石油地震勘探测量点位精度探讨

聂明涛，陈巍，范铁江，占春启，戚振利，时妍

1.中国石油集团东方地球物理公司（河北 保定 072550）

2.中国石油国际勘探开发有限公司（河北 保定 072550）

地震勘探是石油工业的排头兵，测量工序是地震勘探的第一个环节，主要涉及工区障碍物踏勘和炮检点位野外现场实地偏移优化和标记。对炮检点的野外标记是后续放线、炮点激发和资料采集施工的基础；点位坐标成果与实际激发位置的吻合程度，决定着后续资料处理解释反演的精度，所以测量工序的点位精度是地震采集资料精度的基础。传统测量一般采用全站仪进行室内设计点位的野外布设，应用实时差分定位技术（Real-Time Kinematic，RTK）为物探测量带来了一次技术革新，极大地提高了作业效率和测量精度。Omnistar星基差分技术的应用促进炮点无桩号施工技术在可控震源高效采集项目中的广泛应用。但是，伴随着定位技术的不断革新及其在物探行业的推广应用，相关技术在物探行业的精度要求是应该参考地震勘探精度要求，还是以设备应该或者能够达到的定位精度来要求物探测量精度？

1 地震勘探精度

屏幕显示分辨率是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素有多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多。同理，地震勘探中的面元可类比为显示像素，较小面元是获得高精度勘探的基础，分辨率描述是地震勘探精度非常重要的指标。

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（目的层）的横纵向最小地质体的大小。分辨率与地震波的频带宽度、主频、子波类型和信噪比等因素密切相关，也与地震数据的采样率和数据的处理方法等有关。地震波的分辨率引自光学中的瑞利准则，其分辨2个反射界面间隔△h的极限是λ/4（λ表示地震波波长）[1]。

反射波法纵向分辨率：

式中：b为纵向分辨率，m；V为层速度，m/s；Fs为目的层主频，Hz。

图1为地层速度和反射波主频与分辨率对应关系。从图1可知，层速度越低、反射波主频越高则分辨率越高；当层速度为1 000 m/s时，主频25 Hz分辨率可达10 m；当层速度为4 000 m/s时，主频80 Hz分辨率才能到12.5 m，而实际采集深层资料主频根本达不到80 Hz。所以，当前地震勘探所能达到的精度在10 m以上。

图1 地层速度和反射波主频与分辨率对应关系

2 作业流程介绍及精度分析

2.1 测量点位标记

物探测量环节作业流程一般为：建网、设备检核、点位上装和采集完成后的超限点点位复测。经过室内前期的地质任务研究和详细的方法论证确定地震采集观测系统参数，测量环节的野外施工主要涉及炮点距、炮线距、检波点距、检波线距。测量组根据室内设计好的点位进行野外点位标记，根据施工地形确定采用三标（纸条、土堆、旗子）或者五标定位（纸条、土堆、旗子、油漆、反光条）方式进行野外标记，检波点多使用蓝色标志物，炮点使用红色标志物，图2是测量组野外点位放样施工。

图2 测量组野外点位放样施工

目前地震勘探中一般均采用RTK定位技术进行点位放样，丛林等地表障碍物密度区受GPS信号影响，采用全站仪进行施工定位。RTK点位放样工作前，测量组需要在国家已知网点的基础上发展工区基准控制点，确保工区内所有物理点在基准控制点覆盖范围内[2]。物理点测设偏差又称物理点放样偏差，是物理点测设（放样）的实地位置与其设计的理论位置的偏移差值，属于地震勘探中偏移原则规定的范畴，即在野外遇到障碍物时，点位允许的最大偏移距离和偏移方法（如整道距或者是最小距离偏移）。

测量精度是测量值与真值的接近程度,物理点测定精度，是物理点测量值相对于石油物探起算点（控制点）的位置精度。表1是国家标准中对差分法测量定位施工各项技术指标的具体要求[3]，按照表1中的要求，当RTK放样水平精度误差大于0.1 m或者高程精度误差大于0.15 m时，需要进行点位补测施工。

2.2 采集设备铺设

野外采集设备铺设人员所在班组被称为放线班，主要工作是将检波器按照指定的组合图形布设在检波点标志物周围，检波器串布设要求“平、稳、正、直、紧”，“平”指同一检波点各个检波器在一个平面上，相对高差控制在施工要求范围内；“稳”指放线过程中对检波器轻拿轻放，不得摔打和用硬物敲击检波器；“正”指正点摆放检波器，组合中心对准桩号；“直”指检波器垂直水平面埋置；“紧”指检波器插紧，并埋置，保证良好的耦合效果。

地震勘探项目中有组合接收、单点接收，为了压制规则干扰、提高资料信噪比，采用组合接收技术的项目占多数[4]。项目开工前一般会通过接收参数对比或者盒子波试验进行工区内干扰波调查，以确定采用合适的组合图形。图3是地震勘探项目中所常见的一些组合图形，图3(a)组合基距为16.67 m×16.67 m(1串×9只)，图3(b)组合基距12 m×20 m（2串×12只），图3(c)组合基距46.67 m×46.67 m（6串×6只）。由于测量组只在野外标记检波点桩号位置，每只检波器位置是在放线过程中根据制作的量尺进行标记的，虽然检波点桩号精度能够达到厘米级，但是每只检波器实际放线位置很难达到厘米级，尤其是当组合基距较大时，组合中心与测量标志物之间距离误差会更大。

表1 差分法定位施工基本技术指标[3]

图3 检波器组合图形示例

2.3 炮点激发

在星基实时差分技术应用于地震勘探前，炮点施工与检波点一样，采用RTK设备进行野外标记，后续可控震源施工时，配备专门带点人员，指导震源快速到达指定位置施工，但是由于震源身形庞大，很难精准地将平板落在炮点标志物上，尤其当炮点采用多台震源组合激发时，组合中心与桩号的误差会更大。这种激发方法带点人员通过电台给仪器操作员报炮点桩号，组合中心偏离桩号距离大小均可以起震，炮点实施点位通过事后现场抽查和室内资料处理时采用初至拟合或者线性动校等方法进行质控，但是小距离偏移很难发现[5]。

可控震源安装导航系统后，开始采用差分全球定位系统（Differential Global Positioning System，DGPS）。虽然施工过程中为震源GPS架设了基站，但是，测量精度仍不能满足部分甲方对定位精度的要求，所以很多采用DGPS技术施工的项目还是先采用RTK进行野外炮点测量并作为最终上交成果，然后可控震源按照DGPS导航进行施工，节约了带点人员，偏移距离量化和可视化导航提高震源作业效率。由于震源装有GPS定位系统，操作手到位落板后，自动将当前坐标和READY信号发给仪器，仪器通过坐标自动检索当前炮点桩号。震源当前位置与仪器炮点内的RTK成果位置偏差小于指定COG误差（一般要求COG误差小于半个面元）时，仪器自动激活设计接收排列并返回起震信号触发震源开始扫描；当施工过程中部分炮点确实无法达到COG误差范围内时，仪器操作员手动放炮，采集完毕后测量组将这些点位进行复测，作为测量点位上交成果。这种施工方法，将RTK测量成果作为最终测量成果，震源实际激发点位与测量成果控制在COG误差范围内（半个面元以内）[6]。

随着动态滑动扫描等可控震源高效采集技术的应用，基于星基实时差分技术的无桩号施工技术开始被推广应用。无桩号施工中，测量组只需要提前踏勘工区内障碍物信息，室内进行炮点偏移优化后，作为施工炮点上装到震源导航系统内，震源在振动扫描的同时记录实际工作的位置，作为最终上交成果。应用星基差分技术后，将原来作业流程中分两步完成的炮点成果测量和震源采集变为同时完成，成果与实际激发位置吻合度更高[7]。

2.4 各环节精度分析

地震勘探资料精度由采集精度和处理精度2个环节共同决定，而采集精度由3个主要环节决定。如“木桶效应”所述“一个水桶无论有多高，它盛水的高度取决于其中最低的那块木板”，地震勘探精度基础由3个环节中精度最低的环节所决定。

表2是各环节精度统计。炮点采用RTK放样，震源采用人员带点方式施工时，水平精度小于10 m，高程误差因各炮点周围高差起伏大小而不一样；炮点采用RTK放样、震源安装DGPS导航施工时，水平精度小于COG误差范围，垂直精度不定；当炮点采用无桩号施工，震源安装Omnistar导航施工水平和垂直精度均能达到分米级。由于检波器放线量尺定位每只检波器，精度只能保证在米级；炮点施工采用测量和震源放炮分步施工导致炮点精度误差在5 m左右，当采用DGPS或者Omnistar进行无桩号施工时精度能够提高到1 m以内[8]。

表2 地震勘探各环节精度统计

当炮点采用有桩号施工时，炮检点精度是在测量精度的基础上进行精度误差累加（图4）。当炮点采用无桩号施工时，炮点精度由导航精度决定，而检波点精度由测量精度和放线精度共同决定，检波点是作业流程中精度最低的一环。

图4 地震勘探作业流程

项目实际应用过程中，应该根据所采用的实施方式，综合考虑测量、放线、炮点激发3个环节精度以及当前地震勘探方法所能达到精度的要求，适当放宽测量精度，而不会影响地震勘探精度，省去点位复测工作，可以避免复测产生大量的人员浪费。

2.5 测量高精度对生产的影响

实例1：RTK检波点放样过程中，由于各种原因，每天测回的成果常出现精度超限点位。按照测量规范要求，这些点位均需要采用RTK设备进行复测，经过大量的复测以及复测成果和超限点对比，2次测量的成果在数值上均一致。

实例2：2019年BGP国际部海外某动态滑动扫描项目中，炮点采用无桩号施工，采用付费版Omnistar，精度能够达到厘米级。生产过程中震源扫描结束后，通过电台将坐标、高程、震源状态、GPS状态（GPS状态4代表固定解）、卫星数、水平精度因子（水平精度因子范围0.5～99.9，一般认为数值越小质量越好）等信息传给仪器并记录在VAPS文件内（图5），导航电脑也同时将这些信息记录在扩展QC文件内（图6），但是VAPS文件内没有扩展QC文件内的坐标成果精度信息（图6蓝框内）[9]。

图6 扩展QC文件内的精度信息截图

图5 VAPS文件内GPGGA信息截图

由于炮点为无桩号施工，按照测量规范对炮点成果精度要求，必须对扩展QC文件进行成果精度质控，但是采用的导航设备对记录的扩展QC文件存在1%左右的丢失比例[9]。丢失的这部分炮，虽然炮点成果已经实时回传并记录在VAPS文件内，但是因为缺少位置精度信息，只能去野外采用RTK进行成果复测。1%的丢失比例虽然不高，但是因为随机丢失、点位分散，导致复测工作量比较大。大沙区进行成果复测，在野外多数找不到震源的平板痕迹，所以复测也只是按照位置去采一个精度符合测量规范的成果，成果在数值上与原成果一样[10]。VAPS文件内虽然没有成果位置精度信息，但是含有GPS状态信息，能够保证成果为固定解（导航平板内可以位置精度为固定解时才可进行生产）[11]。

依据本文所述地震勘探精度对测量环节的精度要求，上述2个实例中的复测工作均是为了使得测量成果符合测量规范，并未提高采集资料整理精度施工。

3 结束语

1）伴随着低成本、高精度GPS模块在检波设备上的应用，能够实现检波器或者节点记录仪器更高精度的点位成果，联合炮点震源无桩号施工技术，炮检点精度会有大幅提高，但这也只是地震勘探能够获得更高精度的必要非充分条件，这要求除了激发源向高频端的大幅扩展外，地层高频吸收衰减补偿技术也要有质的飞跃。

2）物探测量作为服务与地震资料采集的一种辅助技术和手段，它的精度应该与所配套施工的物探其他环节精度相结合。在满足整体精度的前提下适当降低，而不应像目前物探行业的规范要求，盲目地追求个别环节的高精度，没有提高地震勘探精度，反而成为地震勘探技术人员的一种束缚。