第一节物探测量技术

1第二章地震勘探资料采集技术第一节物探测量技术改革开放以前，石油物探测量作业设备简陋、技术落后，一直采用的是一台经纬仪、一根测绳、两根花杆的手工作业模式，测量计算靠的是算盘和各种计算表。在这种模式下，测量作业效率低，测量精度也差。改革开放以后，为适应勘探技术的发展，从80年代初开始，引进了多普勒卫星定位仪MX1502、HP3810A（美）、K+E（美）和Disl（瑞士）等型号的测距仪、TI—59和PC-1500等一批手持计算器，用于测量计算工作。以上这些装备，虽然到90年代先后被淘汰，但它代表了当时国内是最先进的技术。这些设备的引进和应用，摆脱了长期采用的手工作业模式，实现了测量技术发展的第一次飞跃。进入90年代后，又引进了一批新的测量设备，无论是规模和先进性，都是80年代无法比拟的，主要引进的设备有GPS接收机、全站仪和微型计算机。这些设备的引进无论是外业还是内业，精度和效率都得到了很大的提高。近年来，以3S和4D为代表的物探测量技术得到了迅速的发展，软件技术也日趋成熟。一、空间定位技术1、静态定位技术所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式是多台接收机在不同的测站上进行同步观测，观测时间由几分钟至数小时不等。早期的定位仪器只能用于静态定位，由于当时SA政策的影响和GPS技术的不完善，民用单点定位的精度只能达到百米级，因此静态相对定位在物探测量中，主要用于建立各种控制点。随着GPS技术的日益完善及物探技术对测量定位技术要求的提高，精密相对定位方法已经逐步的应用于GPS控制网的建立中。为了提高GPS控制网的精度，特别是对数百千米以上的长基线的解算，目前通常采用与IGS站点联测以及利用精密星历作为起算数据的方法来进行数据的处理。国际GPS服务（IGS）机构是由国际大地测量协会（IAG）协调的一个永久性GPS服务机构，成立于1992年。其目的是为全球科研机构及时提供GPS数据和精密星历，以支持世界范围内的地球物理学研究。IGS在相应的网站上免费发布IGS站点的观测值数据（RINEX格式）和精密星历(SP3或E18格式)，并使用ITRF（国际地球参考框架）作为其进行GPS数据分析和计算精密星历的坐标框架基准。通常我们采用高精度的数据处理软件对工区所建网点和IGS跟踪站的数据进行基线处理，并采用精密星历代替广播星历对空间卫星精密定轨，以改善基线的质量，获得长基线的整周模糊度，使得大规模的、高精度的GPS控制网的质量大幅度提高。除GPS系统以外，俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略（Galileo）系统以及我国的北斗定位导航系统等都在不断的发展和完善中，逐步形成了多元化的空间定位环境，使得能同时接收多系统信号的定位技术已成为未来的发展方向。2、RTK定位技术2RTK（RealTimeKinematic），又称载波相位差分定位技术，特指实时处理两个测站载波相位观测值，利用差分测量原理，实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，精度可达到厘米级。典型的RTK测量系统由基准站、流动站、UHF/VHF电台等组成。在RTK模式下作业，通常将基准站接收机置于一个已知点上，基准站接收机采集来自卫星的原始数据，并通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，也采集来自卫星的观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出定位结果及其实测精度。RTK系统虽然无需点间通视，但还是受观测条件限制。一方面，在城镇高楼密集区、高大林区等卫星接收条件差的环境下，难以达到厘米级水平的定位精度。另一方面，随着流动站与基准站距离的增大，电台通讯信号的衰减，初始化时间将会延长，而且定位精度随作业距离的增加而显著降低。第三，单基准站作业模式还在一定程度上存在可靠性问题。当今的RTK定位技术，呈现出多元化和学科交叉的特点，其发展方向是网络RTK。Trimble公司最近推出了一种全新的RTK增强技术，称为eRTK。eRTK是RTK的升级，它通过对GPS天线、处理器等内部结构的改造，对通讯手段的完善（既可以采用专用的UHF/VHF，也可以借助公众网络，如GSM，CDMA，GPRS等）等方式，打破了电台传输有效范围的限制。作业范围也比典型的RTK大4倍。如需在更大范围作业，则可以运用同频多基站技术，同时接收多个基准站数据，可根据信号强度或距离选择最优基准站或对多个基准站采用加权策略。3、信标差分技术近年来，由于海洋测绘、海洋石油及海洋渔业、海上交通、疏浚、引航等行业的不断发展，作业范围越来越大，RTK定位技术受UHF数据传输距离的限制，不能满足的多种高精度用户的需求。图2-1-1信标差分技术是利用现有的海上无线电信标台，在其所发射的信号中加一个副载波调制，以发射差分修正信号，提供米级精度定位导航。信标/GPS二合一接收机是将信标接收机、GPS接收机集成为一体的接收机，GPS信标机的工3作模式为实时伪距差分定位（图2-1-1）。图中的沿海信标台站也就相当于RTK的基准站。信标差分定位与RTK定位的主要区别有两个：第一，采用码（伪距）观测值，定位精度为米级；第二，采用已有的信标台站，不需要自己的基准站。国家交通部海监局在我国沿海从南到北沿海岸线建立了20个信标台站，这些信标站24小时发送RTCM差分校正信息，而且不收任何费用。其传输的距离在内陆是300km的覆盖范围，在海上是400km的覆盖范围。目前，GPS信标接收机都具有一个集成的双通道低噪声MSK（最小频移键控）模块，能在无线电信标台之间进行智能和无缝切换，从而实现高性能和高效率。采用双串口标准NEMA数据输出，每秒钟输出一次位置信息，以10HZ的速率输出位置信息，其最大延迟为0.1秒。可与导航软件相连，实现实时导航功能，也可与其他船载设备如集成桥梁系统、雷达自动驾驶仪和绘图仪等相连接。未来，随着海洋石油勘探的进一步增加，信标差分技术将会在海上石油地球物理勘探中的应用会越来越多。4、广域差分技术广域差分技术是在一个广大的区域范围内，建立若干GPS跟踪站组成差分GPS基准网，通过对GPS观测量的误差源加以区分，并分别对每一种误差源加以模型化，然后将计算出的每一种误差源的数值并通过无线电通信数据链传输给用户，以对用户GPS观测量加以改正，达到消弱误差源，改善定位精度的目的。目前国外已有一些提供广域差分GPS信号服务的系统，如LandStar、OmniStar和StarFire（图2-1-2）信号服务系统。各种广域差分GPS信号服务系统由于自身的组网方案、覆盖范围的区域性和核心算法技术应用的差别，提供给用户的精度和作业距离是不同的。利用广域差分GPS技术进行物探测量作业与现有自建基准站的差分作业模式相比，每个作业组可省去一台基准站所用的GPS接收机和中继站；减少了无线电差分信号存在的盲区，提高了野外的作业效率。因此，广域差分技术在未来石油勘探(特别是复杂地区和远海海域)中，必将拥有网络数据处理中心IGS地面网地面参考站（监控站）GPSOEM模块L-波段通讯信号接收、解码器专用线路网络图2-1-2StarFire系统结构示意图用户接收机Imarsat4广阔的应用前景。二、陆上物探测量1、遥感技术的应用所谓遥感（RemoteSensing简称RS），就是从遥远处感知，泛指各种非接触的、远距离的探测技术。遥感技术是指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传感器（如摄影仪、扫描仪和雷达等）获取目标信息，通过数据的传输和处理，从而实现研究地面物体形状、大小、位置、性质及其环境的相互关系的一门现代化科学技术。遥感实际上是一个反演问题，即从接收的电磁波或光波的信息反推出地物的几何、物理特性。而这一信息反推过程就是利用遥感处理软件将遥感信息进行处理的过程。通常包括如下步骤：（1）将传感器获取的地面信息，经过一系列的几何处理、图像增强处理，制成数字正射影像图（DOM）。（2）根据信息识别出图像中的地物，并分类。（3）将数字正射影像图与数字高程模型（DEM）结合处理，制成三维可视化的数字模型。（4）将数字模型与工区的地球物理勘探信息结合，应用于实际勘探生产中。目前在石油物探领域，只能单一的利用遥感处理制成的数字正射影像图（DOM），从而使得到的遥感信息大部分未能充分应用。开发适合石油勘探的遥感数据处理软件，能够根据石油勘探野外作业过程中地形图、卫星像片、航空照片、DEM资料，自动地分辨并表示出地表各种地物、地貌，包括地表的岩性、植被种类和密度、道路、河流等石油勘探所关心的信息，然后利用虚拟现实技术来建立一套三维真实模型，可以直观反映石油勘探野外生产作业现场，指导勘探技术设计、生产管理和质量控制等环节，从而提高野外生产质量和作业效率，降低安全风险。2、地理信息系统的应用所谓地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）是管理空间数据的计算机系统。所谓空间数据指以不同来源和方式的遥感与非遥感手段获得的数据，它有多种数据类型，包括地图、各种专题图、图象、统计数据等，这些数据都能够确定空间位置的共同特点，因此地理信息系统也可理解为是“空间信息系统”。GIS的研究使用从80年代中期开始，经历了20多年的时间，从理论到应用已相当成熟，在国民经济各领域展现了强大的生命力。石油企业尤其是各油田勘探开发部门也早已将GIS技术引入并得到了很好的应用，国外一些石油公司利用网络GIS技术已经解决了勘探数据共享的问题。国内部分石油地球物理勘探单位也在几年前开始GIS应用研究，并在物探资料处理研究方面得到了很好的应用，三维GIS技术在构造解释方面也发挥了极好的作用。但在石油地球物理勘探现场采集方面的应用还非常有限，主要是使用GIS平台绘制一些图件，并在此平台上进行一些简单的管理。GIS未来应是自主开发一套基于某一平台的GIS系统，用于管理、分析、共享石油地球物理勘探资料。野外施工通过网络系统获取所需要的资料，然后叠加上施工时收集的各种信息，既能有效的分析、指导生产，又可及时反馈信息，获得专家和管理部门的远程支持和指导。53、3S综合应用3S包括GPS、GIS和RS。4D包括DOM（数字正射影像图）、DRG（数字栅格地图）、DLG（数字线划地图）和DEM（数字高程模型）。3S集成是指将GPS、GIS、RS进行有机的结合，实现实时、快速地提供目标空间位置，包括各类传感器和运载平台的空间位置；实时或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面上的各种变化，及时地对GIS进行数据更新；完成对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，为智能化数据采集提供地学知识。目前，3S集成应用在石油物探领域，比较成功的是“GPS车辆实时监控系统”。该系统集车辆行驶、调度、报警求助、HSE管理的功能于一体，使作业单位的管理水平从模拟时代跃升到数字时代。三、海上综合定位技术1、二次定位系统技术二次定位技术是对某一物体进行一次又一次的定位以确定其实际位置的技术手段。实际上这门技术是近几年海上石油地震勘探中，针对OBC（海底电缆地震作业）中专门提出来的一个概念。目前我们广泛使用的二次定位技术包括声波二次定位和初至定位。声波二次定位技术的是当前海上OBC地震勘探的先进技术之一，它可以准确有效地测出海底电缆每一检波器组的二维或三维坐标，如图2-1-3。有资料证实，在水深10米、潮流2节时，海底电缆检波器组位移误差会达到20米以上。因此，声波二次定位技术对已经沉入海底相对稳定下来的海底电缆检波器组进行二次定位测量以提供真实可靠的电缆位置是非常必要的。同时，我们也可利用地震采集中在多个激发点中对同一个检波点的初至时间及传播速度通过圆圆交会的原理进行迭代计算，以可以求出检波点的实际位置。图2-1-3二次定位技术是海上海底电缆施工地震资料采集的关键技术，在未来的发展中，它必定会随同自动控制化等其他学科技术的进一步发展而不