GPS技术在石油地震勘探中应用

摘要：近些年以来，我国石油产量远不能满足消费量的要求，对外依存度不断增大，在一定程度上严重影响了我国国民经济发展和国防安全。因此，油田相关企业应该采用更加先进的石油地震勘探技术，不断提高我国石油的产量和储量。首先简要介绍了GPS技术，然后介绍了GPS技术在石油地震勘探中的应用，主要有5个方面：源驱动技术、无桩号施工技术、连续采集技术、节点采集技术、定时采集技术。这些技术不但提高了地震勘探项目的质量和效率，而且降低了地震勘探项目的成本，为促进石油地震勘探事业可持续发展提供了有力的技术保障。

关键词：采集；GPS；地震勘探；测量；物探；卫星；石油

近些年以来，随着全球经济增长以及人口数量增加，人们的生产生活对能源的需求持续递增，如煤炭、电力、天然气、石油等。石油资源是一种不可再生的资源，长时间的开采必然会导致地下的石油储量日益减少，从而降低了石油可采量和产量[1]。其次，由于技术的限制，严重影响了石油勘探开发的质量和效率，在一定程度上也减少了石油的产量。据有关机构统计表明，2020年我国的石油产量为1.95亿t，而石油消费量和进口量分别为7.02、5.4亿t，石油的产量远低于消费量，对外依存度持续递增，已经严重影响了我国的经济发展和国防安全。因此，为了提高石油产量和储量，油田企业必须采用更加先进的技术手段，不断提高油田的勘探开发质量和效率。石油勘探开发的技术众多，而地震勘探是其中极其重要和关键的技术手段，是目前使用最为广泛、解决油气勘探问题最为有效的方法。物探测量工作是石油地球物理勘探的关键环节，如果测量工作没有做好，不但会严重阻碍整个石油地震勘探项目的施工进度，而且会造成重大的经济损失，情况严重的话，还会导致人员伤亡[2-3]。物探测量的技术众多，本文主要对其中的GPS技术在石油地震勘探中的应用进行了分析与探索，以期能够为从事石油地震勘探测量方面的工作人员提供一定的启示和借鉴，从而促进我国石油地震勘探事业的可持续发展。

1GPS技术简介

GPS技术（GlobalPositioningSystem）是20世纪70年代由美国军方研制的一种由24颗卫星组成的圆轨、中距离全球卫星导航定位系统。GPS技术主要由3个部分组成：①空间控制部分，主要包括绕地球飞行的GPS卫星；②地面控制部分，主要包括主控站、地面天线、监测站以及通讯辅助系统；③用户装置部分，主要包括GPS接收机和卫星天线[2-3]。GPS技术的基本原理是GPS卫星在太空中运行12h就可以绕地球运行一圈，使得在任意时刻，地面上的用户利用接收机都能够同时观测到4颗以上的卫星，进而能够及时测定观测点的所在位置和高程。GPS技术从开始研发到最后全球覆盖率达到98%，历时20多年、耗资2000多亿人民币，其主要目的是为美国军方提供实时、高精度、全天候和全球性的导航服务。由于冷战结束以及世界经济的快速发展，在2000年5月2日，美国宣布GPS取消SA政策（限制GPS定位精度），GPS技术民用信号的精度得到了大幅提高，从之前的100m提高到了20m。GPS技术具有以下5个优点：①GPS卫星的信号有2个中心频率，1575.42MHz和1227.6MHz，为低频信号，不但具有非常强的穿透能力，而且还具有一定的抗干扰能力，可以确保GPS技术全天候正常工作；②GPS技术最初由24颗卫星组成，目前已经达到了31颗，基本达到了全球覆盖；③GPS技术能够为用户提供高精度的三维定位、定速以及定时服务；④GPS技术的功能比较全面，使用范围非常广泛；⑤省时、快速、效率比较高[3-4]。

2GPS技术在石油地震勘探中的应用

随着各种高新勘探技术的不断出现和应用，对物探测量的质量和效率要求更高，从而才能跟上石油地震勘探新技术应用的步伐。常规的物探测量方法工序十分复杂，并且难以进行现场计算，很难及时发现问题和补测，精度较差，很难满足实际地震勘探的要求。GPS技术可以有效解决上述问题，不但可以提高测量的效率，而且可以提高测量的精度。

2.1源驱动技术

在地震采集过程中，炮点的选择方式通常有2种：①人工选择；②自动选择。人工选择是作业人员读取和选择炮点桩号，这种方式出现选错桩号的概率较大，效率较低，在一定程度上很难满足当前地震高效采集的要求。源驱动技术是在震源或遥爆系统中配置GPS，地震仪器可以根据系统中提供的坐标文件，自动检索炮点，然后设计排列进行自动采集的一项地震采集技术[5]。源驱动技术可以有效避免炮点人工选择所造成的错误，不但省时省力，而且精度和效率都比较高。

2.2无桩号施工技术

常规的RTK技术效率、精度、质量都比较差，已经很难满足高效采集技术以及HSE的相关要求，无桩号施工技术应用而生。1987年，OmniStar公司发明了一种广域差分GPS方法，该方法提供一个恒定的不变量，此不变量与用户、基站的位置无关，而且任何一个用户都能够获得全部基站提供的改正值，从而不需要用户额外假设基站就可以获得高精度的GPS定位效果（图1）[6]。无桩号施工技术就是在震源上安装高精度的OmnistarGPS接收机，在震源振动的同时获得震源平板中心所对应的坐标以及高程，然后记录在系统之中，经过后续的室内质控，从而可以获得高精度的炮点成果，以此来替代常规的插旗子、刷油漆等方式的RTK测量技术。

2.3节点采集技术

近些年以来，国内外很多石油公司纷纷推出了节点采集技术以及配套的采集设备，如Global公司的AutoSeis（2010年），Sercel公司的Unite（2011年），FairfieldNodal公司的Zland（2012年），DTCC公司的SmartSolo（2015年），Geo-Space公司的GCL（2017年），BGP公司的eSeis（2019年）等。节点采集技术是指每个单独的节点采集站完成地震信号的拾取、模数转换、数据存储及集中下载记录数据等步骤，按照精确的时序进行连续采集，最终将生成的原始地震数据储存在节点采集站上[7]。以eSeis节点采集系统为例（图2），该系统具有独立的GPS装置，能够在内置电源的支持之下，在复杂区域进行连续采集作业，而且可以自主记录采集数据，有效克服了传统的有线仪器的缺陷。eSeis节点采集系统具有“两高、两强、一低”的特性，目前，该系统已在很多复杂环境和地区进行了应用，如山地、黄土塬、沙漠、雪原等、均取得了较好的采集效果。

2.4定时采集技术

随着勘探开发的不断深入，很多油田逐渐转向小断块、小构造等勘探目标，对地震采集的一致性要求越来越高。传统的有线仪器是利用模拟电台进行震源系统与采集系统之间通讯，在作业之前需要开展电台延迟校正，确保震源开始振动的同时，采集系统可以开始进行数据采集，从而实现两种系统之间的同步[8]。但是，延迟校正存在一定的误差，很难进行有效质控，使得采集效果较差，不能满足甲方的要求。定时采集技术是在传统的有线仪器和地震震源系统上都配置GPS接收机，确保这两个系统在时间上能够一致，精度为GPS的授时精度。定时采集技术大幅提高了地震采集的同步精度，不但可以对超高效混叠地震采集进行实时质控，而且还可以实现多台地震仪器联合采集。

3结束语

物探测量是石油地震勘探的排头兵，它的质量好坏直接决定后续地震勘探工作是否顺利进行。GPS技术在石油地震勘探中的应用，不但提高了传统的石油物探测量的质量和效率，而且也为各种物探采集新技术的应用提供了一定的基础，大幅提高了物探采集的质量和效率。其次，随着地震勘探技术的快速发展，更多高新技术应运而生，对物探采集技术的精度要求更高，也对GPS技术在石油地震勘探中的应用提出了更高的要求，两者将会相辅相成、相互促进，为今后的良好发展带来了更多机遇。

作者:袁郁斌 单位:中石化石油工程地球物理有限公司华东分公司