張鳳彬

(中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院,河南南陽473132)

R8-GNSS在泌陽凹陷油氣資源勘察中的應用

張鳳彬

(中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院,河南南陽473132)

泌陽凹陷屬小型山間斷陷,周緣受斷層嚴格控制,地質地貌特征復雜,隨著勘探開發(fā)程度的深入,對測量精度提出了更高的要求。為此,特引進了R8-GNSS全球衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng),并系統(tǒng)地開展了該區(qū)GPS動靜態(tài)控制網的建立、坐標轉換參數的求取等項研究,且在實際工作中進行了實時動態(tài)RTK測量?，F場應用表明,該系統(tǒng)定位精度高、成果可靠,完全能夠滿足油氣資源勘察工作需要。

R8-GNSS;泌陽凹陷;資源勘察;GPS控制網建立;實時動態(tài)測量

泌陽凹陷位于高斯-克呂格投影六度分帶法的第19度帶內,屬小型山間斷陷,周緣受斷層嚴格控制,西北為社旗凸起,南部和東部為桐柏山系,東北部為伏牛山系,平面上呈端部北指的扇形展布,剖面上構成南深北淺的箕狀凹陷[1](圖1)。隨著勘探開發(fā)程度的提高,對油氣資源勘察中井位坐標精度的要求也越來越高,現有的測量設備已無法確保該區(qū)勘探開發(fā)井位測量的精度需求。為了確保油氣資源勘察開發(fā)工作的順利開展,引進了 TrimbleR8-GNSS全球衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng),該系統(tǒng)具有雙星接收(可同時接收美國的 GPS和俄羅斯的 GLONASS兩種衛(wèi)星信號)、全球性、全天候、高精度和高效率等特點,但能否在地質地貌特征復雜的丘陵地區(qū)建立高精度的GPS動靜態(tài)控制網、求取滿足測量精度需要的轉換參數、開發(fā)出適合河南油田油氣勘探開發(fā)特點的數據處理與定位解算軟件,實現R8 GNSS強大功能是實踐應用 TrimbleR8-GNSS系統(tǒng)成敗的關鍵。

圖1 泌陽凹陷區(qū)域位置

1 選取坐標轉換點及確定轉換參數

TrimbleR8-GNSS全球衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)是將衛(wèi)星作為“飛行控制點”,利用三個星-機距離空間交會求得接收機所在位置的三維坐標。該坐標是以WGS-84橢球作為參考橢球(WGS-84坐標系下)的大地坐標,而工作中用到的坐標是以克拉索夫斯橢球作為參考橢球(北京-54坐標系下)的高斯平面直角坐標,兩個參考橢球體不同,它們的坐標軸之間既不重合又不平行,存在著坐標參數轉換問題(圖2)。其轉換原理如下[2]:OXYZ與O′X′Y′Z′分別為參心坐標系和地心坐標系。

首先保持原點O′不動,依次繞X′軸旋轉θx角,繞Y′軸旋轉θy角,繞Z′軸旋轉θz角,而成為O′X″Y″Z″,其與OXYZ坐標系相應坐標軸平行,θx、θy、θz為三個旋轉參數或定向參數。經過三次旋轉,兩坐標系的坐標軸基本平行,但還存在坐標差δX,δY, δZ(即平移參數)。另外由于衛(wèi)星網與地面網測量尺度存在差異,定向標準也不一樣,因此,坐標轉換后還應考慮尺度因子K和定向系統(tǒng)差異性影響。其中,θx、θy、θz為三參數,θx,,θy,θz和尺度因子K為四參數,θx,,θy,θz,δX,δY,δZ和尺度因子K為七參數[3]。

圖2 坐標系轉換示意圖

根據河南油田泌陽凹陷的實際情況,分別選擇了測區(qū)內三個一樣等級的國家控制點(雙河地區(qū)的161,王集地區(qū)的翟廟,下二門地區(qū)的132)作為基準點,該點分布相對均勻,基本覆蓋了整個油區(qū)。經過野外觀測、數據采集、內業(yè)數據處理,求解WGS-84到北京-54坐標系的轉換參數為:

根據經驗公式:

該組參數符合經驗公式要求,并經過大量生產實踐對比驗證,較為精確,完全能夠滿足泌陽凹陷勘探開發(fā)井位測量精度需要。

2 GPS控制網建立

2.1 野外施工

利用測區(qū)內現有的國家高等級控制點建立GPS動靜態(tài)控制網,是進行各種油氣資源勘察工作的基礎。針對泌陽凹陷的地質地貌特征,經過多方面資料收集和現場實地踏勘,先后共布設靜態(tài)控制點34個,動態(tài)控制點62個。其動靜態(tài)GPS測量參數見表1,技術指標見表2。

表1 動靜態(tài)GPS測量參數

首先利用下二門地區(qū)的四等控制點132、雙河地區(qū)的三等控制點161、王集地區(qū)的四等控制點119和二等控制點翟廟四個高等級國家控制點,采用邊連接方式,建立點間距離小于20km的靜態(tài)控制網,實現了首級控制;然后在132、161、翟廟三個控制點上同步觀測120min,求出基準轉換三參數;最后利用測區(qū)內所有國家高等級控制點、GPS首級控制點和所求三參數進行動態(tài)測量,建立點間距離小于8km的加密控制點,同步觀測60min,在固定解狀態(tài)下,穩(wěn)定1～2min后記錄保存數據,建立泌陽凹陷GPS控制網。

表2 動靜態(tài)GPS測量技術指標

2.2 數據處理

對野外采集的原始數據檢驗核查無誤后,使用接收機數據處理軟件 TrimbleGeomaticsOffice對全部觀測數據進行基線解算和網平差計算。

首先依據RMS、RDOP、RATIO、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復基線較差,選取質量好的基線向量構成閉合的幾何圖形[4],優(yōu)選邊長較短能構成邊數較少的異步環(huán)基線向量,構建GPS基線向量網;然后進行GPS網WGS-84坐標系下的三維無約束平差:評定 GPS網的內部符合精度、判別處理粗差基線、提供高程擬合所需大地高程數據,當X方檢測不能通過時,加入各基線向量觀測值的權,再平差,直到通過為止;最后以已知邊長、方位和地面點的三維大地坐標作為起算數據,引入邊長、角度和方向等地面觀測值,進行約束平差或聯合平差。

3 實時動態(tài)RTK測量

TrimbleR8-GNSS作為新一代的全球衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng),采用以載波相位測量為依據的實時動態(tài)差分(RealTimeKinematic-RTK)測量技術,既能實時提供動態(tài)用戶在指定坐標系中的三維位置,又具有厘米級的高精度。

以泌369井為例,初測時在參考基準站140-2G2上設置一臺GPS接收機,啟動基準站接收機完全初始化后(6s初始化達99.9%),對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)觀測,并將其相位觀測值及坐標信息,通過無線電傳輸設備,實時地發(fā)送給流動站。流動站上的GPS接收機,在同步接收 GPS衛(wèi)星信號的同時,通過無線電設備,接收來自基準站140-2G2傳輸的觀測數據及坐標信息,根據相對定位原理,實時地計算并顯示流動站泌369設計井口待定位置的三維坐標及其精度,定位結果顯示:基準站與流動站觀測成果的質量和解算結果的收斂情況良好,解算成功,測量成果可靠。然后根據導航方位和位移到泌369設計井口位置(X:959、Y:740)?，F場選定井口位置后,利用流動站GPS接收機讀取初測井口坐標為:(X:946.58、Y:716.15、H:7.09),移動方位:242°29′30″,移動距離:26.89m。

為達到檢測目的,采用常規(guī)全站儀與國家二等控制點161、翟廟和四等控制點119、132進行聯測,其抽樣結果見表3。

表3 初復測坐標抽樣對比分析結果

從中可以看出,初復測位移最大△S=0.65m (泌375),初復測高程相差最大△h=0.17m(泌378),這些值遠小于初復測井位測量限差的要求(位移2m,高差0.5m)。

4 精度與效果分析

由于野外數據采集過程中儀器、人員、起始解算數據精度、地球彎曲差、大氣層電離層折射引起的多路徑效應、天線相位中心偏移和數據處理過程中的參數取舍等因素對觀測成果精度均有影響[5],為了消除這些影響,確保泌陽凹陷田油氣資源勘察測量中的精度需要,進行了精度檢測和分析(表4)。

從中可以看出,最弱點(基線最長的單基準站點161-G4)的點位平面精度是25mm,垂直精度35 mm,相對閉合差1/300880(允許誤差1/10000),即使加上基準參考站的點位誤差,其精度仍可達到國家一級導線點精度,這表明完全能夠滿足油田勘探開發(fā)井位測量精度的要求。

表4 GPS基準站點成果精度分析結果

5 結論與認識

(1)利用R8-GNSS實時動態(tài)差分測量,大大縮短了求解載波相位整周模糊度所需要的觀測時間,不僅初始化速度提高2～3倍,生產效率提高60%,而且大幅度降低了作業(yè)人員的勞動強度。

(2)利用R8-GNSS建立的 GPS動靜態(tài)控制網整體強度好,精度均勻,且點位誤差均為隨機誤差,不會產生累計效應。尤其是遠距離測量時雙頻定位精度高于常規(guī)儀器的4～5倍。

(3)起始解算數據精度、地球彎曲差、對流層、電離層折射延遲以及多路徑效應等因素對觀測成果均能產生直接影響,如何抵制其它電臺信號干擾,降低誤差影響是提高測量成果精度的關鍵。

(4)雖然目前R8-GNSS還不能完全取代常規(guī)測量儀器(如隧道貫通測量時),但從長遠和總體上看,隨著該技術的不斷改進和完善,它必將以高精度、高效率、快速實時定位的絕對優(yōu)勢在測量界占據越來越重要的位置。

[1] 邱榮華,李連生,張永華,等.泌陽凹陷北部斜坡帶油氣富集控制因素與勘探技術[J].石油天然氣學報,2006, 28(2):39-41

[2] 張勤,李家權.GPS測量原理及應用[M].北京:科學出版社,2005:183-186

[3] 赫金明,呂志偉.衛(wèi)星定位理論與方法[M].鄭州:解放軍信息工程大學出版社,2005:18-37

[4] 魏二虎,黃勁松.GPS測量操作與數據處理[M].武漢:武漢大學出版社,2007:48-55

[5] 徐紹銓,張華海,楊志強,等.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢大學出版社,2008:100-114

P122

A

1673-8217(2010)01-0040-03

2009-09-04;改回日期:2009-11-17

張鳳彬,工程師,1970年生,2007年畢業(yè)于中國石油大學資源勘查專業(yè),現從事油氣資源勘查測量工作。

編輯:劉洪樹