鄧元軍楊志國(guó)龔旭東李江張建峰李巖王鵬吳偉(.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 0045；.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津 0045；.華油陽(yáng)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(shù)研究

鄧元軍1楊志國(guó)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(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300452；
2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津 300452；3.華油陽(yáng)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(shù)據(jù)格式的最新版本是P2/94版，通過(guò)對(duì)定位技術(shù)的解析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了野外定位信息的直觀(guān)顯示。針對(duì)采集參考坐標(biāo)系中牽引點(diǎn)，浮標(biāo)，拖纜，氣槍?zhuān)_盤(pán)的定位方法進(jìn)行了研究，對(duì)施工全過(guò)程的位置信息進(jìn)行了展示，通過(guò)對(duì)定位數(shù)據(jù)的解析，可實(shí)現(xiàn)海洋地震采集過(guò)程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控，從而第一時(shí)間下達(dá)監(jiān)督指令。

【關(guān)鍵詞】電纜 浮標(biāo) 槍陣 深度傳感器 壓力傳感器 基準(zhǔn)面 羅盤(pán) 陀螺儀 牽引點(diǎn)

1 引言

海洋地震拖纜采集定位系統(tǒng)通常采用的記錄格式是由英國(guó)海上作業(yè)者協(xié)會(huì)推薦，在石油和天然氣勘探行業(yè)用作原始定位數(shù)據(jù)交換格式。這個(gè)格式不是強(qiáng)制性的，在堅(jiān)持相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的前提下作業(yè)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(qū)、儀器相關(guān)的固定參數(shù)；C記錄是對(duì)H記錄的描述和注釋?zhuān)录涗?；E記錄是按照作業(yè)時(shí)間順序記錄的野外采集定位數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)，不僅包含絕對(duì)空間位置信息，還包括相對(duì)位置之間的時(shí)間記錄及差分的記錄形式，E記錄按照野外生產(chǎn)文件順序記錄，每一個(gè)野外文件記錄一串E記錄，每種記錄分別記錄不同設(shè)備的時(shí)間位置信息；T記錄和E記錄是相關(guān)的，它記錄每一個(gè)事件或者位置之間的時(shí)間，每個(gè)具體的記錄ID下面會(huì)有詳細(xì)論述。

海洋野外采集定位數(shù)據(jù)交換格式不僅是一個(gè)數(shù)據(jù)交換格式，也是處理和歸檔衛(wèi)星星歷，衛(wèi)星接收設(shè)施，電離層和氣象條件數(shù)據(jù)記錄格式。該格式是在P2/91格式基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。

2 野外采集定位數(shù)據(jù)交換格式文件邏輯結(jié)構(gòu)

記錄長(zhǎng)度：數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度存儲(chǔ)在80字節(jié)的“卡”記錄，其中列編號(hào)1至80列。

記錄類(lèi)型：格式定義了記錄的第一個(gè)字符識(shí)別的四種主要類(lèi)型，記錄類(lèi)型包含四種：

H：測(cè)區(qū)頭數(shù)據(jù)記錄；C：注釋記錄；E：事件數(shù)據(jù)（絕對(duì)時(shí)間記錄）；T：事件時(shí)間數(shù)據(jù)（記錄點(diǎn)之間時(shí)間）。

頭塊記錄：每一個(gè)文件或者每一條線(xiàn)必須從記錄H0000 到H00@9開(kāi)始，順序記錄。文件中按照這個(gè)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(chǔ)在記錄數(shù)據(jù)的性質(zhì)，允許相關(guān)的記錄簡(jiǎn)單的分組。編號(hào)的E和T記錄與H記錄平行定義存儲(chǔ)。例如E25@0記錄包含電纜深度傳感器數(shù)據(jù)，而一個(gè)H25@0記錄包含與其匹配的其他定義，儀器號(hào)在記錄代碼定義顯示為“@”，在數(shù)據(jù)記錄是指一個(gè)儀器以其牽引的電纜序號(hào)。它只是為了方便多設(shè)備情況下的數(shù)據(jù)整理，用戶(hù)可以看每個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)子集,在所有情況下，“@”字符在記錄中是冗余信息。

時(shí)間記錄：T記錄可以用于補(bǔ)充E記錄，響應(yīng)客戶(hù)請(qǐng)求。E記錄和T記錄的序列是嚴(yán)格按時(shí)間順序：事件i和j之間時(shí)間被記錄，事件記錄定義事件的時(shí)間是“j”。需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然絕對(duì)時(shí)間記錄在T-records允許明確的數(shù)據(jù)識(shí)別，只有相對(duì)的時(shí)間是很重要的。

記錄中的時(shí)間：包含GPS和DGPS差分信息，下面的幾種時(shí)間在野外采集定位數(shù)據(jù)交換格式被定義的：

系統(tǒng)時(shí)間:主船的時(shí)間系統(tǒng)記錄在H1310記錄，相對(duì)于格林威治的時(shí)間用于E1000單炮記錄和本炮所有時(shí)間標(biāo)簽的記錄。

儀器時(shí)間:任何其他儀器的時(shí)間，用H13@0定義與系統(tǒng)時(shí)間的關(guān)系。

GPS時(shí)間:該GPS時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的建立GPS控制段。在這個(gè)時(shí)間框架內(nèi)記錄的是適用的差分校正后時(shí)間性。

接收時(shí)間：GPS接收機(jī)有自己的計(jì)時(shí)系統(tǒng)，不包括其時(shí)鐘接收器的估計(jì)偏移?！敖邮諜C(jī)接收時(shí)間”GPS數(shù)據(jù)在這個(gè)時(shí)間框架。

3 幾何關(guān)系概念及定義

3.1 坐標(biāo)系及偏移距定義

坐標(biāo)軸定義：在整個(gè)文件中使用右手笛卡兒坐標(biāo)系保持來(lái)表示偏移距離。

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

野外采集定位數(shù)據(jù)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(duì)象只記錄縱向軸線(xiàn)偏移距既Y軸相對(duì)于牽引點(diǎn)偏移量。X軸服從于掛接點(diǎn)偏移距。

“同步器”用來(lái)抵消牽引對(duì)象來(lái)自船上到拖曳目標(biāo)硬鏈接帶來(lái)的沖擊。通過(guò)“towpoint-in-sea”和“towpoint-on-body”兩個(gè)點(diǎn)協(xié)作完成對(duì)物體的牽引（圖1）。一些拖曳對(duì)象依次牽引另一被拖物。一個(gè)實(shí)例是后部浮標(biāo)拖著電纜和前部浮標(biāo)拖在槍陣（圖2）。

3.2 偏移模式

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

極坐標(biāo)模式：偏移距A是從船參考點(diǎn)或局部參考點(diǎn)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(diǎn)逆時(shí)針?lè)较虻慕嵌取?/p>

矩形模式：偏移距A是X軸從船舶或局部參考點(diǎn)到定義點(diǎn)的距離，右舷方向?yàn)檎?；偏移距B是Y軸偏移從船舶或局部參考點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的距離，船頭方向?yàn)檎▓D3）。

Z軸偏移或高度：第三偏移坐標(biāo)，沿Z軸，總是向上為正,深度記錄為負(fù)的高度。

3.3 設(shè)備與參考點(diǎn)關(guān)系

3.3.1 與電纜相關(guān)的位置定義

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

為了能夠清晰地看清船上各個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)位置，我們選擇船頭向左為負(fù)的顯示方式，和常規(guī)坐標(biāo)系保持一致，從圖4示例可看到電纜掛節(jié)點(diǎn)P所處的相對(duì)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(pán)位置記錄：羅盤(pán)位置要求記錄電纜號(hào)、節(jié)點(diǎn)ID、羅盤(pán)號(hào)、羅盤(pán)中心點(diǎn)偏移距及羅盤(pán)夾或插入方式代碼，記錄在同一電纜上羅盤(pán)可以重復(fù)電纜號(hào)不重復(fù)，記錄可以重復(fù)。

從羅盤(pán)相對(duì)于掛節(jié)點(diǎn)的位置看，羅盤(pán)是掛載在拖纜上的，因此羅盤(pán)數(shù)據(jù)的第一列就是纜號(hào)，與拖纜坐標(biāo)系統(tǒng)相同，見(jiàn)圖5。

注意：節(jié)點(diǎn)ID號(hào)必須是唯一的正數(shù)，羅盤(pán)位置節(jié)點(diǎn)ID不能在H51@0再次定義；Y軸偏移距從近檢波組中心點(diǎn)，因此負(fù)值方向是尾部浮標(biāo)，相關(guān)值域包含符號(hào)。

檢波器組定義：檢波器組位置定義包括電纜號(hào)，規(guī)則排列上首地震檢波器組合道的基準(zhǔn)數(shù)，首道偏移距，規(guī)則排列上尾地震檢波器組合道的基準(zhǔn)數(shù)，尾組合中心道偏移距 ，檢波器組合個(gè)數(shù)，檢波器組中點(diǎn)間距，記錄可重復(fù)。

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(diǎn)，排列頭和尾部浮標(biāo)，在理論上拖纜與浮標(biāo)處于一條直線(xiàn)狀態(tài),拖纜分段存在，本例中每段有12個(gè)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(hào)，深度傳感器號(hào)，深度傳感器的偏移距，深度校正，夾或插方式，對(duì)于同一個(gè)深度傳感器可以重復(fù)記錄電纜號(hào)不能重復(fù)，記錄可以重復(fù)。

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

3.3.2 與槍陣相關(guān)的定義

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

海上拖曳點(diǎn)：偏移距A，偏移距B，偏移距Z；從海上拖曳點(diǎn)到槍陣水平中心點(diǎn)偏移距；本點(diǎn)偏移距 A、本點(diǎn)偏移距B；標(biāo)準(zhǔn)槍壓力、壓力單位、體積單位 、深度單位。

例如在船參考點(diǎn)向船尾方向36.4米牽引著兩個(gè)槍陣，以參考點(diǎn)為中心一個(gè)向右舷方向偏離25米，船尾方向偏離198米，一個(gè)向左舷偏離25米向船尾防線(xiàn)偏離198米，見(jiàn)圖7。

單槍定義：?jiǎn)螛屛挥跇岅囍?，參?shù)有槍陣參考號(hào)、槍號(hào)、本地偏移距A、B、Z，槍體積。同一個(gè)槍陣多于一只槍時(shí)，重復(fù)記錄，槍陣號(hào)不重復(fù)記錄重復(fù)。

注意：每一個(gè)槍陣中槍號(hào)唯一，為了清晰地表示槍陣在排列中的關(guān)系，我們把單槍的位置一起標(biāo)示在圖8中。

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

槍陣深度傳感器和壓力傳感器封裝在一起，位置相同見(jiàn)圖9。

3.3.3 浮標(biāo)位置的定義

牽引浮標(biāo)幾何定義：牽引浮標(biāo)包含如下信息：浮標(biāo)號(hào)，牽引體號(hào)，牽引體參考點(diǎn)到被拖曳體參考點(diǎn)偏移距：偏移距 A、B、Z，海上被牽引拖曳點(diǎn)的偏移距A、B、Z，浮標(biāo)描述。

浮標(biāo)在講排列時(shí)已經(jīng)提及，整個(gè)排列的理論相對(duì)位置如圖10所示。

4 定位數(shù)據(jù)的組織形式

4.1 介紹

野外采集定位數(shù)據(jù)交換格式中網(wǎng)格定義強(qiáng)調(diào)的是在一個(gè)范圍內(nèi)的網(wǎng)格劃分，而不是物理測(cè)量的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格由一組節(jié)點(diǎn)組成：在這些節(jié)點(diǎn)之間觀(guān)測(cè)，多次觀(guān)測(cè)定義了某種幾何關(guān)系，比如陀螺羅盤(pán)描述了船頭方向而不是地球的自傳。

4.2 工區(qū)測(cè)量節(jié)點(diǎn)定義

4.2.1 固定位置節(jié)點(diǎn)定義

H5000記錄通常定義固定節(jié)點(diǎn)，例如岸邊的無(wú)線(xiàn)電定位系統(tǒng)。同時(shí)假設(shè)停泊浮標(biāo)的坐標(biāo)是固定的，也用這個(gè)紀(jì)錄；固定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)必須記錄在工區(qū)基準(zhǔn)面里面。相關(guān)節(jié)點(diǎn)計(jì)算的高程必須提供。

固定節(jié)點(diǎn)信息包含如下字段：節(jié)點(diǎn)ID號(hào)、名稱(chēng)/描述 、地理或者網(wǎng)格坐標(biāo)旗標(biāo)0地理坐標(biāo)1網(wǎng)格坐標(biāo)，緯度、經(jīng)度；或者北坐標(biāo)，東坐標(biāo)；高度與高度單位。

4.2.2 節(jié)點(diǎn)定義(儀器，槍陣，電纜，浮標(biāo)的位置代碼)

H51@0記錄可以記錄地震排列上的任何節(jié)點(diǎn)，它常常用以記錄中繼設(shè)備和浮標(biāo)。中繼設(shè)備執(zhí)行地震排列的無(wú)線(xiàn)電定位功能，它自身有明確位置，例如岸基衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電接收站。在槍陣儀器等設(shè)備記錄上，被定位置的字段是唯一的，節(jié)點(diǎn)定在這個(gè)位置上。

H5110道頭定義了排列，槍陣、浮標(biāo)及各類(lèi)傳感器在空間位置上的ID號(hào)，在正式采集定位時(shí)是對(duì)這些ID的定位進(jìn)行工作的。H5110偏移距信息如拖纜、槍陣、浮標(biāo)是相對(duì)掛接位置的節(jié)點(diǎn)，而有些節(jié)點(diǎn)定義則是相對(duì)位置的，如電纜間在排列上的距離，這個(gè)距離可能用回聲時(shí)間表示，這些定位的節(jié)點(diǎn)號(hào)將用在真實(shí)的外記錄中。

4.2.3 點(diǎn)與點(diǎn)之間觀(guān)測(cè)ID定義

在野外采集船采集過(guò)程中除了定義物理點(diǎn)的觀(guān)測(cè)值之外，還要求觀(guān)測(cè)物理點(diǎn)之間的觀(guān)測(cè)，如兩個(gè)點(diǎn)在采集過(guò)程中的距離變化，本系統(tǒng)在定義單物理點(diǎn)的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了點(diǎn)與點(diǎn)之間的定義，點(diǎn)間包含如下字段：觀(guān)測(cè)ID，觀(guān)測(cè)描述，本點(diǎn)ID、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)1ID、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)2ID，測(cè)量單位代碼，定位系統(tǒng)ID，定位系統(tǒng)描述。

正如H5110定義采集系統(tǒng)中各點(diǎn)的ID號(hào)一樣，野外采集定位數(shù)據(jù)交換格式還記錄了點(diǎn)與點(diǎn)之間的ID號(hào)，在生產(chǎn)中通過(guò)觀(guān)測(cè)這些ID的數(shù)值可以判斷采集系統(tǒng)中相對(duì)位置是否滿(mǎn)足質(zhì)量要求，如電纜間距等。

5 采集定位記錄的組織結(jié)構(gòu)

5.1 采集定位數(shù)據(jù)組織

在野外采集船采集過(guò)程中是通過(guò)一些列事件記錄來(lái)定義位置的，E1000記錄了某測(cè)線(xiàn)上震源激發(fā)的炮號(hào)，地震記錄的文件號(hào)以及激發(fā)事件。緊跟著E1000記錄是E1210記錄，它記錄了在這個(gè)單炮激發(fā)時(shí)刻H5110定義的定位ID所處的位置，這個(gè)位置可能是大地坐標(biāo)也可能是經(jīng)緯度，具體類(lèi)型由這個(gè)記錄的第12列數(shù)值決定。E2210記錄了這一炮各個(gè)羅盤(pán)的指向；E2510定義了則定義了各個(gè)深度傳感器傳來(lái)的深度。E3210記錄了激發(fā)槍陣號(hào)及各槍深度信息，E3310記錄了單槍的實(shí)際激發(fā)順序,E3410記錄了各槍壓力傳感器傳來(lái)的信息，后續(xù)還有各類(lèi)相對(duì)位置的時(shí)間信息記錄，至此一炮記錄結(jié)束，再一次出現(xiàn)E1000記錄則代表一個(gè)新的單炮信息。

5.2 采集實(shí)例及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

5.2.1 野外放炮事件記錄

前面曾經(jīng)說(shuō)到過(guò)自E1000記錄開(kāi)始放炮時(shí)刻的相關(guān)觀(guān)測(cè)信息，E1000記錄了單炮事件，它包含如下字段：線(xiàn)名、單炮/文件號(hào)、地震記錄ID、年月日、時(shí)間及激發(fā)槍陣號(hào)。(圖11)

5.2.2 位置定義

E12@0記錄了放炮施工時(shí)刻各個(gè)觀(guān)測(cè)ID號(hào)的位置，字段包含：記錄號(hào)；節(jié)點(diǎn)ID；地理坐標(biāo)和網(wǎng)格坐標(biāo)旗標(biāo)0地理、1網(wǎng)格，如果地理坐標(biāo)記錄緯度和經(jīng)度，如果網(wǎng)格坐標(biāo)記錄北坐標(biāo)和東坐標(biāo)；航線(xiàn)航向，船的航向標(biāo)志0表示沿著航線(xiàn)，1表示船頭方向，以及質(zhì)量因子和處理明細(xì)。

5.3 排列圖形及采集定位信息示例

通過(guò)連續(xù)的單炮系統(tǒng)位置顯示（如圖12），可以觀(guān)察在采集過(guò)程中拖纜羽角變化，為野外采集監(jiān)督提供及時(shí)準(zhǔn)確的定位信息，對(duì)野外生產(chǎn)的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證生產(chǎn)的保質(zhì)保量的完成海上工作。

6 結(jié)語(yǔ)

作為原始綜合導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)，野外采集定位數(shù)據(jù)交換格式、P2/ 91數(shù)據(jù)在海上地震采集作業(yè)過(guò)程中，主要功能是通過(guò)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)解析后，形成P1數(shù)據(jù)，從而便于地震資料采集和處理過(guò)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(duì)P2數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)邏輯等進(jìn)行充分的研究和剖析，特別是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集作業(yè)的質(zhì)控工作，具有非常重要的使用價(jià)值和參考意義。

P2文件也可能隨著綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的升級(jí)而不斷的升級(jí)，從而改變其中部分?jǐn)?shù)據(jù)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(huì)改變。希望本文能夠?qū)ν泄ぷ髡咛峁┮欢ǖ膮⒖純r(jià)值和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn):

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

[2]楊志國(guó).勘探監(jiān)督手冊(cè)物探分冊(cè).北京:石油工業(yè)出版社,2013.

[3]吳偉.雙狐地質(zhì)成圖系統(tǒng)手冊(cè).北京金雙狐油氣技術(shù)有限公司, 2013.

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