GPS技術(shù)在石油地震勘探中應(yīng)用

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摘要：近些年以來，我國石油產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足消費(fèi)量的要求，對外依存度不斷增大，在一定程度上嚴(yán)重影響了我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全。因此，油田相關(guān)企業(yè)應(yīng)該采用更加先進(jìn)的石油地震勘探技術(shù)，不斷提高我國石油的產(chǎn)量和儲量。首先簡要介紹了gps技術(shù)，然后介紹了GPS技術(shù)在石油地震勘探中的應(yīng)用，主要有5個(gè)方面：源驅(qū)動技術(shù)、無樁號施工技術(shù)、連續(xù)采集技術(shù)、節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)、定時(shí)采集技術(shù)。這些技術(shù)不但提高了地震勘探項(xiàng)目的質(zhì)量和效率，而且降低了地震勘探項(xiàng)目的成本，為促進(jìn)石油地震勘探事業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：采集；GPS；地震勘探；測量；物探；衛(wèi)星；石油

近些年以來，隨著全球經(jīng)濟(jì)增長以及人口數(shù)量增加，人們的生產(chǎn)生活對能源的需求持續(xù)遞增，如煤炭、電力、天然氣、石油等。石油資源是一種不可再生的資源，長時(shí)間的開采必然會導(dǎo)致地下的石油儲量日益減少，從而降低了石油可采量和產(chǎn)量[1]。其次，由于技術(shù)的限制，嚴(yán)重影響了石油勘探開發(fā)的質(zhì)量和效率，在一定程度上也減少了石油的產(chǎn)量。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表明，2020年我國的石油產(chǎn)量為1.95億t，而石油消費(fèi)量和進(jìn)口量分別為7.02、5.4億t，石油的產(chǎn)量遠(yuǎn)低于消費(fèi)量，對外依存度持續(xù)遞增，已經(jīng)嚴(yán)重影響了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全。因此，為了提高石油產(chǎn)量和儲量，油田企業(yè)必須采用更加先進(jìn)的技術(shù)手段，不斷提高油田的勘探開發(fā)質(zhì)量和效率。石油勘探開發(fā)的技術(shù)眾多，而地震勘探是其中極其重要和關(guān)鍵的技術(shù)手段，是目前使用最為廣泛、解決油氣勘探問題最為有效的方法。物探測量工作是石油地球物理勘探的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果測量工作沒有做好，不但會嚴(yán)重阻礙整個(gè)石油地震勘探項(xiàng)目的施工進(jìn)度，而且會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，情況嚴(yán)重的話，還會導(dǎo)致人員傷亡[2-3]。物探測量的技術(shù)眾多，本文主要對其中的GPS技術(shù)在石油地震勘探中的應(yīng)用進(jìn)行了分析與探索，以期能夠?yàn)閺氖率偷卣鹂碧綔y量方面的工作人員提供一定的啟示和借鑒，從而促進(jìn)我國石油地震勘探事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1GPS技術(shù)簡介

GPS技術(shù)（GlobalPositioningSystem）是20世紀(jì)70年代由美國軍方研制的一種由24顆衛(wèi)星組成的圓軌、中距離全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS技術(shù)主要由3個(gè)部分組成：①空間控制部分，主要包括繞地球飛行的GPS衛(wèi)星；②地面控制部分，主要包括主控站、地面天線、監(jiān)測站以及通訊輔助系統(tǒng)；③用戶裝置部分，主要包括GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線[2-3]。GPS技術(shù)的基本原理是GPS衛(wèi)星在太空中運(yùn)行12h就可以繞地球運(yùn)行一圈，使得在任意時(shí)刻，地面上的用戶利用接收機(jī)都能夠同時(shí)觀測到4顆以上的衛(wèi)星，進(jìn)而能夠及時(shí)測定觀測點(diǎn)的所在位置和高程。GPS技術(shù)從開始研發(fā)到最后全球覆蓋率達(dá)到98%，歷時(shí)20多年、耗資2000多億人民幣，其主要目的是為美國軍方提供實(shí)時(shí)、高精度、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)。由于冷戰(zhàn)結(jié)束以及世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在2000年5月2日，美國宣布GPS取消SA政策（限制GPS定位精度），GPS技術(shù)民用信號的精度得到了大幅提高，從之前的100m提高到了20m。GPS技術(shù)具有以下5個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①GPS衛(wèi)星的信號有2個(gè)中心頻率，1575.42MHz和1227.6MHz，為低頻信號，不但具有非常強(qiáng)的穿透能力，而且還具有一定的抗干擾能力，可以確保GPS技術(shù)全天候正常工作；②GPS技術(shù)最初由24顆衛(wèi)星組成，目前已經(jīng)達(dá)到了31顆，基本達(dá)到了全球覆蓋；③GPS技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁└呔鹊娜S定位、定速以及定時(shí)服務(wù)；④GPS技術(shù)的功能比較全面，使用范圍非常廣泛；⑤省時(shí)、快速、效率比較高[3-4]。

2GPS技術(shù)在石油地震勘探中的應(yīng)用

隨著各種高新勘探技術(shù)的不斷出現(xiàn)和應(yīng)用，對物探測量的質(zhì)量和效率要求更高，從而才能跟上石油地震勘探新技術(shù)應(yīng)用的步伐。常規(guī)的物探測量方法工序十分復(fù)雜，并且難以進(jìn)行現(xiàn)場計(jì)算，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和補(bǔ)測，精度較差，很難滿足實(shí)際地震勘探的要求。GPS技術(shù)可以有效解決上述問題，不但可以提高測量的效率，而且可以提高測量的精度。

2.1源驅(qū)動技術(shù)

在地震采集過程中，炮點(diǎn)的選擇方式通常有2種：①人工選擇；②自動選擇。人工選擇是作業(yè)人員讀取和選擇炮點(diǎn)樁號，這種方式出現(xiàn)選錯樁號的概率較大，效率較低，在一定程度上很難滿足當(dāng)前地震高效采集的要求。源驅(qū)動技術(shù)是在震源或遙爆系統(tǒng)中配置GPS，地震儀器可以根據(jù)系統(tǒng)中提供的坐標(biāo)文件，自動檢索炮點(diǎn)，然后設(shè)計(jì)排列進(jìn)行自動采集的一項(xiàng)地震采集技術(shù)[5]。源驅(qū)動技術(shù)可以有效避免炮點(diǎn)人工選擇所造成的錯誤，不但省時(shí)省力，而且精度和效率都比較高。

2.2無樁號施工技術(shù)

常規(guī)的RTK技術(shù)效率、精度、質(zhì)量都比較差，已經(jīng)很難滿足高效采集技術(shù)以及HSE的相關(guān)要求，無樁號施工技術(shù)應(yīng)用而生。1987年，OmniStar公司發(fā)明了一種廣域差分GPS方法，該方法提供一個(gè)恒定的不變量，此不變量與用戶、基站的位置無關(guān)，而且任何一個(gè)用戶都能夠獲得全部基站提供的改正值，從而不需要用戶額外假設(shè)基站就可以獲得高精度的GPS定位效果（圖1）[6]。無樁號施工技術(shù)就是在震源上安裝高精度的OmnistarGPS接收機(jī)，在震源振動的同時(shí)獲得震源平板中心所對應(yīng)的坐標(biāo)以及高程，然后記錄在系統(tǒng)之中，經(jīng)過后續(xù)的室內(nèi)質(zhì)控，從而可以獲得高精度的炮點(diǎn)成果，以此來替代常規(guī)的插旗子、刷油漆等方式的RTK測量技術(shù)。

2.3節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)

近些年以來，國內(nèi)外很多石油公司紛紛推出了節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)以及配套的采集設(shè)備，如Global公司的AutoSeis（2010年），Sercel公司的Unite（2011年），F(xiàn)airfieldNodal公司的Zland（2012年），DTCC公司的SmartSolo（2015年），Geo-Space公司的GCL（2017年），BGP公司的eSeis（2019年）等。節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)是指每個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)采集站完成地震信號的拾取、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲及集中下載記錄數(shù)據(jù)等步驟，按照精確的時(shí)序進(jìn)行連續(xù)采集，最終將生成的原始地震數(shù)據(jù)儲存在節(jié)點(diǎn)采集站上[7]。以eSeis節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)為例（圖2），該系統(tǒng)具有獨(dú)立的GPS裝置，能夠在內(nèi)置電源的支持之下，在復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行連續(xù)采集作業(yè)，而且可以自主記錄采集數(shù)據(jù)，有效克服了傳統(tǒng)的有線儀器的缺陷。eSeis節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)具有“兩高、兩強(qiáng)、一低”的特性，目前，該系統(tǒng)已在很多復(fù)雜環(huán)境和地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，如山地、黃土塬、沙漠、雪原等、均取得了較好的采集效果。

2.4定時(shí)采集技術(shù)

隨著勘探開發(fā)的不斷深入，很多油田逐漸轉(zhuǎn)向小斷塊、小構(gòu)造等勘探目標(biāo)，對地震采集的一致性要求越來越高。傳統(tǒng)的有線儀器是利用模擬電臺進(jìn)行震源系統(tǒng)與采集系統(tǒng)之間通訊，在作業(yè)之前需要開展電臺延遲校正，確保震源開始振動的同時(shí)，采集系統(tǒng)可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)兩種系統(tǒng)之間的同步[8]。但是，延遲校正存在一定的誤差，很難進(jìn)行有效質(zhì)控，使得采集效果較差，不能滿足甲方的要求。定時(shí)采集技術(shù)是在傳統(tǒng)的有線儀器和地震震源系統(tǒng)上都配置GPS接收機(jī)，確保這兩個(gè)系統(tǒng)在時(shí)間上能夠一致，精度為GPS的授時(shí)精度。定時(shí)采集技術(shù)大幅提高了地震采集的同步精度，不但可以對超高效混疊地震采集進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)控，而且還可以實(shí)現(xiàn)多臺地震儀器聯(lián)合采集。

3結(jié)束語

物探測量是石油地震勘探的排頭兵，它的質(zhì)量好壞直接決定后續(xù)地震勘探工作是否順利進(jìn)行。GPS技術(shù)在石油地震勘探中的應(yīng)用，不但提高了傳統(tǒng)的石油物探測量的質(zhì)量和效率，而且也為各種物探采集新技術(shù)的應(yīng)用提供了一定的基礎(chǔ)，大幅提高了物探采集的質(zhì)量和效率。其次，隨著地震勘探技術(shù)的快速發(fā)展，更多高新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，對物探采集技術(shù)的精度要求更高，也對GPS技術(shù)在石油地震勘探中的應(yīng)用提出了更高的要求，兩者將會相輔相成、相互促進(jìn)，為今后的良好發(fā)展帶來了更多機(jī)遇。

作者:袁郁斌 單位:中石化石油工程地球物理有限公司華東分公司