0 引言

塔里木盆地台盆区占盆地总面积约80%，涵盖塔克拉玛干沙漠及其外围，表层及深层地震地质条件复杂，石油地质条件优越，油气资源丰富，是油田增储上产的重要领域^[1-3]。区内地表以沙漠和盐碱地为主，低降速层厚度为5~150 m；油气藏类型以碳酸盐岩油藏为主，埋深为4.5~11.0 km。沙丘松散且起伏大，对地震波高频成分衰减严重。另外，沙丘鸣震、多次波等干扰严重影响原始地震资料品质和深层弱信号的成像质量^[4]。

随着塔里木盆地油气勘探力度的持续加大，台盆区采取“区带整体部署，集中高效采集”的方式加快高精度三维地震资料全覆盖。“两宽一高”地震资料采集技术大幅提高了地震成像质量和储层预测精度，推动了该区油气高效勘探开发^[5-7]。但地震采集呈现工作量大、有利时窗短、生产节奏快、复杂程度日趋增高等特点^[8-10]。相邻工区间不同地震队同时施工产生的混叠噪声严重影响深层弱反射信号。

数据混叠室内分离方法可分为两大类：基于去噪分离方法和基于稀疏反演方法。佘德平^[11]提出2D弹性波交错网格有限差分模拟多震源同步激发产生的复杂波场，同时指出邻炮干扰在共炮检距道集中呈随机噪声特征。徐雷良等^[12]提出两步法压制邻炮干扰，利用强振幅分频滤波和中值滤波压制可控震源独立同步激发(ISS)数据中的邻炮干扰。于富文等^[13]根据多组震源滑动扫描激发产生的邻炮干扰在检波点域或共炮检距域表现为随机离散信号，而有效信号连续性不发生变化的特点，采用多方位矢量中值滤波将干扰信号分离。王文闯等^[14]提出α-trimmed矢量中值滤波，相较于传统的矢量中值滤波更加保幅，同时鲁棒性也较好。宋家文等^[15]和杨连刚等^[16]提出FKK域采用稀疏反演分离混采数据中的有效信号和混叠噪声。Chen等^[17]利用Seislet域整形正则化方法获得较好的数据分离结果。基于稀疏反演的方法比基于去噪方法分离干扰效果更好，但是计算成本更高。当地震资料信噪比低、数据量大、混叠程度高时，对分离方法的要求也就更高。

塔里木盆地沙漠区以井炮作业为主，深层信号能量弱、信噪比低、保幅性要求高，数据混叠分离技术在本探区应用尚存在一定局限，当前主要通过野外采集规避混叠噪声。具体方法是通过延长激发时间间隔和交替轮换施工降低这种噪声，但该方法大幅降低了采集效率。东方地球物理公司（BGP）于2020年研发了井炮作业GNSS时序激发控制系统(简称防重炮系统)，通过GPS统一授时和控制不同仪器主机激发时间，实现同时激发和交替激发，较好地解决了野外采集时能量互相影响问题，但当激发点距离过小，该系统的使用受限^[18]。

为系统地解决塔里木盆地沙漠区同步激发时激发点距离、激发时间间隔等问题，本文利用现场试验调查资料建立数据混叠分析时间—空间图板，在不同激发点距条件下部署不同的井炮激发方案。实例证明，所提方法在有效规避混叠噪声的同时，采集效率得到大幅提高，成功解决了富满油田Ⅱ区连片三维采集数据混叠问题。

1 技术原理及流程

同步激发是通过GNSS将各地震队之间激发时间从“无序”变“有序”，从而提高作业时长的采集技术。其基本原理为：在满足本区和邻区上一炮能量已经衰减的前提条件下，通过控制两个或多个仪器主机激发时间，使其按照一定激发时间间隔同时激发，确保仪器在当前炮记录时间内，邻区传播速度最快、能量较强的初至波到达前已经停止记录，避开邻区初至波强能量干扰。GNSS时序激发控制系统的工作流程：①首先对各地震队GPS统一授时，依据激发间隔和队伍数量，划分一系列数量与地震队数量相同、时间长度为激发间隔的时间槽，并分配给每个地震队；②各地震队完成激发前的排列检查、炮线连接等准备工作；③各地震队按照各自激发时间槽等待激发，若轮到本队时间槽时已做好激发准备则激发，否则等待下一轮激发时间槽到达，重复该过程，直至采集结束。

该系统以GPS统一授时时间为基准，应用时间槽分配技术将多个GNSS时序控制器按需赋予一定的时间间隔，按组合方式同时或交替对仪器编码器整秒发出点火命令, 触发地震仪器采集，实现自主激发，并保持与仪器主机采集同步，各相邻地震队可根据本队施工情况24 h作业，有效规避了数据混叠现象，保障了资料的品质，在优化采集时间分配的基础上，提高了野外作业时长和效率。

2 关键参数的确定 2.1 工区概况

富满Ⅱ区三维区位于阿满过渡带北部，为加快富满油田有利区三维全覆盖，为增储上产夯实基础，设计偏移处理前满覆盖面积为2408 km²，炮道密度高达1.76×10⁶次/km²。为按期完成采集任务，整个项目分为子项目Ⅰ、子项目Ⅱ，并由两支地震队同时施工完成。

图 1a、图 1b分别为子项目I和子项目II同时施工的单炮记录，可见均有来自对方的邻炮干扰(图中平行四边形)。对其进行频谱分析可见，5 s以下目的层中低频信号干扰严重，数据混叠为线性特征的折射波干扰，主频约11 Hz，速度范围约1800~3600 m/s(图 1c)。需进一步分析数据混叠在时间、空间上的特征及其产生机理。

2.2 数值模拟

为明确双组震源激发时数据混叠的特征，采用声波波动方程进行数值模拟。

根据富满地区声波测井曲线和地震资料，建立层状地质模型(图 2)。正演模拟参数：道距为10 m，时间采样为0.2 ms，主频为20 Hz的Ricker子波, 记录长度为10 s，最大炮检距为8500 m。

由图 3单、双震源波场快照可见，双震源激发使地震波波场变得复杂，高速的浅层干扰能量较强而深层反射波能量较弱。从图 4单炮记录上看，与实际记录呈现特征一致，混叠噪声主要为线性折射波干扰，影响中深层信号。如图 4b所示，由于距离过近同步激发仍会产生数据混叠，因此使用同步激发技术必须控制震源间距离。由图 4b、图 4c看出，两队激发时差越大，深层受干扰影响范围越小，即可以通过增加激发时间间隔避免干扰，但有效采集时间会减少，采集效率随之降低。

2.3 现场试验及数据分析

为进一步确定两队同步激发关键参数，现场开展如图 5所示调查试验：①工区南部大沙区布设二维长排列调查线，最大炮检距60 km，记录长度14 s；②工区内开展长记录调查，由子项目Ⅰ小沙区激发，子项目Ⅱ排列接收，最小炮检距为51.4 km，最大炮检距为67.7 km, 记录长度为120 s；在高速层下采用12 kg高密度硝铵进行激发，地面采用2串检波器组合接收。详细采集参数见表 1。折射干扰出现在20~40 s(图 6)。需指出的是，两者均受到来自井场机械干扰的影响，在分析时应排除其影响。

由图 6可知，来自浅层低速折射波较深层高速折射波能量强，并且速度分布在1800~3000 m/s的浅层折射波能量衰减相对较慢，而3000~3600 m/s中深层折射波能量衰减相对较快，数据混叠主要产生于浅层的折射波。

通常地震采集记录长度为8、9或10 s，通过工区内长排列试验，发现与之对应初至波出现的炮检距为27.1、33.8、40.8 km。图 7为长排列试验资料得到的不同类型地震波振幅随炮检距变化曲线，排除机械干扰影响，背景环境噪声能量为3~10 μV，初至波能量在40 km以内衰减较快，在40 km以后能量与背景噪声能量水平一致。

图 8为120 s长记录资料不同类型地震波振幅随炮检距变化曲线。排除机械干扰影响，当炮检距大于57 km时，1800、3000 m/s折射波能量从50 μV开始衰减，炮检距达到65 km以后衰减到10 μV以下；3600 m/s折射波能量从20 μV开始衰减，炮检距达到65 km以后衰减到10 μV以下。由于小沙区激发能量更强，因此它与长排列试验资料比较，相同炮检距衰减到10 μV所需距离更长，因此折射波衰减至10 μV炮检距取65 km。

图 9为正常单炮最大炮检距位置(8.3 km)单道记录在5 s以后深层目的层地震波随时间变化曲线。可以看出，有效波能量分布在100 μV以上，即比背景环境噪声高10倍以上，因此若要深层有效信号避开数据混叠，来自邻队折射波能量至少应衰减到10 μV以下。

由此建立如图 10所示数据混叠分析图板，用于分析多激发源时在不同时间、空间位置数据混叠规律特征。分析可知，混叠干扰分为以下三种情况：①当激发时间间隔过短, 本区上一炮低速(约400 m/s) 面波能量未全部消散(主要为以下低速面波)，即本区上一炮干扰；②当两个激发源距离较远，数据混叠为上一炮附近时刻邻队浅层低速折射波；③当两个激发源距离太近，数据混叠为当前炮附近时刻邻队深层高速折射干扰。

为简化表述，将两队当日炮点之间实际距离记作d_r，自由激发时两队当日炮点之间最小距离记作d_f，同步激发时两队之间最小距离记为d_syn0。

d_f需满足折射波衰减至10 μV以下, 即d_f=折射波衰减至10 μV炮检距+最大炮检距=65 km+8.3 km=73.3 km。

d_syn0需满足在当前炮记录时间内，来自邻队的初至波还未达到。若考虑10 s以上记录，则d_syn0=邻队初至波10 s传播距离+最大炮检距=40.8 km+8.3 km=49.1 km；同理，若考虑9 s和8 s以上资料，则d_syn0分别为42.1 km和35.4 km。

激发时间间隔应同时满足时间、空间上避开数据混叠时的要求。时间上，塔里木盆地山地地表低速面波衰减到10 μV以下约需20 s，而沙漠地表约需35 s，即激发时间间隔应大于等于35 s；空间上，避开邻队1800 m/s低速折射波干扰，激发时间间隔应大于等于32 s(图 10)。最终沙漠区激发时间间隔应大于等于35 s。

在同步激发距离内，若对数据混叠能量控制比10 μV更严格，可将激发时间间隔调整为35~40 s，具体可结合图 10数据混叠分析图板。

2.4 不同距离条件井炮激发方案

根据1.3节可知，若两队当天大排列片中待激发点之间存在d_r小于d_syn0的情况，且双方井炮激发时间接近，将会出现数据混叠，距离越近，受数据混叠的单炮越多、分布越密集，加之每个地震队大排列片上会同时布置多个炮班，因此数据混叠出现位置呈现一定随机性。

分析可知，当两队当天大排列中待激发点之间最小距离大于d_syn0，仍然存在一部分激发点满足同步激发条件，如果这部分激发点数量具备一定数量(达到当日采集炮次的1/3)，那么就可考虑继续使用同步激发系统，提高采集时效。因此在兼顾采集效率和施工组织便利的前提下，根据两队人员装备配置、施工效率、当日工作量等客观因素，将两队各自当天激发点按照d_syn0距离划分成两个区域，事先约定各个区域激发时间段，距离较远的区域采取同步激发，距离较近的区域采取交替激发，即可实现传统同步激发施工方式的基础上进一步提高效采集日效（图 11）。

对于整个采集过程而言，根据工区以往资料或现场试验资料分析求取关键距离参数：自由激发最小距离d_f、整线束同步激发最小距离d_syn0、分区同步激发最小距离d_syn1。两队安装GNSS时序激发防重炮系统，动态监测每天两队大排列片待激发点之间最小距离dminr，按照该距离的大小分四种情况选取对应激发策略施工直至某一队结束采集：

(1) 若d_minr≥d_f，两队任意自由激发，互相之间不影响；

(2) 若d_syn0≤d_minr＜d_f，两队使用同步激发系统激发；

(3) 若d_syn1≤d_minr＜d_syn0，依据每天人员装备配置、施工效率、当日工作量等划分当日的同步激发区域、交替激发区域, 即分区同步激发；

(4) 若d_minr＜d_syn1，采用分时交替激发，即划分两队允许采集的时间段，各队只在划分给本队的时间段内可以采集。

3 实际应用效果

两队采集时间均安排在2020年11月18日至次年2月3日，为保证同步采集炮点距离符合要求，将相邻队伍采集相互干扰降至最低水平，实际实施时将采集方案划分为3个阶段进行控制(图 12)：

第一阶段，11月18日至12月16日采用整线束同步采集，共29 d；

第二阶段: 12月17日至1月22日采用分区同步采集，将两队每日激发区域分为A、B区，约定时间段同时采集A区或B区，共37 d；

第三阶段：1月23日至2月3日采用分区同步采集+交替采集，将两队每日激发区域分为A、B区，子项目Ⅰ的B区与子项目Ⅱ的A区最小距离满足同步激发条件，继续采用分区同步激发，子项目Ⅰ的A区与子项目Ⅱ的B区距离过近时采用分时交替激发，共12 d。

若采用往常的整线束同步激发方案，12月16日以后只能采用交替激发，每日两队采集效率将下降一半，导致工期延误。通过应用本文方法，富满Ⅱ区子项目Ⅰ采集共历时112 d，最高日效率为2012炮，平均日效为1245炮；子项目Ⅱ采集共历时78 d，最高日效为1383炮，平均日效为960炮。从两子项目每日采集炮次趋势上看，除三次排列搬家采集炮数减少外，整体运行平稳，采集效率几乎未受影响，表明本文所提方案增加了有效采集时间，采集效率提高，确保了富满Ⅱ区项目高效、按期完成。

图 13为新、老资料剖面及目的层频谱分析，新采集高密度资料较老资料信噪比更高，同相轴横向连续性更好，目的层寒武系—奥陶系(红框区域)主频由老资料的29 Hz提高到32 Hz，频带更宽，有效地拓宽了低频成分。深层目的层自西向东，台地内—台地边缘—斜坡地震波波组特征更加清楚，地质细节信息更加丰富，断裂成像精度更高，断点干脆，纵向发育规律性好，表明新采集资料混叠噪声得到了有效控制，保证了深层资料品质。

4 结论

针对塔里木盆地大沙漠区地震采集出现的数据混叠问题，通过数值模拟分析、现场长记录调查试验和长排列资料分析，建立了数据混叠时间—空间图板，明确了数据混叠的类型、产生机理、传播规律及同步激发技术的距离控制方式，为今后更为合理地应用同步激发系统提供了技术支撑。

文中创新地提出分区同步激发，建立了“任意自由激发+整线束同步激发+分区同步激发+分时交替激发”井炮激发实施方案，大幅增加了同区多地震队施工的有效采集时间。富满Ⅱ区实际三维采集项目在确保资料品质前提下，采集效率得到提高。

目前提出的井炮激发技术方案是建立在同步激发系统未能实时通讯的基础上，将来若解决实时通讯问题，使得两队当前时刻待激发点坐标能够实时传递到各自同步激发系统并计算出距离，可进一步减少交替采集的时间。