石油地震勘探測量點位精度探討

聶明濤，陳巍，范鐵江，占春啟，戚振利，時妍

1.中國石油集團東方地球物理公司（河北 保定 072550）

2.中國石油國際勘探開發有限公司（河北 保定 072550）

地震勘探是石油工業的排頭兵，測量工序是地震勘探的第一個環節，主要涉及工區障礙物踏勘和炮檢點位野外現場實地偏移優化和標記。對炮檢點的野外標記是后續放線、炮點激發和資料采集施工的基礎；點位坐標成果與實際激發位置的吻合程度，決定著后續資料處理解釋反演的精度，所以測量工序的點位精度是地震采集資料精度的基礎。傳統測量一般采用全站儀進行室內設計點位的野外布設，應用實時差分定位技術（Real-Time Kinematic，RTK）為物探測量帶來了一次技術革新，極大地提高了作業效率和測量精度。Omnistar星基差分技術的應用促進炮點無樁號施工技術在可控震源高效采集項目中的廣泛應用。但是，伴隨著定位技術的不斷革新及其在物探行業的推廣應用，相關技術在物探行業的精度要求是應該參考地震勘探精度要求，還是以設備應該或者能夠達到的定位精度來要求物探測量精度？

1 地震勘探精度

屏幕顯示分辨率是屏幕圖像的精密度，是指顯示器所能顯示的像素有多少。由于屏幕上的點、線和面都是由像素組成的，顯示器可顯示的像素越多，畫面就越精細，同樣的屏幕區域內能顯示的信息也越多。同理，地震勘探中的面元可類比為顯示像素，較小面元是獲得高精度勘探的基礎，分辨率描述是地震勘探精度非常重要的指標。

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（目的層）的橫縱向最小地質體的大小。分辨率與地震波的頻帶寬度、主頻、子波類型和信噪比等因素密切相關，也與地震數據的采樣率和數據的處理方法等有關。地震波的分辨率引自光學中的瑞利準則，其分辨2個反射界面間隔△h的極限是λ/4（λ表示地震波波長）[1]。

反射波法縱向分辨率：

式中：b為縱向分辨率，m；V為層速度，m/s；Fs為目的層主頻，Hz。

圖1為地層速度和反射波主頻與分辨率對應關系。從圖1可知，層速度越低、反射波主頻越高則分辨率越高；當層速度為1 000 m/s時，主頻25 Hz分辨率可達10 m；當層速度為4 000 m/s時，主頻80 Hz分辨率才能到12.5 m，而實際采集深層資料主頻根本達不到80 Hz。所以，當前地震勘探所能達到的精度在10 m以上。

圖1 地層速度和反射波主頻與分辨率對應關系

2 作業流程介紹及精度分析

2.1 測量點位標記

物探測量環節作業流程一般為：建網、設備檢核、點位上裝和采集完成后的超限點點位復測。經過室內前期的地質任務研究和詳細的方法論證確定地震采集觀測系統參數，測量環節的野外施工主要涉及炮點距、炮線距、檢波點距、檢波線距。測量組根據室內設計好的點位進行野外點位標記，根據施工地形確定采用三標（紙條、土堆、旗子）或者五標定位（紙條、土堆、旗子、油漆、反光條）方式進行野外標記，檢波點多使用藍色標志物，炮點使用紅色標志物，圖2是測量組野外點位放樣施工。

圖2 測量組野外點位放樣施工

目前地震勘探中一般均采用RTK定位技術進行點位放樣，叢林等地表障礙物密度區受GPS信號影響，采用全站儀進行施工定位。RTK點位放樣工作前，測量組需要在國家已知網點的基礎上發展工區基準控制點，確保工區內所有物理點在基準控制點覆蓋范圍內[2]。物理點測設偏差又稱物理點放樣偏差，是物理點測設（放樣）的實地位置與其設計的理論位置的偏移差值，屬于地震勘探中偏移原則規定的范疇，即在野外遇到障礙物時，點位允許的最大偏移距離和偏移方法（如整道距或者是最小距離偏移）。

測量精度是測量值與真值的接近程度,物理點測定精度，是物理點測量值相對于石油物探起算點（控制點）的位置精度。表1是國家標準中對差分法測量定位施工各項技術指標的具體要求[3]，按照表1中的要求，當RTK放樣水平精度誤差大于0.1 m或者高程精度誤差大于0.15 m時，需要進行點位補測施工。

2.2 采集設備鋪設

野外采集設備鋪設人員所在班組被稱為放線班，主要工作是將檢波器按照指定的組合圖形布設在檢波點標志物周圍，檢波器串布設要求“平、穩、正、直、緊”，“平”指同一檢波點各個檢波器在一個平面上，相對高差控制在施工要求范圍內；“穩”指放線過程中對檢波器輕拿輕放，不得摔打和用硬物敲擊檢波器；“正”指正點擺放檢波器，組合中心對準樁號；“直”指檢波器垂直水平面埋置；“緊”指檢波器插緊，并埋置，保證良好的耦合效果。

地震勘探項目中有組合接收、單點接收，為了壓制規則干擾、提高資料信噪比，采用組合接收技術的項目占多數[4]。項目開工前一般會通過接收參數對比或者盒子波試驗進行工區內干擾波調查，以確定采用合適的組合圖形。圖3是地震勘探項目中所常見的一些組合圖形，圖3(a)組合基距為16.67 m×16.67 m(1串×9只)，圖3(b)組合基距12 m×20 m（2串×12只），圖3(c)組合基距46.67 m×46.67 m（6串×6只）。由于測量組只在野外標記檢波點樁號位置，每只檢波器位置是在放線過程中根據制作的量尺進行標記的，雖然檢波點樁號精度能夠達到厘米級，但是每只檢波器實際放線位置很難達到厘米級，尤其是當組合基距較大時，組合中心與測量標志物之間距離誤差會更大。

表1 差分法定位施工基本技術指標[3]

圖3 檢波器組合圖形示例

2.3 炮點激發

在星基實時差分技術應用于地震勘探前，炮點施工與檢波點一樣，采用RTK設備進行野外標記，后續可控震源施工時，配備專門帶點人員，指導震源快速到達指定位置施工，但是由于震源身形龐大，很難精準地將平板落在炮點標志物上，尤其當炮點采用多臺震源組合激發時，組合中心與樁號的誤差會更大。這種激發方法帶點人員通過電臺給儀器操作員報炮點樁號，組合中心偏離樁號距離大小均可以起震，炮點實施點位通過事后現場抽查和室內資料處理時采用初至擬合或者線性動校等方法進行質控，但是小距離偏移很難發現[5]。

可控震源安裝導航系統后，開始采用差分全球定位系統（Differential Global Positioning System，DGPS）。雖然施工過程中為震源GPS架設了基站，但是，測量精度仍不能滿足部分甲方對定位精度的要求，所以很多采用DGPS技術施工的項目還是先采用RTK進行野外炮點測量并作為最終上交成果，然后可控震源按照DGPS導航進行施工，節約了帶點人員，偏移距離量化和可視化導航提高震源作業效率。由于震源裝有GPS定位系統，操作手到位落板后，自動將當前坐標和READY信號發給儀器，儀器通過坐標自動檢索當前炮點樁號。震源當前位置與儀器炮點內的RTK成果位置偏差小于指定COG誤差（一般要求COG誤差小于半個面元）時，儀器自動激活設計接收排列并返回起震信號觸發震源開始掃描；當施工過程中部分炮點確實無法達到COG誤差范圍內時，儀器操作員手動放炮，采集完畢后測量組將這些點位進行復測，作為測量點位上交成果。這種施工方法，將RTK測量成果作為最終測量成果，震源實際激發點位與測量成果控制在COG誤差范圍內（半個面元以內）[6]。

隨著動態滑動掃描等可控震源高效采集技術的應用，基于星基實時差分技術的無樁號施工技術開始被推廣應用。無樁號施工中，測量組只需要提前踏勘工區內障礙物信息，室內進行炮點偏移優化后，作為施工炮點上裝到震源導航系統內，震源在振動掃描的同時記錄實際工作的位置，作為最終上交成果。應用星基差分技術后，將原來作業流程中分兩步完成的炮點成果測量和震源采集變為同時完成，成果與實際激發位置吻合度更高[7]。

2.4 各環節精度分析

地震勘探資料精度由采集精度和處理精度2個環節共同決定，而采集精度由3個主要環節決定。如“木桶效應”所述“一個水桶無論有多高，它盛水的高度取決于其中最低的那塊木板”，地震勘探精度基礎由3個環節中精度最低的環節所決定。

表2是各環節精度統計。炮點采用RTK放樣，震源采用人員帶點方式施工時，水平精度小于10 m，高程誤差因各炮點周圍高差起伏大小而不一樣；炮點采用RTK放樣、震源安裝DGPS導航施工時，水平精度小于COG誤差范圍，垂直精度不定；當炮點采用無樁號施工，震源安裝Omnistar導航施工水平和垂直精度均能達到分米級。由于檢波器放線量尺定位每只檢波器，精度只能保證在米級；炮點施工采用測量和震源放炮分步施工導致炮點精度誤差在5 m左右，當采用DGPS或者Omnistar進行無樁號施工時精度能夠提高到1 m以內[8]。

表2 地震勘探各環節精度統計

當炮點采用有樁號施工時，炮檢點精度是在測量精度的基礎上進行精度誤差累加（圖4）。當炮點采用無樁號施工時，炮點精度由導航精度決定，而檢波點精度由測量精度和放線精度共同決定，檢波點是作業流程中精度最低的一環。

圖4 地震勘探作業流程

項目實際應用過程中，應該根據所采用的實施方式，綜合考慮測量、放線、炮點激發3個環節精度以及當前地震勘探方法所能達到精度的要求，適當放寬測量精度，而不會影響地震勘探精度，省去點位復測工作，可以避免復測產生大量的人員浪費。

2.5 測量高精度對生產的影響

實例1：RTK檢波點放樣過程中，由于各種原因，每天測回的成果常出現精度超限點位。按照測量規范要求，這些點位均需要采用RTK設備進行復測，經過大量的復測以及復測成果和超限點對比，2次測量的成果在數值上均一致。

實例2：2019年BGP國際部海外某動態滑動掃描項目中，炮點采用無樁號施工，采用付費版Omnistar，精度能夠達到厘米級。生產過程中震源掃描結束后，通過電臺將坐標、高程、震源狀態、GPS狀態（GPS狀態4代表固定解）、衛星數、水平精度因子（水平精度因子范圍0.5～99.9，一般認為數值越小質量越好）等信息傳給儀器并記錄在VAPS文件內（圖5），導航電腦也同時將這些信息記錄在擴展QC文件內（圖6），但是VAPS文件內沒有擴展QC文件內的坐標成果精度信息（圖6藍框內）[9]。

圖6 擴展QC文件內的精度信息截圖

圖5 VAPS文件內GPGGA信息截圖

由于炮點為無樁號施工，按照測量規范對炮點成果精度要求，必須對擴展QC文件進行成果精度質控，但是采用的導航設備對記錄的擴展QC文件存在1%左右的丟失比例[9]。丟失的這部分炮，雖然炮點成果已經實時回傳并記錄在VAPS文件內，但是因為缺少位置精度信息，只能去野外采用RTK進行成果復測。1%的丟失比例雖然不高，但是因為隨機丟失、點位分散，導致復測工作量比較大。大沙區進行成果復測，在野外多數找不到震源的平板痕跡，所以復測也只是按照位置去采一個精度符合測量規范的成果，成果在數值上與原成果一樣[10]。VAPS文件內雖然沒有成果位置精度信息，但是含有GPS狀態信息，能夠保證成果為固定解（導航平板內可以位置精度為固定解時才可進行生產）[11]。

依據本文所述地震勘探精度對測量環節的精度要求，上述2個實例中的復測工作均是為了使得測量成果符合測量規范，并未提高采集資料整理精度施工。

3 結束語

1）伴隨著低成本、高精度GPS模塊在檢波設備上的應用，能夠實現檢波器或者節點記錄儀器更高精度的點位成果，聯合炮點震源無樁號施工技術，炮檢點精度會有大幅提高，但這也只是地震勘探能夠獲得更高精度的必要非充分條件，這要求除了激發源向高頻端的大幅擴展外，地層高頻吸收衰減補償技術也要有質的飛躍。

2）物探測量作為服務與地震資料采集的一種輔助技術和手段，它的精度應該與所配套施工的物探其他環節精度相結合。在滿足整體精度的前提下適當降低，而不應像目前物探行業的規范要求，盲目地追求個別環節的高精度，沒有提高地震勘探精度，反而成為地震勘探技術人員的一種束縛。