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)點采集技術(shù)、定時采集技術(shù)。這些技術(shù)不但提高了地震勘探項目的質(zhì)量和效率，而且降低了地震勘探項目的成本，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)機構(gòu)統(tǒng)計表明，2020年我國的石油產(chǎn)量為1.95億t，而石油消費量和進(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)重阻礙整個石油地震勘探項目的施工進(jìn)度，而且會造成重大的經(jīng)濟損失，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，以期能夠為從事石油地震勘探測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)星在太空中運行12h就可以繞地球運行一圈，使得在任意時刻，地面上的用戶利用接收機都能夠同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星，進(jìn)而能夠及時測定觀測點的所在位置和高程。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時、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個優(yōu)點：①GPS衛(wèi)星的信號有2個中心頻率，1575.42MHz和1227.6MHz，為低頻信號，不但具有非常強的穿透能力，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)能夠為用戶提供高精度的三維定位、定速以及定時服務(wù)；④GPS技術(shù)的功能比較全面，使用范圍非常廣泛；⑤省時、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)場計算，很難及時發(fā)現(xiàn)問題和補測，精度較差，很難滿足實際地震勘探的要求。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，然后設(shè)計排列進(jìn)行自動采集的一項地震采集技術(shù)[5]。源驅(qū)動技術(shù)可以有效避免炮點人工選擇所造成的錯誤，不但省時省力，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，在震源振動的同時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)點采集技術(shù)是指每個單獨的節(jié)點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)點采集站上[7]。以eSeis節(jié)點采集系統(tǒng)為例（圖2），該系統(tǒng)具有獨立的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)點采集系統(tǒng)具有“兩高、兩強、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。查線設(shè)備MHC充電下載一體柜數(shù)據(jù)處理管理系統(tǒng)eSeis2.0節(jié)點采集站圖2eSeis節(jié)點采集系統(tǒng)
2.4定時采集技術(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，采集系統(tǒng)可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而實現(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，確保這兩個系統(tǒng)在時間上能夠一致，精度為GPS的授時精度。定時采集技術(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)行實時質(zhì)控，而且還可以實現(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