基于CORS和全站儀的井位測量技術(shù)探討*

丁國章，劉慶翰，程哲暉

(中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇 揚州　225000)

?

基于CORS和全站儀的井位測量技術(shù)探討*

丁國章，劉慶翰，程哲暉

(中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇 揚州225000)

摘要：論述了江蘇工區(qū)井位測量中CORS測量的兩種方法，并闡明這兩種方法的優(yōu)缺點，針對CORS井位測量中存在的因人為因素而產(chǎn)生的積累誤差，提出了基于CORS和全站儀的聯(lián)動測量方法，通過聯(lián)動測量法，提高了井位測量的精度和便利性。

關(guān)鍵詞：江蘇CORS；井位測量；全站儀；聯(lián)動測量

0引言

隨著測繪技術(shù)的不斷進步，測量儀器的更新?lián)Q代，測量成果的精度也越來越高。與此同時，油氣勘探開發(fā)的程度不斷提高，對測量成果的要求也越來越高。井位坐標(biāo)的精確程度對地質(zhì)設(shè)計、鉆井工程設(shè)計等有著至關(guān)重要的影響[1]。

井位勘定技術(shù)的變革歷程也是測繪技術(shù)和測繪儀器的發(fā)展史，從皮尺、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀的傳統(tǒng)測量手段，過渡到全站儀測量技術(shù)，再發(fā)展到近些年的GPS全球定位測量技術(shù)。而現(xiàn)代CORS技術(shù)正是GPS技術(shù)發(fā)展到一定程度的產(chǎn)物，并已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域[2]。本文以江蘇CORS(簡稱JSCORS)為例，探討其和全站儀相結(jié)合在江蘇區(qū)塊油田井位測量中的應(yīng)用。

1JSCORS井位測量

1.1JSCORS測量方法

江蘇CORS是國內(nèi)首批地區(qū)級的連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它在全省范圍內(nèi)建立永久性參考站(如圖1所示)，所有的參考站通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)成新一代的網(wǎng)絡(luò)化的大地測量系統(tǒng)，提供了高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的全球?qū)Ш叫l(wèi)星綜合信息服務(wù)網(wǎng)[3]，可以廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、氣象監(jiān)測、地震監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測和江蘇范圍內(nèi)的油田井位勘定等領(lǐng)域，滿足了城市建設(shè)和油田開發(fā)等綜合需求。

圖1　江蘇CORS參考站網(wǎng)絡(luò)分布圖Fig.1　The network distribution of JSCORS reference stations

CORS的基本結(jié)構(gòu)是由數(shù)據(jù)中心、參考站子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、用戶應(yīng)用子系統(tǒng)4部分組成[4]。JSCORS也不例外，如圖2所示，測量人員屬于用戶應(yīng)用子系統(tǒng)的一部分，能否精確的

測量出井位坐標(biāo)，不僅依賴CORS網(wǎng)絡(luò)的完備性與成熟度，更依賴于測量人員操作方法的正確性和科學(xué)性。

圖2　CORS的基本結(jié)構(gòu)Fig.2　The basic structure of CORS

通常井位測量包括井位初測和復(fù)測兩種類型。初測是對井位定樁的坐標(biāo)進行測量，如圖3(a)所示。由于江蘇工區(qū)區(qū)塊多屬于蘇北平原地帶，并且以農(nóng)田為主，JSCORS信號較好，適合于井位測量，測量步驟為：

1)準(zhǔn)備儀器(花桿、手簿、接收機)；

2)打開手簿和接收機，并進行藍牙連機；

3)配置CORS測量形式，并進行撥號連接CORS數(shù)據(jù)中心；

4)花桿放置于定樁中心位置，待圓水準(zhǔn)器氣泡居中時，點擊測量。

而井位復(fù)測則相對較為復(fù)雜，由于復(fù)測時，井口上方被井架完全罩住(如圖3(b)所示)，儀器放置井口時，很難得到固定值，而且測量人員位于井架之下進行觀測，有一定的安全隱患，這時一般采用間接測量法，包括十字交叉法、兩圓相交法、對角等距法等，比較常用的方法是十字交叉法和兩圓相交法。

圖3　井位初及復(fù)測示意圖Fig.3　Schematic diagram of preliminary survey and repetition survey

十字交叉法的具體測量示意圖，如圖4所示。中間的矩形是簡化的井架平臺俯視圖，點J為井口所在位置，先測量點A和點B，A和B點在大門方向的指向線上，通常對準(zhǔn)臺面的中心線測量即可，C和D點所在的直線與直線AB不一定要求是垂直關(guān)系，因為只要兩條線都能通過井口J點，那么它們的交點就是井口坐標(biāo)點。

圖4　十字交叉法Fig.4　The cross method

如圖5所示為兩圓相交法的示意圖，EJ和FJ分別是由皮尺或者鋼卷尺拉出的兩條線段，E和F點是直接測量的點位，分別以E和F為圓心，以EJ和FJ為直徑繪制兩個相交的圓形，這兩個圓會有一個或者兩個交點。接下來針對兩圓相交法來具體討論如何選擇最佳的測量方式。假設(shè)EJ和FJ的夾角是α，當(dāng)α=0°或者α=180°，兩個圓分別是內(nèi)切和外切的關(guān)系，只有一個交點；當(dāng)0°<α<180°時，兩個圓有兩個交點。從理論上而言，只有一個交點時，結(jié)果是唯一的，就是兩個圓的相切點，但是由實際測量實踐中發(fā)現(xiàn)，這種唯一值不容易獲得，測量操作過程中，由于誤差會造成兩個圓有兩個非常接近的交點或者是沒有交點，所以這種情況不可取。在0°<α<180°的情況下，雖然有兩個交點，但井口坐標(biāo)點也是唯一確定的，就是兩條直徑即EJ和FJ的交點。

圖5　兩圓相交法Fig.5　The method of intersecting circle

1.2JSCORS測量的優(yōu)缺點

由于江蘇地區(qū)普遍以平原為主，JSCORS的測量優(yōu)勢是顯而易見的，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)精度高。與單參考站RTK相比，CORS提供的網(wǎng)絡(luò)RTK測量精度得到顯著提高，達到實時差分cm級和后差分mm級精度。

2)定位快速。在系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)，可以實時獲取高精度的三維坐標(biāo)成果，實現(xiàn)GPS快速定位測量。

3)可靠性高。主要體現(xiàn)在采用多站聯(lián)合組網(wǎng)，采用固定的通信數(shù)據(jù)鏈，擁有完善的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

4)自動化與智能化。表現(xiàn)在實現(xiàn)了自動差分結(jié)算功能、記錄功能和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，節(jié)省了大量的人力工作資源[5]。

然而具備眾多優(yōu)點的CORS也有它的弊端和不適用的情況。在井位測量中，受到信號干擾的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)浮動，不能達到固定要求，這種情況下的井位復(fù)測使用CORS就只能用間接測量法，但是由于場地條件的限制，間接測量法會在一定的程度上受到人為因素的干擾而影響測量精度。井場地面狀況大多數(shù)情況都是坑洼不平的，十字交叉法和兩圓相交法在測量以及后期計算時，積累誤差會比較大，從而導(dǎo)致測量精度受到影響?？紤]到上述問題，本文提出將CORS與全站儀的優(yōu)勢綜合，在井位測量中實現(xiàn)聯(lián)動測量，最大程度地提高井位測量的精度。

2JSCORS和全站儀聯(lián)動測量技術(shù)

2.1JSCORS和全站儀聯(lián)動測量概述

在井位測量的初測中，可以直接使用JSCORS進行實測，復(fù)測就免不了需要借助間接的方法進行量測，而間接測量的過程避免不了出現(xiàn)一些累積誤差，為了提高間接測量的精度，本文將JSCORS和全站儀相結(jié)合，互相配合聯(lián)動測量，保證時效和精度。

對于全站儀而言，只需要給定測站坐標(biāo)和后視坐標(biāo)，便能確定平面坐標(biāo)系，若兩個坐標(biāo)的高程也已知，那便可以確定待測點的高程值。根據(jù)這一原理，只要借助CORS，測出任意兩個點的坐標(biāo)，通過全站儀設(shè)站，就能測量出因遮擋導(dǎo)致CORS信號無法固定的點位。

2.2聯(lián)動測量應(yīng)用于井位測量

依據(jù)JSCORS和全站儀聯(lián)動測量的原理，將CORS與全站儀相結(jié)合應(yīng)用于井位測量的復(fù)測中，如圖6所示。首先在井架外圍布置兩個點M和N，用CORS直接測量出兩點的坐標(biāo)和高程，以M或者N點作為全站儀測站點，調(diào)整好儀器后，再以另外一點作為后視點進行定向，假設(shè)以M點作為測站點，M點的坐標(biāo)即為測站坐標(biāo)，N點的坐標(biāo)為后視坐標(biāo)，至此，完成了坐標(biāo)系的控制工作，然后可以對井口進行測量，將已知棱鏡高度的花桿放置于井口中心位置，棱鏡對準(zhǔn)全站儀鏡頭，并保持花桿圓水準(zhǔn)器氣泡居中，全站儀測得數(shù)據(jù)即為井口坐標(biāo)。

圖6　CORS和全站儀聯(lián)動測量示意圖Fig.6　Schematic diagram of linkage measurement by CORS and total station

2.3聯(lián)動測量的優(yōu)點

將JSCORS與全站儀相結(jié)合，實現(xiàn)聯(lián)動測量，這是新老技術(shù)綜合利用的手段，既發(fā)揮出CORS測量的便捷性，又通過全站儀彌補了CORS對信號要求的苛刻性，針對井位測量，具體的優(yōu)點體現(xiàn)在兩個方面：

1)避免積累誤差。傳統(tǒng)井位測量方法，十字交叉法或者兩圓相交法，涉及到3點連線和丈量距離，這個過程中的人為誤差是不可避免的，而在聯(lián)動測量過程中，只要儀器操作沒有問題，只存在儀器精度的問題，這一點可以忽略不計，在一定的程度上將積累誤差降到最低。

2)避免后期計算。傳統(tǒng)的井位測量，遇到復(fù)測的情況，需要經(jīng)過后期數(shù)據(jù)計算，才能獲得井口坐標(biāo)，而利用全站儀測量，“所需即所測”的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)，由于測站坐標(biāo)和后視坐標(biāo)都已知，因此觀測點即井位坐標(biāo)也能即時獲得。

3應(yīng)用實例

為了驗證本文中聯(lián)動測量的可靠性，從蘇北某工區(qū)任意選出5口井作為研究目標(biāo)，分別用十字交叉法和聯(lián)動測量的方法進行測量對比，考慮到兩組測量結(jié)果的對比需要一個統(tǒng)一的參照值，本文將這5口井的初測值作為真值，再比較中誤差來判斷兩種方法的精度。

實驗儀器選用了Trimble R8+TSC3一套、Topcon GTS-336N一臺。

作為研究對象的5口井，井1、井2、井3、井4、井5分別用符號J1、J2、J3、J4、J5代替，它們的初測坐標(biāo)見表1(為避免數(shù)據(jù)泄密，下列表格中數(shù)據(jù)均已平移)。

表1　井的初測坐標(biāo)值

首先，根據(jù)前文中的十字交叉法，在J1、J2、J3、J4、J5周邊分別布置4個輔助點，比如J1周圍布置的輔助點分別是F1、F2、F3、F4，使得F1F2的連接直線同F(xiàn)3F4的連接直線有交點，那么這個交點坐標(biāo)便是十字交叉法所測得的J1的坐標(biāo)，具體計算數(shù)據(jù)，如表2所示。J2、J3、J4、J5類似，詳細(xì)數(shù)據(jù)分別見表3、表4、表5、表6。

表2　十字交叉法測量井1的成果

表3　十字交叉法測量井2的成果

表4　十字交叉法測量井3的成果

表5　十字交叉法測量井4的成果

表6　十字交叉法測量井5的成果

然后，根據(jù)聯(lián)動測量方法，在井口周邊設(shè)置測站點和后視點，J1和J2的測量使用共同的測站點F3和后視點F2，J3、J4、J5使用的測站點F10和后視點F11。具體數(shù)據(jù)，見表7。

表7　聯(lián)動測量的成果

兩種方法測量完成之后，依據(jù)中誤差的計算方法，先分別計算出兩種方法的北坐標(biāo)中誤差和東坐標(biāo)中誤差，然后再算出它們的點位中誤差。計算結(jié)果，如表8所示。

表8　誤差對比

由表8可知：M2

4結(jié)束語

CORS和全站儀的聯(lián)動測量不僅發(fā)揮出兩者各自的優(yōu)勢，而且還避免了環(huán)境因素、人為因素對測量精度的影響。CORS和全站儀的聯(lián)動測量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測量工作的各個領(lǐng)域，將其引入井位測量工作中，對提高井位測量成果的精度有非常重要的意義。

[參考文獻]

[1]王煥改，邸增力.GPS和全站儀在提高井位測量精度中的應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15(2)：138-140.

[2]汪偉，史廷玉，張志全.CORS系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展及展望[J].城市勘測，2010(3)：45-47.

[3]黃俊華，陳文森.連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[4]黨紅蔻，李德明，張偉.CORS技術(shù)在礦上測量中的應(yīng)用[J].淮海工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，20(S1)：32-33.

[5]朱小玉，趙麗，王延國，孫善一.CORS技術(shù)在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用[J].北京測繪，2011(4)：49-51.

Discussion of Well Measurement Technology Based on CORS and Total Station

DING Guo-zhang，LIU Qing-han，CHENG Zhe-hui

(ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofEastChinaOilandGasBranchCompany，ChinaPetroleum&ChemicalCorporation，YangzhouJiangsu225000，China)

Abstract：The two methods of well measurement by CORS in Jiangsu work area were discussed，and the advantages and disadvantages of both methods were expounded.Aiming at the accumulated errors caused by human factors in CORS well measurement，the method of linkage measurement based on CORS and total station has been put forward.The precision and convenience of well measurement will be improved by this method.

Key words：JSCORS；well measurement；total station；linkage measurement

作者簡介：丁國章(1986～)，男，江蘇鹽城人，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事油氣田測繪方面的工作。

中圖分類號：P 228.4

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1007-9394(2016)01-0036-04

收稿日期：2015-08-11

地礦測繪2016，32(1)：36～39

CN 53-1124/TDISSN 1007-9394

Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources