二维地震勘探自由导线炮检点设计和炮点偏移的研究

曹雄伟;姜富豪;司亚;王鹏;李富荣;张学银;黄元溢;李兆

【摘 要】在黄土塬、高山区域,或者安全风险高的雷区,为了减少投资或者降低安全风险,会根据地震勘探的目的层构造走向,结合地表条件设计二维地震勘探测线为自由导线.为了提高测量组施工效率和炮检点设计精度,对自由导线炮检点的设计进行了3种设计方法的研究,同时对转弯处炮点偏移经常出现的问题进行了分析.通过本文的方法实施,实现了自由导线炮检点设计中道距保持不变,最小化炮点在转弯处的位置误差,避免了转弯处炮点偏移时出现桩号倒序的现象. 【期刊名称】《工程地球物理学报》 【年(卷),期】2018(015)006 【总页数】7页(P692-698)

【关键词】二维地震勘探;弯线;检波点;炮点;道距;炮距

【作 者】曹雄伟;姜富豪;司亚;王鹏;李富荣;张学银;黄元溢;李兆

【作者单位】东方地球物理公司新兴物探开发处,河北涿州072750;东方地球物理公司采集技术支持部,河北涿州072750;东方地球物理公司装备服务处,河北涿州072750;东方地球物理公司采集技术支持部,河北涿州072750;东方地球物理公司新兴物探开发处,河北涿州072750;东方地球物理公司华北物探处,河北任丘062552;东方地球物理公司新兴物探开发处,河北涿州072750;东方地球物理公司新兴物探开发处,河北涿州072750 【正文语种】中 文

【中图分类】P631.4 1 引 言

黄土高原区地表覆盖巨厚干燥松散的黄土层，长期侵蚀作用形成的沟壑深切这些黄土层，造成地震勘探的激发和接收条件极差，从而导致地震波上传和下传过程中能量被强烈吸收，反射信号弱，地滚波能量强，资料信噪比很低。但沿着沟谷采用弯线进行地震激发和接收，则可显著提高地震资料品质。在我国南方海相沉积岩分布区，地表往往相间出露碳酸盐岩和碎屑岩，在碳酸盐岩(灰岩)中进行地震勘探的激发、接收耦合条件也很差，同样难以获得可信的地下反射信息；但若沿碎屑岩出露区，或在其他激发、接收条件较好的地表进行弯线施工却可获得高品质的地震资料 [1]。其次在高危雷区为了降低安全风险和投资成本，道路两边为安全区域，测线设计为沿路弯线。同时，为了达到勘探目的，油公司对测线设计非常重视。在地表复杂地区，测线总体设计以避开障碍物为主[2]，在特殊地区，主要按照地表已有的路线进行自由导线设计。过去对于弯线的检波点和炮点布设技术要求不是很高，随着目前地震勘探的深入和地震勘探技术的提高，二维弯线中的检波点和炮点的室内设计和野外放样技术要求均发生改变[3]。由于室内设计是野外放样的基础，本文研究了3种二维弯线室内设计方法，同时对炮点偏移出现倒序现象进行了分析。

2 自由导线设计方法

二维弯线地震一般被认为是出于粗查目的[4]，所以通常不被重视，常被称为自由导线。实际上，这些所谓的“自由导线”在实际施工中技术人员并不自由，必须考虑诸多因素以保证资料采集质量，其中主要一项就是室内设计。随着目前二维地震勘探精度要求的提高，室内提前设计愈显重要。室内设计主要涉及检波点位置和炮点位置的确定方法，目前二维自由导线地震勘探室内设计方法根据检波点和炮点位

置生成方法，下面主要介绍三种设计方法：逐步推进法、内插法和推进内插法。 2.1 逐步推进法

逐步推进法是最基本的、同时也是最常用的一种设计方法。所谓逐步推进法，就是在确定起始检波点或炮点的情况下，按照道间距和炮间距的要求逐点设计其它检波点和炮点。这种方法就像野外采用固定长度链尺，很容易实现。为了野外施工方便，节约成本，通常在室内进行这种设计更实用，只是需要提前安排人员到固定测线路径进行GPS定位，获得测线路径坐标文件。如果测线路径坐标获取比较困难，通常直接由测量组利用链尺和测量仪器在野外采用这种方法完成实际检波点和炮点布设。其公式可表示为：

Drij 和Drmn 分别为任意两检波点i，j及m，n之间的直线距离；Dsmn 和Dshi 分别为任意两炮点m，n及h，i之间的直线距离，Dr为设计道间距，Ds为设计炮间距。

逐步推进法在早期测量时使用比较普遍，目前在少数地区仍然使用。这种方法能够保证实际检波点间隔和炮点间隔均等于原始设计的检波点和炮点间隔。但这种方法的缺点是，在弯线的转弯处，当炮点和检波点相互间不完全重合时，相对于直线段，炮点与相邻检波点的相对位置关系会发生改变，例如对于中间放炮的观测系统，炮点实际位置很有可能不在附近的两个检波点之间的中心点，如图1。

图1 逐步推进法检波点和炮点相对位置(Y为中间放炮炮点设计间距)Fig.1 The relative position of receiver point and shot point by stepwise advance method 2.2 内插法

内插法主要是根据测线实际路径长度按照检波点和炮点设计间距进行均匀内插。采用这种设计方法，沿着测线实际路径，检波点和炮点的物理间距均满足设计要求的

间距，但是测线弯曲段部分检波点直线间距和炮点直线间距均小于要求的设计间距。相互关系也可用公式(1)和公式(2)表示。

这种方法在野外通过链尺和测量仪器实现通常比较困难，需要在室内借助软件实现，目前AutoCAD软件就有这一项功能，实现非常容易。相对于图1给出实例，当采用内插法时，生成的检波点和炮点相对位置关系图见图2。

图2 内插法检波点和炮点相对位置(Y为中间放炮炮点设计间距)Fig.2 The relative position of interpolation receiver point and shot point 2.3 推进内插法

推进内插法是指对于检波点采用逐步推进方法进行设计，而实际炮点位置则根据观测系统中炮点与两侧邻近检波点的相对位置关系来确定。例如，对于中间放炮观测系统，当利用逐步推进法生成所有检波点后，利用设计炮点两侧相邻的两个检波点坐标计算平均值来求取该炮点的坐标。

这种方法能够保证检波点和炮点的相对位置符合所设计的观测系统，同时可以采用链尺和测量设备很方便地在野外实现实地测量。但是这种方法也存在缺陷，就是测线弯曲段炮间距均小于设计炮间距，图3给出中间放炮观测系统采用推进内插法生成的检波点和炮点的相对位置图。

图3 推进内插法检波点和炮点相对位置(Y为中间放炮炮点设计间距，Y′和Y″ 测线弯曲段炮间距，Y′< Y，Y″对于直导线测线，上述三种设计方法在二维地震勘探中产生的结果是相同的，但对于弯曲测线的弯曲部分，三者设计的检波点和炮点的位置存在着一定的差异。以中间放炮观测系统为例，当设计炮间距为道间距的整数倍(例如为2倍)时，三种方法生成的检波点和炮点的位置存在以下几方面的不同。

3.1 逐步推进法

当采用逐步推进法时，炮检距满足设计要求，但当测线弯度过大或弯曲部分过长时，弯曲测线段炮点相对检波点的实际位置与观测系统不符，甚至出现错位情况。这种错位异常的大小与测线弯曲角度、检波点和炮点在弯线拐点两边的分布情况有关系以及炮间距与炮检距之比值有关系。当测线出现拐点时，检波点和炮点之间的相对位置都有可能发生变化，变化的大小跟测线方向变化的大小有关，变化角度越大，炮检点相对位置变化越大。其中存在累计效果，特别是一旦某个拐点处炮检距或炮间距相对于原始设计发生改变，则其后的检波点和炮点位置均随之改变，拐点越多，误差累计越大，造成炮点相对于检波点分布不均匀的误差越大，即炮点偏离相邻两个检波点中间位置的距离越大。例如，采用中间放炮系统时，假设所设计的炮间距为道间距的2倍，在测线弯曲段炮点、检波点之间的位置会出现图4所示的情况。 图4 逐步推进法在测线弯曲段出现异常(α、β分别为设计检波点距和设计炮点距)Fig.4 The anomaly of step by step advance method in the curved section of the surveying line 3.2 内插法

内插法按照测线实际路径长度内对应的道数或炮数进行均匀内插。检波点和炮点的位置相对于设计观测系统来说基本稳定，即炮点处于相邻两个检波点中间位置。但在测线弯曲段的拐点处，检波点和炮点沿测线实际路径的间距进行布设，而它们的直线间距小于其布设间距，即该方法设计的道间距和炮间距在测线转弯处偏小。当1个道距的两个检波点或1个炮点距的两个炮点分别位于弯曲测线两边时，根据三角函数原理，当拐点两边距离总和等于设计检波点距或设计炮点距时，这两个检波点或炮点的直线距离必定小于其设计间距。即设计炮检点的间距例如，采用中间放炮观测系统时，假设所设计的炮间距为道间距的2倍，在测线弯曲段炮点、检波点之间的位置关系会出现如图5所示情况。

图5 内插法在测线弯曲段出现异常(ρ、μ分别为设计检波点距和设计炮点距ρ=α+β>γ, μ=τ+σ>η)Fig.5 The anomaly of interpolation method in the curved section of the measuring line 3.3 推进内插法

推进内插法实质是结合了逐步推进法和内插法二者的优点，它采用逐步推进法优点，即保证了所有道间距等于所设计的道间距；又采用了内插法优点，即保证炮点相对于检波点位置符合设计观测系统。将弯线对炮间距的影响程度降到了最低。 因此，总的来说，上述三种方法中， 逐步推进法布设道间距保持不变，但从第一个转弯处开始炮点相对检波点位置的误差较大，即检波点和炮点分布基本均匀[5-9]；内插法设计的检波点和炮点分布基本均匀，符合设计的观测系统，但转弯处的道间距和炮间距误差较大；推进内插法在内插法的基础上改进了检波点和炮点分布的均匀性，更加符合设计的观测系统，测线设计质量最好[10,11]。 4 炮点偏移倒序问题及其解决方案 4.1 炮点偏移倒序问题

在测线转弯处由于特殊障碍物导致炮点需要偏移时，偏移后的炮点容易出现炮点倒序的现象，也不符合炮点就近偏移的原则。例如一条总趋势是从西向东的自由导线，炮检点桩号从西向东逐渐增大，炮间距为一个道间距，两个相邻原始炮点桩号分别为SP1006(SP表示炮点)和SP1007，当它们同时偏移2倍道间距后，小号炮点(SP1006)偏移到了大号炮点(SP1007)的方向，如图6所示，即出现了炮点桩号倒序现象，同时偏移后的(SP1006)炮点到原设计(SP1006)炮点距离大于到原设计炮点(SP1007)的距离；同样偏移后的(SP1007)炮点也是如此。炮点偏移不符合就近偏移的原则。

图6 炮点偏移后桩号倒序现象Fig.6 Reverse sequence of pile number after offset of gunpoint

4.2 解决方案

处理人员在数据处理后对炮点数据按桩号进行排序，检查同一条测线上所有炮点坐标的变化趋势是否一致。一旦出现异常应分析原因，如果是由拐角处炮点偏移引起的，需要将炮点桩号进行对调，解决桩号倒序的现象，同时也符合了炮点就近偏移的规则，避免采集中使用错误的接收排列，如图7所示。

图7 炮点偏移后桩号正常现象Fig.7 Normal phenomenon of pile number after offset of gunpoint 实例介绍

实例1：在C国二维地震队承担的二维项目中，由于工区位于雷区，油公司将测线基本沿着当地公路或土路平行偏移一定距离布设，测线形成弯线，特别是整个测线先完成清雷，测线宽度仅4 m，测线外除了专用通道外均为禁区。这样要求检波点和炮点必须布设在完成清雷后的4 m宽测线上。清雷时采集测线控制点坐标如图8所示，在室内根据这些控制点轨迹采用推进内插方法设计检波点和炮点坐标。

首先利用逐步推进法设计检波点坐标，根据观测系统中炮点和检波点的关系，利用检波点的坐标采用内插法设计炮点的坐标。测量组采用AutoCAD软件中的定距等分功能如图9。按照设计检波点距设计检波点坐标，得到如表1所示的相邻检波点之间距离，然后利用表1中检波点坐标采用内插法得到炮点坐标，相邻炮点之间距离如表2。

图8 测线清雷轨迹Fig.8 Line clearing trajectory

图9 AutoCAD等距设计菜单窗口Fig.9 Auto CAD equidistance design menu window表1 AutoCAD采用内插法在拐点炮(右)、检波点(左)设计结果Table 1 AutoCAD design results of inflexion gun (right) and receiver point (left) by interpolation method

点类型起始桩号结束桩号桩号间隔距离/m检波点55765577125.00检波点55775578125.00检波点55785579125.00检波点55795580125.00检波点55805581125.00检波点55815582125.00检波点55825583125.00检波点55835584125.00检波点55845585125.00检波点55855586125.00检波点55865587125.00检波点55875588125.00检波点558855125.00检波点555590125.00检波点55905591125.00

续表1点类型起始桩号结束桩号桩号间隔距离/m检波点55915592125.00检波点55925593125.00检波点55935594125.00检波点55945595125.00 表2 采用推进内插法在拐点炮(右)、检波点(左)设计结果Table 2 Design results of gun at inflection point (right) and receiver point (left) by means of propulsive interpolation点类型起始桩号结束桩号桩号间隔距离/m炮点5576.55578.5250.00炮点5578.55580.5250.00炮点5580.55582.5249.99炮点5582.55584.5250.00炮点5584.55586.5249.98炮点5586.55588.5249.98炮点5588.55590.5250.00炮点5590.55592.5250.00炮点5592.55594.5250.00 项目中清雷后得到了自由导线的轨迹，采用推进内插法设计炮检点坐标，道间距全部与设计值一致，拐点处炮间距分布尽可能均匀，并且炮点相对邻近检波点的位置符合设计观测系统。

实例2：在二维黄土塬沟中弯线项目施工中，测量组应用拉皮尺施工方法，一条自由导线只由一个测量组施工，且人数配置多达6人，施工效率低，成本大。后期一条测线由3个测量组同时施工，每个测量组的配置人数减少到3人，以提高施工效率并降低成本。 6 结 论

在二维自由导线地震勘探施工中，本文提出利用手持GPS采集自由导线轨迹，室内采用推进内插法设计炮检点坐标的新方法，不仅降低了测量放样的施工难度，并

提高了测量放样的施工效率，而且对其精度进行了改善，保证了道间距均与设计值一致，炮点均处于其邻近两侧检波点的中间位置，最大程度地符合理论设计的观测系统，降低了弯曲测线对炮检点布设的影响，为后期地震资料处理提供了重要的前提条件。

在测线转弯处当炮点存在偏移时，现场放样测量操作员应对偏移炮点的桩号和位置进行前后对比。室内测量数据处理员和质量控制班组应分别再次对炮点数据进行审核，杜绝炮点桩号倒序，采集用错排列现象的发生。 参考文献：

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