0 引言

随着对地震资料采集精度要求的不断提高^[1-4]，如何通过更有效的质控手段监控野外采集施工过程，降低或消除影响地震源数据质量的不利因素，越来越受到各方重视^[5-6]。其中，炮点位置精确与否对后期的数据处理、解释具有重要影响，而在地震勘探现场数据采集过程中，由于受地表条件的限制或者人为因素，致使炮点施工位置与设计位置有所偏离^[7-9]。如果不予以纠正，不仅影响动校正和叠加的精度，有时甚至会导致错误的结果。已有的炮点位置偏移检查及校正方法列举如下。

(1) 对比炮检距曲线与初至的对应关系^[10-12]。通过对比炮检距曲线与初至的对应关系，检查单炮记录的物理位置。其优点是不用做静校正、迅速直观，不足之处是需要人工逐个单炮肉眼对比，费时费力，主观性强。

(2) 线性动校正法^[13-14]。如果炮点位置准确，线性动校正的结果将是接近于标准的直线，当炮点位置出现偏差的时候，线性动校正得到的初至曲线是不规则曲线。通过此方法判断炮点偏移时，会影响动校正效率，无法满足现场实时监控需求；另外，野外激发条件多变时，应用效果不好，一般需要精确静校正后，再通过此方法判断炮点位置偏移与否。

(3) 王民等^[15]在线性动校正的基础上，分象限叠加，然后采用分排列校正时差分析方法确定炮点的偏离量。但是这种方法需要动校正及对各个象限叠加成图，很难满足现场实时监控的需求。

(4) 利用时距曲线建立量板进行炮点位置批量校正^[16]。此方法对于地表起伏较大的西部地区精度欠佳。

(5) 朱海伟等^[17]利用粒子群算法进行炮点偏移校正，通过观测初至与计算初至建立误差目标函数，利用粒子群算法求解目标函数得到最优解即炮点位置。虽然该算法比常规网格搜索法的计算效率明显提升，但还是很难满足现场实时监控需求，大多只应用于室内处理。

(6) 利用ArcGIS检查炮偏^[18]。该方法通过对比设计炮点位置和施工炮点位置，超过给定阈值为炮点位置偏移。这种算法需获得精确的炮点施工坐标信息，在实际应用中精度很难达到；另外，这种方法不能有效解决因报错炮点桩号等人为因素造成的炮偏问题。

总之，常规的炮点位置偏移检测方法一般存在两方面不足：①依赖人工交互，肉眼对比，主观性强，精度低；②效率低。需要对单炮数据进行动校正、静校正等操作，很难满足当前野外高效地震采集条件下实时检测的需求。

本文通过深入研究最小炮检距道的性质，从最大能量和最短旅行时出发，通过对比理论初至和实际初至，自动判断炮点是否偏移，并计算出偏移量，然后予以校正。

1 炮点位置偏移原因分析

引起炮点位置偏移的原因可归结为客观和主观两类。

(1) 客观因素。由于有些地震采集区域的地表存在障碍物，比如建筑物、河流、池塘等。在这样的区域施工，无论是震源施工还是炸药施工，都要避开这些障碍物，这就不可避免地导致施工炮点位置与设计位置不一致的情况，引起炮偏。

(2) 主观因素。主观因素可分两种：一种是采集现场施工人员之间沟通不畅造成的。地震采集施工一般在晚上，炮班人员与仪器操作人员的通话装置是对讲机，由于天色、地形、信号弱等因素，加上仪器车内比较嘈杂，难免会出现漏报或错报桩号的情况。如果这种情况不能被及时发现，就会出现连续废炮。如图 1所示，当前施工单炮的点号为804，下一个施工单炮点号应该为805，但是由于单炮805不在主测线上，炮班施工人员误将单炮806当成了805报给现场仪器操作人员，这样仪器操作人员会用806对应的接收道接收805单炮数据，造成炮点位置从806所在位置偏移到805所在位置。若上述错误未被及时发现，会造成后续施工的单炮807、808、……等都是废炮，引起现场事故。

另一种主观因素是室内资料人员整理SPS等文件的过程中，将个别炮点位置弄错，导致炮检关系错误。

无论是客观原因还是主观原因引起的炮点位置偏移，都会给后期资料处理、解释造成不良影响，甚至是错误。炮点位置出现偏离，动校正后同相轴不能被拉平，因此也不能进行同相叠加。因为目前地震勘探的记录道数较多，往往有几千道甚至几万道，如果炮点位置出现偏离，将会有众多偏离道参与抽道叠加，就可能导致错误的结果，如剖面上出现一些与实际情况不符的孤立断点等^[19]。

2 快速检测炮偏原理

距离激发点最近的地震道——最小炮检距道显然具有两个特性：①最先接收到初至波的地震信号，即其初至波旅行时间是最短的；②由于距离激发点最近，在近排列范围内剔除能量异常道后，该地震道的能量最强。如果炮点位置存在偏移时，最小炮检距道会出现如下情况：①初至波旅行时间在近排列道中不是最短的；②道能量在近排列道中不是最强的。基于最小炮检距道的上述性质，该方法的实现包括以下五个过程。

2.1 计算单炮最近排列

为了降低能量异常道出现概率，同时提升计算效率，本文根据最小炮检距道一定在单炮的最近排列上这一特点，将计算数据范围限制在最近排列上，这样大大降低了参与计算数据的数量级，极大降低了能量异常道出现的概率。最近排列是指距离某激发点S₀最近的排列，计算最近排列时，要考虑平行布线和十字交叉布线两种情况，通过SPS中的X文件快速得到每个排列的起止道号，再将炮点到每个排列的距离排序，距离最小排列即为最近排列。

2.2 计算最小炮检距道

根据炮点大地坐标、近排列上各检波点大地坐标，由下式计算近排列上各检波点的炮检距

$ {d_i} = \sqrt {{{({x_i} - {x_0})}^2} + {{({y_i} - {y_0})}^2}} $

(1)

式中：d_i是近排列上第i道的炮检距；x_i、y_i是近排列上第i道的大地横、纵坐标；x₀、y₀是激发点的大地横、纵坐标。

据下式可求取最小炮检距，并得到对应地震道

$ {d_0} = {\rm{min}}({d_1}, {d_2}, \ldots , {d_n}) $

(2)

式中：d₀是最小炮检距；d₁，d₂，…，d_n依次为近排列上各检波点到激发点(x₀, y₀)的距离。此步骤可以计算出单炮设计时对应的最小炮检距道，用l_设表示。

2.3 计算近排列道集能量并剔除能量异常道

根据

$ e = \sqrt {\frac{{a_1^2 + a_2^2 + \ldots + a_n^2}}{n}} $

(3)

计算近排列中每道的能量，并按从高到低排序。式中：e是单道能量；a_i是样点振幅；n为单道的样点数。再根据设定阈值，剔除能量极高的异常道，确保找到的高能量道是最小炮检距道。此步骤可计算出能量最高道，用l_能0表示。

2.4 基于理论初至模型法拾取初至

为了提升拾取初至的效率和精度，通过建立最近排列的理论初至模型确定拾取范围，采用改进的能量比法拾取初至，最后利用批量编辑法剔除初至异常点，确保拾取初至的精度和效率。

2.4.1 确定初至范围

建立理论初至模型一是为了提升拾取效率，将参与计算的样点限制在由理论初至模型确定的近排列上一定范围的时窗内(图 3粉色线)，计算数据量大大降低；二是为了提升拾取精度，由于限制在理论初至模型上下，与在整道范围内搜索相比，拾取的初至点出现异常值的几率大大降低。

根据下式建立理论初至模型

$ t = {t_0} + \frac{d}{v} \mp h $

(4)

式中：t₀为交叉时；d为炮检距；v为速度；h为上下时窗的大小。根据工区实际情况，调整t₀、v、h的大小，确保将整个初至区域包络在内(图 3)。

2.4.2 初至拾取

利用能量比法拾取初至具有简单、效率高的特点^[20-21]，为了提高能量比算法的稳定性，减少拾取的错误率，采用多窗口能量比法^[22]，该方法是能量比法的一种改进。算法中用到3个滑动时窗：前、后时窗、第三时窗。首先计算后前时窗能量比，获得能量比极大值；然后在极大值所对应的时间前段搜索能量比次极值，在对应样点计算其前时窗与第三时窗的能量比。若此能量比值与极大能量比值满足某一条件(次极值一般为极大值的70%)，则该样点对应时间被认为是正确的初至时间(折射波先起跳时间)

$ \left\{ \begin{array}{l} A = {\left( {\frac{{M + \alpha C}}{{N + \alpha C}}} \right)^{\frac{1}{2}}}\\ A' = {\left( {\frac{{M + \alpha C}}{{D + \alpha C}}} \right)^{\frac{1}{2}}}\\ M = \sum\limits_{i = 0}^{{l_1} - 1} {{x^2}\left( {t + i} \right)} \\ N = \sum\limits_{i = 0}^{{l_2} - 1} {{x^2}\left( {t - i} \right)} \end{array} \right. $

(5)

$ \left\{ \begin{array}{l} D = \sum\limits_{i = 0}^{{l_3} - 1} {{x^2}\left( {t - i - m} \right)} \\ C = \frac{{{{\left[ {\sum\limits_{t = 1}^T {{x^2}\left( t \right)} } \right]}^{\frac{1}{2}}}}}{n} \end{array} \right. $

(6)

式中：A为后、前时窗能量比；A′为后时窗与第三时窗能量比；M为后时窗内l₁个采样点的能量和；N为前时窗内l₂个采样点的能量和；D为第三时窗内l₃个采样点的能量和；α为稳定因子；t为当前采样点；m为后时窗与第三时窗的起点间隔；C为一整道n个采样点的能量的平均值；T为时窗终点。

2.4.3 批量剔除异常点

根据前面拾取的初至点，利用炮检距和初至点交会，构成了“炮检距—初至点”交会图，初至异常点在交会图上以游离点形式存在(图 4a)。批量删除这些游离点极大提高了初至异常点编辑效率(图 4b)。通过上述步骤拾取初至，可快速、准确地拾取近排列上所有道的初至时间，排序可得最短初至时间对应的地震道，用l_时0表示。

2.5 判断炮点位置偏移与否

根据前面2.2节、2.3节计算出的最小炮检距道l_设和能量最高道l_能0，若l_设=l_能0，则不存在炮偏；否则，根据前述步骤(4)拾取的最小初至，找出最短旅行道l_时0，若l_设=l_时0，则不存在炮偏，否则炮点位置存在炮偏。利用设计时对应的最小炮检距道序号l_设，最高能量道序号l_能0或者最短旅行时道序号l_时0，二者的差就是需纠正的炮检量，其流程如图 5。

3 应用实例

该算法在实际应用中取得了良好的效果，下面以青海油田M工区、西南油气田N工区应用为例介绍一下该算法的应用情况。

3.1 应用实例Ⅰ

M工区曾在晚间采集地震数据，激发班组将炮点号为3119.5的单炮错报为3120.5，由于仪器操作人员的同时疏忽，用3120.5单炮的接收道进行了接收，出现了如图 6a所示的情况：炮点的理论初至(单炮记录上蓝线)与单炮记录相比，向左偏移了5道，即最小炮检距道(蓝三角所指)向左偏移了5道，与自动拾取初至(单炮记录上红线)得到的初至时间最短道(红三角所指)对应不上，软件系统自动判断为“存在炮偏”。

经仪器操作人员与激发班组人员核实，炮点号为3119.5的单炮存在炮偏(由炮检关系错误引起的)，更正炮检关系之后，红箭头与蓝箭头对应一致，炮偏问题得到解决(图 6b)。利用此方法，在该工区共计实时发现两处因报错施工炮桩号而引起的炮点位置偏移和3处因地形原因引起的炮点位置偏移，并分别进行了校正。

由于多处考虑了降低参与运算的数据量和线程池机制，此方法效率很高，检测一炮炮偏平均耗时约2s，完全能满足采集现场实时监控需求。

3.2 应用实例Ⅱ

N工区地震采集属于山地施工，如图 7所示。受地形、地表条件限制，某些理论设计的激发点在实际施工中不能埋置炸药，比如悬崖、沟壑、河流等。在此地域施工，炮点位置移动之后，如果设计初至没有及时改正，会造成炮点位置偏移，这些单炮要及时发现，否则，会影响后期的数据处理、解释等环节。

在实际采集过程中，单炮880的设计位置为峭壁，为此将炸药点埋置位置向一边移动了60m(3个道间距)，通过软件检测，发现理论初至与实际初至不对应，如图 8a所示。经现场人员核实，修正了设计的观测系统，将接收道统一向同一方向移动3道，炮点偏移问题得到解决(图 8b)。

基于此项技术，在该工区实时发现共计12处因施工位置移动导致炮点偏移的单炮，3处因施工人员报错桩号导致的炮点位置偏移的单炮，并进行了校正。

4 结论

本文基于最小炮检距道快速检测炮点偏移方法有以下特点。

(1) 检测效率高，满足实际施工需求。不需要做静校正和动校正，只需对最近排列的数据进行初至拾取和能量计算，快速确定单炮位置是否存在偏移。

(2) 定量化检测炮偏。传统方法靠肉眼观察，或多或少存在误差，本方法通过定量计算出最小炮检距道和最短初至时间道、最大能量道，并将它们比对，定量判断存在炮偏与否。

(3) 检测过程自动化。不需要人工干预，该方法集成软件模块会自动判断炮点位置是否偏移、自动报警。

通过实际应用，本文方法能完全满足高效采集条件下现场实时监测炮点位置偏移的需求。