張鳳彬

(中國(guó)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(yīng)用

張鳳彬

(中國(guó)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(yán)格控制,地質(zhì)地貌特征復(fù)雜,隨著勘探開發(fā)程度的深入,對(duì)測(cè)量精度提出了更高的要求。為此,特引進(jìn)了R8-GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng),并系統(tǒng)地開展了該區(qū)GPS動(dòng)靜態(tài)控制網(wǎng)的建立、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取等項(xiàng)研究,且在實(shí)際工作中進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(wǎng)建立;實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)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(nèi),屬小型山間斷陷,周緣受斷層嚴(yán)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(gòu)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(duì)油氣資源勘察中井位坐標(biāo)精度的要求也越來越高,現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備已無法確保該區(qū)勘探開發(fā)井位測(cè)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(jìn)了 TrimbleR8-GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng),該系統(tǒng)具有雙星接收(可同時(shí)接收美國(guó)的 GPS和俄羅斯的 GLONASS兩種衛(wèi)星信號(hào))、全球性、全天候、高精度和高效率等特點(diǎn),但能否在地質(zhì)地貌特征復(fù)雜的丘陵地區(qū)建立高精度的GPS動(dòng)靜態(tài)控制網(wǎng)、求取滿足測(cè)量精度需要的轉(zhuǎn)換參數(shù)、開發(fā)出適合河南油田油氣勘探開發(fā)特點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理與定位解算軟件,實(shí)現(xiàn)R8 GNSS強(qiáng)大功能是實(shí)踐應(yīng)用 TrimbleR8-GNSS系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

圖1 泌陽凹陷區(qū)域位置

1 選取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)及確定轉(zhuǎn)換參數(shù)

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

首先保持原點(diǎn)O′不動(dòng),依次繞X′軸旋轉(zhuǎn)θx角,繞Y′軸旋轉(zhuǎn)θy角,繞Z′軸旋轉(zhuǎn)θz角,而成為O′X″Y″Z″,其與OXYZ坐標(biāo)系相應(yīng)坐標(biāo)軸平行,θx、θy、θz為三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)或定向參數(shù)。經(jīng)過三次旋轉(zhuǎn),兩坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸基本平行,但還存在坐標(biāo)差δX,δY, δZ(即平移參數(shù))。另外由于衛(wèi)星網(wǎng)與地面網(wǎng)測(cè)量尺度存在差異,定向標(biāo)準(zhǔn)也不一樣,因此,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后還應(yīng)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(shù),θx,,θy,θz和尺度因子K為四參數(shù),θx,,θy,θz,δX,δY,δZ和尺度因子K為七參數(shù)[3]。

圖2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖

根據(jù)河南油田泌陽凹陷的實(shí)際情況,分別選擇了測(cè)區(qū)內(nèi)三個(gè)一樣等級(jí)的國(guó)家控制點(diǎn)(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(zhǔn)點(diǎn),該點(diǎn)分布相對(duì)均勻,基本覆蓋了整個(gè)油區(qū)。經(jīng)過野外觀測(cè)、數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,求解WGS-84到北京-54坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)為:

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式:

該組參數(shù)符合經(jīng)驗(yàn)公式要求,并經(jīng)過大量生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)比驗(yàn)證,較為精確,完全能夠滿足泌陽凹陷勘探開發(fā)井位測(cè)量精度需要。

2 GPS控制網(wǎng)建立

2.1 野外施工

利用測(cè)區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的國(guó)家高等級(jí)控制點(diǎn)建立GPS動(dòng)靜態(tài)控制網(wǎng),是進(jìn)行各種油氣資源勘察工作的基礎(chǔ)。針對(duì)泌陽凹陷的地質(zhì)地貌特征,經(jīng)過多方面資料收集和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘,先后共布設(shè)靜態(tài)控制點(diǎn)34個(gè),動(dòng)態(tài)控制點(diǎn)62個(gè)。其動(dòng)靜態(tài)GPS測(cè)量參數(shù)見表1,技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 動(dòng)靜態(tài)GPS測(cè)量參數(shù)

首先利用下二門地區(qū)的四等控制點(diǎn)132、雙河地區(qū)的三等控制點(diǎn)161、王集地區(qū)的四等控制點(diǎn)119和二等控制點(diǎn)翟廟四個(gè)高等級(jí)國(guó)家控制點(diǎn),采用邊連接方式,建立點(diǎn)間距離小于20km的靜態(tài)控制網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了首級(jí)控制;然后在132、161、翟廟三個(gè)控制點(diǎn)上同步觀測(cè)120min,求出基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換三參數(shù);最后利用測(cè)區(qū)內(nèi)所有國(guó)家高等級(jí)控制點(diǎn)、GPS首級(jí)控制點(diǎn)和所求三參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量,建立點(diǎn)間距離小于8km的加密控制點(diǎn),同步觀測(cè)60min,在固定解狀態(tài)下,穩(wěn)定1～2min后記錄保存數(shù)據(jù),建立泌陽凹陷GPS控制網(wǎng)。

表2 動(dòng)靜態(tài)GPS測(cè)量技術(shù)指標(biāo)

2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)野外采集的原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)核查無誤后,使用接收機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件 TrimbleGeomaticsOffice對(duì)全部觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差計(jì)算。

首先依據(jù)RMS、RDOP、RATIO、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線較差,選取質(zhì)量好的基線向量構(gòu)成閉合的幾何圖形[4],優(yōu)選邊長(zhǎng)較短能構(gòu)成邊數(shù)較少的異步環(huán)基線向量,構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng);然后進(jìn)行GPS網(wǎng)WGS-84坐標(biāo)系下的三維無約束平差:評(píng)定 GPS網(wǎng)的內(nèi)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(shù)據(jù),當(dāng)X方檢測(cè)不能通過時(shí),加入各基線向量觀測(cè)值的權(quán),再平差,直到通過為止;最后以已知邊長(zhǎng)、方位和地面點(diǎn)的三維大地坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù),引入邊長(zhǎng)、角度和方向等地面觀測(cè)值,進(jìn)行約束平差或聯(lián)合平差。

3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量

TrimbleR8-GNSS作為新一代的全球衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng),采用以載波相位測(cè)量為依據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(RealTimeKinematic-RTK)測(cè)量技術(shù),既能實(shí)時(shí)提供動(dòng)態(tài)用戶在指定坐標(biāo)系中的三維位置,又具有厘米級(jí)的高精度。

以泌369井為例,初測(cè)時(shí)在參考基準(zhǔn)站140-2G2上設(shè)置一臺(tái)GPS接收機(jī),啟動(dòng)基準(zhǔn)站接收機(jī)完全初始化后(6s初始化達(dá)99.9%),對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),并將其相位觀測(cè)值及坐標(biāo)信息,通過無線電傳輸設(shè)備,實(shí)時(shí)地發(fā)送給流動(dòng)站。流動(dòng)站上的GPS接收機(jī),在同步接收 GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí),通過無線電設(shè)備,接收來自基準(zhǔn)站140-2G2傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)及坐標(biāo)信息,根據(jù)相對(duì)定位原理,實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示流動(dòng)站泌369設(shè)計(jì)井口待定位置的三維坐標(biāo)及其精度,定位結(jié)果顯示:基準(zhǔn)站與流動(dòng)站觀測(cè)成果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況良好,解算成功,測(cè)量成果可靠。然后根據(jù)導(dǎo)航方位和位移到泌369設(shè)計(jì)井口位置(X:959、Y:740)?，F(xiàn)場(chǎng)選定井口位置后,利用流動(dòng)站GPS接收機(jī)讀取初測(cè)井口坐標(biāo)為:(X:946.58、Y:716.15、H:7.09),移動(dòng)方位:242°29′30″,移動(dòng)距離:26.89m。

為達(dá)到檢測(cè)目的,采用常規(guī)全站儀與國(guó)家二等控制點(diǎn)161、翟廟和四等控制點(diǎn)119、132進(jìn)行聯(lián)測(cè),其抽樣結(jié)果見表3。

表3 初復(fù)測(cè)坐標(biāo)抽樣對(duì)比分析結(jié)果

從中可以看出,初復(fù)測(cè)位移最大△S=0.65m (泌375),初復(fù)測(cè)高程相差最大△h=0.17m(泌378),這些值遠(yuǎn)小于初復(fù)測(cè)井位測(cè)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(shù)據(jù)采集過程中儀器、人員、起始解算數(shù)據(jù)精度、地球彎曲差、大氣層電離層折射引起的多路徑效應(yīng)、天線相位中心偏移和數(shù)據(jù)處理過程中的參數(shù)取舍等因素對(duì)觀測(cè)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(cè)量中的精度需要,進(jìn)行了精度檢測(cè)和分析(表4)。

從中可以看出,最弱點(diǎn)(基線最長(zhǎng)的單基準(zhǔn)站點(diǎn)161-G4)的點(diǎn)位平面精度是25mm,垂直精度35 mm,相對(duì)閉合差1/300880(允許誤差1/10000),即使加上基準(zhǔn)參考站的點(diǎn)位誤差,其精度仍可達(dá)到國(guó)家一級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)精度,這表明完全能夠滿足油田勘探開發(fā)井位測(cè)量精度的要求。

表4 GPS基準(zhǔn)站點(diǎn)成果精度分析結(jié)果

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)利用R8-GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測(cè)量,大大縮短了求解載波相位整周模糊度所需要的觀測(cè)時(shí)間,不僅初始化速度提高2～3倍,生產(chǎn)效率提高60%,而且大幅度降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)利用R8-GNSS建立的 GPS動(dòng)靜態(tài)控制網(wǎng)整體強(qiáng)度好,精度均勻,且點(diǎn)位誤差均為隨機(jī)誤差,不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)效應(yīng)。尤其是遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)雙頻定位精度高于常規(guī)儀器的4～5倍。

(3)起始解算數(shù)據(jù)精度、地球彎曲差、對(duì)流層、電離層折射延遲以及多路徑效應(yīng)等因素對(duì)觀測(cè)成果均能產(chǎn)生直接影響,如何抵制其它電臺(tái)信號(hào)干擾,降低誤差影響是提高測(cè)量成果精度的關(guān)鍵。

(4)雖然目前R8-GNSS還不能完全取代常規(guī)測(cè)量?jī)x器(如隧道貫通測(cè)量時(shí)),但從長(zhǎng)遠(yuǎn)和總體上看,隨著該技術(shù)的不斷改進(jìn)和完善,它必將以高精度、高效率、快速實(shí)時(shí)定位的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)在測(cè)量界占據(jù)越來越重要的位置。

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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(guó)石油大學(xué)資源勘查專業(yè),現(xiàn)從事油氣資源勘查測(cè)量工作。

編輯:劉洪樹