GPS技術在石油地震勘探中的應用

聶明濤，李永海，劉 宏，李康虎，范鐵江，賀 涌

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司 河北 涿州 072751)

·儀器設備與應用·

GPS技術在石油地震勘探中的應用

聶明濤，李永海，劉 宏，李康虎，范鐵江，賀 涌

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司 河北 涿州 072751)

GPS技術廣泛應用于各個行業(yè)，石油地震勘探的各個環(huán)節(jié)，如工區(qū)踏勘、測量、鉆井、采集等都離不開GPS相關的設備。作為近年來可控震源高效采集配套技術的無樁號施工技術、源驅動技術、定時采集技術、連續(xù)采集技術和節(jié)點采集技術都以高精度的GPS定位授時技術為基礎，這些技術的應用大大地提高了地震勘探項目施工效率和采集資料的精度。系統(tǒng)地介紹了石油物探中常用的GPS設備和基于GPS技術的物探新技術，希望為探索在地震勘探前行道路上的各位同仁提供借鑒。

GPS技術；測量設備；無樁號施工； 源驅動； 定時采集； 連續(xù)采集； 節(jié)點采集

0 引 言

GPS英文全名是“Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Position System”，意為“衛(wèi)星測時測距導航/全球定位系統(tǒng)”，簡稱GPS系統(tǒng)[1]。2000年，美國宣布GPS取消實施SA限制后，GPS技術迅速在各行各業(yè)中得到推廣應用。GPS技術應用于石油地震勘探中后，完全摒棄了傳統(tǒng)的打樁定位，提高了施工作業(yè)效率和定位精度。

在地震勘探工作中，前期的工區(qū)踏勘、炮檢點放樣、后期采集過程中點位導航等都需要GPS定位技術，所以定位技術在石油地震勘探中應用顯得非常重要，由于地震勘探工作中各環(huán)節(jié)對定位精度的要求不同，需要采用相應精度的GPS設備，避免資源浪費，只有系統(tǒng)了解不同設備的精度范圍才能正確選擇相應的GPS設備。

GPS定位和授時技術是無樁號施工、定時采集、連續(xù)采集、節(jié)點采集等物探新技術在地震勘探行業(yè)的應用基礎，這些新技術的應用帶動了地震勘探生產(chǎn)效率成倍的增加，采集資料精度也得到提高。

1 地震勘探中常用的GPS設備

石油地震勘探的基本流程:1)工區(qū)踏勘，了解工區(qū)大致行政劃分，區(qū)內基本障礙物信息等；2)室內進行炮檢點點位設計；3)測量組進行野外炮檢點放樣工作，并形成更為詳細的包含工區(qū)各種地表信息的草圖，指導后續(xù)放線、采集；4)進行放線，采集。地震勘探中常用的GPS設備如圖1所示。地震勘探常用定位設備的特點見表1。

圖1 地震勘探中常見的GPS設備

名稱主要產(chǎn)品優(yōu)點精度適用范圍電子設備平板電腦、智能手機方便，設備易獲取十米級踏勘、點位導航手持GPS佳明、麥哲倫方便，較高精度米級踏勘、點位導航RTK天寶R7、R8、R10高精度厘米級詳細踏勘、點位放樣(可作為測量成果)星基差分達恒DH-MV2、天寶SPS852高精度、用戶無需架設基站分米級炮點無樁號施工技術(可作為測量成果)

1.1 智能手機

我們日常使用的平板電腦、中高端智能手機甚至手表，都內置了GPS硬件，可以在城區(qū)旅游、戶外探險等方面提供路線導航、航跡錄制等功能，導航誤差一般在幾十米。

在地震勘探的前期工區(qū)踏勘中，由于對數(shù)據(jù)定位精度要求不高，我們可以使用智能電子設備。智能手機可以通過安裝APP(如奧維互動地圖等)可以輕松的完成各種邊界上傳，航點、航跡錄制，還能提供各種高清在線地圖，網(wǎng)絡不方便時，還可提前進行地圖離線，供踏勘過程中使用，可以大大提高工區(qū)踏勘的效率。

1.2 手持GPS

手持GPS的導航精度因為內置的GPS硬件優(yōu)于智能電子設備，所以導航精度稍高。手持GPS導航精度一般都在2～4 m，經(jīng)過多年的野外應用經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，手持GPS誤差系統(tǒng)差占很大比重，經(jīng)過系統(tǒng)誤差校正后能夠達到1 m以內。手持GPS在地震勘探中常用于野外放線、鉆井、震源帶點等環(huán)節(jié)，不把作為最終成果數(shù)據(jù)，只作為過程輔助導航的工具。

1.3 RTK定位

RTK(Real-time kinematic)是指實時動態(tài)載波相位差分技術。這是目前石油地震勘探中最常用的GPS測量方法，以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分方法，是GPS應用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為物探測量帶來了一次技術革新，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

測量型接收機分靜態(tài)和動態(tài)(RTK)兩種類型，石油地震勘探一般采用動態(tài)機(又稱流動站)既可作靜態(tài)也可作動態(tài)用。靜態(tài)作業(yè)模式下在距已知點30 km內經(jīng)30 min以上精度可達到1 cm左右，動態(tài)作業(yè)模式下在距已知點10 km內實時定位精度為2 cm左右，如圖2所示。現(xiàn)場施工中架設的基準站和基準點對工區(qū)的覆蓋示意圖，施工過程中基準點必須保證10 km全部覆蓋以保證測量成果的厘米級精度。

圖2 RTK作業(yè)架設的基準站及基準點分布圖

目前多數(shù)地震勘探項目通過RTK定位設備進行野外測量放樣將室內設計好的炮點檢波點進行野外標記，并作為地震勘探最終的測量成果。常用的RTK測量設備有Trimble公司的4700、5700、R7、R8等，但是該方法受基準站位置距離和通訊距離的限制，當流動站與基準站之間通訊受障礙物影響，并且架設中繼也無法完成動態(tài)放樣時，采用靜態(tài)觀測的方式測量，靜態(tài)觀測較動態(tài)觀測需要時間長(5～10 min)，當工區(qū)地表復雜時會在一定程度上影響測量施工作業(yè)效率。

2 GPS技術在地震勘探中的應用

2.1 無樁號施工技術

由于近年來地震勘探高效采集技術的應用和對環(huán)保要求的提高，常規(guī)使用RTK進行點位測量、用旗子、紙條等標志物對點位標記的方法已經(jīng)不能滿足技術和環(huán)境的要求。同時，RTK定位過程中需要架設覆蓋工區(qū)的基準站才能動態(tài)放樣，通訊受阻時需要長時間的靜態(tài)觀測，于是基于OmniStar星基差分的無樁號施工技術開始在地震勘探中應用。

OmniStar集團在1987年發(fā)明了一種采用多個站點提供的加權改正數(shù)，從而給用戶提供一套優(yōu)化的差分校正的方法，這種方法被稱為廣域差分GPS，因為在GPS定位過程中，不需要用戶另外架設基站就能保證定位的高精度，所以被稱為星基差分定位技術。

OmniStar采用獨有的廣域算法，提供一個恒定的不變量，與用戶位置和基站位置無關，每個用戶都用到所有基站提供的改正值。OmniStar提供三種服務：VBS、XP、HP，VBS的精度為<1 m、XP<150 mm、HP<100 mm，在中國地區(qū)只提供VBS和XP服務。OmniStar星基差分技術工作原理和全球網(wǎng)絡覆蓋圖如圖3所示。

圖3 OmniStar星基差分技術和網(wǎng)絡覆蓋圖

無樁號施工技術的地震采集作業(yè)中給推土機和可控震源安裝OmniStar GPS接收機進行清線和采集作業(yè)，OmniStar GPS接收機安裝在可控震源平板的正上方，采用輔助記錄設備(如DSG)記錄施工過程中的測量成果，精度可以替代RTK放樣成果作為炮點成果[2]。

2.2 源驅動技術

常規(guī)地震采集中，震源或者爆炸機操作手通過電臺給儀器操作員報樁號后，操作員手動從SPS內選擇當前要放的炮點樁號，通過XPS文件啟動當前炮要用的排列，這種方法容易出現(xiàn)選錯樁號的可能，且很難滿足高效采集項目中生產(chǎn)需要。

源驅動技術是在震源或者爆炸機上安裝GPS，操作手到位后將當前坐標和READY信號發(fā)給儀器，儀器通過坐標自動檢索當前炮點樁號，啟動設計排列進行采集，這種方法避免了人為因素造成的錯誤，省時省力且可以大大提高生產(chǎn)采集效率[3]。

2.3 定時采集技術

伴隨著地震勘探技術的發(fā)展，開始逐漸進入以小斷塊、小構造為勘探目標的高精度地震勘探時代，對地震資料的精度要求越來越高，這就對地震儀器的激發(fā)和接收系統(tǒng)之間的一致性提出了更高的要求，于是基于GPS授時技術的有線儀器定時采集技術開始被推廣應用。

傳統(tǒng)有線儀器通過模擬電臺進行記錄系統(tǒng)和激發(fā)系統(tǒng)之間通訊，開工前需要進行電臺延遲測試，在編碼器進行電臺延遲校正(有些電控系統(tǒng)自動進行延遲校正)，以補償電臺傳輸和電控箱體之間差異造成的延遲，保證激發(fā)源觸發(fā)的同時記錄系統(tǒng)能夠開始數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)二者的系統(tǒng)同步[4]。自動或者是手動設置電臺延遲校正都只能為某一固定數(shù)據(jù)，實際上同一廠家同一型號的電臺和電控箱體也存在不同的延遲數(shù)值，所以本身延遲校正就存在誤差，有時不能滿足項目甲方或者是相關標準的要求。

在常規(guī)的有線儀器和地震激發(fā)系統(tǒng)都安裝上GPS接收機，保證兩套系統(tǒng)時間同步，編碼器和譯碼器之間通過數(shù)字電臺進行通訊，保證激發(fā)和接收的高度同步，同步精度為GPS授時精度，一般在幾十納秒到一微秒之間。定時采集技術大大提高了地震采集儀器采集資料同步精度，也可實現(xiàn)多臺地震儀器聯(lián)合采集施工[5]。

2.4 連續(xù)采集技術

428XL連續(xù)采集技術即微地震采集模式“Microseismic”,最初應用于油氣田開發(fā)階段的壓裂和油氣藏動態(tài)監(jiān)測[6]。

采用428XL等有線儀器進行城區(qū)、密林等復雜地表進行施工時，一般存在激發(fā)與采集系統(tǒng)之間的通訊問題，基于模擬和數(shù)字電臺的傳統(tǒng)采集方法一般會通過架設中繼站解決通訊問題。通過428XL連續(xù)采集技術成功規(guī)避激發(fā)與采集系統(tǒng)之間的通訊問題和常規(guī)解決方案中繁瑣的差轉臺架設和移動工作，成功解決了通訊受限區(qū)域的地震資料采集問題。

連續(xù)采集技術通過采集過程中寫入數(shù)據(jù)道頭的GPS時間和裝在激發(fā)端的輔助記錄設備記錄的TB及樁號坐標信息進行室內數(shù)據(jù)分離。GPS授時技術是保證激發(fā)和接收系統(tǒng)高精度的時間系統(tǒng)，為后期高精度的地震采集資料提供應用保障。

2.5 節(jié)點采集技術

2005年,隨著多項技術的進步，尤其是廉價、低耗、高精度的GPS芯片應用于地震儀器同步[7]，存儲式節(jié)點儀器開始出現(xiàn)在地震勘探市場。典型的存儲式節(jié)點儀器如圖4所示，存儲式節(jié)點儀器沒有傳統(tǒng)儀器輜重70%以上的電纜，大大提高設備的靈活性。存儲式節(jié)點在采集過程中通過GPS授時保證激發(fā)和接收系統(tǒng)的時鐘高度一致，室內根據(jù)激發(fā)源記錄系統(tǒng)記錄的每炮樁號及TB等信息和從節(jié)點內下載的原始數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件提取對應的有效數(shù)據(jù)(例如BGP國際部研發(fā)的SeisPro軟件)[8]。采集過程不需要記錄系統(tǒng)(存儲節(jié)點)與激發(fā)系統(tǒng)之間的通訊，因為這三種節(jié)點儀器在采集過程中沒有任何生產(chǎn)數(shù)據(jù)和QC數(shù)據(jù)回傳，所以被稱為“盲采式”儀器。從上面數(shù)據(jù)處理流程可見，GPS授時技術是存儲式節(jié)點儀器發(fā)展的關鍵技術。

圖4 地震勘探常用存儲式節(jié)點儀器

3 結束語

GPS技術在石油地震勘探中的應用，推動傳統(tǒng)的測量作業(yè)效率和地震采集技術的發(fā)展，特別是近年來授時技術的推廣應用，為很多物探新技術的應用提供了基礎，這些新技術大大革新了野外生產(chǎn)采集的效率。另一方面，隨著更多地震勘探新技術的應用，也對GPS技術在地震勘探方面的應用提出了更高的要求，GPS技術的發(fā)展與新地震勘探技術二者相互促進，為彼此的快速發(fā)展帶來了更多契機。

[1] 黃文杰.一種在GPS弱信號環(huán)境下定位車輛的研究[D]中國海洋大學，2011：20-22.

[2] 雷坤乾. 無樁號施工技術在石油地震勘探中的應用[J].中國石油和化工標準與質量,2016,36(2):50-52.

[3] 解春玉.ARIESⅡ儀器使用VIBPRO進行源驅動工作[J].石油儀器，2011，21(2)：78-80.

[4] 易碧金．地震儀器與震源同步系統(tǒng)的連接原理和方法[J]．物探裝備，2002，12(3)：173-175.

[5] 易碧金.采用定時采集技術實現(xiàn)多臺地震儀器聯(lián)合施工[J].物探裝備，2012，22(2)：71-74.

[6] 趙亞軍.428XL儀器在微地震采集中的應用探討[J].物探裝備，2013，23(6)：376-378，386.

[7] 高立兵．陸地無纜地震儀的現(xiàn)狀及展望[J]．物探裝備，2014.24(3):141-146.

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Application of GPS Technology to the Petroleum Seismic Exploration

NIN Mingtao， LI Yonghai, LIU Hong, LI Kanghu, FAN Tiejiang, HE Yong

(BGP，CNPC,ZhuoZhou,Hebei072751,China)

GPS technology is widely used in each industry, and each step in oil seismic exploration, such as scouting, survey, drilling, acquisition are inseparable from the GPS equipment. The support technologies of vibroseis efficient acquisition, such as stake-less technology, source drive technology, timing acquisition technology, continuous sampling technology and node technology can not leave the high precision GPS timing technology. The application of GPS technologies greatly improves the acquisition efficiency and data precision of seismic exploration. This paper introduces the common GPS equipment used in oil geophysical exploration and new technologies based on GPS technologies, in order to give the reference for the colleagues to research on the seismic exploration.

GPS technology; survey equipment; stake-less construct; source drive technology; acquisition timing; continuous sampling; node acquisition

聶明濤，男， 1983年生，2008年畢業(yè)于大慶石油學院地球物理學專業(yè)，現(xiàn)在從事海外項目現(xiàn)場質控工作。E-mail: niemingtao@cnpc.com.cn

TN967.1

A

2096-0077(2017)01-0076-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.018

2016-01-27 編輯：高紅霞)