石油地震勘探測(cè)量點(diǎn)位精度探討

聶明濤，陳巍，范鐵江，占春?jiǎn)?，戚振利，時(shí)妍

1.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司（河北 保定 072550）

2.中國(guó)石油國(guó)際勘探開(kāi)發(fā)有限公司（河北 保定 072550）

地震勘探是石油工業(yè)的排頭兵，測(cè)量工序是地震勘探的第一個(gè)環(huán)節(jié)，主要涉及工區(qū)障礙物踏勘和炮檢點(diǎn)位野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地偏移優(yōu)化和標(biāo)記。對(duì)炮檢點(diǎn)的野外標(biāo)記是后續(xù)放線、炮點(diǎn)激發(fā)和資料采集施工的基礎(chǔ)；點(diǎn)位坐標(biāo)成果與實(shí)際激發(fā)位置的吻合程度，決定著后續(xù)資料處理解釋反演的精度，所以測(cè)量工序的點(diǎn)位精度是地震采集資料精度的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)測(cè)量一般采用全站儀進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)點(diǎn)位的野外布設(shè)，應(yīng)用實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)（Real-Time Kinematic，RTK）為物探測(cè)量帶來(lái)了一次技術(shù)革新，極大地提高了作業(yè)效率和測(cè)量精度。Omnistar星基差分技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)炮點(diǎn)無(wú)樁號(hào)施工技術(shù)在可控震源高效采集項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用。但是，伴隨著定位技術(shù)的不斷革新及其在物探行業(yè)的推廣應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)在物探行業(yè)的精度要求是應(yīng)該參考地震勘探精度要求，還是以設(shè)備應(yīng)該或者能夠達(dá)到的定位精度來(lái)要求物探測(cè)量精度？

1 地震勘探精度

屏幕顯示分辨率是屏幕圖像的精密度，是指顯示器所能顯示的像素有多少。由于屏幕上的點(diǎn)、線和面都是由像素組成的，顯示器可顯示的像素越多，畫(huà)面就越精細(xì)，同樣的屏幕區(qū)域內(nèi)能顯示的信息也越多。同理，地震勘探中的面元可類(lèi)比為顯示像素，較小面元是獲得高精度勘探的基礎(chǔ)，分辨率描述是地震勘探精度非常重要的指標(biāo)。

在石油地震勘探中分辨率即石油地震勘探的精度，是表征地震勘探所能分辨地下某一勘探深度（目的層）的橫縱向最小地質(zhì)體的大小。分辨率與地震波的頻帶寬度、主頻、子波類(lèi)型和信噪比等因素密切相關(guān)，也與地震數(shù)據(jù)的采樣率和數(shù)據(jù)的處理方法等有關(guān)。地震波的分辨率引自光學(xué)中的瑞利準(zhǔn)則，其分辨2個(gè)反射界面間隔△h的極限是λ/4（λ表示地震波波長(zhǎng)）[1]。

反射波法縱向分辨率：

式中：b為縱向分辨率，m；V為層速度，m/s；Fs為目的層主頻，Hz。

圖1為地層速度和反射波主頻與分辨率對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖1可知，層速度越低、反射波主頻越高則分辨率越高；當(dāng)層速度為1 000 m/s時(shí)，主頻25 Hz分辨率可達(dá)10 m；當(dāng)層速度為4 000 m/s時(shí)，主頻80 Hz分辨率才能到12.5 m，而實(shí)際采集深層資料主頻根本達(dá)不到80 Hz。所以，當(dāng)前地震勘探所能達(dá)到的精度在10 m以上。

圖1 地層速度和反射波主頻與分辨率對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 作業(yè)流程介紹及精度分析

2.1 測(cè)量點(diǎn)位標(biāo)記

物探測(cè)量環(huán)節(jié)作業(yè)流程一般為：建網(wǎng)、設(shè)備檢核、點(diǎn)位上裝和采集完成后的超限點(diǎn)點(diǎn)位復(fù)測(cè)。經(jīng)過(guò)室內(nèi)前期的地質(zhì)任務(wù)研究和詳細(xì)的方法論證確定地震采集觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，測(cè)量環(huán)節(jié)的野外施工主要涉及炮點(diǎn)距、炮線距、檢波點(diǎn)距、檢波線距。測(cè)量組根據(jù)室內(nèi)設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位進(jìn)行野外點(diǎn)位標(biāo)記，根據(jù)施工地形確定采用三標(biāo)（紙條、土堆、旗子）或者五標(biāo)定位（紙條、土堆、旗子、油漆、反光條）方式進(jìn)行野外標(biāo)記，檢波點(diǎn)多使用藍(lán)色標(biāo)志物，炮點(diǎn)使用紅色標(biāo)志物，圖2是測(cè)量組野外點(diǎn)位放樣施工。

圖2 測(cè)量組野外點(diǎn)位放樣施工

目前地震勘探中一般均采用RTK定位技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)位放樣，叢林等地表障礙物密度區(qū)受GPS信號(hào)影響，采用全站儀進(jìn)行施工定位。RTK點(diǎn)位放樣工作前，測(cè)量組需要在國(guó)家已知網(wǎng)點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展工區(qū)基準(zhǔn)控制點(diǎn)，確保工區(qū)內(nèi)所有物理點(diǎn)在基準(zhǔn)控制點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)[2]。物理點(diǎn)測(cè)設(shè)偏差又稱(chēng)物理點(diǎn)放樣偏差，是物理點(diǎn)測(cè)設(shè)（放樣）的實(shí)地位置與其設(shè)計(jì)的理論位置的偏移差值，屬于地震勘探中偏移原則規(guī)定的范疇，即在野外遇到障礙物時(shí)，點(diǎn)位允許的最大偏移距離和偏移方法（如整道距或者是最小距離偏移）。

測(cè)量精度是測(cè)量值與真值的接近程度,物理點(diǎn)測(cè)定精度，是物理點(diǎn)測(cè)量值相對(duì)于石油物探起算點(diǎn)（控制點(diǎn)）的位置精度。表1是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)差分法測(cè)量定位施工各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的具體要求[3]，按照表1中的要求，當(dāng)RTK放樣水平精度誤差大于0.1 m或者高程精度誤差大于0.15 m時(shí)，需要進(jìn)行點(diǎn)位補(bǔ)測(cè)施工。

2.2 采集設(shè)備鋪設(shè)

野外采集設(shè)備鋪設(shè)人員所在班組被稱(chēng)為放線班，主要工作是將檢波器按照指定的組合圖形布設(shè)在檢波點(diǎn)標(biāo)志物周?chē)?，檢波器串布設(shè)要求“平、穩(wěn)、正、直、緊”，“平”指同一檢波點(diǎn)各個(gè)檢波器在一個(gè)平面上，相對(duì)高差控制在施工要求范圍內(nèi)；“穩(wěn)”指放線過(guò)程中對(duì)檢波器輕拿輕放，不得摔打和用硬物敲擊檢波器；“正”指正點(diǎn)擺放檢波器，組合中心對(duì)準(zhǔn)樁號(hào)；“直”指檢波器垂直水平面埋置；“緊”指檢波器插緊，并埋置，保證良好的耦合效果。

地震勘探項(xiàng)目中有組合接收、單點(diǎn)接收，為了壓制規(guī)則干擾、提高資料信噪比，采用組合接收技術(shù)的項(xiàng)目占多數(shù)[4]。項(xiàng)目開(kāi)工前一般會(huì)通過(guò)接收參數(shù)對(duì)比或者盒子波試驗(yàn)進(jìn)行工區(qū)內(nèi)干擾波調(diào)查，以確定采用合適的組合圖形。圖3是地震勘探項(xiàng)目中所常見(jiàn)的一些組合圖形，圖3(a)組合基距為16.67 m×16.67 m(1串×9只)，圖3(b)組合基距12 m×20 m（2串×12只），圖3(c)組合基距46.67 m×46.67 m（6串×6只）。由于測(cè)量組只在野外標(biāo)記檢波點(diǎn)樁號(hào)位置，每只檢波器位置是在放線過(guò)程中根據(jù)制作的量尺進(jìn)行標(biāo)記的，雖然檢波點(diǎn)樁號(hào)精度能夠達(dá)到厘米級(jí)，但是每只檢波器實(shí)際放線位置很難達(dá)到厘米級(jí)，尤其是當(dāng)組合基距較大時(shí)，組合中心與測(cè)量標(biāo)志物之間距離誤差會(huì)更大。

表1 差分法定位施工基本技術(shù)指標(biāo)[3]

圖3 檢波器組合圖形示例

2.3 炮點(diǎn)激發(fā)

在星基實(shí)時(shí)差分技術(shù)應(yīng)用于地震勘探前，炮點(diǎn)施工與檢波點(diǎn)一樣，采用RTK設(shè)備進(jìn)行野外標(biāo)記，后續(xù)可控震源施工時(shí)，配備專(zhuān)門(mén)帶點(diǎn)人員，指導(dǎo)震源快速到達(dá)指定位置施工，但是由于震源身形龐大，很難精準(zhǔn)地將平板落在炮點(diǎn)標(biāo)志物上，尤其當(dāng)炮點(diǎn)采用多臺(tái)震源組合激發(fā)時(shí)，組合中心與樁號(hào)的誤差會(huì)更大。這種激發(fā)方法帶點(diǎn)人員通過(guò)電臺(tái)給儀器操作員報(bào)炮點(diǎn)樁號(hào)，組合中心偏離樁號(hào)距離大小均可以起震，炮點(diǎn)實(shí)施點(diǎn)位通過(guò)事后現(xiàn)場(chǎng)抽查和室內(nèi)資料處理時(shí)采用初至擬合或者線性動(dòng)校等方法進(jìn)行質(zhì)控，但是小距離偏移很難發(fā)現(xiàn)[5]。

可控震源安裝導(dǎo)航系統(tǒng)后，開(kāi)始采用差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Positioning System，DGPS）。雖然施工過(guò)程中為震源GPS架設(shè)了基站，但是，測(cè)量精度仍不能滿足部分甲方對(duì)定位精度的要求，所以很多采用DGPS技術(shù)施工的項(xiàng)目還是先采用RTK進(jìn)行野外炮點(diǎn)測(cè)量并作為最終上交成果，然后可控震源按照DGPS導(dǎo)航進(jìn)行施工，節(jié)約了帶點(diǎn)人員，偏移距離量化和可視化導(dǎo)航提高震源作業(yè)效率。由于震源裝有GPS定位系統(tǒng)，操作手到位落板后，自動(dòng)將當(dāng)前坐標(biāo)和READY信號(hào)發(fā)給儀器，儀器通過(guò)坐標(biāo)自動(dòng)檢索當(dāng)前炮點(diǎn)樁號(hào)。震源當(dāng)前位置與儀器炮點(diǎn)內(nèi)的RTK成果位置偏差小于指定COG誤差（一般要求COG誤差小于半個(gè)面元）時(shí)，儀器自動(dòng)激活設(shè)計(jì)接收排列并返回起震信號(hào)觸發(fā)震源開(kāi)始掃描；當(dāng)施工過(guò)程中部分炮點(diǎn)確實(shí)無(wú)法達(dá)到COG誤差范圍內(nèi)時(shí)，儀器操作員手動(dòng)放炮，采集完畢后測(cè)量組將這些點(diǎn)位進(jìn)行復(fù)測(cè)，作為測(cè)量點(diǎn)位上交成果。這種施工方法，將RTK測(cè)量成果作為最終測(cè)量成果，震源實(shí)際激發(fā)點(diǎn)位與測(cè)量成果控制在COG誤差范圍內(nèi)（半個(gè)面元以內(nèi)）[6]。

隨著動(dòng)態(tài)滑動(dòng)掃描等可控震源高效采集技術(shù)的應(yīng)用，基于星基實(shí)時(shí)差分技術(shù)的無(wú)樁號(hào)施工技術(shù)開(kāi)始被推廣應(yīng)用。無(wú)樁號(hào)施工中，測(cè)量組只需要提前踏勘工區(qū)內(nèi)障礙物信息，室內(nèi)進(jìn)行炮點(diǎn)偏移優(yōu)化后，作為施工炮點(diǎn)上裝到震源導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)，震源在振動(dòng)掃描的同時(shí)記錄實(shí)際工作的位置，作為最終上交成果。應(yīng)用星基差分技術(shù)后，將原來(lái)作業(yè)流程中分兩步完成的炮點(diǎn)成果測(cè)量和震源采集變?yōu)橥瑫r(shí)完成，成果與實(shí)際激發(fā)位置吻合度更高[7]。

2.4 各環(huán)節(jié)精度分析

地震勘探資料精度由采集精度和處理精度2個(gè)環(huán)節(jié)共同決定，而采集精度由3個(gè)主要環(huán)節(jié)決定。如“木桶效應(yīng)”所述“一個(gè)水桶無(wú)論有多高，它盛水的高度取決于其中最低的那塊木板”，地震勘探精度基礎(chǔ)由3個(gè)環(huán)節(jié)中精度最低的環(huán)節(jié)所決定。

表2是各環(huán)節(jié)精度統(tǒng)計(jì)。炮點(diǎn)采用RTK放樣，震源采用人員帶點(diǎn)方式施工時(shí)，水平精度小于10 m，高程誤差因各炮點(diǎn)周?chē)卟钇鸱笮《灰粯?；炮點(diǎn)采用RTK放樣、震源安裝DGPS導(dǎo)航施工時(shí)，水平精度小于COG誤差范圍，垂直精度不定；當(dāng)炮點(diǎn)采用無(wú)樁號(hào)施工，震源安裝Omnistar導(dǎo)航施工水平和垂直精度均能達(dá)到分米級(jí)。由于檢波器放線量尺定位每只檢波器，精度只能保證在米級(jí)；炮點(diǎn)施工采用測(cè)量和震源放炮分步施工導(dǎo)致炮點(diǎn)精度誤差在5 m左右，當(dāng)采用DGPS或者Omnistar進(jìn)行無(wú)樁號(hào)施工時(shí)精度能夠提高到1 m以內(nèi)[8]。

表2 地震勘探各環(huán)節(jié)精度統(tǒng)計(jì)

當(dāng)炮點(diǎn)采用有樁號(hào)施工時(shí)，炮檢點(diǎn)精度是在測(cè)量精度的基礎(chǔ)上進(jìn)行精度誤差累加（圖4）。當(dāng)炮點(diǎn)采用無(wú)樁號(hào)施工時(shí)，炮點(diǎn)精度由導(dǎo)航精度決定，而檢波點(diǎn)精度由測(cè)量精度和放線精度共同決定，檢波點(diǎn)是作業(yè)流程中精度最低的一環(huán)。

圖4 地震勘探作業(yè)流程

項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)所采用的實(shí)施方式，綜合考慮測(cè)量、放線、炮點(diǎn)激發(fā)3個(gè)環(huán)節(jié)精度以及當(dāng)前地震勘探方法所能達(dá)到精度的要求，適當(dāng)放寬測(cè)量精度，而不會(huì)影響地震勘探精度，省去點(diǎn)位復(fù)測(cè)工作，可以避免復(fù)測(cè)產(chǎn)生大量的人員浪費(fèi)。

2.5 測(cè)量高精度對(duì)生產(chǎn)的影響

實(shí)例1：RTK檢波點(diǎn)放樣過(guò)程中，由于各種原因，每天測(cè)回的成果常出現(xiàn)精度超限點(diǎn)位。按照測(cè)量規(guī)范要求，這些點(diǎn)位均需要采用RTK設(shè)備進(jìn)行復(fù)測(cè)，經(jīng)過(guò)大量的復(fù)測(cè)以及復(fù)測(cè)成果和超限點(diǎn)對(duì)比，2次測(cè)量的成果在數(shù)值上均一致。

實(shí)例2：2019年BGP國(guó)際部海外某動(dòng)態(tài)滑動(dòng)掃描項(xiàng)目中，炮點(diǎn)采用無(wú)樁號(hào)施工，采用付費(fèi)版Omnistar，精度能夠達(dá)到厘米級(jí)。生產(chǎn)過(guò)程中震源掃描結(jié)束后，通過(guò)電臺(tái)將坐標(biāo)、高程、震源狀態(tài)、GPS狀態(tài)（GPS狀態(tài)4代表固定解）、衛(wèi)星數(shù)、水平精度因子（水平精度因子范圍0.5～99.9，一般認(rèn)為數(shù)值越小質(zhì)量越好）等信息傳給儀器并記錄在VAPS文件內(nèi)（圖5），導(dǎo)航電腦也同時(shí)將這些信息記錄在擴(kuò)展QC文件內(nèi)（圖6），但是VAPS文件內(nèi)沒(méi)有擴(kuò)展QC文件內(nèi)的坐標(biāo)成果精度信息（圖6藍(lán)框內(nèi)）[9]。

圖6 擴(kuò)展QC文件內(nèi)的精度信息截圖

圖5 VAPS文件內(nèi)GPGGA信息截圖

由于炮點(diǎn)為無(wú)樁號(hào)施工，按照測(cè)量規(guī)范對(duì)炮點(diǎn)成果精度要求，必須對(duì)擴(kuò)展QC文件進(jìn)行成果精度質(zhì)控，但是采用的導(dǎo)航設(shè)備對(duì)記錄的擴(kuò)展QC文件存在1%左右的丟失比例[9]。丟失的這部分炮，雖然炮點(diǎn)成果已經(jīng)實(shí)時(shí)回傳并記錄在VAPS文件內(nèi)，但是因?yàn)槿鄙傥恢镁刃畔?，只能去野外采用RTK進(jìn)行成果復(fù)測(cè)。1%的丟失比例雖然不高，但是因?yàn)殡S機(jī)丟失、點(diǎn)位分散，導(dǎo)致復(fù)測(cè)工作量比較大。大沙區(qū)進(jìn)行成果復(fù)測(cè)，在野外多數(shù)找不到震源的平板痕跡，所以復(fù)測(cè)也只是按照位置去采一個(gè)精度符合測(cè)量規(guī)范的成果，成果在數(shù)值上與原成果一樣[10]。VAPS文件內(nèi)雖然沒(méi)有成果位置精度信息，但是含有GPS狀態(tài)信息，能夠保證成果為固定解（導(dǎo)航平板內(nèi)可以位置精度為固定解時(shí)才可進(jìn)行生產(chǎn)）[11]。

依據(jù)本文所述地震勘探精度對(duì)測(cè)量環(huán)節(jié)的精度要求，上述2個(gè)實(shí)例中的復(fù)測(cè)工作均是為了使得測(cè)量成果符合測(cè)量規(guī)范，并未提高采集資料整理精度施工。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）伴隨著低成本、高精度GPS模塊在檢波設(shè)備上的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)檢波器或者節(jié)點(diǎn)記錄儀器更高精度的點(diǎn)位成果，聯(lián)合炮點(diǎn)震源無(wú)樁號(hào)施工技術(shù)，炮檢點(diǎn)精度會(huì)有大幅提高，但這也只是地震勘探能夠獲得更高精度的必要非充分條件，這要求除了激發(fā)源向高頻端的大幅擴(kuò)展外，地層高頻吸收衰減補(bǔ)償技術(shù)也要有質(zhì)的飛躍。

2）物探測(cè)量作為服務(wù)與地震資料采集的一種輔助技術(shù)和手段，它的精度應(yīng)該與所配套施工的物探其他環(huán)節(jié)精度相結(jié)合。在滿足整體精度的前提下適當(dāng)降低，而不應(yīng)像目前物探行業(yè)的規(guī)范要求，盲目地追求個(gè)別環(huán)節(jié)的高精度，沒(méi)有提高地震勘探精度，反而成為地震勘探技術(shù)人員的一種束縛。