海洋地震采集定位技术研究

邓元军杨志国龚旭东李江张建峰李岩王鹏吴伟(.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 0045；.中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 0045；.华油阳光北京科技股份有限公司,北京 0008)



海洋地震采集定位技术研究

邓元军1杨志国1龚旭东1李江2张建峰2李岩1王鹏1吴伟3
(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 300452；
2.中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 300452；3.华油阳光北京科技股份有限公司,北京 100082)

【摘 要】海上拖缆地震采集是最常用的采集方法，定位数据格式的最新版本是P2/94版，通过对定位技术的解析，结合实际生产数据实现了野外定位信息的直观显示。针对采集参考坐标系中牵引点，浮标，拖缆，气枪，罗盘的定位方法进行了研究，对施工全过程的位置信息进行了展示，通过对定位数据的解析，可实现海洋地震采集过程中的实时质量监控，从而第一时间下达监督指令。

【关键词】电缆 浮标 枪阵 深度传感器 压力传感器 基准面 罗盘 陀螺仪 牵引点

1 引言

海洋地震拖缆采集定位系统通常采用的记录格式是由英国海上作业者协会推荐，在石油和天然气勘探行业用作原始定位数据交换格式。这个格式不是强制性的，在坚持相应标准的前提下作业者也可以采用不同的格式。

P2/94格式包含H、C、E、T四种记录，分别表示不同的信息：H记录定义了与工区、仪器相关的固定参数；C记录是对H记录的描述和注释，事件记录；E记录是按照作业时间顺序记录的野外采集定位数据交换数据，不仅包含绝对空间位置信息，还包括相对位置之间的时间记录及差分的记录形式，E记录按照野外生产文件顺序记录，每一个野外文件记录一串E记录，每种记录分别记录不同设备的时间位置信息；T记录和E记录是相关的，它记录每一个事件或者位置之间的时间，每个具体的记录ID下面会有详细论述。

海洋野外采集定位数据交换格式不仅是一个数据交换格式，也是处理和归档卫星星历，卫星接收设施，电离层和气象条件数据记录格式。该格式是在P2/91格式基础上发展而来。

2 野外采集定位数据交换格式文件逻辑结构

记录长度：数据记录长度存储在80字节的“卡”记录，其中列编号1至80列。

记录类型：格式定义了记录的第一个字符识别的四种主要类型，记录类型包含四种：

H：测区头数据记录；C：注释记录；E：事件数据（绝对时间记录）；T：事件时间数据（记录点之间时间）。

头块记录：每一个文件或者每一条线必须从记录H0000 到H00@9开始，顺序记录。文件中按照这个顺序记录，注释记录可被插入在文件任何地方。

分组记录：描述存储在记录数据的性质，允许相关的记录简单的分组。编号的E和T记录与H记录平行定义存储。例如E25@0记录包含电缆深度传感器数据，而一个H25@0记录包含与其匹配的其他定义，仪器号在记录代码定义显示为“@”，在数据记录是指一个仪器以其牵引的电缆序号。它只是为了方便多设备情况下的数据整理，用户可以看每个设备数据子集,在所有情况下，“@”字符在记录中是冗余信息。

时间记录：T记录可以用于补充E记录，响应客户请求。E记录和T记录的序列是严格按时间顺序：事件i和j之间时间被记录，事件记录定义事件的时间是“j”。需要强调的是，虽然绝对时间记录在T-records允许明确的数据识别，只有相对的时间是很重要的。

记录中的时间：包含GPS和DGPS差分信息，下面的几种时间在野外采集定位数据交换格式被定义的：

系统时间:主船的时间系统记录在H1310记录，相对于格林威治的时间用于E1000单炮记录和本炮所有时间标签的记录。

仪器时间:任何其他仪器的时间，用H13@0定义与系统时间的关系。

GPS时间:该GPS时间标准的建立GPS控制段。在这个时间框架内记录的是适用的差分校正后时间性。

接收时间：GPS接收机有自己的计时系统，不包括其时钟接收器的估计偏移。“接收机接收时间”GPS数据在这个时间框架。

3 几何关系概念及定义

3.1 坐标系及偏移距定义

坐标轴定义：在整个文件中使用右手笛卡儿坐标系保持来表示偏移距离。

参考点：每艘船都有其自己的坐标系，其原点为船舶的参考点，在H10@0记录记录。被牵引对象如拖缆，枪阵和浮标有自己的参考点，它们的偏移距的定义基于本地参考点的偏移量。

野外采集定位数据交换格式描述排列几何图形的方式是这样的，所有的牵引对象只记录纵向轴线偏移距既Y轴相对于牵引点偏移量。X轴服从于挂接点偏移距。

“同步器”用来抵消牵引对象来自船上到拖曳目标硬链接带来的冲击。通过“towpoint-in-sea”和“towpoint-on-body”两个点协作完成对物体的牵引（图1）。一些拖曳对象依次牵引另一被拖物。一个实例是后部浮标拖着电缆和前部浮标拖在枪阵（图2）。

3.2 偏移模式

偏移模式可分为极坐标偏移模式和矩形坐标偏移距模式两种，水平偏移量可以是极坐标或矩形坐标。

极坐标模式：偏移距A是从船参考点或局部参考点到的径向距离定义；偏移距B是在船上船头方向倒局部的参考点逆时针方向的角度。

矩形模式：偏移距A是X轴从船舶或局部参考点到定义点的距离，右舷方向为正；偏移距B是Y轴偏移从船舶或局部参考点到测量点的距离，船头方向为正（图3）。

Z轴偏移或高度：第三偏移坐标，沿Z轴，总是向上为正,深度记录为负的高度。

3.3 设备与参考点关系

3.3.1 与电缆相关的位置定义

拖缆几何定义：拖缆几何位置信息包括拖缆号，船参考点到牵引点偏移距A 、B、Z；牵引点-海上拖曳点的偏移距A、B、Z。

为了能够清晰地看清船上各个系统的相对位置，我们选择船头向左为负的显示方式，和常规坐标系保持一致，从图4示例可看到电缆挂节点P所处的相对位置在（36.4,0），三条拖缆头分别位于（380.2,100），（380.2,0），（380.2,-100）的位置。

罗盘位置记录：罗盘位置要求记录电缆号、节点ID、罗盘号、罗盘中心点偏移距及罗盘夹或插入方式代码，记录在同一电缆上罗盘可以重复电缆号不重复，记录可以重复。

从罗盘相对于挂节点的位置看，罗盘是挂载在拖缆上的，因此罗盘数据的第一列就是缆号，与拖缆坐标系统相同，见图5。

注意：节点ID号必须是唯一的正数，罗盘位置节点ID不能在H51@0再次定义；Y轴偏移距从近检波组中心点，因此负值方向是尾部浮标，相关值域包含符号。

检波器组定义：检波器组位置定义包括电缆号，规则排列上首地震检波器组合道的基准数，首道偏移距，规则排列上尾地震检波器组合道的基准数，尾组合中心道偏移距 ，检波器组合个数，检波器组中点间距，记录可重复。

如图6，为了清晰地看清检波器组合的排列位置，在这张图上我们加上了船参考点，排列头和尾部浮标，在理论上拖缆与浮标处于一条直线状态,拖缆分段存在，本例中每段有12个建波器。

电缆深度传感器定义：电缆深度传感器定义包括电缆号，深度传感器号，深度传感器的偏移距，深度校正，夹或插方式，对于同一个深度传感器可以重复记录电缆号不能重复，记录可以重复。

电缆深度传感器与罗盘一样是捆绑在电缆上的，它们的位置甚至和罗盘检波器一致，因此可知它们是封装在一个容器中的。

3.3.2 与枪阵相关的定义

枪阵几何定义：枪阵几何定义包含枪阵号，从船参考点到挂接点偏移距：偏移距A，偏移距B，偏移距Z。

海上拖曳点：偏移距A，偏移距B，偏移距Z；从海上拖曳点到枪阵水平中心点偏移距；本点偏移距 A、本点偏移距B；标准枪压力、压力单位、体积单位 、深度单位。

例如在船参考点向船尾方向36.4米牵引着两个枪阵，以参考点为中心一个向右舷方向偏离25米，船尾方向偏离198米，一个向左舷偏离25米向船尾防线偏离198米，见图7。

单枪定义：单枪位于枪阵中，参数有枪阵参考号、枪号、本地偏移距A、B、Z，枪体积。同一个枪阵多于一只枪时，重复记录，枪阵号不重复记录重复。

注意：每一个枪阵中枪号唯一，为了清晰地表示枪阵在排列中的关系，我们把单枪的位置一起标示在图8中。

枪阵深度传感器定义：枪阵深度传感器参数有枪阵号，传感器号，传感器序列号；本地偏移距A，本地偏移距B，深度校正。同一个枪阵中的深度传感器可以重复，枪阵号不重复，记录可以重复。

枪阵深度传感器和压力传感器封装在一起，位置相同见图9。

3.3.3 浮标位置的定义

牵引浮标几何定义：牵引浮标包含如下信息：浮标号，牵引体号，牵引体参考点到被拖曳体参考点偏移距：偏移距 A、B、Z，海上被牵引拖曳点的偏移距A、B、Z，浮标描述。

浮标在讲排列时已经提及，整个排列的理论相对位置如图10所示。

4 定位数据的组织形式

4.1 介绍

野外采集定位数据交换格式中网格定义强调的是在一个范围内的网格划分，而不是物理测量的数据，网格由一组节点组成：在这些节点之间观测，多次观测定义了某种几何关系，比如陀螺罗盘描述了船头方向而不是地球的自传。

4.2 工区测量节点定义

4.2.1 固定位置节点定义

H5000记录通常定义固定节点，例如岸边的无线电定位系统。同时假设停泊浮标的坐标是固定的，也用这个纪录；固定节点坐标必须记录在工区基准面里面。相关节点计算的高程必须提供。

固定节点信息包含如下字段：节点ID号、名称/描述 、地理或者网格坐标旗标0地理坐标1网格坐标，纬度、经度；或者北坐标，东坐标；高度与高度单位。

4.2.2 节点定义(仪器，枪阵，电缆，浮标的位置代码)

H51@0记录可以记录地震排列上的任何节点，它常常用以记录中继设备和浮标。中继设备执行地震排列的无线电定位功能，它自身有明确位置，例如岸基卫星无线电接收站。在枪阵仪器等设备记录上，被定位置的字段是唯一的，节点定在这个位置上。

H5110道头定义了排列，枪阵、浮标及各类传感器在空间位置上的ID号，在正式采集定位时是对这些ID的定位进行工作的。H5110偏移距信息如拖缆、枪阵、浮标是相对挂接位置的节点，而有些节点定义则是相对位置的，如电缆间在排列上的距离，这个距离可能用回声时间表示，这些定位的节点号将用在真实的外记录中。

4.2.3 点与点之间观测ID定义

在野外采集船采集过程中除了定义物理点的观测值之外，还要求观测物理点之间的观测，如两个点在采集过程中的距离变化，本系统在定义单物理点的基础上还进行了点与点之间的定义，点间包含如下字段：观测ID，观测描述，本点ID、目标节点1ID、目标节点2ID，测量单位代码，定位系统ID，定位系统描述。

正如H5110定义采集系统中各点的ID号一样，野外采集定位数据交换格式还记录了点与点之间的ID号，在生产中通过观测这些ID的数值可以判断采集系统中相对位置是否满足质量要求，如电缆间距等。

5 采集定位记录的组织结构

5.1 采集定位数据组织

在野外采集船采集过程中是通过一些列事件记录来定义位置的，E1000记录了某测线上震源激发的炮号，地震记录的文件号以及激发事件。紧跟着E1000记录是E1210记录，它记录了在这个单炮激发时刻H5110定义的定位ID所处的位置，这个位置可能是大地坐标也可能是经纬度，具体类型由这个记录的第12列数值决定。E2210记录了这一炮各个罗盘的指向；E2510定义了则定义了各个深度传感器传来的深度。E3210记录了激发枪阵号及各枪深度信息，E3310记录了单枪的实际激发顺序,E3410记录了各枪压力传感器传来的信息，后续还有各类相对位置的时间信息记录，至此一炮记录结束，再一次出现E1000记录则代表一个新的单炮信息。

5.2 采集实例及数据结构

5.2.1 野外放炮事件记录

前面曾经说到过自E1000记录开始放炮时刻的相关观测信息，E1000记录了单炮事件，它包含如下字段：线名、单炮/文件号、地震记录ID、年月日、时间及激发枪阵号。(图11)

5.2.2 位置定义

E12@0记录了放炮施工时刻各个观测ID号的位置，字段包含：记录号；节点ID；地理坐标和网格坐标旗标0地理、1网格，如果地理坐标记录纬度和经度，如果网格坐标记录北坐标和东坐标；航线航向，船的航向标志0表示沿着航线，1表示船头方向，以及质量因子和处理明细。

5.3 排列图形及采集定位信息示例

通过连续的单炮系统位置显示（如图12），可以观察在采集过程中拖缆羽角变化，为野外采集监督提供及时准确的定位信息，对野外生产的质量进行实时监控，保证生产的保质保量的完成海上工作。

6 结语

作为原始综合导航信息数据，野外采集定位数据交换格式、P2/ 91数据在海上地震采集作业过程中，主要功能是通过综合导航系统解析后，形成P1数据，从而便于地震资料采集和处理过程中利用。它包含的信息量是最原始的也是最丰富的，因此，对P2数据的具体内容及数据结构逻辑等进行充分的研究和剖析，特别是对于现场采集作业的质控工作，具有非常重要的使用价值和参考意义。

P2文件也可能随着综合导航系统的升级而不断的升级，从而改变其中部分数据信息的所在位置或者所含信息的变化，但基本主体以及逻辑思路不会改变。希望本文能够对同行工作者提供一定的参考价值和指导意义。

参考文献:

[1]UKOOA.P2/94 Exchange Format For Raw Marine Positioning Data.London：Surveying and Positioning Committee 1994.

[2]杨志国.勘探监督手册物探分册.北京:石油工业出版社,2013.

[3]吴伟.双狐地质成图系统手册.北京金双狐油气技术有限公司, 2013.

作者简介:邓元军(1983—),男,四川人,本科,2006年毕业于西南石油大学,中级工程师,现主要从事海洋地震资料采集方面的研究工作。