施工模块划分技术在塔里木盆地复杂山地地震勘探中的应用

Application of Construction Module Division Technology in the Seismic Exploration of Complex Mountainous Regions in the Tarim Basin

摘要: 塔里木盆地地处天山山脉、昆仑山脉和阿尔金山脉之间，油气资源丰富。随着石油勘探程度的加深，勘探目标向盆地边缘山前带和山地转移。山地地形十分恶劣、交通条件极差，给地震勘探野外采集施工作业带来极大的安全风险。如何降低施工中设备搬迁和人员行走的风险，是本文写作的主要目的。本文介绍了施工模块划分技术在塔里木盆地帕米尔高原的勘探施工中，降低作业风险的应用实例，为塔里木盆地高难山地地震采集施工开辟了一条有效途径。

Abstract: The Tarim Basin is located between the Tianshan Mountains, Kunlun Mountains and Altun Mountains and is rich in oil and gas resources. With the deepening of oil exploration, the exploration targets have shifted to the piedmont and mountainous areas on the edge of the basin. Because the mountain terrain is very bad and the traffic conditions are extremely poor, it brings great safety risks to the seismic exploration field acquisition and construction operations. How to reduce the risk of equipment removal and personnel walking during construction is the main purpose of this article. This article introduces the application examples of the construction module division technology in the exploration and construction of the Pamir Plateau in the Tarim Basin to reduce the operation risk, which opens up an effective way for the seismic acquisition and construction of the high-difficult mountainous area in the Tarim Basin.

1. 引言

据中国石油第四次油气资源评价结果，塔里木盆地是中国最大的含油气盆地 [1]，也是地震勘探的主战场。随着石油工业的发展，石油勘探目标区已从平坦的盆地中心地带转向近地表比较复杂的盆地边缘山前带和山地。由于勘探目标复杂，勘探参数设置更加强化，需要的设备成倍增加，高难山地勘探施工中设备搬迁、人员行走风险越来越大，怎样对风险进行源头规避，成为安全施工的关键。

2. 基于地形风险的施工模块划分

2.1. 技术背景

多年来，在地震勘探采集施工中多采用遥感影像判断地形难度。此方法存在主观因素大，且有一定迷惑性的缺点。从图1的遥感影像中看，该区域地形难度并不大，部分区域看上去还比较平缓。但实际上该区域起伏剧烈，风险极高如图2所示。

Figure 1. Remote sensing image

图1. 遥感影像图

Figure 2. Topographic risk map

图2. 地形风险图

同时，国内外普遍采用单向坡度描述地形难易程度，不能完全、准确表达地形风险分布，应用效果有限。如图3，同一地区0度方向坡度值与45度方向坡度值存在较大差异。所以单一坡向也不能完全表达斜坡的陡峭程度。

Figure 3. Gradient map of different aspects

图3. 不同坡向坡度图

2.2. 地形风险分级

2.2.1. 数学模型

描述地形难易程度的因素有坡度、坡向、海拔、起伏度等。由于坡度和起伏度本质上都是地表垂直量与水平量关系的表达，是描述地形难易最重的两个因素 [2]。其中，坡度是地表单元陡缓的程度，不但能够间接表示地形的起伏形态和结构，并且是地形风险模型分析的基础数据，是地表位置上高度变化率的度量，坡度可表达为百分数或者度数 [3] [4] [5]，计算公式为：

(1)

式(1)中，S为坡度，d为等距离投影DEM的单元尺寸(如图4)。d_x和d_y为对应方向的经纬度投影DEM， $Z_i\left(i=1,2,3,\cdots ,9\right)$ 为中心点5周围各网格点的高程。

起伏度是描述地形的一个重要因子，它主要用于描述宏观地形变化状况，是定量描述地貌形态，划分地貌类型的重要指标 [6] [7] [8]。其计算公式为：

$P=\sqrt{\frac{{\left(Z_1-m\right)}^2+{\left(Z_2-m\right)}^2+{\left(Z_3-m\right)}^2+\cdots +{\left(Z_n-m\right)}^2}{n}}$ (2)

式(2)中，P是起伏度，以矩阵格式进行采样，采样间隔需大于DEM数据原始采样间隔。Z₁、Z₂、……、Z_n是起伏度矩阵采样点高程值，m是n个采样点高程算数平均值。

Figure 4. DEM 3 × 3 partial moving window

图4. DEM 3 × 3局部移动窗口

2.2.2. 地形风险分级

经过研究，发现“多向坡度 + 起伏度”的地形风险模型定量计算方法，能够准确描述地形难度，较好的反映地形风险真实情况。

通过反复现场试验结合多年施工情况，将地形风险划分为六级。如表1，表中P为研究区域起伏度值， $\bar{S}$ 为多向坡度平均值。

Table 1. Topographic risk classification table

表1. 地形风险分级表

2.3. 施工模块划分技术

施工模块划分技术是基于地形风险分级模型，衍生出的一套适用于高难山地采集施工的应用技术。主要以极高风险为界，按照减少断崖攀爬、设备搬迁及渡河频次，缩短搬迁路程，保证每个施工模块至少有一个直升机起降点或一条可通行的道路等原则，进行施工模块划分，从而达到降低搬迁及行进风险的目的。在本技术形成以前，采集施工各工序按照炮线号和检波线号分组施工。如图5所示，技术形成前，完成该U型山体区采集作业需要穿越断崖6次。本技术形成后，以极高风险为界，按照模块施工，可以完全避免穿越断崖，实现施工风险的源头规避。

Figure 5. Division of construction operation modules in typical high-difficult mountain area

图5. 典型高难山体区钻井工序施工作业模块划分

3. 应用效果

3.1. 工区概况

某线束地震勘探位于帕米尔高原，属昆仑山与天山夹持地带，西高东低，中部克孜勒苏河两岸山势陡峭，地形条件十分恶劣(如图6所示)。

Figure 6. Schematic diagram of mountain area

图6. 山体区示意图

炮井范围内，南部山体区海拔达到3600米，山体区跨度15.3 Km，中部山体区海拔达到3400米，山体区跨度17.2 Km，是典型的高难山地地形(如图7所示)。

Figure 7. Geomorphology map of the work area

图7. 工区地貌图

3.2. 施工模块划分

3.2.1. 基于规避渡河风险的模块划分

测线横穿两条湍急的河流，分别为克孜勒苏河和膘尔托阔依河。其中，苏河最大河面宽118 m，水深15 m左右；膘河最大河面宽12 m，水深15 m左右。根据本次施工采用的接收设备为节点仪，结合工期恰为季节性洪水期的特点，以河为界进行模块划分。如图8所示，分A、B、C三段施工，物理点不入河，人员、装备不渡河，从源头规避施工中的渡河风险。

Figure 8. Construction module division diagram based on avoiding the risk of crossing the river

图8. 基于规避渡河风险的施工模块划分图

3.2.2. 基于降低地形风险的模块划分

测线中部、南部山体高陡，有五段高风险地形，是风险管控的重点。在这5个高风险地形区进行精细模块划分，按模块施工。图9为测线南部一段高风险区的精细模块划分，保证在每个模块至少有一个直升机起降点。其中9号模块两侧为绝壁，但可以规划一条可通行的道路，在没有直升机支撑的情况下，同样可以实现安全施工(如图10)。

Figure 9. Module division diagram based on reducing terrain risk (partial)

图9. 基于降低地形风险的模块划分图(局部)

Figure 10. Single module diagram based on reducing terrain risk

图10. 基于降低地形风险的单模块图

利用施工模块划分技术，在高难山体区划分了46个施工模块，安全高效的完成了2301个激发点和10,207个接收点的测量、埋置、激发工作。高难山体区高风险点位降低了67%、施工效率提高了32%、降低了近百万施工成本。

4. 结论

本文总结了一套塔里木盆地复杂山地地震勘探中，运用施工模块划分来降低施工风险的应用技术。

1) 提出了针对塔里木盆地复杂山地的地形风险分级方案，为安全、高效完成山地勘探项目探索了一条有效途径。

2) 结合工区实际情况，通过对塔里木盆地某线束地震勘探进行规避渡河风险和降低地形风险的施工模块划分实例，展示了施工模块划分技术能够有效地降低高难山地施工风险，保证员工生命安全。