0 引言

地震勘探是油气发现和增储上产的主要技术手段，地震数据采集观测系统设计是能否实现地质目标有效探测的关键环节。当前，岩性、复杂构造等类型油气藏及剩余油气逐渐成为油气勘探的主攻方向^[1]，基于水平层状介质假设的观测系统优化设计方法已无法满足这类勘探目标成像精度的要求。针对隐蔽性油气藏的精细地震勘探，其数据采集投入大、成本高，迫切需要在设计环节分析不同采集参数或观测系统方案对地质目标体的成像效果，以提出更经济、有效的采集方案。

为了提高复杂构造目标体的成像质量，近年来许多学者提出基于地质模型的观测系统优化方法，研究地震波在地下介质中的传播及能量分布规律，分析评价地下复杂构造对地震波传播路径的影响，进而指导采集观测系统优化设计。基于地质模型的观测系统优化设计主要分为基于射线追踪^[2-9]和基于波动方程^[10-14]两大类方法。

Campbell等^[15]和Ibrahim^[16]根据工区地质构造信息构建地球物理模型，布设观测系统，通过射线追踪计算，得到各反射界面在设定观测系统下被照明区域(反射点)及各界面的覆盖次数，并将各界面覆盖次数等效为照明能量；雷涛等^[17]基于波前构建法计算模拟偏移振幅强度(照明能量)，衡量不同观测系统对目标层的照明响应，进而评价和优化对应观测系统；吕公河等^[18]利用惠更斯—菲涅耳原理和Kirchhoff积分波场，研究地震波入射和反射能量分布特征，精确模拟基于采集目标的地震照明度；李万万^[19]基于地质—地球物理模型，采用双程声波方程交错网格高阶有限差分法计算地震波照明度，提出一种面向目标的观测系统设计方法；董良国等^[20]针对逆掩推覆构造模型，利用照明统计、双程波照明、单程波照明和射线方法，研讨了面向目标的地震波照明和观测系统设计方法，朱金平等^[21]将董良国等^[20]方法扩展到三维模型；赵虎等^[22-23]采用最小值法并以加炮前后目的层能量均匀性(方差)为指标加密炮点，提高了目的层成像质量；许银坡等^[24]针对地表和地下地质条件复杂区的目的层地震波能量分布不均匀问题，利用均值能量比系数和距离能量比系数计算备选激发点，并对照明能量最小区域加密炮点；秦龙等^[25]基于惠更斯—菲涅耳原理，提出通过炮点向量在聚焦方向上的投影确定组合震源传播至虚拟波前的走时，从而确定任意起伏地表组合震源的延迟激发时间，提高地震波的照明能量和地震数据信噪比。

上述方法均是通过建立地质模型，利用射线追踪或波动方程计算目的层照明能量。射线类算法存在盲区，波动方程法存在海量波场数据存储的难题；同时由于地质现象的复杂性，准确构建模型难度大。因此，上述方法难以真正对隐蔽性含油气目的层进行照明分析，从而不能有效地优化观测系统。

现今中国大多数油田处于勘探开发的高成熟阶段，具有很多以往的二维、三维地震数据，其中包含了丰富的可再利用信息。赵贤正等^[26]提出基于局部相似属性依赖(以往)数据的地震照明分析方法，是根据Fomel^[27-28]提出的局部相似属性理论计算地震数据局部相似属性，即计算不同炮检距照明强度，得到依赖数据的地震照明分析，进而评价和优化观测系统，但要确定加密炮点的具体位置，还需构建模型并结合射线追踪法进一步确定。对于复杂构造区，因无法准确构建地质模型，射线追踪方法存在缺陷，不能精准确定加密炮点的位置，故不能有效提高目标层阴影区的成像质量。

本文基于Fomel^[27-28]提出的局部相似属性理论，改进了局部相似属性的计算方法，提出基于实际数据驱动提高目的层阴影区成像质量的炮点变观方法。即充分利用探区已有资料，处理得到地震剖面和共成像点(CIP)道集，计算CIP道集的局部相似属性，得到不同炮点对目标地质体的照明度，以目的层局部相似属性均匀性为指标，确定整个工区加密炮的位置。通过理论模型和实际资料处理，验证了本文方法能最大限度地提高地质目标的照明能量和地震资料的信噪比，解决了盲目大幅度增补炮点带来的加大采集成本和施工难度的问题。

1 局部相似属性的基本原理

定义两个时间序列u_i (t)与v_i (t)的相似系数为

$ c\left[ {u, v} \right] = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{u_i}{v_i}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^N {u_i^2} \sum\limits_{i = 1}^N {v_i^2} }} $

(1)

式中N为信号的长度。该式用一个数值衡量两个信号之间的相似程度，可通过滑动时窗确定两个信号的局部相似性

$ {c_w}\left[ {u, v} \right] = \frac{{\sum\limits_{i = t - \frac{w}{2}}^{t + \frac{w}{2}} {{u_i}{v_i}} }}{{\sum\limits_{i = t - \frac{w}{2}}^{t + \frac{w}{2}} {u_i^2} \sum\limits_{i = t - \frac{w}{2}}^{t + \frac{w}{2}} {v_i^2} }} $

(2)

式中w是滑动窗口的长度。

滑动时窗法虽能计算某个时刻的局部相似属性，但当地震子波随时间和空间剧烈变化时，时窗大小不能准确设定，无法算出准确的局部相似属性。

Fomel^[27-28]提出的两个地震信号局部相似属性计算方法，是将式(1)的相似系数计算式以反问题正则化方法局部化，计算两个地震信号任意时刻的局部相似性。为了提高局部相似属性在实际中的应用效果，本文在原方法基础上进行了改进，主要采取如下措施。

(1) 对探区已有地震数据进行处理，利用速度谱对CIP道集进行动校正，根据波形拉伸畸变情况做合理切除，得到处理后的CIP道集数据，任意的第j个CIP道集叠加后为

$ {{\bar x}_j}\left( t \right) = \frac{1}{P}\sum\limits_{i = 1}^P {{x_{i, j}}\left( t \right)} \;\;\;{\rm{ }}1 \le j \le M $

(3)

式中：P为叠加次数；M为CIP道集数；x_i，j(t)为第j个CIP道集中的第i道地震数据。

(2) 对每个CIP道集数据中所有道x_i，j(t)和叠加道x_j(t)分别进行高斯光滑(或三角光滑算子等)，并分别将U_i，j(t)和U_j(t)作为矩阵A和B的主对角线元素

$ {U_{i, j}}\left( t \right) = \sum\limits_{w = - k}^k {{x_{i, j}}\left( {t + w} \right)} \cdot g \left( {w, \sigma } \right) $

(4)

$ {{\bar U}_{i, j}}\left( t \right) = \sum\limits_{w = - k}^k {{{\bar x}_{i, j}}\left( {t + w} \right)} \cdot g \left( {w, \sigma } \right) $

(5)

$ g\left( {w, \sigma } \right) = \frac{1}{{\sigma \sqrt {2{\rm{ \mathsf{ π} }}} }}{{\rm{e}}^{ - \frac{{{w^2}}}{{2{\sigma ^2}}}}} $

(6)

式中：σ是光滑尺度；k值根据g(w，σ) < δ得到，δ为设定的阈值；高斯光滑窗口的宽度为2k+1；方阵A和B的维数n为接收道的采样点数。

(3) 计算矩阵AA^T和BB^T主对角线元素的最大值a_i，j和b_j，将矩阵AA^T每个元素分别加εa_i，j、BB^T每个元素分别加εb_j，得到对应的方阵C和D，计算它们的乘积，得到逆矩阵F。在该步骤中：ε是设定参数，可根据资料信噪比调整，信噪比越低，ε取值应越小；矩阵A^T和B^T分别为矩阵A和B的转置。

(4) 分别计算矩阵A与U_j(t)构成的一维向量的乘积和矩阵B与U_i，j(t)构成的一维向量的乘积，将得到两个一维向量点乘，最终得到一维向量E。

(5) 将逆矩阵F与一维向量E进行相乘，便可得到一维向量，即第j个CIP道集中的第i道地震数据的局部相似属性。

图 1是不同覆盖次数模拟CIP道集的局部相似属性的示意图。

2 炮点加密方法

在上述局部地震属性理论框架下，充分利用探区以往丰富的地震数据，形成了本文提高目的层阴影区成像质量的炮点加密方法，其具体流程(图 2)及步骤如下。

(1) 拟定观测系统

根据探区实际地质任务设计炮点“密集”的观测系统，即尽量选择较小炮点距(或炮线距)，以适应加密炮点的需要。

(2) 计算已有炮的局部相似属性

处理工区已有的地震数据，得到CIP道集和剖面数据，计算各CIP道集中每道的局部相似属性，在剖面数据上拾取目的层，每个CIP道集对应目的层一个时间/深度，以对应的时间/深度为中点，设定时窗长度，对CIP道集中每一道局部相似属性分别求和，得到各道的目的层局部相似属性，进而可得已有炮(集数据)所有道的目的层局部相似属性。

(3) 计算拟定观测系统所有炮局部相似属性值

根据探区已有数据中每道的目的层局部相似属性，利用空间内插技术求取拟定观测系统每炮、每道的局部相似属性，得到每炮对各个CIP道集目的层局部相似属性的贡献值，即任意第k炮对x方向第i个、y方向第j个CIP道集目的层的局部相似属性值记为l_k，i，j。

(4) 计算拟定观测系统正常炮对目的层贡献值

将拟定观测系统正常炮点距包含的炮点构成正常炮局部相似属性库、待加密炮构成待加密炮局部相似属性库，计算正常炮对每个CIP道集目的层局部相似属性的贡献值，将x方向第i个、y方向第j个CIP道集目的层的局部相似属性记为C_i，j。

(5) 圈定目的层局部相似属性低值区

建立CIP道集目的层局部相似属性与实际空间坐标位置的关系曲线(曲面)，确定目的层局部相似属性低值区域

$ {{\bar X}_{\min }} = X({C_{\min }}\{ {C_{i, j}}\} ) $

(7)

式中：C_min{C_i，j}表示确定计算目的层局部相似属性低值区域；X(·)为求该区域的位置坐标。

(6) 以目的层局部相似属性的均匀性为指标，自动确定加密炮

从待加密炮的局部相似属性库自动选择添加第k炮后目的层局部相似属性均匀性的计算式为

$ {\phi _k} = \sum\limits_{i = 1, j = 1}^{m, n} {{{({l_{k, i, j}} - {{\bar C}_{i, j}})}^2}} $

(8)

式中C_i，j为选定满覆盖区域的目的层局部相似属性均值。

自动计算加入某一炮前后目的层局部相似属性的均匀性，按照ϕ_k从小到大排序，若加入某一炮标准方差大于加炮前，则该炮不参与排序。

综合评价指标定义为

$ S = {\varepsilon _1}\cdot\frac{{{\phi _k}}}{{\bar \phi }} + {\varepsilon _2}\cdot\left| {\frac{{{{\bar X}_{\min }}}}{{{X_k}}} - 1} \right| $

(9)

式中：S为选炮的综合评价指标，即最小值对应的炮点将被选择；ϕ、ϕ_k分别为选定满覆盖区域加入第k炮前、后的目的层局部相似属性均值；X_min为局部相似属性低值位置坐标；X_k为待加入的第k炮位置坐标。据该综合评价公式，选定加密炮点。

(7) 循环加密炮点

从炮域局部相似属性库中选择加密一炮完成后，根据步骤(5)重新确定局部相似属性低值区域；以炮域局部相似属性库剩余炮为待加密炮，利用步骤(6)的评判法则，选定所有加密炮的位置和密度。

本文提出一种完全由数据驱动、不依赖于宏观地质模型的观测系统优化方法，通过计算CIP道集的局部相似属性，以目的层阴影区局部相似属性均匀性为指标，对新部署的地震采集观测系统有选择性地自动加密炮点，达到最佳激发—接收效果，侧重提高复杂构造目的层阴影区的成像质量。

3 理论模型测试

采用SEG推荐的盐丘模型生成的数据做理论测试。该模型(图 3)东南方向的正上方有一高速(4500m/s)盐体，模型尺寸为13000m(长)×13000m(宽)×6000m(深)，横向、纵向采样间隔均为20m，共有325个样点。所用观测系统：1炮201线接收，道距为40m，接收线距为40m，201道、201线接收，炮线距、炮点距均为300m，共模拟255炮。将模拟炮集数据做深度偏移，根据深度偏移剖面上目的层成像质量选择加密炮点。

针对该模型设计的基础炮的炮线距和炮点距都为600m，将约1/4炮设计为基础炮，剩余炮点作为待加密炮(图 4a)。基础炮局部相似属性如图 5a所示，在其右下角有一东南向的局部相似属性较低值区，该处局部相似属性仅是周围的1/20，主要原因是未采集到高速屏蔽层下方弱反射层的反射信息。基础炮(黑点，64炮)生成的剖面数据如图 6a所示，可见在“ ”形区域的同相轴已断开。在基础炮构成的观测系统上，利用前述流程自动加密63炮(图 4b中绿点)，计算加密后(共127炮)的局部相似属性(图 5b)，可见加密后东南方向阴影区的局部相似属性比加密前得到提高。比较加密前、后剖面数据阴影区成像质量，可见加密前剖面(图 6a)红色框内的水平同相轴连续性差，而加密后剖面(图 6b)的红色框内水平同相轴连续性增强，特别是“”形区域，加密前断开的同相轴已较好地连接起来，信噪比得到显著提高。同样情形在目的层上覆层的同相轴中也有所体现，成像质量均得到提高。因此，加密炮点后目的层阴影区总体成像质量得到明显提高。

为了进一步验证本文方法的可靠性，按照常规方法在横向炮线上规则地加密63炮(图 4c中绿点)，加密后炮点数是127炮。与本文方法(图 6b)相比，用常规方法加密后的剖面数据(图 6c)目的层阴影区成像质量差，特别是红色方框内的“ ”形区域，目的层阴影区的同相轴还是处于断开状态，即连续性差。由此可见，新的自动加密炮技术更有效。即它是针对目的层的阴影区，有针对性地自动加密炮，而不是整体盲目地加炮，保证了所加炮对目的层阴影区成像质量贡献最大化。

4 实际数据的应用与分析

哈萨克斯坦M探区主体位于沙漠，激发、接收条件较差，加之地下有多个盐丘，资料信噪比较低，同相轴欠连续，特别是盐下目的层阴影区成像质量更差。为此，利用本文方法对该探区已有实际数据开展局部相似属性分析，设计加密炮点。

根据探区地质任务预先设计的观测系统如图 7所示，基础炮点距为200m，基础炮点数为237，设计的待加密炮点距为正常炮点距的整分数倍，待加密炮点间距为50m，待加密炮点数为575炮，接收点间距也为50m。

对探区已有资料进行重新处理后，可见得到的局部相似属性(图 8b)能有效反映同相轴的连续性；从所得剖面数据(图 9)可见两处(CIP650~950和CIP1250~150)盐下目的层的成像质量较差，主要缘于盐丘遮挡，目标层的反射振幅很弱，信噪比低。

在该剖面上拾取目的层(图 9中约3000ms处黑线)，给定一个时窗范围，用均方根振幅法计算每个共成像道集目的层能量(图 10)。因受噪声等影响，利用均方根振幅法计算的能量曲线不能有效表征目的层成像质量。采用局部相似属性法计算拾取的目的层的局部相似属性(图 11)表明在CIP700~950和CIP1300~1500两个区域呈现低值，与图 9所示的基础炮叠后数据成像基本吻合。因此，剖面上CIP道集的局部相似属性可有效反映目的层成像质量，且目的层的局部相似属性越高越有利于成像。

根据图 2处理流程，首先针对局部相似属性低值CIP650~950区域加密炮点，计算待加密炮点对该区域目的层局部相似属性的贡献，以提高该区域目的层的局部相似属性的均匀性为目标，最终选择的炮点如图 12(加密的一部分炮点)。其中红色六角形对应图 9叠后数据中左边盐丘的顶部位置，红色圆点为针对CIP650~950局部区域加密的50炮。加密的炮点主要位于盐丘顶部右侧区，加密50炮后总炮数为287，计算出加密后的局部相似属性(图 13中红色曲线)，可见加密炮点后CIP650~950区域的局部相似属性显著增大。对该加密炮点数据进行处理，得到相应剖面(图 14)，与加密前剖面(图 9)相比，加密炮点后剖面在成像质量方面得到明显提高。结合图 13和图 9分析得知，处于CIP1250~1500的右侧盐丘的局部阴影区，因未对此区域加密炮点，其局部相似属性和阴影区成像质量均基本不变。这充分说明该自动加密方法是有目的地加炮，将炮点加到最需要的地方，形成经济有效的提高目的层成像质量的技术。

再针对CIP1250~1500局部目的层阴影区加密30炮，加密炮点主要位于右侧盐丘顶部的左边。计算两个阴影区域加密80炮后(共计317炮)目的层的局部相似属性(图 15中红色曲线所示)，可见加密后两个区域的局部相似属性均有明显增大，目的层阴影区局部相似属性分布更均匀。从两个局部相似属性低值区加密80炮点的叠后剖面(图 16a)看到：加密炮点后，两处盐下目的层成像质量得到不同程度的提高，红色椭圆内的同相轴连续性有了明显改善，信噪比增强，分辨率相应提高，与加密前后目的层局部相似属性值的总体分布(图 15)基本吻合。

在预设观测系统基础上规则加密炮点，设计炮点距为100m，加密206炮，加密后一共443炮。观察规则加密炮点后所得叠后剖面(图 16b)，可见其目的层成像质量显著改善。但仔细鉴别图 16a与图 16b中红色椭圆部分，得知规则加密方法对目的层阴影区成像质量不如本文加密方法。再次表明通过选择提高标定区局部相似属性的炮点加密方法能有效改善目的层阴影区成像效果。

对本文方法与常规加密炮点方法做效率对比测试。采用Windows 10版本，系统处理器Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2650 v2 @2.60GHz，已安装的内存(RAM)32.00GB，64位的操作系统，16个线程。预设的观测系统：炮点距为50m，接收点距为50m，中间放炮，480道接收，最大炮检距为11975m。在探区地质模型上做目的层照明分析，采用单程波照明分析，子波主频为20Hz，网格间距为20m，计算一炮对目的层的照明能量需32s，共812炮需7.22h，分析加密炮点约需2.5h，完成整个加密炮分析共需9.72h。搜集探区老资料237炮和早期已处理CIP道集，每个CIP道集最多包含80道，利用共轭梯度法计算每个CIP道集中每道的局部相似属性，迭代15~20次，完成所有CIP道集的局部相似属性计算需3.2h，利用空间内插出575炮每道的局部相似属性并分析加密炮约需2.9h，完成加密炮分析共需6.1h。可见在确保加密炮点提高目的层阴影区成像质量条件下，选择加密炮点的时间比常规方法减少了37.2%。

5 结论

在局部地震属性的理论框架下，本文提出基于实际数据地震道局部相似属性的炮点设计方法。利用探区已有资料，处理得到剖面数据和CIP道集；计算CIP道集的局部相似属性，得到不同炮点对目标地质体的照明度；分析目的层阴影区的局部相似属性，以该相似属性的均匀性为指标，指导加密炮点布设，提高目的层阴影区成像质量。从理论模型和实际资料处理结果得出如下结论及认识：

(1) 改进了局部相似属性算法，在确保正确计算CIP道集局部相似属性前提下，提高了计算效率，满足了高效采集技术快速发展的需求。

(2) 因受噪声干扰等影响，目的层的能量不能有效反映目的层的成像质量，而局部相似属性能较好地体现目的层的成像质量。

(3) 本文方法无需构建地质模型，是完全依赖于以往地震数据的观测系统分析方法，因此适用于无法准确建模的隐蔽性油气藏(勘探)，并且还克服了射线类算法盲区的限制，避开了波动方程海量波场数据存储的难题。

(4) 根据待加密炮对目的层阴影区照明能量的贡献布设加密炮点，有目的性地加密炮点，是进行科学变观设计的基础，弥补了常规凭经验或地质模型照明分析等的近似盲目的加炮方式的不利方面。

总之，本文方法既可最大限度地提高地质目标的照明能量和地震资料的信噪比，又避免成倍增加炮点带来的采集成本和施工难度增加的弊端，为复杂目标高精度地震勘探提供了技术保障。