孫 哲，王梅生，王建鋒，王秋成，接銘麗

(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限公司采集技術(shù)支持部 河北 涿州 072751)

·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

地震采集異常道實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用

孫 哲，王梅生，王建鋒，王秋成，接銘麗

(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限公司采集技術(shù)支持部 河北 涿州 072751)

在野外地震采集過(guò)程中，地震數(shù)據(jù)異常道是決定地震采集資料品質(zhì)的最主要因素之一。隨著高密度采集和可控震源高效采集技術(shù)的推廣應(yīng)用，以往人工質(zhì)控方式根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)異常道的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而使野外無(wú)法及時(shí)對(duì)異常道進(jìn)行整改，或及時(shí)對(duì)異常道數(shù)較多的問(wèn)題炮進(jìn)行補(bǔ)炮，從而影響了野外生產(chǎn)的施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。針對(duì)這一問(wèn)題，從地震采集異常道的數(shù)據(jù)特征出發(fā)，通過(guò)對(duì)獲取的地震道采樣點(diǎn)真值進(jìn)行比較與統(tǒng)計(jì)，提出了一種針對(duì)極大值道、掉排列道、串接道及弱振幅道等4種類型異常道的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震數(shù)據(jù)異常道的實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)際應(yīng)用效果證明，該技術(shù)在保持高效的基礎(chǔ)上，具有很高的異常道識(shí)別精度，在大大緩解野外現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控人員壓力的同時(shí)，為地震采集資料品質(zhì)提供了有力保障。

地震數(shù)據(jù)；異常道；實(shí)時(shí)監(jiān)控；地震采集；資料品質(zhì)

0 引 言

地震數(shù)據(jù)異常道通常是由于在地震采集過(guò)程中受到各種外界破壞或地震采集儀器與設(shè)備自身故障等影響而導(dǎo)致的。異常道作為現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其數(shù)量的多少直接決定著地震采集資料品質(zhì)的高低。隨著地震勘探采集設(shè)備研發(fā)技術(shù)以及可控震源高效采集技術(shù)的迅猛發(fā)展[1-3]，使得如今在野外生產(chǎn)中，單日激發(fā)炮數(shù)與記錄道數(shù)較以往均有大幅度提高，導(dǎo)致人工質(zhì)控方式已經(jīng)無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)地震數(shù)據(jù)異常道的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

從檢波器的技術(shù)特性出發(fā)，通過(guò)地震儀器來(lái)做好施工現(xiàn)場(chǎng)的檢波器質(zhì)量控制，可以在數(shù)分鐘之內(nèi)完成數(shù)以萬(wàn)道計(jì)的檢波器測(cè)試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)部分異常道的識(shí)別與剔除[4，5]。但這種方式仍會(huì)漏掉一些異常道，如：部分掉排列、串接道等。并且如果能夠?qū)⒈O(jiān)控時(shí)間縮短到數(shù)秒，將會(huì)更好的適應(yīng)現(xiàn)今高效采集施工的需求，從而做到真正的實(shí)時(shí)監(jiān)控。以提高實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)用性為目的，一些業(yè)內(nèi)人士也在探索能夠針對(duì)各種野外關(guān)注的質(zhì)控內(nèi)容進(jìn)行快速有效監(jiān)控的自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)，并取得了一些成果[6-9]。但這些技術(shù)中，能夠監(jiān)測(cè)出的地震采集異常道的種類均較少，且部分方法較為復(fù)雜，不適宜用在數(shù)萬(wàn)道單炮高效采集的實(shí)時(shí)監(jiān)控之中。

本文從地震勘探野外采集的實(shí)際需求出發(fā)，介紹一種能夠用于地震采集實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控的地震數(shù)據(jù)異常道實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，通過(guò)解析地震采集過(guò)程中所遇到的多種類型異常道的數(shù)據(jù)特征，達(dá)到可以自動(dòng)對(duì)這些地震數(shù)據(jù)異常道進(jìn)行快速有效識(shí)別的目的，從而為地震采集實(shí)時(shí)質(zhì)控技術(shù)提供有力的技術(shù)支撐。

1 異常道監(jiān)控方法

隨著可控震源高效采集技術(shù)的不斷發(fā)展以及國(guó)內(nèi)外勘探市場(chǎng)對(duì)采集技術(shù)的逐步認(rèn)可，使得高效采集技術(shù)不斷在地震勘探采集項(xiàng)目中得到應(yīng)用。而眾多的高效采集項(xiàng)目對(duì)實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)的質(zhì)控效率都有著非常高的要求。地震采集異常道實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)地震數(shù)據(jù)樣點(diǎn)值進(jìn)行比較和統(tǒng)計(jì)的方式進(jìn)行異常道識(shí)別，不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換，是一種十分高效的方法。

地震采集異常道實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，是從地震數(shù)據(jù)的角度對(duì)異常道進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)控，是對(duì)野外利用檢波器檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行質(zhì)控的一項(xiàng)補(bǔ)充。其核心思路主要是通過(guò)對(duì)野外采集過(guò)程中所遇到的極大值道、掉排列道、串接道及弱振幅道等4種類型異常道的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，并通過(guò)設(shè)置合理的異常道識(shí)別順序，依次對(duì)地震采集異常道進(jìn)行有針對(duì)性地識(shí)別。此外，在針對(duì)每種類型異常道進(jìn)行識(shí)別的過(guò)程中，旨在利用這些異常道的波形特征和相互影響關(guān)系，在保證識(shí)別精度的基礎(chǔ)上，使用盡量簡(jiǎn)單的數(shù)值比較和統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行異常識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了一套實(shí)用性極強(qiáng)的異常道實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)。

1.1 極大值道監(jiān)控

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于外界環(huán)境干擾或設(shè)備自身老化等因素，導(dǎo)致采集到的地震數(shù)據(jù)在纜線中傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)丟碼現(xiàn)象，最終體現(xiàn)在地震記錄上則是一系列采樣點(diǎn)真值數(shù)量級(jí)極大的數(shù)據(jù)道，因此，通常也被稱為極大值道或極值道。這類異常道的采樣點(diǎn)真值數(shù)據(jù)量級(jí)要明顯高于正常數(shù)據(jù)道的采樣點(diǎn)真值。因此，只需要通過(guò)設(shè)置一個(gè)合理的極大值門檻參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)極大值類型異常道的自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)設(shè)置好合適的門檻參數(shù)后，只要數(shù)據(jù)道中出現(xiàn)真值絕對(duì)值大于此門檻參數(shù)的采樣點(diǎn)時(shí)，即可將此地震數(shù)據(jù)道判別為極大值類型的數(shù)據(jù)異常道。因此，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何設(shè)置合理的門檻參數(shù)。

地震波在地下傳播過(guò)程中，由于球面擴(kuò)散、吸收衰減等因素，使得現(xiàn)場(chǎng)采集到的單炮記錄中絕對(duì)值較大的采樣點(diǎn)真值往往出現(xiàn)在近炮檢距的地震道中，并且主要位于這些道的初至波峰、波谷或是面波波峰、波谷位置處。因此，在對(duì)極大值異常道進(jìn)行監(jiān)控前，需要先從近炮檢距地震道的采樣點(diǎn)真值中選出一個(gè)絕對(duì)值最大值Pmax，為了保證極大值道的識(shí)別精度，需要將Pmax乘以一個(gè)門檻值系數(shù)CTh，進(jìn)而得到識(shí)別極大值道的門檻值PTh。由于極大值道的采樣點(diǎn)真值通常要超出正常數(shù)據(jù)道真值三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此，門檻值系數(shù)CTh通常要設(shè)置成100～1 000。

在設(shè)置好門檻參數(shù)之后，通過(guò)將單炮地震記錄中的各地震道的各采樣點(diǎn)絕對(duì)值，依次與門檻值PTh比較，若大于門檻值PTh，則此采樣點(diǎn)所處地震道為一道極大值類型的異常道。

1.2 掉排列道監(jiān)控

與極大值道出現(xiàn)的原因類似，掉排列道也是由于數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤所導(dǎo)致的。相對(duì)于極大值道而言，掉排列道現(xiàn)象在野外更為常見(jiàn)，因而在野外生產(chǎn)中也倍受關(guān)注。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，地震采集儀器可以監(jiān)控出部分掉排列道，然而并非所有的掉排列道均能被儀器識(shí)別。因此，有必要通過(guò)其它方式對(duì)掉排列道進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)控，如圖1所示為一組存在掉排列異常道的數(shù)據(jù)排列。該數(shù)據(jù)從3 s開(kāi)始直到記錄末端，出現(xiàn)了明顯的掉排列現(xiàn)象。從特征上來(lái)看，這些掉排列道表現(xiàn)為地震道的采樣點(diǎn)真值在某一時(shí)間段連續(xù)相等。這一點(diǎn)從圖1中的數(shù)據(jù)真值顯示也可以看出，這也是掉排列的普遍特征。

如前面所描述，根據(jù)掉排列道在某個(gè)時(shí)間段的采樣點(diǎn)真值連續(xù)相等的這一特征，就可以輕而易舉地對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。首先設(shè)置好一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)相等的門檻值Nth(實(shí)際應(yīng)用中建議該值通常取100/dt即可，其中dt為地震數(shù)據(jù)的采樣率)，再對(duì)數(shù)據(jù)道中數(shù)值連續(xù)相等的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)Nspr進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若Nspr>Nth，則判定此數(shù)據(jù)道為一道掉排列類型的地震數(shù)據(jù)異常道。

1.3 串接道監(jiān)控

串接道現(xiàn)象是由于野外采集過(guò)程中出現(xiàn)檢波器接錯(cuò)所導(dǎo)致的。如圖2所示為包含串接道類型異常道的炮記錄。這些在地震記錄上表現(xiàn)為串接道的波形幾乎完全相同，其波形、相位等差別很小。由于地震記錄的正常相鄰地震道本身也具有較高的相干特征，因此，即便是通過(guò)地震記錄回放進(jìn)行查看，也很難分辨出串接道發(fā)生的位置。串接道類型的異常道監(jiān)控方法，其主體思路就是通過(guò)逐點(diǎn)比較當(dāng)前數(shù)據(jù)道與相鄰數(shù)據(jù)道在相同時(shí)刻位置處的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的符號(hào)，來(lái)監(jiān)控串接道類型的異常道[3]。

圖1 包含掉排列類型異常道的炮記錄

圖2 包含串接道類型異常道的炮記錄

需要注意的是，實(shí)際生產(chǎn)中，掉排列道往往是連續(xù)多道同時(shí)出現(xiàn)的(圖1)，并且這些道的采樣點(diǎn)真值都相等，如果先進(jìn)行串接道的識(shí)別，就會(huì)將這些掉排列道誤判為串接道。因此，在進(jìn)行異常道的識(shí)別過(guò)程中，對(duì)掉排列道的識(shí)別要先于對(duì)串接道的識(shí)別。此外，當(dāng)工區(qū)中出現(xiàn)較強(qiáng)的工業(yè)電干擾時(shí)，受到此類干擾的相鄰地震道數(shù)據(jù)也會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的相似性。因此，為了避免將這些工業(yè)電干擾道誤判為串接道，在進(jìn)行串接道的識(shí)別之前，首先要對(duì)這些由工業(yè)電干擾所導(dǎo)致的單頻干擾道進(jìn)行識(shí)別[10]。

1.4 弱振幅道監(jiān)控

實(shí)際野外生產(chǎn)中，當(dāng)出現(xiàn)檢波器未被埋置好，或者由于設(shè)備本身出現(xiàn)固障，會(huì)出現(xiàn)某一道接收地震數(shù)據(jù)的檢波器無(wú)法工作，或是在一串組合的檢波器中，存在部分檢波器無(wú)法工作的現(xiàn)象。如圖3所示為一組存在弱振幅道的單炮記錄，紅框中即為兩道弱振幅道。從圖3中可以明顯看出，這些弱振幅道反映在原始單炮上，其相對(duì)于相鄰的正常數(shù)據(jù)道而言，振幅要弱很多，這也是被稱之為弱振幅道的原因，或常被野外稱之為不跳、懶跳道。

目前現(xiàn)有的弱振幅道監(jiān)控方法或是由于精度不高，或是由于算法復(fù)雜而影響了運(yùn)算效率，使得這些方法無(wú)法較好的應(yīng)用在實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)中。因此，在兼顧實(shí)時(shí)質(zhì)控高計(jì)算效率要求的基礎(chǔ)上，本研究提出了通過(guò)采用比較相鄰道振幅對(duì)弱振幅道進(jìn)行監(jiān)控的思路。由于地震數(shù)據(jù)的初至區(qū)域?qū)儆诘卣鹩涗浿姓穹^強(qiáng)的采樣點(diǎn)分布區(qū)域，因此，在這個(gè)區(qū)域中，對(duì)于弱振幅道的識(shí)別也較為敏感，有利于提高弱振幅道的識(shí)別精度?；谶@一思路，需要在進(jìn)行弱振幅道的識(shí)別前，先拾取一個(gè)提取地震數(shù)據(jù)初至區(qū)域數(shù)據(jù)部分的初至區(qū)時(shí)窗。對(duì)于從地震記錄中應(yīng)用初至區(qū)時(shí)窗拾取的用于進(jìn)行弱振幅道識(shí)別的地震數(shù)據(jù)，可以用矩陣D來(lái)表示。具體表示形式如下：

圖3 包含弱振幅類型異常道的炮記錄

(1)

式中，D表示地震數(shù)據(jù)矩陣，m表示單道數(shù)據(jù)的樣點(diǎn)數(shù)，n表示數(shù)據(jù)道數(shù)，dji表示位于第i道數(shù)據(jù)的第j個(gè)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)。

令各地震道的平均振幅為Ai，則有：

(2)

檢測(cè)第p道地震數(shù)據(jù)是否為弱振幅異常道，需要依據(jù)下面的公式：

Ap

(3)

即第p道平均振幅要小于其鄰近的第k道平均振幅的CAmp倍。

式中，CAmp通常取0.1～0.5。l表示道數(shù)范圍，用來(lái)限制與第p道平均振幅進(jìn)行比較的道數(shù)，為了削弱能量衰減所帶來(lái)的影響，l值不宜過(guò)大，通常取10。對(duì)于k值，則要遍歷從p-l到p+l范圍內(nèi)除p以外的全部索引值。通過(guò)統(tǒng)計(jì)能夠使上式成立的k的取值個(gè)數(shù)NP，并判斷其是否能夠滿足下式：

NP>2×l×CPer

(4)

式中，CPer表示限制與第p道平均振幅進(jìn)行比較的百分比系數(shù)，通常取值0.8。因此，可以理解為，當(dāng)?shù)趐道平均振幅比其左、右各相鄰l道中80%以上道數(shù)的單道平均振幅的CAmp倍還要弱時(shí)，所分析的第p道將被判定為弱振幅異常道。

綜上所述，可以知道對(duì)于極大值道、掉排列道、串接道及弱振幅道等4種類型異常道的監(jiān)控，必須要有嚴(yán)格的監(jiān)控順序，否則會(huì)引起異常道的漏判和誤判。關(guān)于4種異常道的整個(gè)監(jiān)控流程如圖4所示。

圖4 異常道監(jiān)控流程圖

2 實(shí)際應(yīng)用效果

本技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)以軟件為載體來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異常道的實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控過(guò)程中，安裝了實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件的質(zhì)控主機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)的方式與地震采集儀器主機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)新生成的單炮數(shù)據(jù)由儀器主機(jī)通過(guò)FTP被傳輸?shù)劫|(zhì)控主機(jī)后，質(zhì)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)該單炮數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并調(diào)用異常道監(jiān)控算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)極大值道、掉排列道、串接道以及弱振幅道等4種類型異常道的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控人員看到或聽(tīng)到實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件給出的報(bào)警提示后，只需查看軟件提供的異常道列表，便可馬上知道異常道的類型和位置，從而立即通知野外對(duì)異常道進(jìn)行整改或是補(bǔ)炮。由此可見(jiàn)，整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程極大提高了野外地震勘探采集的施工質(zhì)量和效率，并較以往的野外質(zhì)控方式而言，其投入的人力成本也有了大幅度的降低。

如圖5～圖7所示是地震采集異常道實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)分別在三個(gè)不同的可控震源高效采集項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)例。圖5、圖6、圖7分別是監(jiān)控出的帶有極大值、掉排列及弱振幅異常道的問(wèn)題炮，以及相應(yīng)的柱狀圖報(bào)警提示。三幅圖中所顯示的地震數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常道的位置，均用紅框標(biāo)出，且用于監(jiān)控異常道屬性的柱狀圖呈現(xiàn)黃色，均表示當(dāng)前炮的出現(xiàn)了較多的異常道，需要及時(shí)進(jìn)行整改。

圖5 帶有極大值類型地震數(shù)據(jù)異常道的問(wèn)題炮自動(dòng)監(jiān)控實(shí)例

圖6 帶有掉排列類型地震數(shù)據(jù)異常道的問(wèn)題炮自動(dòng)監(jiān)控實(shí)例

圖7 帶有弱振幅類型地震數(shù)據(jù)異常道的問(wèn)題炮自動(dòng)監(jiān)控實(shí)例

監(jiān)控過(guò)程中針對(duì)此類問(wèn)題炮，除提供如圖中所示的紅色柱狀圖報(bào)警外，還將提供了詳細(xì)的異常道列表，用于提供給野外查線人員，作為排列整改的依據(jù)。三個(gè)采集項(xiàng)目涉及到了可控震源滑動(dòng)掃描和可控震源距離同步滑動(dòng)掃描等兩種高效采集施工方式。其中效率最高的一個(gè)項(xiàng)目要求對(duì)15 000道的單炮數(shù)據(jù)的質(zhì)控時(shí)間控制在5 s內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用中，本技術(shù)均滿足了以上采集項(xiàng)目對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的效率要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)野外采集過(guò)程中經(jīng)常遇到的極大值道、掉排列道、串接道及弱振幅道等類型異常道的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，采用對(duì)各道地震數(shù)據(jù)的樣點(diǎn)值進(jìn)行比較和統(tǒng)計(jì)的方法，實(shí)現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)異常道自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)。

1) 算法簡(jiǎn)捷有效，通過(guò)使用盡量簡(jiǎn)單的數(shù)值統(tǒng)計(jì)和比較思路，使得該方法對(duì)4類地震數(shù)據(jù)異常道的質(zhì)控效率完全能夠滿足目前野外高效采集項(xiàng)目對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求；

2) 監(jiān)控結(jié)果準(zhǔn)確，直接對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控的異常道實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，是野外利用檢波器檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行質(zhì)控的有力補(bǔ)充，在保證快速計(jì)算的同時(shí)，能夠得到準(zhǔn)確的監(jiān)控結(jié)果；

3) 實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用該技術(shù)可以對(duì)地震采集施工中極為關(guān)心的4種異常道進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，從而在第一時(shí)間通知野外進(jìn)行及時(shí)整改或補(bǔ)炮，有效地保證了施工質(zhì)量和施工效率；

4)節(jié)省大量人力，針對(duì)地震采集異常道的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)使得現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控人員從繁瑣枯燥的查找地震數(shù)據(jù)異常道的工作中解脫出來(lái)，節(jié)約了大量的人力成本。

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Abnormal Traces Real-time Detection Technique for Seismic Acquisition and Its Application

SUN Zhe，WANG Meisheng，WANG Jianfeng，WANG Qiucheng， JIE Mingli

(AcquisitionTechnologySupportDepartment,BGP,CNPC,Zhuozhou,Hebei072751,China)

The amount of seismic abnormal traces is one of important factors which determine the quality of seismic data in the process of seismic acquisition. With the wide application of high density acquisition and high efficient acquisition technology of the vibrator, it is impossible to execute real-time quality control for detecting abnormal traces by artificial way, which leads to correcting abnormal traces or patch shots behind time, so that the quality and progress of the acquisition project are affected. To solve this problem, according to the characteristics of abnormal traces from seismic acquisition, through the seismic data comparison and statistics, four kinds of abnormal traces including extreme value trace, missing trace, crosstalk and weak amplitude trace from seismic acquisition can be detected automatically, realizing the real-time quality control to the abnormal traces from seismic acquisition. The results of actual application show that the precision of this abnormal traces real-time detection technique is very high. This can alleviate the pressure of QC persons greatly and provide a powerful guarantee to the quality of seismic acquisition data.

seismic data; abnormal trace; real-time detection; seismic acquisition; data quality

孫 哲，男，1982年生，工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事地震采集質(zhì)控方法研究與軟件開(kāi)發(fā)。E-mail：fantasy_spz@aliyun.com

P631.4

A

2096-0077(2017)02-0067-06

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.016

2016-04-22 編輯：高紅霞)