海洋地震采集定位技術研究

鄧元軍楊志國龔旭東李江張建峰李巖王鵬吳偉(.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司,天津 0045；.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津 0045；.華油陽光北京科技股份有限公司,北京 0008)

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海洋地震采集定位技術研究

鄧元軍1楊志國1龔旭東1李江2張建峰2李巖1王鵬1吳偉3
(1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司,天津 300452；
2.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津 300452；3.華油陽光北京科技股份有限公司,北京 100082)

【摘 要】海上拖纜地震采集是最常用的采集方法，定位數據格式的最新版本是P2/94版，通過對定位技術的解析，結合實際生產數據實現了野外定位信息的直觀顯示。針對采集參考坐標系中牽引點，浮標，拖纜，氣槍，羅盤的定位方法進行了研究，對施工全過程的位置信息進行了展示，通過對定位數據的解析，可實現海洋地震采集過程中的實時質量監控，從而第一時間下達監督指令。

【關鍵詞】電纜 浮標 槍陣 深度傳感器 壓力傳感器 基準面 羅盤 陀螺儀 牽引點

1 引言

海洋地震拖纜采集定位系統通常采用的記錄格式是由英國海上作業者協會推薦，在石油和天然氣勘探行業用作原始定位數據交換格式。這個格式不是強制性的，在堅持相應標準的前提下作業者也可以采用不同的格式。

P2/94格式包含H、C、E、T四種記錄，分別表示不同的信息：H記錄定義了與工區、儀器相關的固定參數；C記錄是對H記錄的描述和注釋，事件記錄；E記錄是按照作業時間順序記錄的野外采集定位數據交換數據，不僅包含絕對空間位置信息，還包括相對位置之間的時間記錄及差分的記錄形式，E記錄按照野外生產文件順序記錄，每一個野外文件記錄一串E記錄，每種記錄分別記錄不同設備的時間位置信息；T記錄和E記錄是相關的，它記錄每一個事件或者位置之間的時間，每個具體的記錄ID下面會有詳細論述。

海洋野外采集定位數據交換格式不僅是一個數據交換格式，也是處理和歸檔衛星星歷，衛星接收設施，電離層和氣象條件數據記錄格式。該格式是在P2/91格式基礎上發展而來。

2 野外采集定位數據交換格式文件邏輯結構

記錄長度：數據記錄長度存儲在80字節的“卡”記錄，其中列編號1至80列。

記錄類型：格式定義了記錄的第一個字符識別的四種主要類型，記錄類型包含四種：

H：測區頭數據記錄；C：注釋記錄；E：事件數據（絕對時間記錄）；T：事件時間數據（記錄點之間時間）。

頭塊記錄：每一個文件或者每一條線必須從記錄H0000 到H00@9開始，順序記錄。文件中按照這個順序記錄，注釋記錄可被插入在文件任何地方。

分組記錄：描述存儲在記錄數據的性質，允許相關的記錄簡單的分組。編號的E和T記錄與H記錄平行定義存儲。例如E25@0記錄包含電纜深度傳感器數據，而一個H25@0記錄包含與其匹配的其他定義，儀器號在記錄代碼定義顯示為“@”，在數據記錄是指一個儀器以其牽引的電纜序號。它只是為了方便多設備情況下的數據整理，用戶可以看每個設備數據子集,在所有情況下，“@”字符在記錄中是冗余信息。

時間記錄：T記錄可以用于補充E記錄，響應客戶請求。E記錄和T記錄的序列是嚴格按時間順序：事件i和j之間時間被記錄，事件記錄定義事件的時間是“j”。需要強調的是，雖然絕對時間記錄在T-records允許明確的數據識別，只有相對的時間是很重要的。

記錄中的時間：包含GPS和DGPS差分信息，下面的幾種時間在野外采集定位數據交換格式被定義的：

系統時間:主船的時間系統記錄在H1310記錄，相對于格林威治的時間用于E1000單炮記錄和本炮所有時間標簽的記錄。

儀器時間:任何其他儀器的時間，用H13@0定義與系統時間的關系。

GPS時間:該GPS時間標準的建立GPS控制段。在這個時間框架內記錄的是適用的差分校正后時間性。

接收時間：GPS接收機有自己的計時系統，不包括其時鐘接收器的估計偏移。“接收機接收時間”GPS數據在這個時間框架。

3 幾何關系概念及定義

3.1 坐標系及偏移距定義

坐標軸定義：在整個文件中使用右手笛卡兒坐標系保持來表示偏移距離。

參考點：每艘船都有其自己的坐標系，其原點為船舶的參考點，在H10@0記錄記錄。被牽引對象如拖纜，槍陣和浮標有自己的參考點，它們的偏移距的定義基于本地參考點的偏移量。

野外采集定位數據交換格式描述排列幾何圖形的方式是這樣的，所有的牽引對象只記錄縱向軸線偏移距既Y軸相對于牽引點偏移量。X軸服從于掛接點偏移距。

“同步器”用來抵消牽引對象來自船上到拖曳目標硬鏈接帶來的沖擊。通過“towpoint-in-sea”和“towpoint-on-body”兩個點協作完成對物體的牽引（圖1）。一些拖曳對象依次牽引另一被拖物。一個實例是后部浮標拖著電纜和前部浮標拖在槍陣（圖2）。

3.2 偏移模式

偏移模式可分為極坐標偏移模式和矩形坐標偏移距模式兩種，水平偏移量可以是極坐標或矩形坐標。

極坐標模式：偏移距A是從船參考點或局部參考點到的徑向距離定義；偏移距B是在船上船頭方向倒局部的參考點逆時針方向的角度。

矩形模式：偏移距A是X軸從船舶或局部參考點到定義點的距離，右舷方向為正；偏移距B是Y軸偏移從船舶或局部參考點到測量點的距離，船頭方向為正（圖3）。

Z軸偏移或高度：第三偏移坐標，沿Z軸，總是向上為正,深度記錄為負的高度。

3.3 設備與參考點關系

3.3.1 與電纜相關的位置定義

拖纜幾何定義：拖纜幾何位置信息包括拖纜號，船參考點到牽引點偏移距A 、B、Z；牽引點-海上拖曳點的偏移距A、B、Z。

為了能夠清晰地看清船上各個系統的相對位置，我們選擇船頭向左為負的顯示方式，和常規坐標系保持一致，從圖4示例可看到電纜掛節點P所處的相對位置在（36.4,0），三條拖纜頭分別位于（380.2,100），（380.2,0），（380.2,-100）的位置。

羅盤位置記錄：羅盤位置要求記錄電纜號、節點ID、羅盤號、羅盤中心點偏移距及羅盤夾或插入方式代碼，記錄在同一電纜上羅盤可以重復電纜號不重復，記錄可以重復。

從羅盤相對于掛節點的位置看，羅盤是掛載在拖纜上的，因此羅盤數據的第一列就是纜號，與拖纜坐標系統相同，見圖5。

注意：節點ID號必須是唯一的正數，羅盤位置節點ID不能在H51@0再次定義；Y軸偏移距從近檢波組中心點，因此負值方向是尾部浮標，相關值域包含符號。

檢波器組定義：檢波器組位置定義包括電纜號，規則排列上首地震檢波器組合道的基準數，首道偏移距，規則排列上尾地震檢波器組合道的基準數，尾組合中心道偏移距 ，檢波器組合個數，檢波器組中點間距，記錄可重復。

如圖6，為了清晰地看清檢波器組合的排列位置，在這張圖上我們加上了船參考點，排列頭和尾部浮標，在理論上拖纜與浮標處于一條直線狀態,拖纜分段存在，本例中每段有12個建波器。

電纜深度傳感器定義：電纜深度傳感器定義包括電纜號，深度傳感器號，深度傳感器的偏移距，深度校正，夾或插方式，對于同一個深度傳感器可以重復記錄電纜號不能重復，記錄可以重復。

電纜深度傳感器與羅盤一樣是捆綁在電纜上的，它們的位置甚至和羅盤檢波器一致，因此可知它們是封裝在一個容器中的。

3.3.2 與槍陣相關的定義

槍陣幾何定義：槍陣幾何定義包含槍陣號，從船參考點到掛接點偏移距：偏移距A，偏移距B，偏移距Z。

海上拖曳點：偏移距A，偏移距B，偏移距Z；從海上拖曳點到槍陣水平中心點偏移距；本點偏移距 A、本點偏移距B；標準槍壓力、壓力單位、體積單位 、深度單位。

例如在船參考點向船尾方向36.4米牽引著兩個槍陣，以參考點為中心一個向右舷方向偏離25米，船尾方向偏離198米，一個向左舷偏離25米向船尾防線偏離198米，見圖7。

單槍定義：單槍位于槍陣中，參數有槍陣參考號、槍號、本地偏移距A、B、Z，槍體積。同一個槍陣多于一只槍時，重復記錄，槍陣號不重復記錄重復。

注意：每一個槍陣中槍號唯一，為了清晰地表示槍陣在排列中的關系，我們把單槍的位置一起標示在圖8中。

槍陣深度傳感器定義：槍陣深度傳感器參數有槍陣號，傳感器號，傳感器序列號；本地偏移距A，本地偏移距B，深度校正。同一個槍陣中的深度傳感器可以重復，槍陣號不重復，記錄可以重復。

槍陣深度傳感器和壓力傳感器封裝在一起，位置相同見圖9。

3.3.3 浮標位置的定義

牽引浮標幾何定義：牽引浮標包含如下信息：浮標號，牽引體號，牽引體參考點到被拖曳體參考點偏移距：偏移距 A、B、Z，海上被牽引拖曳點的偏移距A、B、Z，浮標描述。

浮標在講排列時已經提及，整個排列的理論相對位置如圖10所示。

4 定位數據的組織形式

4.1 介紹

野外采集定位數據交換格式中網格定義強調的是在一個范圍內的網格劃分，而不是物理測量的數據，網格由一組節點組成：在這些節點之間觀測，多次觀測定義了某種幾何關系，比如陀螺羅盤描述了船頭方向而不是地球的自傳。

4.2 工區測量節點定義

4.2.1 固定位置節點定義

H5000記錄通常定義固定節點，例如岸邊的無線電定位系統。同時假設停泊浮標的坐標是固定的，也用這個紀錄；固定節點坐標必須記錄在工區基準面里面。相關節點計算的高程必須提供。

固定節點信息包含如下字段：節點ID號、名稱/描述 、地理或者網格坐標旗標0地理坐標1網格坐標，緯度、經度；或者北坐標，東坐標；高度與高度單位。

4.2.2 節點定義(儀器，槍陣，電纜，浮標的位置代碼)

H51@0記錄可以記錄地震排列上的任何節點，它常常用以記錄中繼設備和浮標。中繼設備執行地震排列的無線電定位功能，它自身有明確位置，例如岸基衛星無線電接收站。在槍陣儀器等設備記錄上，被定位置的字段是唯一的，節點定在這個位置上。

H5110道頭定義了排列，槍陣、浮標及各類傳感器在空間位置上的ID號，在正式采集定位時是對這些ID的定位進行工作的。H5110偏移距信息如拖纜、槍陣、浮標是相對掛接位置的節點，而有些節點定義則是相對位置的，如電纜間在排列上的距離，這個距離可能用回聲時間表示，這些定位的節點號將用在真實的外記錄中。

4.2.3 點與點之間觀測ID定義

在野外采集船采集過程中除了定義物理點的觀測值之外，還要求觀測物理點之間的觀測，如兩個點在采集過程中的距離變化，本系統在定義單物理點的基礎上還進行了點與點之間的定義，點間包含如下字段：觀測ID，觀測描述，本點ID、目標節點1ID、目標節點2ID，測量單位代碼，定位系統ID，定位系統描述。

正如H5110定義采集系統中各點的ID號一樣，野外采集定位數據交換格式還記錄了點與點之間的ID號，在生產中通過觀測這些ID的數值可以判斷采集系統中相對位置是否滿足質量要求，如電纜間距等。

5 采集定位記錄的組織結構

5.1 采集定位數據組織

在野外采集船采集過程中是通過一些列事件記錄來定義位置的，E1000記錄了某測線上震源激發的炮號，地震記錄的文件號以及激發事件。緊跟著E1000記錄是E1210記錄，它記錄了在這個單炮激發時刻H5110定義的定位ID所處的位置，這個位置可能是大地坐標也可能是經緯度，具體類型由這個記錄的第12列數值決定。E2210記錄了這一炮各個羅盤的指向；E2510定義了則定義了各個深度傳感器傳來的深度。E3210記錄了激發槍陣號及各槍深度信息，E3310記錄了單槍的實際激發順序,E3410記錄了各槍壓力傳感器傳來的信息，后續還有各類相對位置的時間信息記錄，至此一炮記錄結束，再一次出現E1000記錄則代表一個新的單炮信息。

5.2 采集實例及數據結構

5.2.1 野外放炮事件記錄

前面曾經說到過自E1000記錄開始放炮時刻的相關觀測信息，E1000記錄了單炮事件，它包含如下字段：線名、單炮/文件號、地震記錄ID、年月日、時間及激發槍陣號。(圖11)

5.2.2 位置定義

E12@0記錄了放炮施工時刻各個觀測ID號的位置，字段包含：記錄號；節點ID；地理坐標和網格坐標旗標0地理、1網格，如果地理坐標記錄緯度和經度，如果網格坐標記錄北坐標和東坐標；航線航向，船的航向標志0表示沿著航線，1表示船頭方向，以及質量因子和處理明細。

5.3 排列圖形及采集定位信息示例

通過連續的單炮系統位置顯示（如圖12），可以觀察在采集過程中拖纜羽角變化，為野外采集監督提供及時準確的定位信息，對野外生產的質量進行實時監控，保證生產的保質保量的完成海上工作。

6 結語

作為原始綜合導航信息數據，野外采集定位數據交換格式、P2/ 91數據在海上地震采集作業過程中，主要功能是通過綜合導航系統解析后，形成P1數據，從而便于地震資料采集和處理過程中利用。它包含的信息量是最原始的也是最豐富的，因此，對P2數據的具體內容及數據結構邏輯等進行充分的研究和剖析，特別是對于現場采集作業的質控工作，具有非常重要的使用價值和參考意義。

P2文件也可能隨著綜合導航系統的升級而不斷的升級，從而改變其中部分數據信息的所在位置或者所含信息的變化，但基本主體以及邏輯思路不會改變。希望本文能夠對同行工作者提供一定的參考價值和指導意義。

參考文獻:

[1]UKOOA.P2/94 Exchange Format For Raw Marine Positioning Data.London：Surveying and Positioning Committee 1994.

[2]楊志國.勘探監督手冊物探分冊.北京:石油工業出版社,2013.

[3]吳偉.雙狐地質成圖系統手冊.北京金雙狐油氣技術有限公司, 2013.

作者簡介:鄧元軍(1983—),男,四川人,本科,2006年畢業于西南石油大學,中級工程師,現主要從事海洋地震資料采集方面的研究工作。