GPS技術在石油地震勘探中的應用

袁郁斌

（中石化石油工程地球物理有限公司華東分公司，江蘇南京 210000）

近些年以來，隨著全球經濟增長以及人口數量增加，人們的生產生活對能源的需求持續遞增，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致地下的石油儲量日益減少，從而降低了石油可采量和產量[1]。其次，由于技術的限制，嚴重影響了石油勘探開發的質量和效率，在一定程度上也減少了石油的產量。據有關機構統計表明，2020年我國的石油產量為1.95億t，而石油消費量和進口量分別為7.02、5.4億t，石油的產量遠低于消費量，對外依存度持續遞增，已經嚴重影響了我國的經濟發展和國防安全。因此，為了提高石油產量和儲量，油田企業必須采用更加先進的技術手段，不斷提高油田的勘探開發質量和效率。石油勘探開發的技術眾多，而地震勘探是其中極其重要和關鍵的技術手段，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鍵環節，如果測量工作沒有做好，不但會嚴重阻礙整個石油地震勘探項目的施工進度，而且會造成重大的經濟損失，情況嚴重的話，還會導致人員傷亡[2-3]。物探測量的技術眾多，本文主要對其中的GPS技術在石油地震勘探中的應用進行了分析與探索，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，從而促進我國石油地震勘探事業的可持續發展。

1 GPS技術簡介

GPS技術（Global Positioning System）是20世紀70年代由美國軍方研制的一種由24顆衛星組成的圓軌、中距離全球衛星導航定位系統。GPS技術主要由3個部分組成：①空間控制部分，主要包括繞地球飛行的GPS衛星；②地面控制部分，主要包括主控站、地面天線、監測站以及通訊輔助系統；③用戶裝置部分，主要包括GPS接收機和衛星天線[2-3]。GPS技術的基本原理是GPS衛星在太空中運行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顆以上的衛星，進而能夠及時測定觀測點的所在位置和高程。GPS技術從開始研發到最后全球覆蓋率達到98%，歷時20多年、耗資2 000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航服務。由于冷戰結束以及世界經濟的快速發展，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技術具有以下5個優點：①GPS衛星的信號有2個中心頻率，1 575.42MHz和1 227.6MHz，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技術全天候正常工作；②GPS技術最初由24顆衛星組成，目前已經達到了31顆，基本達到了全球覆蓋；③GPS技術能夠為用戶提供高精度的三維定位、定速以及定時服務；④GPS技術的功能比較全面，使用范圍非常廣泛；⑤省時、快速、效率比較高[3-4]。

2 GPS技術在石油地震勘探中的應用

隨著各種高新勘探技術的不斷出現和應用，對物探測量的質量和效率要求更高，從而才能跟上石油地震勘探新技術應用的步伐。常規的物探測量方法工序十分復雜，并且難以進行現場計算，很難及時發現問題和補測，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 源驅動技術

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。人工選擇是作業人員讀取和選擇炮點樁號，這種方式出現選錯樁號的概率較大，效率較低，在一定程度上很難滿足當前地震高效采集的要求。源驅動技術是在震源或遙爆系統中配置GPS，地震儀器可以根據系統中提供的坐標文件，自動檢索炮點，然后設計排列進行自動采集的一項地震采集技術[5]。源驅動技術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

常規的RTK技術效率、精度、質量都比較差，已經很難滿足高效采集技術以及HSE的相關要求，無樁號施工技術應用而生。1987年，OmniStar公司發明了一種廣域差分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，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]。無樁號施工技術就是在震源上安裝高精度的Omnistar GPS接收機，在震源振動的同時獲得震源平板中心所對應的坐標以及高程，然后記錄在系統之中，經過后續的室內質控，從而可以獲得高精度的炮點成果，以此來替代常規的插旗子、刷油漆等方式的RTK測量技術。

圖1 Omnistar衛星服務原理圖

2.3 節點采集技術

近些年以來，國內外很多石油公司紛紛推出了節點采集技術以及配套的采集設備，如Global公司的AutoSeis（2010年），Sercel公司的Unite（2011年），Fairfield Nodal公司的Zland（2012年），DTCC公司的Smart Solo（2015年），Geo-Space公司的GCL（2017年），BGP公司的eSeis（2019年）等。節點采集技術是指每個單獨的節點采集站完成地震信號的拾取、模數轉換、數據存儲及集中下載記錄數據等步驟，按照精確的時序進行連續采集，最終將生成的原始地震數據儲存在節點采集站上[7]。以eSeis節點采集系統為例（圖2），該系統具有獨立的GPS裝置，能夠在內置電源的支持之下，在復雜區域進行連續采集作業，而且可以自主記錄采集數據，有效克服了傳統的有線儀器的缺陷。eSeis節點采集系統具有“兩高、兩強、一低”的特性，目前，該系統已在很多復雜環境和地區進行了應用，如山地、黃土塬、沙漠、雪原等、均取得了較好的采集效果。

圖2 eSeis節點采集系統

2.4 定時采集技術

隨著勘探開發的不斷深入，很多油田逐漸轉向小斷塊、小構造等勘探目標，對地震采集的一致性要求越來越高。傳統的有線儀器是利用模擬電臺進行震源系統與采集系統之間通訊，在作業之前需要開展電臺延遲校正，確保震源開始振動的同時，采集系統可以開始進行數據采集，從而實現兩種系統之間的同步[8]。但是，延遲校正存在一定的誤差，很難進行有效質控，使得采集效果較差，不能滿足甲方的要求。定時采集技術是在傳統的有線儀器和地震震源系統上都配置GPS接收機，確保這兩個系統在時間上能夠一致，精度為GPS的授時精度。定時采集技術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行實時質控，而且還可以實現多臺地震儀器聯合采集。

3 結束語

物探測量是石油地震勘探的排頭兵，它的質量好壞直接決定后續地震勘探工作是否順利進行。GPS技術在石油地震勘探中的應用，不但提高了傳統的石油物探測量的質量和效率，而且也為各種物探采集新技術的應用提供了一定的基礎，大幅提高了物探采集的質量和效率。其次，隨著地震勘探技術的快速發展，更多高新技術應運而生，對物探采集技術的精度要求更高，也對GPS技術在石油地震勘探中的應用提出了更高的要求，兩者將會相輔相成、相互促進，為今后的良好發展帶來了更多機遇。