CN103675893B - 海上拖缆观测系统复杂模板满覆盖布设方法 - Google Patents
海上拖缆观测系统复杂模板满覆盖布设方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是石油勘探海上拖缆勘探满覆盖设计复杂模板满覆盖布设方法，将航线旋转至零度简易坐标系中建立水平航向的航线坐标系统，将模板在笛卡尔直角坐标系中建立模板坐标系统，将模板沿x负轴从右向左水平滚动，计算模板中各种动态面元矩形，用最小纵向满覆盖矩形宽度和模板动态面元矩形计算最大滚动次数，以模板坐标系统参考点为原点将模板旋转180度，根据参考点在航线坐标系统中的初始位置与旋转前的坐标值的偏移距，将模板平移到航线上线端，得到各个炮点的初始位置，将炮点集旋转回实际航向坐标系统中，得到满覆盖观测系统。本发明满足多航次宽方位勘探的需求，适应于各种复杂模板，有利于实现宽方位勘探技术。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探技术，用于在海上拖缆勘探满覆盖设计中计算震源施工坐标，属于深海勘探采集技术领域。
背景技术
在海上勘探中，地震波由几组气枪阵列产生，穿过水体在地层中传播，并被拖曳在拖缆船尾部沉降到一定深度的缆线(检波点)接收。一个激发点和他的一个接收点在反射点(中点)产生一次信号覆盖。典型的数据采集方式是船沿着预先设计好的上百条覆盖在勘探区域的航线直线施工。气枪震源到达预先设置好的位置后，在仪器的控制下开始放炮。震源船每行驶一定距离就再次放炮，直到航线结束。在不存在羽角(洋流、潮汐等影响)的情况下，整个接收缆线也呈直线并与航线重合随船行驶。这些航线和震源位置保证了勘探区域能够达到设计满覆盖次数。
勘探区域里预先设计的航线起止点坐标记录在预施工航线(Preplot)文档中，这些坐标代表每条航线所影响的线束状满覆盖区域起止范围。预施工航线说明了海上拖缆勘探设计与陆上满覆盖设计的一个重要区别：后者根据满覆盖区域直接计算炮点、检波点；前者则是先生成预施工航线，再根据施工方向生成炮点坐标。
震源和拖缆的各种配置组合被认为是模板(Template)。一种常见的陆上三维地震布设方法是模板分别以恒定的横向(crossline)滚动距和纵向(inline)滚动距在横向、纵向方向滚动。生产中的炮点与炮点、炮点与检点关系同模板中是完全一致。而在海上拖缆勘探多震源施工中，船一直以恒定速度沿纵向方向行驶，各个气枪震源以规定好的放炮顺序等间隔放炮，导致震源相对位置在纵向方向发生偏移，进而施工中的面元性质与模板中的不一致。因此不能采用陆上设计方法以模板中的震源位置分析模板面元属性进行满覆盖布设。
为了实现宽方位勘探的要求，生产过程中工作船可能需要沿航线施工多次，每次航行中炮点和拖缆在横向方向的相对位置会发生改变。一次航行产生一个“窄方位”区域，多次航行后“窄方位”合并成“宽方位”。在现有的采集设计中，模板中的炮点共用相同的接收排列，排列也对应相同的一组炮点。不能体现出拖缆多航次的特性，无法适应海上拖缆多航次勘探的要求。
发明内容
本发明目的在于针对海上拖缆勘探的独特性和现有技术的不足，提供一种根据预施工航线和施工航向进行满覆盖布设炮点的海上拖缆观测系统复杂模板满覆盖布设方法。
本发明具体步骤包括：
1)根据深海满覆盖勘探边界创建预施工航线，将预施工航线旋转至零度简易坐标系中，x轴正向为航向，建立水平航向的航线坐标系统；
2)将模板在笛卡尔直角坐标系中，x轴负向表示航向，建立模板坐标系统；
所述的模板按照航次分为多个子模板，各个子模板航向一致，均有各自的施工船、激发点、接收点和炮序；模版中至少有一个子模板；
所述的各个子模板布设的初始位置与模板一致，根据放炮顺序按炮点距沿施工方向滚动；
根据生产施工中拖缆首尾各端气枪组内的震源最大纵向间距，将子模板中纵向间距在此范围内的炮点归为一组炮排。
3)将模板沿x负轴从右向左水平滚动，计算模板中各种动态面元矩形：
所述的计算模板中动态面元矩形是：
(1)计算滚动后每炮各自产生的单炮面元矩形，根据炮排将这些矩形覆盖区域合并成炮排面元矩形；
所述的合并是左侧边界取单炮面元矩形左边界最大的边；右侧取单炮面元矩形右边界最大的边；上下边界都取最靠外的边。
(2)通过取最外侧边界，合并炮排面元矩形，得到包含这些矩形的子模板面元矩形；最小左边界子模板面元矩形的子模板是基准子模板；
所述的基准子模板中生成具有最小左边界的炮排面元矩形的炮排是最左侧炮排；
采用如下公式计算基准子模板最左侧炮排产生的最小纵向满覆盖矩形区域宽度：
MinBinLength＝ShotCount*DisShot-(MaxShot-MinShot)(1)；
其中：MinBinLength为最小纵向满覆盖矩形宽度；
ShotCount为子模板炮点个数；
DisShot为炮点纵向滚动距；
MaxShot为由最左侧炮排中炮点生成的单炮面元矩形的左侧边最大x值；
MinShot为由最左侧炮排中炮点生成的单炮面元矩形的左侧边最小x值；
(3)通过取最外侧边界，合并子模板面元矩形,得到包含这些矩形的模板动态面元矩形；
步骤3)所述模板动态面元是指模板中各震源按炮序均滚动一次后产生的锯齿状面元区域。
步骤3)所述最小纵向满覆盖是指模板或子模板沿纵向方向滚动刚刚达到最大满覆盖次数时，形成的满覆盖区域。最小纵向满覆盖矩形区域宽度
4)用最小纵向满覆盖矩形宽度和模板动态面元矩形计算最大滚动次数；
步骤4)所述计算最大滚动次数采用如下公式：
MaxLength＝DisSE-MinBinLength+ActiveCMPRectWidth(2)；
MaxRollTimes＝int(MaxLength/DisShot)+1(3)；
其中：MaxLength为基准子模板在航线坐标系中从初始位置滚动到施工结束位置最大滚动距离；
DisSE为当前布设的预施工航线(SE1)长度；
MinBinLength为最小纵向满覆盖矩形宽度；
ActiveCMPRectWidth为步骤3)中计算出的模板动态面元矩形的宽度；
MaxRollTimes为最大滚动次数；
DisShot为炮点纵向滚动距。
所述的最大滚动次数在存在首尾施工模板的情况下增加一轮。
5)以模板坐标系统参考点为原点将模板旋转180度，并根据参考点在航线坐标系统中的初始位置与旋转前的坐标值的偏移距，将模板平移到航线上线端，得到模板中各个炮点的初始位置；
步骤5)所述的参考点是以模板中基准子模板第一炮横向垂线与模板面元纵向中线所作的交点。
步骤5)所述的参考点在航线坐标系统中的初始位置采用如下公式计算坐标：
TargetPoint_x＝Top+FirstShot_Bin_x(4)；
TargetPoint_y＝StartBin_y(5)；
其中：TargetPoint_x为参考点在航线系统坐标系中的初始x坐标；
TargetPoint_y为参考点在航线系统坐标系中的初始y坐标；
Top为基准子模板在沿航线布设时“子模板面元矩形”左侧边的初始x轴位置，是航线起点(S)的x轴坐标与最小纵向满覆盖宽度之和；
FirstShot_Bin_x为基准子模板第一炮点与模板动态面元矩形左侧边的x方向位置差；
StartBin_y为航线起点(S)的y轴坐标。
在最大滚动次数内，从初始位置按炮序沿航向相依次滚动炮点，得到滚动后的炮点位置x坐标和y坐标，滚动后的炮点位置产生面元覆盖区域在满覆盖区域(SE2)内，首端达到上线边界且尾端不超过下线边界则生成炮点。
所述的滚动后的炮点位置x坐标为初始炮点坐标x坐标与偏移量之和，y坐标与初始位置一致。
所述的偏移量是炮点距与滚动次数的乘积。
6)将生成的炮点集由步骤1)预施工航线坐标系统旋转回实际航向坐标系统中，得到生产中的炮点坐标，实现复杂模板满覆盖布设，得到满覆盖观测系统。
本发明针对海上拖缆勘探满覆盖施工，根据预施工航线布设炮点，通过多子模板方式，满足多航次宽方位勘探的需求；滚动模板动态分析面元，更有效的进行满覆盖布设。本发明布设后的炮点产生的满覆盖，不仅包含了原有要求的满覆盖区域，并且冗余很小。适应于各种复杂模板，有利于实现宽方位勘探技术。
附图说明
图1拖缆一端放炮单航次模板；
图2拖缆首尾放炮模板；
图3拖缆多航次宽方位模板；
图4模板动态面元；
图5多子模板在预施工航线上线区域的动态面元；
图6最小纵向满覆盖面元，图(a)、(b)分别由一端放炮和首尾放炮模板生成；
图7多子模板在预施工航线下线区域的动态面元；
图8预施工航线施工满覆盖区域。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施方式加以说明：
本发明目的在于针对海上拖缆勘探的独特性和现有技术的不足，提供一种根据预施工航线和施工航向进行满覆盖布设炮点的海上拖缆观测系统复杂模板满覆盖布设方法。
本发明具体步骤包括：
1)根据深海满覆盖勘探边界创建预施工航线，将预施工航线旋转至零度简易坐标系中，x轴正向为航向，建立水平航向的航线坐标系统；
2)将模板在笛卡尔直角坐标系中，x轴负向表示航向，建立模板坐标系统；
图1、图2和图3是海上拖缆勘探常见的三种模板。其中在图1和图2所示配置气枪和拖缆只需在一次航行中同时滚动即可，图3浅色和深色表示不同的子模板，有着不同的配置参数(本例中炮点与拖缆相对位置不相同)。两个子模板在布设设计时的初始相对位置与模板中一致，设计炮点时也是同时滚动。他们生成的炮点重叠，实际生产中是在各自的航次施工的。
所述的模板按照航次分为多个子模板，各个子模板航向一致，均有各自的施工船、激发点、接收点和炮序；模版中至少有一个子模板；
所述的各个子模板布设的初始位置与模板一致，根据放炮顺序按炮点距沿施工方向滚动；
根据生产施工中拖缆首尾各端气枪组内的震源最大纵向间距，将子模板中纵向间距在此范围内的炮点归为一组炮排。
图2为首尾放炮勘探模板，有两排炮点。复杂模板中一排炮上的炮点并不始终在同一条垂线上，我们根据生产施工中拖缆首尾各端气枪组内的震源最大纵向间距内的炮点归为一组炮排,本例中此间距即为0米。
3)将模板沿x负轴从右向左水平滚动，计算模板中各种动态面元矩形：
所述的计算模板中动态面元矩形是：
(1)计算滚动后每炮各自产生的单炮面元矩形，根据炮排将这些矩形覆盖区域合并成炮排面元矩形；
所述的合并是左侧边界取单炮面元矩形左边界最大的边；右侧取单炮面元矩形右边界最大的边；上下边界都取最靠外的边。
(2)通过取最外侧边界，合并炮排面元矩形，得到包含这些矩形的子模板面元矩形；最小左边界子模板面元矩形的子模板是基准子模板；
所述的基准子模板中生成具有最小左边界的炮排面元矩形的炮排是最左侧炮排；
采用如下公式计算基准子模板最左侧炮排产生的最小纵向满覆盖矩形区域宽度：
MinBinLength＝ShotCount*DisShot-(MaxShot-MinShot)(1)；
其中：MinBinLength为最小纵向满覆盖矩形宽度；
ShotCount为子模板炮点个数；
DisShot为炮点纵向滚动距；
MaxShot为由最左侧炮排中炮点生成的单炮面元矩形的左侧边最大x值；
MinShot为由最左侧炮排中炮点生成的单炮面元矩形的左侧边最小x值；
(3)通过取最外侧边界，合并子模板面元矩形,得到包含这些矩形的模板动态面元矩形；
步骤3)所述模板动态面元是指模板中各震源按炮序均滚动一次后产生的锯齿状面元区域。
步骤3)所述最小纵向满覆盖是指模板或子模板沿纵向方向滚动刚刚达到最大满覆盖次数时，形成的满覆盖区域。最小纵向满覆盖矩形区域宽度；
4)用最小纵向满覆盖矩形宽度和模板动态面元矩形计算最大滚动次数；
步骤4)所述计算最大滚动次数采用如下公式：
MaxLength＝DisSE-MinBinLength+ActiveCMPRectWidth(2)；
MaxRollTimes＝int(MaxLength/DisShot)+1(3)；
其中：MaxLength为基准子模板在航线坐标系中从初始位置滚动到施工
结束位置最大滚动距离；
DisSE为当前布设的预施工航线(SE1)长度；
MinBinLength为最小纵向满覆盖矩形宽度；
ActiveCMPRectWidth为步骤3)中计算出的模板动态面元矩形的宽度；
MaxRollTimes为最大滚动次数；
DisShot为炮点纵向滚动距。
所述的最大滚动次数在存在首尾施工模板的情况下增加一轮。
图4是图1中模板沿x负轴从右向左水平滚动产生的模板动态面元。图1中只有一个子模板，因此模板的动态面元与其子模板动态面元是一致的。在进行满覆盖布设时，不考虑锯齿状轮廓，计算是炮点(S1)和(S2)各自生成的面元覆盖的矩形区域单炮面元矩形，比较其大小按下列方式构建模板动态面元矩形：左侧边单炮面元矩形左边界最大的边；右侧取单炮面元矩形右边界最大的边；上下边界都取最靠外的边。
多子模板多炮排时，仍按上述方法获得每排炮的炮排面元矩形。按常规矩形合并方式合并各个炮排的炮排面元矩形，取最外层边界得到子模板面元矩形；同理合并子模板面元矩形得到模板动态面元矩形，从而得到模板动态面元的宽度和模板面元的纵向中线位置；
5)以模板坐标系统参考点为原点将模板旋转180度，并根据参考点在航线坐标系统中的初始位置与旋转前的坐标值的偏移距，将模板平移到航线上线端，得到模板中各个炮点的初始位置；
步骤5)所述的参考点是以模板中基准子模板第一炮横向垂线与模板面元纵向中线所作的交点。
步骤5)所述的参考点在航线坐标系统中的初始位置采用如下公式计算坐标：
TargetPoint_x＝Top+FirstShot_Bin_x(4)；
TargetPoint_y＝StartBin_y(5)；
其中：TargetPoint_x为参考点在航线系统坐标系中的初始x坐标；
TargetPoint_y为参考点在航线系统坐标系中的初始y坐标；
Top为基准子模板在沿航线布设时“子模板面元矩形”左侧边的初始x轴位置，是航线起点(S)的x轴坐标与最小纵向满覆盖宽度之和；
FirstShot_Bin_x为基准子模板第一炮点与模板动态面元矩形左侧边的x方向位置差；
StartBin_y为航线起点(S)的y轴坐标。
在最大滚动次数内，从初始位置按炮序沿航向相依次滚动炮点，得到滚动后的炮点位置x坐标和y坐标，滚动后的炮点位置产生面元覆盖区域在满覆盖区域(SE2)内，首端达到上线边界且尾端不超过下线边界则生成炮点。
图5是一个含有三个子模板的模板在航线坐标系统中从左向右滚动布设。子模板CT1的动态面元顶边最靠近航线上线端，只要CT1在上线位置能达到满覆盖，其他子模板也必能达到满覆盖。在模板坐标系中CT1的子模板面元矩形左边界最小以其为基准子模板；
计算基准子模板第一炮点与模板动态面元矩形左侧边(顶边)的水平位差，这一值用以确定第一炮点在航线坐标系中的x轴初始坐标。
所述的滚动后的炮点位置x坐标为初始炮点坐标x坐标与偏移量之和，y坐标与初始位置一致。
所述的偏移量是炮点距与滚动次数的乘积。
6)将生成的炮点集由步骤1)预施工航线坐标系统旋转回实际航向坐标系统中，得到生产中的炮点坐标，实现复杂模板满覆盖布设，得到满覆盖观测系统。
图6显示最小纵向满覆盖区域(白色)，图a由图1模板生成，图b由图2模板生成。模板滚动生成最小满覆盖区域后，再次滚动时,满覆盖区域将沿航向向右侧(x轴正方向)扩展。图a中我们以航线上线端边界对应最小满覆盖区域中(B’)垂线，将保证上线端产生最少的满覆盖冗余。模板动态面元矩形左侧边(顶边)是最先产生满覆盖的区域，我们以点(A)处垂线对应于其顶边。而在图b中齿轮虚线为首排炮生成的最小满覆盖轮廓，其顶边是模板动态面元矩形顶边，超出图b的最小纵向满覆盖右侧边界(不同情况下也会恰好重合)。对于多炮排施工模板或子模板无法通过整个子模板的最小纵向满覆盖区域确定模板动态面元矩形顶边位置，但依然可以通过最左侧炮排生成的最小纵向满覆盖获得。因此，我们按公式(1)计算基准子模板最左侧排炮产生的最小纵向满覆盖矩形宽度,用以确定基准子模板动态面元顶边在航线坐标系统中的位置。
图7中模板在航线坐标系中滚动到下线端，由公式(2)计算基准子模板从初始位置滚动到施工结束位置滚动距离根据公式(3)计算出最大滚动次数。首尾放炮时，动态面元顶边到施工结束位置，尾炮尚未完成最后一轮施工。因此增加一轮滚动次数；
图8是图1模板在航线坐标系统中沿航线布设的满覆盖区域。黑色细线是设计满覆盖范围，黑色粗线框是覆盖一条线束的实际满覆盖范围，(SE1)为其预施工航线，航向从左往右。不同的预施工航线计算方法生成端点(S)(E)略有不同，我们统一将预施工航线转换成纵向方向面元中心线，并扩展到覆盖区域顶边和底边的(SE)段。由于方位角的存在，直接沿真实航向布设，会有大量乘法运算，造成程序实现时的浮点误差，并影响计算性能。因此将模板放入航线坐标系中，旋转并平移至初始位置，按步骤6)计算生成炮点坐标。最后根据航线坐标系和实际坐标对应关系，计算出生产中的炮点坐标。
Claims (10)
1.一种海上拖缆观测系统复杂模板满覆盖布设方法，特点是具体实现步骤包括：
1)根据深海满覆盖勘探边界创建预施工航线，将预施工航线旋转至零度简易坐标系中，x轴正向为航向，建立水平航向的航线坐标系统；
2)将模板在笛卡尔直角坐标系中，x轴负向表示航向，建立模板坐标系统；
3)将模板沿x负轴从右向左水平滚动，计算模板中各种动态面元矩形：
所述的计算模板中动态面元矩形是：
(1)计算滚动后每炮各自产生的单炮面元矩形，根据炮排将这些矩形覆盖区域合并成炮排面元矩形；
所述的合并是左侧边界取单炮面元矩形左边界最大的边；右侧取单炮面元矩形右边界最大的边；上下边界都取最靠外的边；
(2)通过取最外侧边界，合并炮排面元矩形，得到包含这些矩形的子模板面元矩形；最小左边界子模板面元矩形的子模板是基准子模板；
所述的基准子模板中生成具有最小左边界的炮排面元矩形的炮排是最左侧炮排；
采用如下公式计算基准子模板最左侧炮排产生的最小纵向满覆盖矩形区域宽度：
MinBinLength＝ShotCount*DisShot-(MaxShot-MinShot)(1)；
其中：MinBinLength为最小纵向满覆盖矩形宽度；
ShotCount为子模板炮点个数；
DisShot为炮点纵向滚动距；
MaxShot为由最左侧炮排中炮点生成的单炮面元矩形的左侧边最大x值；
MinShot为由最左侧炮排中炮点生成的单炮面元矩形的左侧边最小x值；
(3)通过取最外侧边界，合并子模板面元矩形,得到包含这些矩形的模板动态面元矩形；
4)用最小纵向满覆盖矩形宽度和模板动态面元矩形计算最大滚动次数；
5)以模板坐标系统参考点为原点将模板旋转180度，并根据参考点在航线坐标系统中的初始位置与旋转前的坐标值的偏移距，将模板平移到航线上线端，得到模板中各个炮点的初始位置；
6)将生成的炮点集由步骤1)预施工航线坐标系统旋转回实际航向坐标系统中，得到生产中的炮点坐标，实现复杂模板满覆盖布设，得到满覆盖观测系统。
2.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤2)所述的模板按照航次分为多个子模板，
各个子模板航向一致，均有各自的施工船、激发点、接收点和炮序；模版中至少有一个子模板；
所述的各个子模板布设的初始位置与模板一致，根据放炮顺序按炮点距沿施工方向滚动；
根据生产施工中拖缆首尾各端气枪组内的震源最大纵向间距，将子模板中纵向间距在此范围内的炮点归为一组炮排。
3.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤3)所述模板动态面元是指模板中各震源按炮序均滚动一次后产生的锯齿状面元区域。
4.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤3)所述最小纵向满覆盖是指模板或子模板沿纵向方向滚动刚刚达到最大满覆盖次数时，形成的满覆盖区域。
5.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤4)所述计算最大滚动次数采用如下公式：
MaxLength＝DisSE-MinBinLength+ActiveCMPRectWidth(2)；
MaxRollTimes＝int(MaxLength/DisShot)+1(3)；
其中：MaxLength为基准子模板在航线坐标系中从初始位置滚动到施工结束位置最大滚动距离；
DisSE为当前布设的预施工航线(SE1)长度；
MinBinLength为最小纵向满覆盖矩形宽度；
ActiveCMPRectWidth为步骤3)中计算出的模板动态面元矩形的宽度；
MaxRollTimes为最大滚动次数；
DisShot为炮点纵向滚动距。
6.根据权利要求5所述的方法，特点是所述的最大滚动次数在存在首尾施工模板的情况下增加一轮。
7.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤5)所述的参考点是以模板中基准子模板第一炮横向垂线与模板面元纵向中线所作的交点。
8.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤5)所述的参考点在航线坐标系统中的初始位置采用如下公式计算坐标：
TargetPoint_x＝Top+FirstShot_Bin_x(4)；
TargetPoint_y＝StartBin_y(5)；
其中：TargetPoint_x为参考点在航线系统坐标系中的初始x坐标；
TargetPoint_y为参考点在航线系统坐标系中的初始y坐标；
Top为基准子模板在沿航线布设时“子模板面元矩形”左侧边的初始x轴位置，是航线起点(S)的x轴坐标与最小纵向满覆盖宽度之和；
FirstShot_Bin_x为基准子模板第一炮点与模板动态面元矩形左侧边的x方向位置差；
StartBin_y为航线起点(S)的y轴坐标；
在最大滚动次数内，从初始位置按炮序沿航向相依次滚动炮点，得到滚动后的炮点位置x坐标和y坐标，滚动后的炮点位置产生面元覆盖区域在满覆盖区域(SE2)内，首端达到上线边界且尾端不超过下线边界则生成炮点。
9.根据权利要求8所述的方法，特点是所述的滚动后的炮点位置x坐标为初始炮点坐标x坐标与偏移量之和，y坐标与初始位置一致。
10.根据权利要求9所述的方法，特点是所述的偏移量是炮点距与滚动次数的乘积。
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