随着油公司低成本、高效勘探需求日益增加, 可控震源高效地震采集技术在国内外得到广泛应用。该技术需几十台可控震源及数万道采集设备, 日生产效率可达2×10⁴~4×10⁴炮。可控震源高效勘探研究主要集中在采集阶段高效作业方法、实时质控技术、处理阶段谐波压制和混波数据分离成像等方面。在后期处理阶段, 噪声压制技术的研究目的在于提高含有大量谐波、混波噪声地震数据的信噪比和分辨率, 利用各种先进处理技术分离谐波和混波以提升地震数据品质^[1-3]。高效地震采集作业研究目的在于确保采集质量的前提下尽可能提高生产效率, 实时质控技术研究目的在于在野外采集的源头上最大限度保障地震数据质量, 主要对震源性能、接收排列、GPS时间与定位精度、激发时间-距离等参数进行实时监控。

PETER等^[4]阐述了日效超4×10⁴炮高效地震采集及质控的机遇与挑战, 此种高效采集方法主要对可控震源相位振幅等属性、GPS时间和定位等信息进行质控。孙哲等^[5]研究了超高效混叠地震采集实时质控技术, 通过搭建光纤局域网络, 实现数据实时传输, 其质控重点为连续数据丢失情况和排列状态等。潘英杰等^[6]提出了高效地震采集实时质控高性能解决方案, 通过多线程技术提高质控效率, 该方案主要对断排列和数据丢失情况进行监控。王秋成等^[7]分析了动态扫描高效地震采集实时质控要点, 主要包括采集参数、辅助道和震源性能状态等。肖虎等^[8]研究了可控震源动态扫描技术, 详细介绍了T-D工作原理及实现方法, 生产效率得到了提高, 但未讨论采集阶段如何进行T-D质控保障数据质量。聂明涛等^[9]研究了高效地震采集激发质量控制技术, 包括震源属性分析、GPS时间、力信号、T-D规则检查等方面, 质控内容丰富, 但该高效地震采集质控研究只展示了常规T-D检查结果, 未论述如何实现T-D质控。

多数可控震源高效地震采集质控技术研究聚焦于震源属性、排列状态等方面, 主要对质控效率进行改进提升, 但对于T-D质控技术的研究较少或仍采用常规T-D质控方法, 这导致了不符合T-D规则的无效地震记录被误认为有效炮因而降低地震数据品质, 并带来较大的质量风险。针对这些问题, 本文详细研究了高效地震采集T-D工作原理, 并提出一种可以平衡地震数据质量与采集效率的T-D设计方法, 指出常规质控方法存在的缺陷与不足, 提出利用加滑动时窗的T-D质控改进方法, 及时发现不符合T-D规则的废炮, 在提高作业效率的同时保证了采集数据的质量。

1 可控震源高效地震采集T-D规则 1.1 常规台阶式T-D规则

目前地震数据高效地震采集过程中, 普遍采取组合多种可控震源激发方法以提高地震采集生产效率。采集生产过程中运用交替扫描、滑动扫描、距离分开同步扫描(distance separated simultaneous sweeping, DSSS)、距离分开同步滑动扫描(distance separated simultaneous sweeping with slip-sweep, DSSSS)及独立同步扫描(independent simultaneous sources, ISS)等高效地震采集方法。BOUSKA^[10]提出的DSSS方法极大地提高了扫描速度, 最高时效超1 000炮/小时; ABMA^[11]提出增强同步激发时间随机性以提升地震数据成像质量; 骆飞等^[12]提出分频同时扫描采集方法, 利用不同频率互不相关特性降低噪声干扰; 王增波等^[13]利用多线程多节点实现同步扫描炮集, 利用数据切分方法提高了大数据量的处理效率。地震记录仪器根据不同震源之间的激发距离D及相邻两炮之间的激发时间间隔T, 进行排序以确定不同炮点的激发顺序。激发距离和激发时间间隔始终处于一种动态调整过程中, 需建立一套高效地震采集激发规则, 实现动态滑动扫描高效地震采集。高效地震采集基本原理是在保证地震数据质量、减少邻炮噪声干扰的前提下, 尽可能地压缩相邻两炮之间的扫描时间间隔, 以争取在最短采集时间内激发更多炮点, 达到高效地震采集的目的。各种地震采集方法对激发距离和激发时间间隔的要求不同, 具体情况如表 1所示。

对比分析以上各种高效地震采集方法发现, 不同地震采集方法具有不同的扫描时间间隔及激发距离要求, 有的地震采集方法扩大震源间距以降低扫描时间间隔的要求, 有的采集方法延长扫描时间间隔以降低相邻炮扫描距离的限制。以上各种地震采集方法各具特色但均存在一定缺陷, 如交替扫描虽能保证数据质量但存在生产效率低、施工成本高等缺点, 可控震源生产施工中所占比例正逐渐减少; ISS采集方法虽然生产效率极高, 但谐波、邻炮混波等噪声干扰严重, 地震数据品质差, 需配套混波分离等处理技术, 进而导致后期室内处理工作量的增加, 该技术仅可应用于少量超高效勘探生产。为了兼顾作业效率和采集数据质量, 肖虎等^[8]和梁晓峰等^[14]分别提出了可控震源动态滑动扫描采集方法, 即通过制定一套激发距离和激发时间间隔动态变化的施工规则, 将交替扫描、滑动扫描、DSSS等技术结合起来, 尽量发挥出各种采集方法的优点同时规避各种采集方法的不足。该方法在保障地震数据质量的前提下减少了噪声干扰, 产生的干扰可以通过后期高密度、高覆盖次数叠加、噪声衰减等处理手段进行压制, 尽可能地压缩了相邻炮之间的放炮时间间隔, 从而提高了采集效率。

图 1为可控震源高效地震采集台阶式T-D激发规则示意, 地震仪器根据可控震源之间距离和相邻两炮时间间隔, 动态调整震源组激发方式^[14]。

该T-D激发规则可称为台阶式T-D曲线, D₁为最小滑动扫描距离(D₁≥D₀, D₀=0), D₃为最小同步扫描距离, T₁为交替扫描时间间隔, T₂为滑动时间间隔, T₃为同步扫描时间间隔, 可控震源高效地震采集野外实施步骤如下。

1) 可控震源组通过自主导航到达预设激发点后, 降落平板, 计算组内震源间组合中心距COG坐标, 并将Ready信号发回仪器, 仪器收到Ready信号后计算炮点间距离, 优先选择d≥D₃的远距离炮点进行激发, 同步触发两个或多个炮点同时扫描采集。

2) 在高效地震采集过程中, 动态比较处于扫描状态下炮点与仪器等待序列中尚未触发炮点的彼此间距d₀, 然后通过图 1中T-D规则曲线, 求出满足激发条件的最小时间间隔t₀, 发现满足动态滑动扫描曲线炮点坐标(d₀, t₀)落在图中蓝色曲线上或曲线上方有效区域。在直角坐标系中过炮点坐标(d₀, t₀)做平行于纵坐标T轴的直线得到其与T-D曲线的交点t₁, 过炮点坐标(d₀, t₀)做平行于横坐标D轴的直线得到其与T-D曲线交点d₁。符合动态扫描曲线规则的可激发条件为:

$ d_{0} \geqslant d_{1} \quad \text { 且 } \quad t_{0} \geqslant t_{1} $

(1)

3) 当炮点横坐标d₀处于(D₀, D₁)范围且无其它可激发炮点情况下, 仪器将触发交替扫描模式, 扫描时间t₀≥T₁, 此时扫描时间间隔过大, 施工效率下降。可适当拉开震源组间距离, 以扩大距离d₀, 使得d₀≥D₁, 以减少上述情况的发生。

4) 重复上述步骤形成动态循环, 仪器等待激发序列始终处于变化调整过程, 直到激发完成所有炮点。

相较于表 1中所示的可控震源高效地震采集方法, 台阶式动态滑动扫描采集方法在提高生产效率的同时还能在一定程度上保证地震数据质量。但是该方法存在一定不足, 依据该T-D规则, 在(D₀, D₁)距离范围内交替扫描, 当D₁距离过大时, 虽然保证了近距离范围内数据质量, 但参数选择过于保守导致施工效率受到影响; 在(D₁, D₂)距离范围内滑动扫描, 靠近D₂端距离较大时, 谐波干扰较弱, 此时仍选择T₂作为滑动时间将影响施工效率。为克服台阶式动态滑动扫描采集方法的缺陷, 本文提出一种新的T-D激发规则, 即梯形式T-D激发规则, 在保证采集数据质量前提下, 利用上述规则的本文方法可进一步提高生产效率。

1.2 梯形式T-D激发规则

可控震源高效地震采集根据谐波噪声、勘探目标、生产效率等因素综合确定T-D激发规则关键节点参数, 地震勘探侧重点不同导致T-D参数曲线存在差异。BOUSKA^[10]利用最大炮间距及其双程旅行时确定最小同步激发距离, 以降低邻炮噪声干扰。肖虎等^[8]详细介绍了动态滑动扫描实现方法, 为加快采集施工进度, 0~8 km即开始滑动扫描, 该方法在提高生产效率的同时, 导致近距离邻炮干扰较大, 降低了短距离滑动地震数据质量。周恒等^[15]介绍了国外某探区超大型地震采集项目, 为达到日效超2×10⁴炮高效地震采集目标, 将T-D参数设置为6 s滑动扫描采集及500 m同步扫描采集, 该项目将采集效率作为首要目标导致地震数据谐波及邻炮干扰严重, 地震数据品质差, 需要依靠后期室内噪声压制提高数据质量。

为保障地震数据质量、同时保持较高的地震采集效率, 本文提出了一种兼顾质量与效率的方法, 即不过分追求采集超高效率导致数据品质较差, 也不过分保守导致采集效率低下。如图 2所示, 在常规高效地震采集台阶式T-D规则曲线内部嵌入斜坡变成梯形式T-D规则曲线, 设扫描时间为S, 听时间为L, 将滑动扫描首个拐点(D₁₁, T₁₁)前移到(D₁, T₁)位置, 滑动扫描后拐点(D₂₂, T₂₂)前移到(D₂, T₂), 且满足如下要求:

$ D_{1}>D_{0} \text { 且 } T_{1} \geqslant S+L $

(2)

该规则使得在激发较短距离(D₀, D₁)范围内地震采集施工保持交替扫描作业, 同时在图中黄色三角区域RT₁范围内利用大量激发炮点进行滑动扫描作业, 从而提高采集效率。而根据传统台阶式T-D规则可知, 在激发距离(D₀, D₁₁)范围内因采用交替扫描导致(D₁, D₁₁)的区间采集效率过低。选择首个滑动距离D₁起始点时, 应充分利用LU等^[16]统计分析结果: 谐波在激发点具有强能量、严重干扰, 但随着炮检距增大, 谐波能量呈近似反函数递减规律, 远炮检距区域谐波能量较弱, 呈线性缓慢衰减特征((3)式)。不难发现, 超过2.5 km谐波能量很弱, 该距离可作为首个滑动距离D₁, 并根据实际情况可调整为2 km或者3 km, 即保证低于该距离地震数据无谐波干扰, 超过该距离依据梯形式T-D曲线滑动扫描保证采集效率。

$ E(d)=\left\{\begin{array}{cc} \frac{8.8}{d+0.01} & d \leqslant 2.5 \\ -0.34 \times d+5 & d>2.5 \end{array}\right. $

(3)

式中: d为炮检距; E(d)为谐波相对能量。

随着炮检距进一步增大, 谐波能量干扰逐渐减弱, 如果继续采用如图 2中(D₂, D₂₂)红色虚线所示的台阶式T-D规则进行扫描, 则采集施工参数过于保守, 导致图中黄色三角区域RT₂内无法进行高效动态滑动采集, 导致生产效率下降。利用台阶式T-D规则可将位于坐标(D₂₂, T₂₂)的首个同步扫描拐点下拉到(D₃, T₃)位置, 且满足(4)式要求。该规则避免了在(D₂, D₂₂)范围内大量炮点只使用同一个滑动时间参数而降低施工效率, 通过调整斜边斜率, 可保证远炮检距范围内滑动时间缩减幅度同谐波能量衰减保持类似的、缓慢衰减趋势, 以减少谐波干扰, 同时在RT₂区域内增加大量动态滑动扫描炮点可提高采集效率。

$ \left\{\begin{array}{l} D_{2}<D_{22} \text { 且 } k_{1}>2 \times k_{2} \\ k_{1}=\frac{T_{1}-T_{2}}{D_{2}-D_{1}} \\ k_{2}=\frac{T_{2}-T_{3}}{D_{3}-D_{2}} \end{array}\right. $

(4)

式中: k₁为RT₁区域的斜边斜率; k₂为RT₂区域的斜边斜率, k₂斜率至少小于k₁斜率的一半。

2 可控震源高效地震采集T-D质控方法研究 2.1 以往T-D质控方法

高效地震采集实施过程中, 首先在地震仪器上设置T-D激发扫描参数, 在野外接收排列上将震源按照一定距离分开并均匀分布在整个工区内, 多组可控震源按照提前设计的行进路线移动、降落平板、发送Ready信号、仪器计算并发送激发指令、震源开始扫描激发、升起平板、搬到下一个炮点等如此反复, 完成高效地震采集作业。根据T-D规则, 地震仪器可以在Ready队列中优选距离远、激发时间短的炮点优先扫描, 不同炮点在Ready队列中处于等待激发、正在扫描、听、数据提取、处理、输出等多个状态。

然而高效地震采集施工受仪器状况、天气、通讯条件等多重因素影响, 会产生一些不符合T-D规则的废炮, 形成较强噪声干扰从而影响地震数据质量。文中所涉及的T-D质控废炮均违反了高效地震采集T-D规则施工参数要求, 如未达到滑动时间或者激发距离参数要求即开始扫描采集, 激发炮之间时间间隔过短或者距离过近, 导致谐波或混波干扰严重, 具体表现为炮点落在T-D曲线下方无效区域。为保障地震数据品质, 通常需针对这类问题建立一套T-D质量监控流程, 该流程包括3个阶段。

1) 野外实时监控阶段: 地震仪器及时发现该类废炮并立即补炮。通过自主开发实时质控软件接入仪器采集数据库, 实时读取相邻炮位置坐标、激发时间信息, 根据T-D曲线图判断炮点(d₀, t₀)落在哪个区域。如果落在无效区域, 则为废炮, 发出警报, 提醒仪器操作人员, 及时补炮。

2) 室内质量监控阶段: 后期室内需检查仪器VAPS震源属性原始数据, 进一步筛选违背T-D规则的废炮。通过室内质控软件读取VAPS数据中每炮的坐标值和时间间隔, 计算相邻两炮时间、距离, 并与T-D曲线对比判断是否符合技术参数要求, 如发现废炮则删除, 避免上交的数据存在质量问题。

3) 油公司质控部门对上传提交的仪器数据进行T-D监控, 避免违反T-D规则的地震数据进入勘探数据库。

以往T-D质控方法如图 3所示, 图 3a为震源野外空间分布示意图, 在震源组数适中、生产效率不是特别高的情况下, 5个炮点按照数字顺序依次激发, 相邻震源组之间距离分别为Δd₁, Δd₂, Δd₃, Δd₄, 其中第1炮激发起始时间为T_{B_1}, 两炮之间激发时间间隔依次为Δt₁, Δt₂, Δt₃, Δt₄, 第2炮至第5炮起始时间分别为T_{B_1}+Δt₁, T_{B_1}+Δt₁+Δt₂, T_{B_1}+Δt₁+Δt₂+Δt₃, T_{B_1}+Δt₁+Δt₂+Δt₃+Δt₄, 如图 3b所示。需判断相邻震源组F1与F2、F2与F3、F3与F4、F4与F5之间的距离间隔Δd与时间间隔Δt是否符合T-D规则, 将计算产生的时间-距离投影到T-D曲线上, 如果激发点落在无效区域即为废炮, 提取出激发点坐标与桩号, 地震仪器通知震源组重新激发完成补炮。

2.2 改进的T-D质控方法

以往T-D质控方法主要是通过计算相邻两炮之间的时间和距离进行T-D判断, 这种方法针对生产效率不是特别高的地震采集项目是可行的。但是在超高效地震采集生产过程中, 每天生产效率在2×10⁴~3×10⁴炮之间, 震源分布范围广, 受仪器、通讯条件、GPS信号强弱等因素影响, 震源组之间并未完全遵守T-D规则, 此时进行激发扫描, 容易导致存在违背T-D规则的废炮, 只计算相邻两炮的常规质控方法已不再适用, 且难以发现这类废炮, 进而影响地震数据质量。这种情况下, 需扩大激发距离和时间间隔的监控范围, 不再仅仅利用相邻两炮之间T-D参数, 而应在一定激发时间范围内利用任意两组炮点之间的激发距离和激发时间间隔。本文提出一种沿着采集时间轴加时间窗口的T-D质控方法, 逐炮滑动、计算窗口内任意震源组合时间距离关系, 然后投影到T-D曲线中, 以便及时发现违反T-D规则的废炮。为便于理解这种改进的T-D质控方法, 利用图 4进行说明。

在上一节中提到连续5炮高效地震采集激发, F5炮激发后, 再间隔Δt₅时间F6震源移动到激发点并接收到仪器触发指令开始扫描激发, F5与F6组之间距离为Δd₅, 远大于Δd₁~Δd₄范围内激发炮点间隔, 利用F5与F6炮点之间距离和时间间隔, 采用常规质控方法未发现不符合T-D规则的曲线, 距离-时间点分布在有效区域, 即利用常规方法视F6为有效炮。

但是由于高效地震采集时间间隔Δt均极短, F6震源开始扫描时F3震源仍在扫描采集。依据如图 4b所示的改进的T-D质控方法, 选定一个时间窗口(图 4b中虚线框所示), 计算任意两组震源之间的激发距离和时间间隔, 图中不同折线颜色代表不同震源组合计算, 每组震源都要与其它组震源进行5次计算, 窗口内计算完毕后, 沿时间轴逐炮滑动窗口进行下一轮循环计算, 直至筛选完所有炮点。常规T-D质控方法只需计算相邻两组震源即可, 每组震源只需计算一次。利用改进的T-D质控方法可以发现, F6与F3两炮之间实际激发时间间隔为Δt₃+Δt₄+Δt₅, 但由于F6与F3之间激发距离较小为Δd_{_36}, 故应按照交替扫描(扫描时间间隔大)规则执行, 根据T-D规则计算得到的激发时间间隔Δt应大于Δt₃+Δt₄+Δt₅, 即此时F6与F3震源组之间激发参数违反了T-D规则, 距离-时间点落在无效区域, 应按废炮处理。不难发现, F6震源同相邻时间间隔的F5震源激发参数符合T-D规则, 但时间窗口内F6与F3震源之间激发时间-距离违背T-D规则, 通过时间窗滑动计算任意炮点间时间-距离关系可筛选出高效地震采集的T-D废炮。

3 某探区高效地震采集项目T-D质控应用研究

在某探区进行可控震源高效地震勘探, 地表广泛分布山区、沟壑、高速公路、主城区、水库、军事区、飞机场、游牧区、农场等障碍物, 山地洼地占比约为61%, 戈壁、砾石区占比约为32%, 为野外生产的施工组织带来严峻挑战。施工启动前期勘探部门提供的高效地震采集T-D施工参数如下: 6 km内采用交替扫描、6~12 km采用6 s时间间隔滑动扫描, 超过12 km采用同步扫描。台阶式T-D采集曲线如图 5黑色虚线所示。该施工参数主要考虑避免短距离内滑动谐波干扰严重影响数据质量, 故参数选取相对保守, 可能导致生产效率低。为此, 技术人员通过现场参数试验、谐波干扰能量分析, 最终采用梯形式T-D采集参数, 在保障地震数据质量的同时不降低采集效率。梯形式T-D采集参数采用2 km以内交替扫描, 最小扫描时间间隔为18 s(扫描时间12 s+听时间6 s); 2~12 km范围内采用距离同步滑动扫描, 滑动时间随着距离增大线性减小; 超过12 km采用同步扫描。如图 5红色折线所示, 该T-D规则曲线对应计算公式如(5)式所示。通过采取本文提出的梯形式高效地震采集T-D参数, 该项目生产日效超2×10⁴炮、最高日效接近3×10⁴炮, 生产效率超出预期。图中黄色三角区域炮数约占总炮数33%, 台阶式T-D采集方法将导致黄色区域内的炮无法激发、从而降低生产效率, 而梯形式T-D采集方法, 能够填补该区域激发空白, 在较大程度上提升采集效率。

$ y=\left\{\begin{array}{cc} 18 & 0 \leqslant x \leqslant 2 \\ 24-3 x & 2x \leqslant 6 \\ 12-x & 6<x \leqslant 12 \\ 0 & x>12 \end{array}\right. $

(5)

式中: x为滑动距离; y为滑动时间。

该高效地震采集项目严格执行质量控制标准, 每天及时发现并剔除废炮, 以免因含有不符合技术规范的废炮造成较为严重的质量事故。项目启动初期现场采用常规T-D质控方法进行质量监控, 只计算相邻两组震源间滑动距离与时间, 得到的T-D质控结果如图 6所示, 利用该方法只能发现少量违反T-D规则的废炮, 有时甚至无法发现T-D废炮。某日野外生产炮数超2×10⁴炮, 图中所示常规T-D质控点超2×10⁴炮, 同野外生产炮数一一对应, 比较直观。但是, T-D曲线下方区域只发现7个违反T-D规则的废炮(图中红色所示), 仍有较多不符合技术标准的废炮未被识别。

根据改进的T-D质控方法, 选取一个20 s的质控时窗(一般情况大于等于交替扫描时间间隔即可), 然后沿着时间轴滑动, 采用2.2节的计算方法, 计算时窗内任意两组震源激发时间与激发距离, 将计算结果投影到图 7中检查二者是否匹配。如发现时间-距离点落在T-D曲线下方说明存在废炮。该方法虽然导致计算量急剧增加, 但能够保证数据质量。利用改进的T-D质控方法发现曲线下方无效区域存在23个废炮(图 7中红色所示), 而利用常规质控方法却无法识别这些废炮, 容易误导质量控制(QC)工作人员, 导致废炮数据进入勘探数据库造成质量事故。利用改进的T-D质控方法可及时发现这类废炮, 防止质量事故发生。

通过严格的质量控制, QC人员现场能够及时发现违反T-D规则的废炮, 并通知仪器、震源组人员及时补炮, 避免了大量不符合T-D规则的干扰炮降低地震数据质量。大型地震勘探项目周期长, 可持续约3~6年, 常规T-D方法只能发现少量T-D废炮, 随着时间累积将导致大量废炮进入勘探数据库, 造成更加严重的质量事故。表 2为7~10月份T-D质控方法改进前、后识别的废炮数量, 采用改进的T-D质控方法后发现了许多隐藏的T-D废炮, T-D废炮识别率达100%, 废炮识别率相比常规方法提升约70%~80%。

4 结束语

可控震源高效地震采集T-D规则各异, 各种采集方法的生产效率及得到的地震数据质量差异较大, 有的方法追求最大限度提高采集效率因此压缩了滑动时间与距离, 导致短距离内谐波干扰严重; 有的方法为保障地震数据品质, 延长最小滑动距离导致效率低下达不到高效地震采集目的。为取得地震数据与采集效率的良好平衡, 本文提出基于谐波能量衰减规律的梯形式T-D设计方法, 能够在短距离内根据谐波能量反函数衰减特征确定最短交替扫描距离, 避免了台阶式T-D方法短距离或者零距离滑动扫描带来的严重谐波噪声干扰。同时在远距离通过调整梯形斜坡的斜率使滑动时间-距离变化幅度较小, 使其在该范围内与谐波能量缓慢衰减规律保持一致, 在斜坡上三角区域进行动态滑动扫描从而极大地提高了采集效率。该梯形式T-D设计方法在实际生产项目中得到成功应用, 生产效率得到较大提升, 超过预期目标。

常规高效地震采集质控研究主要集中在提高质控效率、扩大质控范围等方面, 较少涉及T-D方法的详细研究, 且多数仍采用常规T-D质控方法, 导致不符合技术标准的废炮进入后期处理阶段。本文提出的加时窗滑动T-D质控, 选取大于等于交替扫描时间的时窗, 能够计算任意时间窗口内任意两组震源间时间-距离关系, 并与T-D规则参数对比, 识别常规质控方法漏判的隐藏废炮, 废炮识别率提升70%以上, 极大程度上避免了质量事故的发生。

未来, 可将高效地震采集T-D参数设计与高效地震采集谐波噪声压制、混波去除等处理技术相结合, 利用噪声衰减处理效果反向量化评价T-D参数, 以更好保障地震数据质量的同时提高生产效率。