《高精度三维地震采集设计技术规范》

ICS75.020

CCSE90/99

T

团体标准

T/CIXXX-2023

高精度三维地震采集设计技术规范

Technicalspecificationforhigh-precisiondesignof3Dseismic

acquisitiongeometries

（征求意见稿）

2023-X-X发布2023-X-X实施

中国国际科技促进会 发布

高精度三维地震采集设计技术规范

1范围

本文件规定了高精度三维地震采集的技术规程、技术要求和精度指标。为了规范“两宽

一高”高精度三维地震采集设计的技术规程、技术要求和精度指标，特制定该标准，有力促

进三维高精度地震采集技术在我国东部断陷盆地油气勘探、西部高陡构造油气勘探、以及煤

田及煤层气地球物理勘探的推广应用。高精度三维地震采集设计是一种基于复杂介质模型波

动方程延拓的地震采集设计方法，从三个方面定义了采集系统的成像分辨特性：（1）“宽

频”控制采集系统对地下速度变化的感应能力，（2）“宽方位”控制采集系统的成像分辨

率，（3）“高密度”控制采集系统的成像清晰度。高精度三维地震采集设计的目标是解决

地震采集的实效分析评价问题，通过对“两宽一高”布设台阵采集效能的解析，优化建立“两

宽一高”采集参数与采集成本的经济效益优化模型，为低成本高质量采集奠定技术基础。本

规范拟制订的标准构成由以下五个部分组成：（1）适用范围、规范性引用文件、术语和定

义，（2）三维速度建模与采集系统波动方程延拓，（3）“宽方位”与采集系统成像分辨率

设计准则及技术规程，（4）“高密度”与采集系统成像清晰度设计准则及技术规程，（5）

“两宽一高”三维地震采集系统的整体性能评价。

其它三维地震采集设计技术参照使用。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款，其中，注日期

的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改单）适用于本文件。

SY/T7614-2021海底节点地震资料采集技术规程

SY/T5454-2017井中地震资料采集技术规程

NB/T10010-2014煤层气地震勘探资料采集规范

SY5391-1991DSC地震数据采集站

SY/T5391-2007石油地震数据采集系统

GB/T33583-2017陆上石油地震勘探资料采集技术规程

GB/T24261.1-2009石油海上数字地震采集拖缆系统第1部分：水听器技术条件

1

GB/T24261.3-2010石油海上数字地震采集拖缆系统第3部分：中央记录系统

GB/T24261.2-2010石油海上数字地震采集拖缆系统第2部分：水听器拖缆技术条件

GB/T24261.2-2017石油海上数字地震采集拖缆系统第2部分：水听器拖缆技术条件

3术语及定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

三维地震采集

三维地震勘探是石油与天然气勘探的主要工具，其主要过程包括：数据采集、数据处理、

数据解释。三维地震数据采集需进行三个主要步骤：地震采集设计、根据设计方案在野外布

设震源和检波器，地震波的激发和接收。地震采集设计通常在室内进行，目标是确定震源和

检波器的最佳布设位置。陆上地震勘探的震源通常采用炸药或可控震源，并沿地震测线等间

距布置多个检波器来接收地震波信号，现代地震勘探中检波器的数量通常为1000—10000个。

震源位置激发地震波，地震波遇岩层界面反射回来被检波器接收并传到记录仪器，记录仪器

将检波器传来的信号记录下来，即可获得用以研究地下油气埋藏情况的地震数据。

3.2

高精度地震采集

数据采集是地震勘探的关键技术环节，经历了从常规三维到高密度三维，目前进入“两

宽（宽频、宽方位）一高（高密度）”时代，引领勘探地震学技术发展。然而，多年来的地

震勘探实践表明，“两宽一高”地震采集模式由于基于平缓层状介质地震波传播理论，地面

采集设计无法深入地下确保深部目标的有效照明，采集参数设计主要依赖经验，采集系统缺

乏整体性能评价，与后续地震成像系统脱节。普遍认为地震激发-接收布设台阵越宽越密就

越好，导致采集实施成本过高、效率低，投入产出比较低，总之，常规“两宽一高”地震采

集技术缺乏有效的理论支撑，深部目标缺乏有效的分辨分析手段，长期面临在哪采和采多少

的科技难题。高精度地震采集是一种基于复杂地下构造波动方程延拓的地震采集理论方法，

其核心思想是将地面观测台阵向下数值延拓至地质目标处进行激发排列与接收排列的共聚

焦成像分辨分析，建立了地震采集系统与成像系统之间的理论联系，据此定义了采集系统的

成像分辨率和成像清晰度，为地下复杂构造介质“两宽一高”高精度三维地震采集提供理论

支撑。

3.3

三维速度建模

2

三维速度建模是进行高精度三维地震采集设计的基础。三维速度建模通常基于地震采集

施工区前期的二维或三维地震勘探普查成果，利用地震剖面解释格架和地震成像偏移速度，

采用人机交互方式和自动插值，建立地下构造的三维地震速度模型。

3.4

采集系统波动方程延拓

采集系统是震源激发和检波器排列的组合。波动方程延拓也可称为波场延拓或波场外推，

即利用接收器接收到的波场信息通过运算，得到地层某深度上地震波场的过程。采集系统波

动方程延拓是将地面观测台阵向下数值延拓至地质目标处进行激发排列与接收排列的聚焦

成像分辨分析，以建立了地震采集系统与成像系统之间的理论联系。

3.5

成像分辨率

成像分辨率一直是地震勘探的核心研究内容之一，其目标为地质体的可识别性。由于地

震勘探一般在地表或接近地表进行观测，所以地震剖面在垂向和横向上通常具有不同的分辨

率。垂向分辨率的定义为地震剖面中分辨两个相邻同相轴的能力，横向分辨率的定义为地震

剖面中同一个同相轴上的邻近绕射体的能力。垂直分辨率主要通过地震波相位进行识别，与

地震子波的有效频率成分(信噪比大于某一阈值)的能量分布特征有关。当子波越接近与零相

位时，垂直分辨率越高。垂直分辨率数值还取决于所采用的分辨率准则，比如Rayleigh准

则、Ricker准则或Widess准则。对不同的地质条件，采用不同的分辨率准则，垂直分辨率

数值也会相应的发生变化。从开始研究地震分辨率至今，绝大多数关于分辨率的研究集中在

垂直分辨率，较少有关于横向分辨率的讨论。与垂直分辨率需分辨出两个邻近同相轴的目标

不同，横向分辨率的目标是分辨出同一同相轴上的两个临近的绕射体。在偏移后，沿着同相

轴方向上子波的相位基本相同，横向分辨率不再存在子波的相位差。因此，横向分辨率主要

依靠子波的振幅变化，其分辨率数值实质体现为不同频率成分分辨率的叠加效应。当最大有

效频率越大，高频成分地震波能量越强时，横向分辨率越高。

3.6

成像清晰度及偏移噪声

严格的空间分辨率必须用矩阵来描述。但绝大多数有关分辨率的研究都仅限于讨论分辨

率矩阵中心部分的子波主瓣宽度，忽略了旁瓣对分辨率的影响。同时，上述分辨率研究均仅

针对均匀介质，没有考虑复杂介质对分辨率的影响。但实际应用中，简单模型得到的分辨率

结论经常不能适用于复杂介质，尤其对于深层复杂地质目标。当目标越深，介质越复杂，旁

3

瓣的能量就会更强，偏移噪声也更大，更可能会干扰主瓣有效信号的识别，进而影响空间分

辨率的稳定性。可以说，旁瓣是空间分辨率稳定性评价的关键。为了加入对旁瓣影响的讨论，

我们将成像清晰度定义为子波主瓣宽度和主瓣能量占总能量的比值，以实现对偏移噪声的定

量描述。

3.7

保幅特征分析

对成像分辨率函数进行角度域展开可得到采集系统角度域成像矩阵，进而可实现采集系

统保幅特征的定量分析。

4缩略语

下列缩略语适用于本文件。

Kirchhoff：经典克希霍夫积分

Born-Kirchhoff：基于波恩近似的克希霍夫积分

5三维速度建模与采集系统波动方程延拓

5.1三维速度建模

三维速度建模是进行高精度三维地震采集设计的基础。三维速度建模通常基于地震采集

施工区前期的二维或三维地震勘探普查成果，利用地震剖面解释格架和地震成像偏移速度，

采用人机交互方式和自动插值，建立地下构造的三维地震速度模型。主要内容包括但不限于：

a)三维层状速度建模：最简单的速度建模方法，适用于没有交叉和回转现象的层状速

度结构，界面通常用三次或更高次函数进行描述；

b)三维块状速度建模：采用点、三角形、面、块来描述三维封闭速度结构；

c)三维地层面速度建模：三维地层面通常由若干个控制点进行描述，控制点坐标数据

来源有两种：解释获得的地层构造成果数据，地震剖面层位数据；

d)三维断层面速度建模：三维断层面通常比较陡，也由若干个控制点进行描述，控制

点坐标数据来源有两种：解释获得的地层构造成果数据，地震剖面层位数据。

e)三维网格速度建模：对如前所述的三维层状、块状、地层面、断层面速度模型进行

网格剖分，采用人机交互方式和自动插值，建立地下构造的三维网格速度模型，为下一步采

集系统波动方程延拓做准备。

f)三维速度建模精度和范围要求：应根据地质任务、工区及邻区地质与地球物理条件

来选择合适的速度模型精度。与地震波场的偏移延拓不同，采集系统的波动方程延拓主要目

4

的为传播走时延拓，对速度模型的精度要求稍低，通常情况下3Hz左右的平滑速度场可满足

高精度三维地震采集设计要求。三维地震速度模型范围需要包含所有观测系统炮检点三维空

间坐标（比如：经度、维度、高程等），三维地震速度模型网格尺寸需小于采集系统的最小

采样密度（比如：道距、炮距）。

5.2采集系统波动方程延拓

采集系统波动方程延拓的目标是将地面观测台阵向下数值延拓至地质目标处进行激发

排列与接收排列的聚焦成像分辨分析，以建立了地震采集系统与成像系统之间的理论联系。

采集系统的波动方程延拓主要目的是获取地质目标处的准确地震波相位信息（误差<5%），

以及相对准确的地震波振幅信息（误差<10%），为后续的聚焦成像分辨分析做准备。主要内

容包括但不限于：

a)Kirchhoff波场延拓：基于时间域求和进行波场延拓，优点是能适应任意倾斜角度地

层，对网格部分要求较灵活，缺点是费时，难以处理横向速度变化，噪声大，对孔径选取要

求高；

b)有限差分波场延拓：基于时间域递推进行波场延拓，优点是精度高，能处理各种纵

横向速度变化，缺点是费时，受地层界面倾角限制；

c)频率波数域波场延拓；在频率波数域进行波场延拓，优点是速度快，无地层倾角限

制，缺点是无法处理速度横向变化；

d)大步长波场延拓+小步长波场插值：综合Kirchhoff、有限差分、频率波数域方法的

优点，比如：采用退化傅里叶传播算子进行大步长延拓和Born-Kirchhoff积分插值算法进

行小步长插值，精度与有限差分波场延拓相当，计算效率较有限差分波场延拓提高了约80%。

f)采集系统波动方程延拓精度和效率要求：应根据地质任务、工区及邻区地质与地球

物理条件来选择合适的波动方程延拓算法。采集系统的波动方程延拓算法能够适用于地质目

标范围内的最大地层倾角，地震波相位误差<5%，地震波振幅信息<10%，以满足高精度采集

系统设计精度需求。高精度采集系统设计通常以迭代优化的方式进行，采集系统波动方程延

拓是其最费时的计算环节，建议采用CPU+GPU异构多核心体系和分布式并行优化算法，让单

次采集系统波动方程延拓时间<0.02s，以满足高精度采集系统设计效率需求。

6“宽方位”与采集系统成像分辨率设计准则及技术规程

对延拓至深层地质目标处的激发与接收排列进行聚焦分析，建立“宽方位”与采集系统

成像分辨率的解析公式，据此计算采集系统成像分辨率随采样孔径（采集台阵的宽度与长度）

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的变化曲线，根据该曲线上采样孔径的临界值得到最佳台阵纵横比及对应的排列长度等参数。

主要内容包括但不限于：

a）准备三维地震观测系统数据包括：震源点的三维空间坐标、检波点三维空间坐标、

震源点与检波点之间的对应关系；其中，三维空间坐标包括：地表位置水平坐标（比如经度、

维度）、高程。注意：观测系统炮检点三维空间坐标不能超出三维地震速度模型范围，震源

点位置应位于速度模型网格点上，检波点位置可以不必位于速度模型网格点上。

b）根据地质目标和三维地震速度模型，设定目标层深度、地震子波主频、频率采样间

隔、最低频率、最高频率。目标层深度可以为1个或多个，通常情况可设置地震子波主频为

30Hz，频率采样间隔为1Hz，最低频率为5Hz，最高频率为70Hz。

c）基于三维地震速度模型，对延拓至深层地质目标处的激发与接收排列分别进行聚焦

分析，每次聚焦分析相当于一次地震波正向延拓加一次地震波反向延拓，最后将激发点聚焦

分析结果与接收排列聚焦分析结果相乘得到目标点位置的成像分辨率函数，其物理意义为目

标点位置绕射点的偏移成像结果。可以在目标层深度上设置多个深层地质目标，同步进行聚

焦分析，得到目标层深度的偏移成像结果。多地质目标聚焦分析的运算量与单地质目标聚焦

分析相同。

d）基于瑞雷准则对成像分辨率函数进行分辨率量化分析得到采集系统成像分辨率数值。

采集系统成像分辨率数值代表的是零相位子波调谐厚度（波峰和波谷距离）的1/2.6，即该

采集系统所能达到的最佳偏移成像分辨率。

e）建立“宽方位”与采集系统成像分辨率的解析公式，据此计算采集系统成像分辨率

随采样孔径（采集台阵的宽度与长度）的变化曲线，根据该曲线上采样孔径的临界值得到最

佳台阵纵横比及对应的排列长度等参数。

7“高密度”与采集系统成像清晰度设计准则及技术规程

对延拓至深层地质目标处的激发与接收排列进行聚焦分析，建立“高密度”与采集系统

成像清晰度的解析公式，据此计算采集系统成像清晰度随采样密度（采集台阵线距与道距）

的变化曲线，根据该曲线上采样密度的临界值得到最佳台阵线距与道距、以及面元大小等参

数。主要内容包括但不限于：

a）准备三维地震观测系统数据包括：震源点的三维空间坐标、检波点三维空间坐标、

震源点与检波点之间的对应关系；其中，三维空间坐标包括：地表位置水平坐标（比如经度、

6

维度）、高程。注意：观测系统炮检点三维空间坐标不能超出三维地震速度模型范围，震源

点位置应位于速度模型网格点上，检波点位置可以不必位于速度模型网格点上。

b）根据地质目标和三维地震速度模型，设定目标层深度、地震子波主频、频率采样间

隔、最低频率、最高频率。目标层深度可以为1个或多个，通常情况可设置地震子波主频为

30Hz，频率采样间隔为1Hz，最低频率为5Hz，最高频率为70Hz。

c）基于三维地震速度模型，对延拓至深层地质目标处的激发与接收排列分别进行聚焦

分析，每次聚焦分析相当于一次地震波正向延拓加一次地震波反向延拓，最后将激发点聚焦

分析结果与接收排列聚焦分析结果相乘得到目标点位置的成像分辨率函数，其物理意义为目

标点位置绕射点的偏移成像结果。可以在目标层深度上设置多个深层地质目标，同步进行聚

焦分析，得到目标层深度的偏移成像结果。多地质目标聚焦分析的运算量与单地质目标聚焦

分析相同。

d）根据主瓣能量与总能量比值对成像分辨率函数进行清晰度量化分析得到采集系统成

像清晰度数值。

e）建立“高密度”与采集系统成像清晰度的解析公式，据此计算采集系统成像清晰度

随采样密度（采集台阵线距与道距）的变化曲线，根据该曲线上采样密度的临界值得到最佳

台阵道距、震源间距、以及面元大小等参数。

8“两宽一高”三维地震采集系统的整体性能评价。

三维高精度地震采集系统整体性能评价技术主要包括采集系统的纵/横向分辨特性分析、

采集系统的覆盖次数、炮检分布和方位角分布的均衡性分析、采集系统信噪比及保幅特征分

析等，目标是实现对地震采集系统整体性能的定量评估。主要内容包括但不限于：

a）基于如前所述的“宽方位”与采集系统成像分辨率设计准则及技术规程，建立“宽

方位”与采集系统成像分辨率的解析公式，据此计算采集系统成像分辨率随采样孔径（采集

台阵的宽度与长度）的变化曲线，根据该曲线上采样孔径的临界值得到最佳台阵纵横比及对

应的排列长度等参数。

b）基于如前所述的“高密度”与采集系统成像清晰度设