shù)據(jù)采集，并以不同形式展示了各自的勘探成果。

袁全社等[4]對北部灣盆地WS區(qū)的正交束狀觀測系統(tǒng)和片狀觀測系統(tǒng)進行對比分析，認為片狀觀測系統(tǒng)優(yōu)于正交束狀觀測系統(tǒng)。張金淼[5]在渤海某靶區(qū)開展了正交寬方位觀測系統(tǒng)與Patch 寬方位觀測系統(tǒng)對比，認為正交束狀的寬方位觀測系統(tǒng)方案明顯優(yōu)于 Patch寬方位觀測系統(tǒng)。何進勇等[6]對比了復合觀測系統(tǒng)與Patch觀測系統(tǒng)，通過屬性分析認為復合寬方位觀測系統(tǒng)在觀測系統(tǒng)屬性、面元屬性和照明效果上都優(yōu)于Patch觀測系統(tǒng)。

張慕剛等[7]提出將常規(guī)觀測系統(tǒng)分別轉化為橫向推拉式、縱向推拉式、縱橫向聯(lián)合推拉式三種觀測系統(tǒng)，以便減輕高效地震采集模式下接收設備的壓力，并可大幅度地提高施工效率。張懷[8]在保證橫向最大炮檢距一致的前提下，提出了炮點分別重復2倍、3倍、4倍的三種橫向推拉式觀測系統(tǒng)。吳安楚等[9]在中東大沙漠區(qū)將常規(guī)三維觀測系統(tǒng)改進為橫向推拉式的觀測系統(tǒng)，方便震源在遠排列進行交替或滑動掃描施工，提高了施工效率，并且節(jié)省一半采集設備。

龔旭東等[10]充分利用縱向大十字技術，成功將陸上寬方位排列片推廣到海上地震采集，相比常規(guī)海上拖纜地震采集，增加了橫向信息和采集方位，提高了復雜地質體照明度。柳興剛等[11]在蘇丹復雜區(qū)采用大十字觀測系統(tǒng)代替常規(guī)高密度寬方位觀測系統(tǒng)，在有限地震采集設備條件下，成功實施了高密度、寬方位地震采集。

馮凱等[12]將陸上觀測系統(tǒng)排列片橫向寬度轉換為炮線長度，炮線長度轉換為排列片寬度，從而實現(xiàn)陸上束狀觀測系統(tǒng)向海洋觀測系統(tǒng)過渡。李海軍等[13]則將氣槍ISS高效作業(yè)模式成功地應用于平行觀測系統(tǒng)。

以炮代道變觀技術在不同的地震勘探階段，為解決地震采集項目難題發(fā)揮著重要作用，也基本滿足了項目技術需求。但早期的以炮代道地震采集觀測系統(tǒng)，尤其是海上采用的以炮代道觀測系統(tǒng)，較少考慮觀測系統(tǒng)等價變換，觀測系統(tǒng)分析也很少做資料分選處理，導致不同地區(qū)觀測系統(tǒng)類型對比差異較大，面元屬性差，勘探精度低。

21世紀以來，中國陸上油氣勘探的重點迅速向復雜構造、地層巖性、碳酸鹽巖和非常規(guī)儲層等四個領域轉移[1]；海上油氣勘探開發(fā)也面臨從淺層向中深層、由構造油氣藏向復雜巖性油氣藏轉移的新態(tài)勢[5]。隨著勘探難度的不斷增大，對地震勘探采集技術的要求越來越高。觀測系統(tǒng)方式近年來也發(fā)生了悄然變化，如海上多方位、全方位拖纜向海底節(jié)點(電纜)正交寬方位轉變，陸上常規(guī)窄方位觀測系統(tǒng)向高密度、寬方位觀測系統(tǒng)轉變，都在主動適應高精度勘探的要求?！皟蓪捯桓摺钡卣鹂碧绞歉呔鹊卣鹂碧降谋厝贿x擇。高精度地震勘探對變觀技術提出了更高要求。

以往文獻雖提出了不同的變觀方案和實踐，但大多未做深入的變觀分析。本文針對目前流行的正交觀測系統(tǒng)變換進行研究分析，從技術需求出發(fā)，提出變觀的設計目標和設計原則，分析了十字子集在變觀中的關鍵作用，剖析了基本觀測系統(tǒng)變換及其典型案例，提出了較系統(tǒng)的變觀理論，對變觀設計、分析和研究具有借鑒作用和現(xiàn)實意義。

1 設計目標及設計原則

基于炮道互換原理的變觀評價標準分為兩個層次。一是基本屬性及特性評價，滿足需求是變觀設計的基礎要求。觀測系統(tǒng)的基本屬性主要是基于疊加成像、構造解釋需求等方面的屬性，如覆蓋次數(shù)、炮檢距、照明能量等，若變觀設計的基本屬性不能滿足需要，則變觀設計毫無意義。二是基于精細勘探需求的特殊屬性及評價，滿足精細勘探的需求?！皟蓪捯桓摺钡卣鸩杉夹g的推廣，標志著地震勘探已全面進入精細勘探階段，基于OVT處理、解釋技術的發(fā)展和應用，對提高構造解釋、裂縫預測、儲層預測及流體檢測等方面的精度發(fā)揮著越來越重要的作用。對于高精度勘探，在觀測系統(tǒng)設計階段就已考慮到高精度成像、巖性反演需求的采集參數(shù)，現(xiàn)場實施的變觀設計須等價于原觀測系統(tǒng)，以保證地震采集工程技術設計的勘探精度，完成既定的勘探目標和地質任務。

因此，高精度勘探的變觀設計不僅要求覆蓋次數(shù)、成像效果等一致，而且炮檢距和對應的方位角要與原設計的觀測系統(tǒng)完全一致?；谂诘阑Q原理的變觀設計須符合以下兩條原則：

(1)變觀前、后滿覆蓋區(qū)域相同子區(qū)內，相應面元炮檢矢量完全相同；

(2)變觀后滿覆蓋區(qū)域相同子區(qū)內，相應面元炮檢矢量完全包含原觀測系統(tǒng)的炮檢矢量，且能通過處理手段消除“多余”的炮檢矢量。

為符合上述兩項原則，一方面，觀測系統(tǒng)變化前、后的炮點距與檢波(接收)點距須保持一致，即面元一致性；另一方面，變化后觀測系統(tǒng)應包含原觀測系統(tǒng)所有縱、橫向炮檢距信息，也就是縱、橫向炮檢距的一致性。

2 十字子集的用途

一個正交三維地震采集的觀測系統(tǒng)具有唯一的十字子集。Vermeer在《三維地震勘探設計》專著[14]中介紹了構建十字子集的方法，即確定一條檢波(接收)線，再找出與該條檢波線相關的全部炮點，這條檢波線與對應的全部相關炮點線就構成了十字子集。十字子集在地震數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮著重要作用。在十字排列基礎上，根據(jù)縱、橫向炮、檢線距劃分為不同的子區(qū)，每個子區(qū)具有大致相同的炮檢距和方位角，形成一個OVT向量片；將不同十字子集相同位置關系的OVT向量片抽取出來，形成覆蓋全區(qū)的單次覆蓋數(shù)據(jù)體，即OVT道集[15-17]。OVT道集是三維地震資料OVT處理、解釋的基礎。

十字子集數(shù)據(jù)體體現(xiàn)了現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)在縱、橫向最高密度采樣特性，有效波和相干噪聲在十字子集域中采樣最充分。若采集設計的炮、檢點采樣間隔能滿足空間采樣定理，則有效波和相干噪聲特征最明顯且容易識別。有效波在XYT三維域中為時間梯度小且平緩變化的雙曲面，而線性干擾為時間梯度大且相對恒定的圓錐曲面(圖1)，兩種曲面在相交處有相同的波至時間。有效波與線性干擾波的視速度和波數(shù)差異較大，地震數(shù)據(jù)從XYT域變換到KKF域，最易將其分開，這對信噪分離和線性噪聲壓制具有十分重要的意義。在計算機性能高速發(fā)展的現(xiàn)今，十字子集域去噪方法已經(jīng)成為相干噪聲壓制的常規(guī)處理手段。薛超[18]和公亭等[19]分別在黃土塬和柴達木英雄嶺地區(qū)的地震數(shù)據(jù)處理中運用了十字排列去噪技術，取得了良好的成像效果。

圖1 十字子集域線性干擾與有效波時距曲面

十字子集排列，通過炮—道互換原理，可等效為“一個”炮點激發(fā)、四周布滿檢波點的共炮集數(shù)據(jù)。十字子集在變觀中也發(fā)揮重要作用。

目前，陸上常規(guī)三維地震采集觀測系統(tǒng)中炮點大多分布在最中間的兩條檢波線之間，本文將同一炮線的相鄰檢波線間的全部炮點稱為一組炮。圖2為陸上常規(guī)三維觀測系統(tǒng)(4線×2炮×8道)的一個簡單模型，其炮、道距為100m，炮、檢線距為200m，一組炮包含兩炮。由常規(guī)觀測系統(tǒng)(圖2)建立了十字子集排列(圖3)，該十字子集排列的炮、道距與常規(guī)三維觀測系統(tǒng)相同。

圖2 陸上常規(guī)三維地震觀測系統(tǒng)模型

圖3 十字子集排列

首先考察十字子集排列與原觀測系統(tǒng)是否等價。若這兩種觀測系統(tǒng)對應面元的炮檢距和方位角完全一致，就可認為這兩種觀測系統(tǒng)是等價的。

圖4為由原觀測系統(tǒng)分析得到的各面元上的一次炮檢矢量分布(排列縱橫向未滾動)；圖5為由構建的十字子集排列分析得到各面元的一次炮檢矢量分布。兩者一次覆蓋的面元個數(shù)是相同的，但對應面元上的炮檢距和方位角均不相同。

圖4在垂直測線方向上隨著面元由反射區(qū)中心位置向外移動，炮檢距不是逐漸增大，而是呈跳躍變化；圖5則無論是沿測線方向，還是垂直測線方向，隨著面元由反射區(qū)中心向外移動過程中，炮檢距都是逐漸增大，方位角也平緩變化。

圖4 常規(guī)三維地震觀測系統(tǒng)模型一次炮檢矢量分布

圖5 十字子集排列一次炮檢矢量分布

觀測系統(tǒng)的對比分析，還可通過對其滿覆蓋區(qū)內相鄰檢波線與相鄰炮線所圍子區(qū)的炮檢距與方位角的綜合對比分析來實現(xiàn)。對于給定滿覆蓋區(qū)域的一個面元，作用于該面元每個“炮檢對”稱為一個炮檢矢量，方向從炮點指向檢波點，長度為炮點到檢波點的距離；將所有有貢獻于該面元的炮檢矢量起點置于面元中心，就形成滿覆蓋區(qū)域的“蜘蛛圖”。滿覆蓋區(qū)域每個子區(qū)內不同面元上的蜘蛛圖都不相同，但不同子區(qū)對應面元位置的蜘蛛圖是相同的。滿覆蓋區(qū)相同子區(qū)內對應面元位置的蜘蛛圖相同與否可作為觀測系統(tǒng)是否等價的判斷指標。

圖6、圖7分別為原觀測系統(tǒng)和構建十字子集排列縱、橫向分別滾動4次后形成的滿覆蓋“蜘蛛”圖(不同顏色表征不同覆蓋次數(shù))?？梢妰烧咄蛔訁^(qū)內對應面元位置的“蜘蛛”圖完全一致(炮檢矢量對比數(shù)據(jù)見附表1)。也說明圖4、圖5炮檢距矢量空間分布位置雖不同，但它們卻包含相同的炮檢距矢量數(shù)據(jù)，圖5是圖4炮檢距矢量的空間重排。

附表1 常規(guī)三維模型與十字子集滿覆蓋區(qū)相同子區(qū)對應面元內炮檢矢量對比數(shù)據(jù)

圖6 常規(guī)三維地震觀測系統(tǒng)模型滿覆蓋“蜘蛛”圖

圖7 十字排列滿覆蓋“蜘蛛”圖

十字子集排列與常規(guī)陸上三維地震觀測系統(tǒng)包含相同的炮檢矢量，排列縱、橫向滾動后，滿覆蓋區(qū)具有完全相同的炮檢矢量組合。因此，在變觀設計時，只要變換后的觀測系統(tǒng)所構建的十字子集與原觀測系統(tǒng)的十字子集相同，則可認為變換前、后的觀測系統(tǒng)是等價的。由此可見，十字子集是聯(lián)結不同觀測系統(tǒng)等價變換的紐帶。

3 兩種基本的觀測系統(tǒng)變換

目前，基于相同十字子集的變觀設計主要有兩種基本形式，即推拉式觀測系統(tǒng)和大十字觀測系統(tǒng)。大多數(shù)正交觀測系統(tǒng)變換都是推拉式或大十字觀測系統(tǒng)中的一種或兩者的交互應用。

3.1 推拉式觀測系統(tǒng)

推拉式觀測系統(tǒng)(圖8)是在常規(guī)三維地震觀測系統(tǒng)(圖2)的基礎上，將檢波線數(shù)減至常規(guī)三維地震觀測系統(tǒng)的一半，炮點由原來布設在中間兩條檢波線之間的一組炮，改變?yōu)椴荚O在接收排列兩側的兩組炮(圖8)。推拉式觀測系統(tǒng)縱、橫向滾動距與原觀測系統(tǒng)的相同，即縱向以炮線距滾動，橫向以檢波線距滾動。推拉式觀測系統(tǒng)檢波線數(shù)減半，橫向通過增加一組炮，使得橫向反射點數(shù)和反射點距與原觀測系統(tǒng)相同，在同樣的橫向滾動距下，橫向滿覆蓋次數(shù)與原觀測系統(tǒng)保持相同，即等于推拉式觀測系統(tǒng)檢波線數(shù)(原觀測系統(tǒng)檢波線數(shù)的一半)。推拉式觀測系統(tǒng)檢波線數(shù)減少一半，而橫向炮數(shù)則增加了一倍。

從推拉式觀測系統(tǒng)很容易提取與原觀測系統(tǒng)完全相同的十字子集(圖3)。因此，推拉式觀測系統(tǒng)與原觀測系統(tǒng)完全等價。圖9為推拉式觀測系統(tǒng)(圖8)的一次炮檢矢量分布，可見其與原觀測系統(tǒng)炮檢矢量分布(圖4)有所不同，為原觀測系統(tǒng)炮檢矢量分布的中間線分開后反折分布，包含了相同的炮檢矢量。圖10為推拉式觀測系統(tǒng)縱、橫向滾動4次滿覆蓋的“蜘蛛”圖，比較圖10與圖6可知，推拉式觀測系統(tǒng)與原觀測系統(tǒng)的滿覆蓋區(qū)對應面元具有完全一致的炮檢矢量分布。

圖8 推拉式觀測系統(tǒng)模型

圖9 推拉式觀測系統(tǒng)模型一次炮檢矢量分布

圖10 推拉式觀測系統(tǒng)模型滿覆蓋“蜘蛛”圖

推拉式觀測系統(tǒng)上側炮組和下側炮組所產(chǎn)生的炮檢矢量分別構成滿覆蓋“蜘蛛圖”的下部與上部。當且僅當排列片橫向滾動后，只有上、下兩組炮點位置完全重合的條件下，滿覆蓋面元內才能形成完整的“蜘蛛圖”，這是應用推拉式觀測系統(tǒng)的前提條件。推拉式觀測系統(tǒng)通過排列兩側炮點橫向滾動后的炮點重復，實現(xiàn)面元炮檢矢量全方位組合，達到與原始觀測系統(tǒng)面元屬性完全相同的目的。

張懷[8]提出由常規(guī)三維地震觀測系統(tǒng)(圖11)變換為三種推拉式觀測系統(tǒng)形式。第一種為基本推拉式觀測系統(tǒng)(圖12)；第二種推拉式觀測系統(tǒng)(圖13)是將檢波線數(shù)選為原觀測系統(tǒng)的1/3，重復3倍放炮；第三種推拉式觀測系統(tǒng)(圖14)的檢波線數(shù)為原觀測系統(tǒng)的1/4，重復4倍放炮。后兩種推拉式觀測系統(tǒng)是基本推拉式觀測系統(tǒng)的延伸形式。此三種觀測系統(tǒng)有一個共同特點，即其十字子集完全相同。根據(jù)這一原則，還可設計出更多的推拉式觀測系統(tǒng)形式。推拉式觀測系統(tǒng)的線數(shù)應設定為原觀測系統(tǒng)線數(shù)的因數(shù)，推拉式觀測系統(tǒng)的炮點位置即為該線數(shù)的原觀測系統(tǒng)炮點位置?？蓪⑹肿蛹帕锌闯墒菣z波線數(shù)最少的一種特殊的推拉式觀測系統(tǒng)。

圖11 常規(guī)三維地震觀測系統(tǒng)

圖12 每個炮點激發(fā)二次觀測系統(tǒng)(檢波線數(shù)為常規(guī)1/2)

圖13 每個炮點激發(fā)三次觀測系統(tǒng)(檢波線數(shù)為常規(guī)1/3)

圖14 每個炮點激發(fā)四次觀測系統(tǒng)(檢波線數(shù)為常規(guī)1/4)

推拉式觀測系統(tǒng)的優(yōu)點是與原觀測系統(tǒng)完全等價，不產(chǎn)生冗余炮檢信息，缺點是檢波線數(shù)選擇相對受限。推拉式觀測系統(tǒng)適用于激發(fā)成本相對較低、激發(fā)效率相對較高的工區(qū)，如陸上可控震源激發(fā)。顯然，三維地震高效采集項目更適合應用推拉式觀測系統(tǒng)。推拉式觀測系統(tǒng)與其他觀測方式聯(lián)合，也適用于海上地震勘探。

推拉式觀測系統(tǒng)是炮點與檢波點相對位置關系的一種觀測方式。一般采用橫向推拉方式，即炮點橫向布設在排列兩側；也可采用縱向推拉方式，即炮點縱向布設在排列兩端，還可采用縱橫向聯(lián)合推拉方式。圖15為由陸上常規(guī)三維觀測系統(tǒng)模型(圖2)變換的縱、橫向聯(lián)合推拉式觀測系統(tǒng)，道數(shù)減至原排列片的1/4，炮數(shù)是原觀測系統(tǒng)的4倍。這與張慕剛等[7]提出的三種推拉式觀測系統(tǒng)相一致。

圖15 縱橫向聯(lián)合推拉式觀測系統(tǒng)模型

3.2 大十字觀測系統(tǒng)

大十字觀測系統(tǒng)為一條炮線與若干條檢波線組成正交觀測的一種炮、檢關系(圖16)。大十字觀測系統(tǒng)檢波排列的所有炮點一次采集完成，排列橫向整體“搬家”(移動)，每條檢波線移動前必須采集完十字子集所有橫向信息。滿足大十字觀測系統(tǒng)的每條檢波線都包含原觀測系統(tǒng)十字子集信息，大十字檢波排列外炮線(附加炮)長度設計為十字子集炮線長度，大十字觀測系統(tǒng)的總炮數(shù)必然多于十字子集炮數(shù)(一條檢波線除外)。因此，大十字觀測系統(tǒng)與原觀測系統(tǒng)并不完全等價，相對于原觀測系統(tǒng)，會產(chǎn)生橫向冗余炮檢距信息。

圖16 大十字觀測系統(tǒng)

由十字子集構建過程可知，十字子集單邊炮線長度等于原觀測系統(tǒng)橫向最大炮檢距，炮組數(shù)等于原觀測系統(tǒng)的檢波線數(shù)。由此得到大十字觀測系統(tǒng)與原觀測系統(tǒng)采集參數(shù)之間的關系，即大十字觀測系統(tǒng)的附加炮組數(shù)與原觀測系統(tǒng)的檢波線數(shù)相等。

大十字觀測系統(tǒng)檢波線數(shù)選擇，原則上是可任意的，但大十字觀測系統(tǒng)的檢波線數(shù)越少，重復炮數(shù)就越多，橫向炮檢距冗余就越少；檢波線數(shù)越多，重復炮數(shù)就越少，橫向炮檢距冗余就越多。大十字觀測系統(tǒng)與原設計觀測系統(tǒng)采集的炮工作量之比符合以下關系

(1)

式中：Nrl表示原觀測系統(tǒng)檢波線數(shù)或大十字觀測系統(tǒng)的附加炮組數(shù)；nrl表示大十字觀測系統(tǒng)檢波線數(shù)。

從式(1)可知：大十字排列檢波線數(shù)nrl越大，M越小，即重復炮越少；大十字排列檢波線數(shù)越少，重復炮越多，一條檢波線達到驚人的Nrl倍炮。式(1)有助于根據(jù)地震采集設備的投入、工區(qū)部署、激發(fā)成本等因素，確定效益最大化的采集方式。

大十字觀測系統(tǒng)一次橫向采集產(chǎn)生的橫向冗余炮檢距數(shù)量可表示為

(2)

式中ns表示一組炮所含炮數(shù)。

由式(2)可看出，大十字觀測系統(tǒng)橫向冗余炮檢距數(shù)量與大十字觀測系統(tǒng)的檢波線數(shù)是二次函數(shù)關系，也與每組炮數(shù)ns有關。隨著大十字觀測系統(tǒng)的檢波線數(shù)增加，橫向冗余炮檢距數(shù)量增加很快，一條檢波線的大十字觀測系統(tǒng)沒有橫向冗余炮檢距信息。

大十字觀測系統(tǒng)每一條檢波線的十字子集均不相同，要保持與原觀測系統(tǒng)完全等效，只需剔除每條檢波線中大于原觀測系統(tǒng)橫向最大炮檢距的炮即可，常用的處理手段是橫向限炮檢距處理。只要大十字觀測系統(tǒng)每條檢波線在選定的橫向限炮檢距范圍內都有正常炮點分布，限炮檢距后覆蓋次數(shù)即是均勻的，限炮檢距后的覆蓋次數(shù)等于限炮檢距范圍內的炮組數(shù)。保證大十字觀測系統(tǒng)每條線橫向都有正常炮點分布最大范圍是大十字觀測系統(tǒng)附加炮線長度，即十字子集單邊炮線長度，也就是原觀測系統(tǒng)橫向最大炮檢距，該范圍內炮組數(shù)等于原觀測系統(tǒng)檢波線數(shù)的一半，即大十字觀測系統(tǒng)最大橫向有效限炮檢距后，覆蓋次數(shù)等于原觀測系統(tǒng)覆蓋次數(shù)，數(shù)據(jù)的炮檢矢量也與原觀測系統(tǒng)完全相同。

如果將大十字觀測系統(tǒng)橫向冗余炮檢距作為有效信息使用，要注意這些冗余炮檢距對數(shù)據(jù)精度的影響程度，冗余炮檢距會不同程度產(chǎn)生地震數(shù)據(jù)“采集腳印”現(xiàn)象。當橫向冗余炮檢距作為有效信息使用時，大十字觀測系統(tǒng)橫向覆蓋次數(shù)的均勻設計是有必要的。一方面，大十字觀測系統(tǒng)接收排列兩邊的炮線長度不小于十字子集兩邊的炮線長度，檢波線數(shù)選擇也不是任意的。大十字觀測系統(tǒng)橫向搬家前，橫向反射點數(shù)(每組炮選一個點)及覆蓋次數(shù)相互關系可表示為一個梯形模板(圖17紅色折線)，梯形模板的滿覆蓋點數(shù)等于附加炮組數(shù)，最高滿覆蓋次數(shù)為大十字排列檢波線數(shù)，覆蓋次數(shù)漸減帶點數(shù)(含一個滿覆蓋點)也等于大十字排列檢波線數(shù)，點距為半個檢波線距。

圖17 大十字觀測系統(tǒng)梯形模板及橫向推演示意

梯形模板橫向滾動，每次滾動2nrl個點，滿覆蓋點總數(shù)被2nrl分若干次后，當剩余滿覆蓋點數(shù)為nrl時，相關梯形模板的覆蓋次數(shù)漸減帶才能無縫銜接成正常滿覆蓋次數(shù)，達到橫向上滿覆蓋次數(shù)的均勻

(3)

式中k為自然數(shù)。將式(3)化簡

(4)

由此不難得到滿足橫向滿覆蓋次數(shù)均勻條件公式

(5)

式中：Ns為大十字觀測系統(tǒng)設計總炮數(shù)；ds為炮點距；Rli為檢波線距；K為非零自然數(shù)。式(5)表明，大十字觀測系統(tǒng)排列片的設計總炮點數(shù)乘以炮點距與檢波線數(shù)乘以檢波線距之比應為偶數(shù)，橫向滿覆蓋次數(shù)才是均勻的。因與大十字觀測系統(tǒng)的炮數(shù)、檢波線數(shù)等參數(shù)的關系更明晰，所以更方便、實用。

大十字觀測系統(tǒng)檢波線數(shù)選擇靈活，項目實施不受地震采集設備道數(shù)限制，較少采集設備道數(shù)也能進行寬方位、高密度地震勘探。大十字觀測系統(tǒng)的另一優(yōu)點是排列整體搬家，不需重復收放檢波器等接收設備，可大大減輕海底節(jié)點、電纜等重復收放的工作量，因此該技術也被廣泛地應用于海上地震勘探。大十字觀測系統(tǒng)的缺點是重復放炮量較大，橫向上不同程度地產(chǎn)生炮檢距冗余，降低了激發(fā)炮的利用率。

大十字變觀技術與推拉式觀測系統(tǒng)一樣，也是炮點與檢波點相互位置關系的一種觀測方式，不但適用于橫向觀測，也適用于縱向觀測。

大十字觀測系統(tǒng)橫向上排列整體搬家滾動，縱向上滾動距與原觀測系統(tǒng)相同，即一個炮線距。陸上地震勘探大多單獨使用大十字觀測系統(tǒng)；海上應用大十字觀測技術時常與其他以炮代道觀測技術聯(lián)合進行?？v、橫向均采用大十字觀測技術的觀測系統(tǒng)稱為“Patch”排列片，“Patch”觀測系統(tǒng)是與接收排列所有相關炮點一次采集完成，然后排列片以橫向檢波線數(shù)、縱向接收道數(shù)為滾動距，實施整體搬家?！癙atch”觀測系統(tǒng)的施工組織較靈活，早期海上地震勘探運用較多?！癙atch”觀測系統(tǒng)缺點是重復炮量大，冗余炮檢信息更多。

大十字觀測中檢波線數(shù)(道數(shù))設定更靈活、自由，對于“Patch”觀測系統(tǒng)，原則上“單道”也能實現(xiàn)寬方位、高密度地震勘探，它是以海量重復激發(fā)炮數(shù)為前提的。

當橫向采用推拉式觀測、縱向采用大十字觀測時，推拉式的橫向兩組炮疊加大十字觀測模式，就形成兩個炮線束，平行分布在排列兩側，這種觀測系統(tǒng)常被稱為平行觀測系統(tǒng)(圖18)。平行觀測系統(tǒng)采用橫向滾動一條檢波線、縱向上排列整體搬家的滾動方式，兼顧了“Patch”觀測系統(tǒng)海上勘探優(yōu)點，最大程度減少了重復炮。目前，平行觀測系統(tǒng)成為海上地震勘探的常用觀測系統(tǒng)。平行觀測系統(tǒng)的施工順序一般先橫向滾動采集，后縱向采集。由于排列片縱向整體搬家，可根據(jù)工區(qū)部署情況和采集設備投入量，將工區(qū)劃分為若干塊進行采集，每塊稱為一個“Zipper”(有時也稱作“Tier”)，根據(jù)Zipper長度設計接收排列長度和接收道數(shù)。

圖18 平行觀測系統(tǒng)

4 應用實例

4.1 東非M探區(qū)大十字觀測系統(tǒng)變換

在東非M探區(qū)進行地震勘探時，油公司給定的三維地震采集觀測系統(tǒng)模板為48線×6炮×384道，檢波點、炮點距均為25m，檢波線、炮線距均為150m，排列片縱、橫向滾動距分別為炮、檢線距(150m)，采用可控震源激發(fā)。按照該觀測系統(tǒng)施工，排列片總道數(shù)為18432?？紤]到排列滾動時的備用線，所需投入的儀器采集道數(shù)至少要達到40000，而當時在該區(qū)所擁有儀器采集道數(shù)尚不足15000，重新調集或購置儀器將會延誤工期。

在此情況下，只能嘗試以炮代道的變觀方案。甲方油公司接受變觀進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的動議，但強調變觀采集的地震資料信息不少于原設計觀測系統(tǒng)應獲取的地震信息，且通過處理手段可獲得原設計方案能獲取的所有資料成果。在反復權衡所具備的接收道數(shù)能力和處理方法的基礎上，最終采用的以炮代道方案為大十字觀測系統(tǒng)，其模板為16線×384炮×384道(圖19)。炮、道距和炮、檢線距等采集參數(shù)均與原觀測系統(tǒng)相同，大十字橫向滾動16條檢波線(2400m)，縱向滾動一條炮線(150m)。

圖19 東非M探區(qū)實施的大十字觀測系統(tǒng)

原觀測系統(tǒng)模板檢波線數(shù)為48、炮點數(shù)為6，變觀后的大十字觀測系統(tǒng)檢波線外每側炮點應不少于144個，而實際設計的大十字觀測系統(tǒng)每側炮點為147個，包含了原設計觀測系統(tǒng)十字子集信息。從橫向滿覆蓋次數(shù)均勻性分析，大十字觀測系統(tǒng)總炮數(shù)乘以炮點距與檢波線數(shù)乘以檢波線距之比為4，符合比值為偶數(shù)的要求。大十字觀測系統(tǒng)的附加炮組數(shù)比十字子集多一組(6)炮，充分地考慮并達到了橫向覆蓋次數(shù)均勻。該項目采用大十字觀測系統(tǒng)采集后，檢波線數(shù)降為原設定數(shù)的1/3，炮數(shù)是原設計方案的4倍。

采用的大十字觀測系統(tǒng)橫向最大炮檢距為5912.5m(原設計為3587.5m)，總覆蓋次數(shù)達到1024(比原設計增加256次)，總炮道密度也增加了。將大十字觀測系統(tǒng)橫向滾動3次、縱向滾動42次，獲得縱向滿覆蓋次數(shù)32、滿覆蓋長度1650m；橫向滿覆蓋次數(shù)32、滿覆蓋寬度3675m的包含大十字排列全部炮檢信息特征的滿覆蓋資料區(qū)域。

圖20為大十字觀測系統(tǒng)滿覆蓋區(qū)的最大炮檢距分布，藍色區(qū)面元的最大炮檢距小，紅色區(qū)面元的最大炮檢距大，具有在橫向上分塊、條帶狀分布的特征，最大炮檢距相差達1km；大十字排列橫向滾動銜接部位滿覆蓋區(qū)(中間1/3條帶寬度)與其他滿覆蓋區(qū)的最大炮檢距分布在細節(jié)上也存在差異。

圖20 大十字觀測系統(tǒng)最大炮檢距分布

圖21為通過橫向限炮檢距得到的原觀測系統(tǒng)的最大炮檢距分布，該分布在縱、橫向分別以炮、檢線距(150m)為步長呈空間周期變化，最大炮檢距相差約為180m。可見大十字觀測系統(tǒng)橫向產(chǎn)生的冗余炮檢距信息，在空間上的分布是不均勻的，影響了數(shù)據(jù)整體的均勻性。

圖21 原觀測系統(tǒng)最大炮檢距分布

采集腳印是成果數(shù)據(jù)在空間上子波形態(tài)的差異，主要表現(xiàn)為振幅差異。從采集腳印的觀測系統(tǒng)成因分析，炮檢矢量空間差異是造成地震采集腳印的根本原因，采集腳印分布隨炮檢矢量空間變化而周期性地變化。根據(jù)東非M探區(qū)的主要勘探目的層埋深和巖性參數(shù)，分別對大十字觀測系統(tǒng)和原觀測系統(tǒng)進行地震采集模擬疊加分析。

圖22、圖23分別為大十字觀測系統(tǒng)與原觀測系統(tǒng)的數(shù)值模擬疊加結果?？梢姶笫钟^測系統(tǒng)模擬疊加振幅空間變化大，最小值為32.90，最大值為33.51，振幅相對變化達1.82%；原觀測系統(tǒng)模擬疊加的振幅最小值為27.24，最大值為27.26，振幅相對變化僅0.07%。大十字觀測系統(tǒng)的所有橫向信息都參與處理應用，會產(chǎn)生地震采集腳印問題。大十字觀測系統(tǒng)采集腳印產(chǎn)生的主要原因，類似于早期束線三維觀測系統(tǒng)，因其設定的炮點線長，排列片橫向滾動距大，是導致產(chǎn)生“采集腳印”的重要因素之一[20]。

圖22 大十字觀測系統(tǒng)模擬疊加振幅分布

圖23 原觀測系統(tǒng)模擬疊加振幅分布

從對地下成像點采集信息貢獻角度分析，橫向大炮檢距信息拓寬了波數(shù)范圍和空間分布，能提高成像點子波空間分辨率，使橫向偏移歸位更準確。但橫向炮檢距大而不勻帶來了地震數(shù)據(jù)的采集腳印問題。對于大十字觀測系統(tǒng)的橫向大炮檢距信息的取舍，應根據(jù)大十字觀測系統(tǒng)縱、橫向最大炮檢距參數(shù)和地震數(shù)據(jù)用途綜合考慮，慎重使用。

在大十字觀測系統(tǒng)設計時，已考慮了包含原始觀測系統(tǒng)的十字子集信息，將橫向限炮檢距的最大炮檢距選擇為原觀測系統(tǒng)的橫向最大炮檢距，對大十字觀測數(shù)據(jù)進行橫向限炮檢距處理后，覆蓋次數(shù)均勻，且完全等同于原設計觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)體屬性。

4.2 印尼某海上平行觀測系統(tǒng)變換

觀測系統(tǒng)參數(shù)做以下設定。

接收排列：21線×295道=6195道

檢波線距：200m 道距：50m

激發(fā)排列：2束×4條(Inline)×949炮

=7592炮

炮線距：50m 炮點距：25m(Inline)

兩個炮線束的每束包含4條炮線；奇數(shù)炮線與偶數(shù)炮線之間錯位半個炮點距(圖24)，檢波器類型為海底節(jié)點。

圖24 印尼某海上平行觀測系統(tǒng)

該平行觀測系統(tǒng)縱向上采用大十字觀測、橫向上采用推拉式觀測技術。滾動方式為：橫向上滾動一條檢波線(200m)，縱向上滾動距為整個排列長度(14700m)?，F(xiàn)場采集時，縱向上將工區(qū)劃分為若干個“tier”，每個“tier”長度即為14700m。即先橫向滾動采集，每束線的兩個炮線束采集完成，橫向滾動一條檢波線；每個“tier”橫向采集完成，縱向搬家，進行下一個“tier”的采集工作。

該平行觀測系統(tǒng)的奇數(shù)炮線與偶數(shù)炮線錯位半個炮點距，這通常是氣槍施工的需要，尤其是多源船施工，一方面給氣槍充氣留有時間，另一方面是減少相鄰炮間的氣泡影響。奇數(shù)線與偶數(shù)線錯動也實現(xiàn)了縱向面元細分，即縱向面元由12.50m細分為6.25m。兩個炮線束的炮點對稱接收排列錯位分布，即下側炮線束奇數(shù)炮線縱向錯位半個炮點距，上側炮線束偶數(shù)線縱向錯位半個炮點距，這樣的布炮方式使得橫向滾動后，上、下兩束炮線的炮點均不重復，中心反射點也不重復，奇、偶炮線錯開后橫向面元寬度由單邊50m再次細分為25m。最終實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)采集密度為6.25m×25m。橫向滿覆蓋次數(shù)并不等于檢波線數(shù)(21次)，而是將21次覆蓋橫向分開分布，因為奇數(shù)檢波線橫向覆蓋次數(shù)會以11次、10次交替分布。

上、下炮點橫向滾動不重復的結果，縱、橫向滾動后的“滿覆蓋”炮檢矢量為原觀測系統(tǒng)“蜘蛛圖”的上部或下部，且在相鄰面元上下、左右交替分布(圖25)。通常數(shù)據(jù)處理時，縱向面元選擇為12.5m，從而使每個面元的“蜘蛛”圖與原設計觀測系統(tǒng)相同，橫向滿覆蓋次數(shù)也變?yōu)?1次。

圖25 實際觀測系統(tǒng)滿覆蓋“蜘蛛”圖(局部)

該平行觀測系統(tǒng)總接收道數(shù)為6195(原設計的總接收道數(shù)為7560)。從排列片總道數(shù)看，平行觀測系統(tǒng)的總道數(shù)比原觀測系統(tǒng)的總道數(shù)并未明顯減少。因為該項目為勘探公司重大勘探項目，配備地震采集節(jié)點設備數(shù)量相對較多。最終實施觀測系統(tǒng)的選擇是在充分利用所配備節(jié)點設備的基礎上，合理劃分采集區(qū)塊，最大程度地減少重復放炮，以達到采集效率最大化。

根據(jù)式(5)計算，該平行觀測系統(tǒng)縱向滿覆蓋次數(shù)并不均勻，縱向最大炮檢距達19200m。觀測系統(tǒng)設計更多地考慮了數(shù)據(jù)處理在縱向上做限炮檢距(4500m)處理，對采集數(shù)據(jù)進行篩選，剔除縱向冗余炮檢距信息，回歸原設計觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)屬性。

對該平行觀測系統(tǒng)縱向限炮檢距4500m后，排列未滾動，縱向滿覆蓋次數(shù)為90，滿覆蓋長度為10.3km。若采用常規(guī)三維觀測系統(tǒng)采集同樣面積的數(shù)據(jù)，則根據(jù)海底節(jié)點施工要求，至少需配備19950道海底節(jié)點。充分體現(xiàn)了大十字、推拉式等以炮代道觀測技術在海上節(jié)點地震采集中發(fā)揮的重要作用。

5 結論

以炮代道變觀技術結合現(xiàn)代三維地震高效采集技術，對寬方位、高密度地震勘探發(fā)揮著越來越重要的促進作用。以炮代道變觀設計能以有限的道數(shù)實現(xiàn)超高道數(shù)的高密度現(xiàn)場采集；對于海上地震勘探，也可通過以炮代道變觀設計最大程度地減輕海底節(jié)點、電纜施工工作量。通過分析、總結以炮代道變觀技術，取得以下幾點認識：

(1)以炮代道變觀是對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方式的改變，變觀不應改變原地震采集工程技術設計確定的觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)屬性；變觀要與原地震采集工程技術設計的觀測系統(tǒng)等價，十字子集相同是變換后觀測系統(tǒng)等價于原設計觀測系統(tǒng)的基本條件。

(2)推拉式、大十字、平行觀測系統(tǒng)、Patch觀測系統(tǒng)等都是常規(guī)三維觀測系統(tǒng)的一種等價變換形式；非等價變換的觀測系統(tǒng)評價實質是對觀測系統(tǒng)參數(shù)選擇的評價，不應武斷某種變觀形式的優(yōu)劣。

(3)推拉式觀測系統(tǒng)和大十字觀測系統(tǒng)是正交觀測系統(tǒng)變換的最基本變觀形式，大多數(shù)復雜的變觀設計都可分解為推拉式和大十字兩種形式。推拉式觀測系統(tǒng)屬性與原觀測系統(tǒng)完全等價，大十字觀測系統(tǒng)剔除冗余炮檢距信息后，也與原觀測系統(tǒng)完全等價。

(4)推拉式和大十字變觀技術均可在接收排列的橫向或縱向上適用。推拉式觀測系統(tǒng)不產(chǎn)生冗余炮檢距信息，炮道數(shù)之積與原觀測系統(tǒng)的炮道積是一種恒定關系。大十字線(道)數(shù)選擇較靈活，線(道)數(shù)多，重復炮數(shù)越少，產(chǎn)生冗余炮檢距信息就越多；線(道)數(shù)少，重復炮數(shù)就越多，產(chǎn)生的冗余炮檢距信息反而少。大十字觀測系統(tǒng)炮道積常大于原觀測系統(tǒng)的炮道積。