CN104142514A - 一种三维地震观测系统定量设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维地震观测系统定量设计方法，技术方案为：针对正交与对称放炮的三维地震观测系统类型，通过对三维地震观测排列主要参数扫描的方式得到多个三维地震观测系统，并在设定评价区域内满覆盖布设；按照面元内炮检距、方位角采样均匀和面元间属性一致原则确定其量化评价指标；根据量化评价指标通过分类排序确定三维地震观测系统方案，完成三维地震观测系统方案的量化设计，提高观测系统设计的准确性与科学性，有利于提高地震成像精度，为地震采集设计提供依据。

Description

一种三维地震观测系统定量设计方法

技术领域：

本发明涉及一种三维地震观测系统定量设计方法，属于地震勘探采集设计技术领域。

背景技术：

在当前三维地震勘探采集设计中，观测系统设计一般是在基本参数论证基础上根据经验设计2～3种观测系统方案，然后利用覆盖次数和偏移距分布等图件评价和选择最终观测系统方案，其准确性较差，难以满足实际工况要求。

此外，三维地震观测系统设计仍在沿用叠后偏移处理时代的设计思想，而叠前偏移比叠后偏移对地震观测系统提出了更高的要求。随着叠前偏移技术的推广应用，根据叠前偏移的要求进行三维地震观测系统设计变得越来越重要。在满足采样定理的前提下，叠后偏移只需要对共中心点进行规则和均匀的采样，而叠前偏移需要对面元内炮检距和方位角的均匀采样，而且要求各面元属性应趋于一致，这就是进行叠前偏移所要求的地震观测数据采样均匀和面元属性一致原则。所谓采样均匀，是指面元内炮检距和方位角采样分布均匀，而面元属性一致是指面元之间覆盖次数、炮检距和方位角的分布要基本一致。在符合采样密度要求的情况下，这种采样均匀且面元属性一致的观测系统适合于叠前偏移，具有最小的偏移噪声和最弱的采集足迹。

中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司的段孟川等人（申请号：200610114254.1）公开了一种地震采集三维观测系统定量分析方法，该方法采集多个三维观测系统面元属性图件,将面元内炮检距用竖直线段表示，根据竖直线段在横向上分布均匀程度作为面元内炮检距分布的均匀度，然后再将三维观测系统面元内炮检距在360°方位角内按照纵向方向和横向方向划分为纵前、纵后、横左和横右4个象限,分别计算面元内炮检距分布均匀度和面元内覆盖次数分布比比值均接近1的为最佳系统。本发明着重分析面元内炮检距和方位角分布（或采样）的均匀性，没有对面元之间属性的一致性进行分析，而保持面元之间属性一致有利于减小采集足迹和偏移噪声。此外，该方法只划分4个象限分析对方位角采样的均匀均匀性，对当前高覆盖次数高精度地震而言是不足的。

中国石化集团中原石油勘探局地球物理勘探公司的周明非等人（申请号：200910307343.1）公开了一种三维观测系统均匀性定量分析方法，通过计算覆盖次数分布非均匀系数、炮检距分布非均匀系数、方位角分布非均匀系数和炮检覆盖非均匀系数,从单个面元、多个面元两个层面上,定性和定量的分析给定的三维观测系统的覆盖次数、炮检距、方位角、炮检覆盖分布的均匀性,为采集施工准确性提供评判的依据,使三维观测系统的选择更加科学、合理、客观。该方法较充分评价了观测系统的采样均匀和面元属性一致性，但仅限于对已有若干观测系统方案的定量分析，无法做到对观测系统参数的定量设计。

综上所述，相关技术当前存在的问题主要在于：（1）三维地震观测系统设计一般是在基本参数论证基础上根据经验设计、评价和选择观测系统方案，其准确性较差；（2）尚未确立三维地震观测系统的总体量化评价指标，三维地震观测系统参数的量化设计目前没得到解决，仍处于定性设计阶段。

发明内容：

本发明旨在克服上述现有技术存在的三维地震观测系统仅能定性设计与准确性较差的问题，提供一种符合采样均匀和面元属性一致原则的三维地震观测系统定量设计方法，科学和定量设计三维地震观测系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，针对正交与对称放炮的三维地震观测系统类型，通过对三维地震观测排列主要参数扫描的方式得到多个三维地震观测系统，并在设定评价区域内满覆盖布设和模拟放炮，按照面元内炮检距、方位角采样均匀和面元间属性一致原则确定其量化评价指标，根据量化评价指标通过分类排序确定三维地震观测系统方案，完成三维地震观测系统方案的量化设计，为地震采集设计提供依据。其步骤如下：

1、确定初始三维地震观测系统A_i：根据地震采集系统设定的基本采集参数,包括接收点距△x、最大纵向炮检距X_{max_inline}和最大横向炮检距X_{max_crossline},在正交与对称放炮三维地震观测系统类型的技术规范要求范围内，确定每线接收道数为并按照基本采集参数最小取值原则确定三维地震排列参数初始值，包括接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数参数的初始值，获得三维地震观测系统A_i，其中i=0；

2、设定评价区域，并根据对评价区域满覆盖观测的原则用三维地震观测系统A_i布设炮点和检波点；

3、确定三维地震观测系统A_i的量化评价指标标准差△E_i：按照采样均匀和面元属性一致原则，根据步骤2中利用三维地震观测系统A_i布设的炮点和检波点，求取评价区域内各面元的炮检距和方位角网格内覆盖次数的标准差△E_i，作为三维地震观测系统A_i的量化评价指标；

4、调整三维地震排列参数，包括接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数，对每个参数每调整一次得到一个新的三维地震观测系统A_i+1；

5、令新的三维地震观测系统编号i=i+1,重复上述步骤（2）和（3），得到新的三维地震观测系统A_i及其量化评价指标△E_i，通过循环控制得到三维地震观测系统序列A_n及其量化评价指标△E_n，其中n=0，1，2，3…；

6、对步骤5得到的三维地震观测系统序列A_n（n=0，1，2，3…）按覆盖次数分类后，再根据量化评价指标标准差△E_n对其进行排序，按照标准差△E最小的原则进行方案优选，确定三维地震排列参数，包括接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数，从而确定三维地震观测系统，实现三维地震观测系统方案的定量化设计。

本发明的有益效果是：（1）按照炮检距、方位角采样均匀和面元属性一致原则实现了正交与对称放炮类型三维地震观测系统的定量化设计；（2）满足炮检距、方位角采样均匀与面元属性一致原则的观测系统有利于减少叠前偏移噪声和采集足迹，有利于获得成像效果的改善；（3）在确定三维观测系统的量化评价指标基础上，通过分类排序便于考察各三维地震观测系统的性能，提高观测系统设计的准确性与科学性。

附图说明：

图1为本发明流程框图；

图2为本发明评价区域设定与面元覆盖次数示意图；

图3为本发明中进行指标评价的炮检距和方位角网格划分示意图；

图4为本发明对部分三维观测系统的量化评分表；

图5为本发明在中国渤海湾盆地东濮凹陷应用实施获得的最终地震成果剖面图。

具体实施方式：

本发明采用的技术方案是，针对正交与对称放炮的三维地震观测系统类型，通过对三维地震观测排列主要参数扫描的方式得到多个三维地震观测系统，并在设定评价区域内满覆盖布设，按照面元内炮检距、方位角采样均匀和面元间属性一致原则并确定其评价指标，根据评价指标通过分类排序确定三维地震观测系统方案，完成三维地震观测系统方案的量化设计，为地震采集设计提供依据，方法实现框图如图1所示,包括如下步骤：

1、确定初始三维地震观测系统A_i：

1.1、根据地震采集系统设定的接收点距△x、最大纵向炮检距X_{max_inline}和最大横向炮检距X_{max_crossline}，确定每线接收道数为

以下以中国渤海湾盆地东濮凹陷的三维地震观测系统设计为例详述本发明实施过程与所得结果，地震采集系统设定的接收点距△x=50m、最大纵向炮检距X_{max_inline}=3175m和最大横向炮检距X_{max_crossline}=3175m，首先确定每线接收道数为128道；

1.2、在正交与对称放炮类型三维地震观测系统相关技术规范要求范围内，按最小取值原则得到三维地震观测排列参数，包括接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数参数的初始值，接收线距、炮线距和炮点距的初始值均为△x，按1.1中输入数据的实例△x=50m，接收线数和单模板炮数的初始值分别为4和1，此时获得三维地震观测系统A_i的参数为：接收点距50m，接收线距50m，接收线数4，炮点距50m，炮线距50m，单模板炮数1。

2、设定评价区域，并根据对评价区域满覆盖观测的原则用三维地震观测系统A_i布设炮点和检波点；

2.1、设定评价区域：确定参与对面元间属性一致性评价的范围，设定评价区域为1000m×1000m=1km²的矩形区域；

2.2、根据对评价区域满覆盖的原则布设三维地震观测系统A_i（如图2所示为三维地震观测系统A_i=0布设的覆盖次数图）。

3、确定三维地震观测系统A_i的评价指标△E_i：根据采样均匀和面元属性一致原则，根据步骤2中利用三维地震观测系统A_i布设的炮点和检波点，求取评价区域内各面元的炮检距和方位角网格内覆盖次数的标准差△E_i，作为三维地震观测系统A_i的评价指标，确定三维地震观测系统量化评价指标的具体步骤包括：

3.1、划分面元属性网格：面元属性网格用来统计面元内炮检距和方位角的分布，该步骤把炮检距划分10个网格、把方位角划分24个网格，形成10*24的二维网格空间（如图3所示）；

3.2、模拟放炮并统计面元及二维网格内的炮检覆盖次数：按步骤2布设的三维地震观测系统A_i模拟放炮，统计评价区域内各面元的覆盖次数F_i（i=1～L，L为参与评价计算的面元个数），以及各面元内炮检距和方位角网格内的炮检对数（j=1～M，k=1～N。M、N分别为炮检距和方位角的网格数，j、k分别为炮检距和方位角的网格编号）；

3.3、确定评价区域内各面元及二维网格内覆盖次数平均值：首先，确定评价区域内各面元覆盖次数平均值

$\stackrel{\‾}{F}=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i---\left(1\right)$

然后，确定评价区域内各面元炮检距和方位角二维网格内覆盖次数（炮检对数）的平均值

${\stackrel{\‾}{X}}^{j,k}=\frac{1}{L}\frac{1}{N}\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i^{j,k}---\left(2\right)$

3.4、确定评价区域内面元及二维网格内覆盖次数标准差：首先，确定评价区域内各面元覆盖次数标准差

$\mathrm{\ΔF}=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(F_i-\stackrel{\‾}{F})---\left(3\right)$

然后，确定评价区域内各面元炮检距和方位角网格内覆盖次数（炮检对数）的标准差△E

$\mathrm{\ΔE}=\frac{1}{L}\frac{1}{M}\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(X_i^{j,k}-{\stackrel{\‾}{X}}^{j,k})---\left(4\right)$

△E反映了评价区域内炮检距和方位角采样均匀和面元间属性一致的程度，△E数值越小表示采样均匀性和一致性越好。

4、调整三维地震排列参数，对接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数逐级进行调整，方式如下：

①调整接收线距△X_rl：取值范围△x～X_{max_crossline}/2，增量5m；

②调整接收线数N_rl：取值范围4～X_{max_crossline}/△X_rl，接收线数增量为2；

③调整炮线距△X_sl：取值范围△x～X_{max_crossline}/△X_rl，增量5m；

④调整炮点距△X_s：取值范围△x～5△X_rl，增量5m；

⑤调整单模板炮数N_s：取值范围1～X_{max_crossline}/△X_s，增量为1；

上述参数调整包括5重嵌套循环，其中①为最外层循环、⑤为最内层循环，通过多重循环调整观测系统参数，对每个参数每调整一次得到一个新的三维地震观测系统A_i+1；

5、令新的三维地震观测系统编号i=i+1，重复上述步骤2—4，得到新的三维地震观测系统A_i及其量化评价指标△E_i，通过循环控制得到三维地震观测系统序列A_n及其量化评价指标△E_n，其中n=0，1，2，3…。图4显示了部分三维地震观测系统参数及其评价指标△E，列出了覆盖次数为400的40个观测系统的参数及其评价指标。

6、对步骤5得到的三维地震观测系统序列A_n（n=0，1，2，3…）按覆盖次数分类后，再根据量化评价指标标准差△E_n对其进行排序，按照标准差△E最小的原则进行方案优选，确定三维地震排列参数，包括接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数，从而确定三维地震观测系统，实现三维地震观测系统方案的定量化设计；在相同覆盖次数条件下，量化评价指标标准差△E数值越小表示对炮检距和方位角的采样越均匀、表明相应观测系统具有更好的空间采样特性，有利于获得较好的叠前偏移成像效果。

如图4所示，在覆盖次数同为400的情况下，序号为1的三维地震观测系统（图中箭头所指，主要参数为接收点距50m、接收线距50m、接收线数32、炮点距80m、炮线距80m、单模板炮数10）的△E最小，具有最好的评价指标，附图5所示为应用该三维地震观测系统在中国渤海湾盆地东濮凹陷桥口地区实施三维地震勘探获得的地震成果剖面，剖面上成像噪声小、信噪比高、断层成像清晰、波组特征明显、可对比性强，取得了良好的地震成像效果，证明了本发明三维地震观测系统设计的科学性与正确性。

Claims (5)

1.一种三维地震观测系统定量设计方法，其特征包括以下步骤：

（1）确定初始三维地震观测系统A_i：根据地震采集系统设定的基本采集参数,包括接收点距△x、最大纵向炮检距X_{max_inline}和最大横向炮检距X_{max_crossline},在正交与对称放炮三维地震观测系统类型的技术规范要求范围内，确定每线接收道数为并按照基本采集参数最小取值原则确定三维地震排列参数初始值，包括接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数参数的初始值，获得三维地震观测系统A_i；

（2）设定评价区域，并根据对评价区域满覆盖观测的原则用三维地震观测系统A_i布设炮点和检波点；

（3）确定三维地震观测系统A_i的量化评价指标标准差△E_i：按照采样均匀和面元属性一致原则，根据步骤（2）布设的三维地震观测系统A_i，求取评价区域内各面元的炮检距和方位角网格内覆盖次数的标准差△E_i，作为三维地震观测系统A_i的量化评价指标；

（4）调整三维地震排列参数，包括接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数，对每个参数每调整一次得到一个新的三维地震观测系统A_i+1；

（5）令新的三维地震观测系统编号i=i+1,重复上述步骤（2）—（4），得到新的三维地震观测系统A_i及其量化评价指标△E_i，通过循环控制得到三维地震观测系统序列A_n及其量化评价指标△E_n，其中n=0，1，2，3…；

（6）对步骤（5）得到的三维地震观测系统序列A_n（n=0，1，2，3…）按覆盖次数分类后，再根据量化评价指标标准差△E_n对其进行排序，确定三维地震排列参数，包括接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数，从而确定三维地震观测系统，实现三维地震观测系统方案的定量化设计。

2.根据权利要求1所述的一种三维地震观测系统定量设计方法，其特征是：

（1）确定参与对面元间属性一致性评价的范围，设定评价区域为1000m×1000m=1km²的矩形区域；

（2）根据对评价区域满覆盖观测的原则用三维地震观测系统A_i布设炮点和检波点。

3.根据权利要求1或2所述的一种三维地震观测系统定量设计方法，其特征是：权利要求1中步骤（3）所述的根据采样均匀和面元属性一致原则求取三维地震观测系统评价指标，包括以下步骤：

（1）划分面元属性网格：面元属性网格用来统计面元内炮检距和方位角的分布，该步骤把炮检距划分10个网格、把方位角划分24个网格，形成10*24的二维网格空间；

（2）模拟放炮并统计面元及二维网格内的炮检覆盖次数：按步骤2布设的三维地震观测系统A_i模拟放炮，统计评价区域内各面元的覆盖次数F_i（i=1～L，L为参与评价计算的面元个数），以及各面元内炮检距和方位角网格内的炮检对数（j=1～M，k=1～N。M、N分别为炮检距和方位角的网格数，j、k分别为炮检距和方位角的网格编号）；

（3）确定评价区域内各面元及二维网格内覆盖次数平均值：首先，确定评价区域内各面元覆盖次数平均值

$\stackrel{\‾}{F}=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i---\left(1\right)$

然后，确定评价区域内各面元的炮检距和方位角二维网格内覆盖次数（炮检对数）的平均值

${\stackrel{\‾}{X}}^{j,k}=\frac{1}{L}\frac{1}{N}\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i^{j,k}---\left(2\right)$

（4）确定评价区域内面元及二维网格内覆盖次数标准差：首先，确定评价区域内各面元覆盖次数标准差

$\mathrm{\ΔF}=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(F_i-\stackrel{\‾}{F})---\left(3\right)$

然后，确定评价区域内各面元的炮检距和方位角网格内覆盖次数（炮检对数）的标准差△E

$\mathrm{\ΔE}=\frac{1}{L}\frac{1}{M}\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(X_i^{j,k}-{\stackrel{\‾}{X}}^{j,k})---\left(4\right)$

△E反映了评价区域内炮检距和方位角采样均匀和面元间属性一致的程度，△E数值越小表示采样均匀性和一致性越好。

4.根据权利要求1或2所述的一种三维地震观测系统定量设计方法，其特征是：权利要求1中步骤（4）所述的调整三维地震排列参数，是对接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数逐级进行调整,包括以下步骤：

①调整接收线距△X_rl：取值范围△x～X_{max_crossline}/2，增量5m；

②调整接收线数N_rl：取值范围4～X_{max_crossline}/△X_rl，接收线数增量为2；

③调整炮线距△X_sl：取值范围△x～X_{max_crossline}/△X_rl，增量5m；

④调整炮点距△X_s：取值范围△x～5△X_rl，增量5m；

⑤调整单模板炮数N_s：取值范围1～X_{max_crossline}/△X_s，增量为1；

上述参数调整包括5重嵌套循环，其中①为最外层循环、⑤为最内层循环，通过多重循环调整观测系统参数，对每个参数每调整一次得到一个新的三维地震观测系统A_i+1。

5.根据权利要求1或3所述的一种三维地震观测系统定量设计方法，其特征是：对权利要求1中步骤（5）得到的三维地震观测系统序列A_n（n=0，1，2，3…）按覆盖次数分类后，再根据量化评价指标标准差△E_n对其进行排序，按照标准差△E最小的原则进行方案优选，确定三维地震排列参数，包括接收线距、接收线数、炮线距、炮点距和单模板炮数，从而确定三维地震观测系统，实现三维地震观测系统方案的定量化设计。