GPS技术在石油地震勘探中的应用

聂明涛，李永海，刘 宏，李康虎，范铁江，贺 涌

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 河北 涿州 072751)

·仪器设备与应用·

GPS技术在石油地震勘探中的应用

聂明涛，李永海，刘 宏，李康虎，范铁江，贺 涌

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 河北 涿州 072751)

GPS技术广泛应用于各个行业，石油地震勘探的各个环节，如工区踏勘、测量、钻井、采集等都离不开GPS相关的设备。作为近年来可控震源高效采集配套技术的无桩号施工技术、源驱动技术、定时采集技术、连续采集技术和节点采集技术都以高精度的GPS定位授时技术为基础，这些技术的应用大大地提高了地震勘探项目施工效率和采集资料的精度。系统地介绍了石油物探中常用的GPS设备和基于GPS技术的物探新技术，希望为探索在地震勘探前行道路上的各位同仁提供借鉴。

GPS技术；测量设备；无桩号施工； 源驱动； 定时采集； 连续采集； 节点采集

0 引 言

GPS英文全名是“Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Position System”，意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS系统[1]。2000年，美国宣布GPS取消实施SA限制后，GPS技术迅速在各行各业中得到推广应用。GPS技术应用于石油地震勘探中后，完全摒弃了传统的打桩定位，提高了施工作业效率和定位精度。

在地震勘探工作中，前期的工区踏勘、炮检点放样、后期采集过程中点位导航等都需要GPS定位技术，所以定位技术在石油地震勘探中应用显得非常重要，由于地震勘探工作中各环节对定位精度的要求不同，需要采用相应精度的GPS设备，避免资源浪费，只有系统了解不同设备的精度范围才能正确选择相应的GPS设备。

GPS定位和授时技术是无桩号施工、定时采集、连续采集、节点采集等物探新技术在地震勘探行业的应用基础，这些新技术的应用带动了地震勘探生产效率成倍的增加，采集资料精度也得到提高。

1 地震勘探中常用的GPS设备

石油地震勘探的基本流程:1)工区踏勘，了解工区大致行政划分，区内基本障碍物信息等；2)室内进行炮检点点位设计；3)测量组进行野外炮检点放样工作，并形成更为详细的包含工区各种地表信息的草图，指导后续放线、采集；4)进行放线，采集。地震勘探中常用的GPS设备如图1所示。地震勘探常用定位设备的特点见表1。

图1 地震勘探中常见的GPS设备

名称主要产品优点精度适用范围电子设备平板电脑、智能手机方便，设备易获取十米级踏勘、点位导航手持GPS佳明、麦哲伦方便，较高精度米级踏勘、点位导航RTK天宝R7、R8、R10高精度厘米级详细踏勘、点位放样(可作为测量成果)星基差分达恒DH-MV2、天宝SPS852高精度、用户无需架设基站分米级炮点无桩号施工技术(可作为测量成果)

1.1 智能手机

我们日常使用的平板电脑、中高端智能手机甚至手表，都内置了GPS硬件，可以在城区旅游、户外探险等方面提供路线导航、航迹录制等功能，导航误差一般在几十米。

在地震勘探的前期工区踏勘中，由于对数据定位精度要求不高，我们可以使用智能电子设备。智能手机可以通过安装APP(如奥维互动地图等)可以轻松的完成各种边界上传，航点、航迹录制，还能提供各种高清在线地图，网络不方便时，还可提前进行地图离线，供踏勘过程中使用，可以大大提高工区踏勘的效率。

1.2 手持GPS

手持GPS的导航精度因为内置的GPS硬件优于智能电子设备，所以导航精度稍高。手持GPS导航精度一般都在2～4 m，经过多年的野外应用经验发现，手持GPS误差系统差占很大比重，经过系统误差校正后能够达到1 m以内。手持GPS在地震勘探中常用于野外放线、钻井、震源带点等环节，不把作为最终成果数据，只作为过程辅助导航的工具。

1.3 RTK定位

RTK(Real-time kinematic)是指实时动态载波相位差分技术。这是目前石油地震勘探中最常用的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为物探测量带来了一次技术革新，极大地提高了外业作业效率。

测量型接收机分静态和动态(RTK)两种类型，石油地震勘探一般采用动态机(又称流动站)既可作静态也可作动态用。静态作业模式下在距已知点30 km内经30 min以上精度可达到1 cm左右，动态作业模式下在距已知点10 km内实时定位精度为2 cm左右，如图2所示。现场施工中架设的基准站和基准点对工区的覆盖示意图，施工过程中基准点必须保证10 km全部覆盖以保证测量成果的厘米级精度。

图2 RTK作业架设的基准站及基准点分布图

目前多数地震勘探项目通过RTK定位设备进行野外测量放样将室内设计好的炮点检波点进行野外标记，并作为地震勘探最终的测量成果。常用的RTK测量设备有Trimble公司的4700、5700、R7、R8等，但是该方法受基准站位置距离和通讯距离的限制，当流动站与基准站之间通讯受障碍物影响，并且架设中继也无法完成动态放样时，采用静态观测的方式测量，静态观测较动态观测需要时间长(5～10 min)，当工区地表复杂时会在一定程度上影响测量施工作业效率。

2 GPS技术在地震勘探中的应用

2.1 无桩号施工技术

由于近年来地震勘探高效采集技术的应用和对环保要求的提高，常规使用RTK进行点位测量、用旗子、纸条等标志物对点位标记的方法已经不能满足技术和环境的要求。同时，RTK定位过程中需要架设覆盖工区的基准站才能动态放样，通讯受阻时需要长时间的静态观测，于是基于OmniStar星基差分的无桩号施工技术开始在地震勘探中应用。

OmniStar集团在1987年发明了一种采用多个站点提供的加权改正数，从而给用户提供一套优化的差分校正的方法，这种方法被称为广域差分GPS，因为在GPS定位过程中，不需要用户另外架设基站就能保证定位的高精度，所以被称为星基差分定位技术。

OmniStar采用独有的广域算法，提供一个恒定的不变量，与用户位置和基站位置无关，每个用户都用到所有基站提供的改正值。OmniStar提供三种服务：VBS、XP、HP，VBS的精度为<1 m、XP<150 mm、HP<100 mm，在中国地区只提供VBS和XP服务。OmniStar星基差分技术工作原理和全球网络覆盖图如图3所示。

图3 OmniStar星基差分技术和网络覆盖图

无桩号施工技术的地震采集作业中给推土机和可控震源安装OmniStar GPS接收机进行清线和采集作业，OmniStar GPS接收机安装在可控震源平板的正上方，采用辅助记录设备(如DSG)记录施工过程中的测量成果，精度可以替代RTK放样成果作为炮点成果[2]。

2.2 源驱动技术

常规地震采集中，震源或者爆炸机操作手通过电台给仪器操作员报桩号后，操作员手动从SPS内选择当前要放的炮点桩号，通过XPS文件启动当前炮要用的排列，这种方法容易出现选错桩号的可能，且很难满足高效采集项目中生产需要。

源驱动技术是在震源或者爆炸机上安装GPS，操作手到位后将当前坐标和READY信号发给仪器，仪器通过坐标自动检索当前炮点桩号，启动设计排列进行采集，这种方法避免了人为因素造成的错误，省时省力且可以大大提高生产采集效率[3]。

2.3 定时采集技术

伴随着地震勘探技术的发展，开始逐渐进入以小断块、小构造为勘探目标的高精度地震勘探时代，对地震资料的精度要求越来越高，这就对地震仪器的激发和接收系统之间的一致性提出了更高的要求，于是基于GPS授时技术的有线仪器定时采集技术开始被推广应用。

传统有线仪器通过模拟电台进行记录系统和激发系统之间通讯，开工前需要进行电台延迟测试，在编码器进行电台延迟校正(有些电控系统自动进行延迟校正)，以补偿电台传输和电控箱体之间差异造成的延迟，保证激发源触发的同时记录系统能够开始数据采集，实现二者的系统同步[4]。自动或者是手动设置电台延迟校正都只能为某一固定数据，实际上同一厂家同一型号的电台和电控箱体也存在不同的延迟数值，所以本身延迟校正就存在误差，有时不能满足项目甲方或者是相关标准的要求。

在常规的有线仪器和地震激发系统都安装上GPS接收机，保证两套系统时间同步，编码器和译码器之间通过数字电台进行通讯，保证激发和接收的高度同步，同步精度为GPS授时精度，一般在几十纳秒到一微秒之间。定时采集技术大大提高了地震采集仪器采集资料同步精度，也可实现多台地震仪器联合采集施工[5]。

2.4 连续采集技术

428XL连续采集技术即微地震采集模式“Microseismic”,最初应用于油气田开发阶段的压裂和油气藏动态监测[6]。

采用428XL等有线仪器进行城区、密林等复杂地表进行施工时，一般存在激发与采集系统之间的通讯问题，基于模拟和数字电台的传统采集方法一般会通过架设中继站解决通讯问题。通过428XL连续采集技术成功规避激发与采集系统之间的通讯问题和常规解决方案中繁琐的差转台架设和移动工作，成功解决了通讯受限区域的地震资料采集问题。

连续采集技术通过采集过程中写入数据道头的GPS时间和装在激发端的辅助记录设备记录的TB及桩号坐标信息进行室内数据分离。GPS授时技术是保证激发和接收系统高精度的时间系统，为后期高精度的地震采集资料提供应用保障。

2.5 节点采集技术

2005年,随着多项技术的进步，尤其是廉价、低耗、高精度的GPS芯片应用于地震仪器同步[7]，存储式节点仪器开始出现在地震勘探市场。典型的存储式节点仪器如图4所示，存储式节点仪器没有传统仪器辎重70%以上的电缆，大大提高设备的灵活性。存储式节点在采集过程中通过GPS授时保证激发和接收系统的时钟高度一致，室内根据激发源记录系统记录的每炮桩号及TB等信息和从节点内下载的原始数据，利用专业软件提取对应的有效数据(例如BGP国际部研发的SeisPro软件)[8]。采集过程不需要记录系统(存储节点)与激发系统之间的通讯，因为这三种节点仪器在采集过程中没有任何生产数据和QC数据回传，所以被称为“盲采式”仪器。从上面数据处理流程可见，GPS授时技术是存储式节点仪器发展的关键技术。

图4 地震勘探常用存储式节点仪器

3 结束语

GPS技术在石油地震勘探中的应用，推动传统的测量作业效率和地震采集技术的发展，特别是近年来授时技术的推广应用，为很多物探新技术的应用提供了基础，这些新技术大大革新了野外生产采集的效率。另一方面，随着更多地震勘探新技术的应用，也对GPS技术在地震勘探方面的应用提出了更高的要求，GPS技术的发展与新地震勘探技术二者相互促进，为彼此的快速发展带来了更多契机。

[1] 黄文杰.一种在GPS弱信号环境下定位车辆的研究[D]中国海洋大学，2011：20-22.

[2] 雷坤乾. 无桩号施工技术在石油地震勘探中的应用[J].中国石油和化工标准与质量,2016,36(2):50-52.

[3] 解春玉.ARIESⅡ仪器使用VIBPRO进行源驱动工作[J].石油仪器，2011，21(2)：78-80.

[4] 易碧金．地震仪器与震源同步系统的连接原理和方法[J]．物探装备，2002，12(3)：173-175.

[5] 易碧金.采用定时采集技术实现多台地震仪器联合施工[J].物探装备，2012，22(2)：71-74.

[6] 赵亚军.428XL仪器在微地震采集中的应用探讨[J].物探装备，2013，23(6)：376-378，386.

[7] 高立兵．陆地无缆地震仪的现状及展望[J]．物探装备，2014.24(3):141-146.

[8] 聂明涛,张慕刚，丁冠东，等. GSR无线节点采集技术在地震勘探中的应用[J].石油管材与仪器,2016,2(4):68-71.

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

聂明涛，男， 1983年生，2008年毕业于大庆石油学院地球物理学专业，现在从事海外项目现场质控工作。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 编辑：高红霞)