孫培元, 崔樹起, 張 波

(1.東方地球物理公司 采集技術(shù)中心,涿州 072700;2.東方地球物理公司 大慶物探二公司儀器中心，大慶 163000；3.東方地球物理公司 國際部，涿州 072700)

0 引言

東南亞某國家的一塊農(nóng)田城鎮(zhèn)三維井炮地震采集項(xiàng)目，障礙物密集，政府對(duì)環(huán)保和炸藥安全距離要求嚴(yán)格，因?yàn)槟康膶颖容^淺，設(shè)計(jì)要求淺層1 000 m不能有資料缺口，構(gòu)造區(qū)域的覆蓋次數(shù)必須達(dá)到滿覆蓋的70%以上，這給觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工帶來了很大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的城鎮(zhèn)三維勘探設(shè)計(jì)方法是采用常規(guī)的束狀三維設(shè)計(jì)方案，也就是炮點(diǎn)在障礙物區(qū)域按照炸藥安全距離進(jìn)行垂直炮線偏移設(shè)計(jì)，不能進(jìn)行偏移設(shè)計(jì)的炮點(diǎn)選擇空掉。常規(guī)三維設(shè)計(jì)最終因?yàn)榭张谔?，覆蓋次數(shù)太低[1]，淺層資料缺口太大，沒有完全達(dá)到地質(zhì)任務(wù)的要求。在本區(qū)塊進(jìn)行地震勘探時(shí)，采用前期的詳細(xì)踏勘調(diào)研，巖性調(diào)查，藥量試驗(yàn)和精細(xì)化非常規(guī)三維束狀設(shè)計(jì)，在密集障礙物區(qū)域，導(dǎo)致部分炮點(diǎn)不能進(jìn)行偏移設(shè)計(jì)，只能空掉，導(dǎo)致覆蓋次數(shù)下降迅速，淺層資料出現(xiàn)缺口，為此采用在該區(qū)域增加部分接收點(diǎn)的方法，增加了覆蓋次數(shù)和填補(bǔ)了淺層資料缺口，圓滿地完成了地震采集工作，采集的資料達(dá)到了地質(zhì)任務(wù)的要求。

1 詳細(xì)障礙物普查

項(xiàng)目開始設(shè)計(jì)之前，成立工農(nóng)踏勘組，工農(nóng)人員詳細(xì)地踏勘該施工區(qū)塊，摸清了所有障礙物的類別、坐標(biāo)和范圍，并從環(huán)評(píng)部門取得了不同障礙物的禁炮距離，以及政府備案的障礙物。

工區(qū)內(nèi)主要障礙物有：7個(gè)考古區(qū)，5個(gè)養(yǎng)雞場，四個(gè)水庫，43處政府辦公室，7所醫(yī)院，22所學(xué)校，40座寺廟，一百多個(gè)村莊，幾條柏油路等[2]。

為了直觀地在地圖上顯示障礙物分布范圍，便于在室內(nèi)進(jìn)行炮檢點(diǎn)設(shè)計(jì)，通過專業(yè)的軟件(GIS)將每個(gè)障礙物的禁炮范圍按照不同的禁炮距離展到工區(qū)衛(wèi)圖上。圖1顯示了環(huán)評(píng)備案的各類障礙物禁炮區(qū)分布特征。禁炮區(qū)域面積約114.98 km2，占作業(yè)面積(265.100 km2)的43.37%，另外未備案的小水塘2 897 處，暗井?dāng)?shù)量不明。地面障礙物相當(dāng)復(fù)雜和密集，給三維設(shè)計(jì)帶來了極大挑戰(zhàn)。

表1 政府環(huán)評(píng)備案的障礙物[2]

圖1 障礙物分布圖

2 鉆井能力和巖性調(diào)查

按照政府環(huán)評(píng)部門要求，受環(huán)境保護(hù)限制，農(nóng)田地區(qū)域不能使用車載鉆機(jī)進(jìn)行鉆井施工，只能使用輕便的Power rig人抬鉆機(jī)進(jìn)行鉆井。由于該鉆機(jī)動(dòng)力不足，不能在密度和硬度大的巖石區(qū)域鉆井。該項(xiàng)目未部署小折射、微測井等類似的表層調(diào)查點(diǎn)，也沒有該工區(qū)的表層巖性信息。為了確定該區(qū)塊所有區(qū)域的地表巖性，是否存在鉆井死角，室內(nèi)設(shè)計(jì)前共計(jì)安排鉆井試驗(yàn)點(diǎn)26個(gè)，井深為18 m，用人抬化Power rig鉆機(jī)進(jìn)行鉆井，并進(jìn)行了巖樣錄取和分析，詳細(xì)情況見如圖2和圖3。工區(qū)西北角跟以前的老區(qū)塊重合，當(dāng)時(shí)炮點(diǎn)的鉆井深度為20 m，鉆機(jī)也是人抬化Power rig鉆機(jī)，所以本區(qū)沒有布設(shè)鉆井實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

圖2 巖性調(diào)查點(diǎn)和巖性分布圖

圖3 巖性調(diào)查點(diǎn)巖性統(tǒng)計(jì)圖

雖然這26口井的巖樣錄取結(jié)果不能對(duì)表層結(jié)構(gòu)的速度特征進(jìn)行精確的定量描述，但其可以定性標(biāo)定作業(yè)區(qū)塊表層結(jié)構(gòu)的展布特征。如圖4所示，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的巖性調(diào)查資料，對(duì)本工區(qū)進(jìn)行了巖性劃分，基本是北部紅砂巖，南部紅膠泥和紅色泥巖，都可以進(jìn)行Power rig鉆井作業(yè)，并且18 m的井深都能確保炸藥在激發(fā)效果好的膠泥和砂巖中激發(fā)，符合政府環(huán)評(píng)要求，杜絕了因?yàn)榻煌ú槐銓?dǎo)致的鉆井死角，排除了巖性給三維設(shè)計(jì)帶來的障礙。

圖4 巖性調(diào)查點(diǎn)分布和巖性劃分圖

3 常規(guī)三維炮點(diǎn)束狀設(shè)計(jì)

依據(jù)勘探任務(wù)和目的層分布，參照相鄰區(qū)塊的觀測系統(tǒng)方案，甲方給出了本區(qū)塊的基本的三維設(shè)計(jì)參數(shù)方案：炮(檢)線距為300 m，炮(檢)點(diǎn)距為50 m的正交網(wǎng)格分布，16線6炮，每條接收線216道，面元是25 m×25 m，理論滿覆蓋144次，觀測系統(tǒng)縱橫比為0.44。如圖5所示，采用常規(guī)城鎮(zhèn)三維設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，該區(qū)域僅能布設(shè)炮點(diǎn)10 063炮，僅占理論設(shè)計(jì)的60%，完全不能達(dá)到地質(zhì)任務(wù)要求。因此，依照常規(guī)束狀三維設(shè)計(jì)的方案是失敗的。

圖5 常規(guī)設(shè)計(jì)炮點(diǎn)分布圖

圖6 試驗(yàn)點(diǎn)1單炮資料

圖7 試驗(yàn)點(diǎn)2單炮資料

4 精細(xì)化非常規(guī)束狀設(shè)計(jì)和效果

通過分析本區(qū)塊以前老資料，只要炸藥能在潛水面下激發(fā)，炸藥量對(duì)資料品質(zhì)影響不是很大，并在圖4所示的本工區(qū)內(nèi)的1-3試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了單井藥量試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8所示，從單井藥量3 kg、2 kg到1.5 kg，單炮資料的目的層都比較清晰，單井1.5 kg藥量基本能滿足資料要求。因此，為了更多地布設(shè)炮點(diǎn)，提高覆蓋次數(shù)，跟甲方和政府環(huán)評(píng)部門討論，把單一3 kg藥量因素改成階梯式的3 kg、2 kg和1.5 kg三個(gè)因素，不同因素對(duì)應(yīng)不同的安全距離(表2)，進(jìn)一步增加可布設(shè)炮點(diǎn)的范圍，然后采用束狀三維的網(wǎng)格化不規(guī)則三維設(shè)計(jì)和部分障礙物密集區(qū)域輔以接收點(diǎn)代替激發(fā)點(diǎn)的聯(lián)合設(shè)計(jì)技術(shù)方案。

圖8 試驗(yàn)點(diǎn)3單炮資料

表2 炮點(diǎn)布設(shè)安全距離表[3]

按照炮檢點(diǎn)布設(shè)和覆蓋次數(shù)的均勻性的原則，規(guī)定了炮檢點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[4-5]：

1)如圖9所示，線網(wǎng)格300 m × 300 m，炮(檢)距50 m是炮檢點(diǎn)布設(shè)的基本框架。

圖9 炮檢點(diǎn)布設(shè)基本框架圖

2)25 m×25 m是炮檢點(diǎn)布設(shè)的最小網(wǎng)格單元。

3)炮點(diǎn)布設(shè)盡可能離障礙物遠(yuǎn)點(diǎn)。

4)炮點(diǎn)布設(shè)盡可能對(duì)稱、均勻。

5)檢波點(diǎn)布設(shè)盡可能平滑。

6)檢波點(diǎn)布設(shè)盡可能離干擾源遠(yuǎn)點(diǎn)。

7)檢波點(diǎn)布設(shè)的地標(biāo)條件盡可能好點(diǎn)，確保耦合效果。

8)炮檢點(diǎn)布設(shè)盡可能缺口小點(diǎn)，確保最淺目的層(1 000 m)的資料連續(xù)可追蹤。

9)盡量選擇3 kg藥量，以提高資料品質(zhì)。

10)覆蓋次數(shù)盡可能高點(diǎn)。

三維常規(guī)束狀和網(wǎng)格化非常規(guī)束狀的區(qū)別是：常規(guī)束狀三維設(shè)計(jì)時(shí)炮點(diǎn)只能嚴(yán)格分布在按照平均300 m一條理論炮線的軌跡上，每個(gè)炮點(diǎn)可以垂直理論炮線按照50 m倍數(shù)的偏移距進(jìn)行偏移，炮點(diǎn)觀測系統(tǒng)排列片不變[6]；而非常規(guī)設(shè)計(jì)打破這一限制，如圖10所示，炮點(diǎn)可以垂直和平行理論炮線進(jìn)行50 m倍數(shù)的偏移，炮點(diǎn)觀測系統(tǒng)排列片隨炮點(diǎn)位置變化而變化，也就是炮點(diǎn)總是位于排列片的中點(diǎn)位置，確保了每一個(gè)炮點(diǎn)都有單獨(dú)的覆蓋次數(shù)貢獻(xiàn)和整體覆蓋次數(shù)的均勻性。此方法在障礙物密布區(qū)域具有布設(shè)靈活的特點(diǎn)和優(yōu)勢，大大增加了炮點(diǎn)的可布設(shè)數(shù)量，增加了覆蓋次數(shù)和均勻性。

圖10 炮檢點(diǎn)布設(shè)規(guī)則圖

以盡量降低野外作業(yè)對(duì)環(huán)境的影響為準(zhǔn)則[7]，在室內(nèi)借助專業(yè)軟件和高清衛(wèi)片，按照實(shí)際障礙物范圍，分別規(guī)劃出每個(gè)障礙物的3 kg炸藥、2 kg炸藥和1.5 kg炸藥等的禁炮范圍，設(shè)計(jì)出整個(gè)工區(qū)的25 m×25 m的網(wǎng)格線。在安全距離線的約束下，盡可能地遵從對(duì)稱、均勻、充分采樣的原則，在25 m×25 m的網(wǎng)格下，進(jìn)行精細(xì)炮檢點(diǎn)設(shè)計(jì)，打破常規(guī)的炮點(diǎn)位置變動(dòng)排列片不變的常規(guī)束狀三維設(shè)計(jì)，采用能布設(shè)更多炮點(diǎn)的三維非常規(guī)束狀設(shè)計(jì)，排列片隨著炮點(diǎn)位置變化而變化，也就是炮點(diǎn)永遠(yuǎn)都是落在排列片的中點(diǎn)，確保了面元和覆蓋次數(shù)的均勻性，以及近偏移距覆蓋次數(shù)的保證，同時(shí)盡量確保所有炮點(diǎn)都落在網(wǎng)格交點(diǎn)上。為了保證野外采集資料質(zhì)量，優(yōu)先選擇3 kg因素，然后是2 kg因素，最后是1.5 kg因素。在障礙物密集區(qū)域，由于炮點(diǎn)空點(diǎn)多導(dǎo)致覆蓋次數(shù)迅速下降到滿覆蓋70%以下，淺層局部出現(xiàn)了缺口，如圖13和圖14所示。為了將覆蓋次數(shù)增加到滿覆蓋70%以上，在空炮區(qū)和附近地段采用兩條接收線中間加密一條接收線來彌補(bǔ)覆蓋次數(shù)，加密的接收線的長短和位置基于障礙物位置和覆蓋次數(shù)的變化情況，確保野外作業(yè)各環(huán)節(jié)的一次成功率和地質(zhì)任務(wù)的完成。為了彌補(bǔ)在障礙物密集區(qū)域，因?yàn)檎ㄋ幇踩嚯x要求，大量的炮點(diǎn)不能進(jìn)行布設(shè)，只能選擇空掉，導(dǎo)致覆蓋次數(shù)的缺失，淺層資料出現(xiàn)了缺口，為了增加覆蓋次數(shù)，彌補(bǔ)資料缺口，本區(qū)總共加密了7條長短不一的接收線(圖12)。

圖11 不規(guī)則束狀布設(shè)炮點(diǎn)分布圖

圖12 加密的7條接收線(紅色)

圖13 沒有加密檢波點(diǎn)覆蓋次數(shù)分析圖

圖14 沒有加密檢波點(diǎn)設(shè)計(jì)缺口分析

最后，測量組按照室內(nèi)布設(shè)的坐標(biāo)去實(shí)地放樣。在野外實(shí)際的測量放樣和鉆井施工中，遇到新的障礙物和變化，通知室內(nèi)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。因地制宜地完成了基于束狀三維的不規(guī)則三維技術(shù)方案設(shè)計(jì)和施工任務(wù)，總共實(shí)際布設(shè)了18 606個(gè)檢波點(diǎn)和15 810炮點(diǎn)(圖11)，炮點(diǎn)布設(shè)占理論設(shè)計(jì)的95%。如圖15所示，理論設(shè)計(jì)滿覆蓋區(qū)域的實(shí)際覆蓋次數(shù)都大于理論滿覆蓋的三分之二，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如圖16所示，淺層500 ms沒有缺口，保證了地質(zhì)任務(wù)的完成。

圖15 不規(guī)則三維設(shè)計(jì)覆蓋次數(shù)分析圖

圖16 不規(guī)則三維設(shè)計(jì)缺口分析

5 結(jié)論

1)復(fù)雜城鎮(zhèn)井炮三維的設(shè)計(jì)施工，應(yīng)該提前做好障礙物和巖性調(diào)查，并進(jìn)行藥量參數(shù)實(shí)驗(yàn)[8]。

2)為保證完成地質(zhì)任務(wù)，打破常規(guī)的束狀三維設(shè)計(jì)理念，采用網(wǎng)格化的非常規(guī)三維束狀設(shè)計(jì)，并靈活采用檢波點(diǎn)代替炮點(diǎn)的原理，通過加密檢波線來彌補(bǔ)因?yàn)椴荒懿荚O(shè)炮點(diǎn)所產(chǎn)生的缺失的覆蓋次數(shù)和資料缺口。

3)室內(nèi)設(shè)計(jì)和野外實(shí)際施工緊密結(jié)合，復(fù)雜區(qū)域，借助高清衛(wèi)片和設(shè)計(jì)軟件，用易于控制和操作的室內(nèi)設(shè)計(jì)指導(dǎo)野外施工，減少野外工作量，提高施工的合理性[9]。