GPS高程测量在石油勘探中的应用

【摘 要 】随着GPS技术的发展,它以高精度、全球性、连续性的特点被广泛应用于导航定位、道路建设测量等行业,目前已经在平面位置定位测量中代替了传统测量方法,不仅大大提高了工作效率也在定位精度上远远优于传统方法,但是其在高程测量方面的应用因为精度不高一直受到限制,本文主要从高程系统、GPS大地高与正常高的转换及精度分析等方面进行探讨.

【关 键 词 】GPS高程测量 石油勘探 应用

1.高程系统

1.1 大地高系统

大地高是以参考椭球面作为基准面,即地面某点的大地高为该点到沿通过该点的参考椭球面法线到参考椭球面的距离,一般用符号H表示,目前各个国家采用不同的参考椭球,因此地面各点在不同的参考椭球中具有不同的大地高.

1.2 正高系统

正高是以大地水准面作为基准面,即地面某点的正高为该点沿铅垂线方向到大地水准面的距离,由于目前的技术手段无法确定出一个非常精确的大地水准面模型,因此各个国家都是根据本国实际并结合各地重力情况建立起近似的水准面模型---似大地水准面模型.

1.3 正常高系统

正常高系统是以似大地水准面作为基准面,地面某点的正常高（即海拔高）即为该点沿铅垂线线方向到似大地水准面的距离,一般用h表示.

1.4 各高程系统之间的转换关系

似大地水准面到参考椭球之间的距离叫做高程异常,用符号ξ表示,因此大地高H、正常高h与高程异常ξ之间的关系即可表示为： H等于h+ξ.

2.GPS高程测量及高程异常拟合

由于我们用GPS观测得到的是地面某一点在WGS-84椭球中的精确的大地高,而我们平时使用的是该点的正常高,由于似大地水准面不是一个规则的曲面,因此我们就不能简单的通过坐标转换求得其正常高,为了求的正常高,就必须有高程异常数据,在局部区域内一般求取高程异常的方法为高程拟合法,即利用区域内若干个已知高程点的正常高与在这些点上用GPS测量得到的大地高求出各个点对应的高程异常值,利用这些高程异常值进行二次曲面拟合,即可拟合出该区域的高程异常模型,在应用时只需用GPS测出某个未知点的大地高,就可根据拟合出的模型求出其对应的正常高（海拔高）,利用这种方法,在高程异常变化较小的平缓地区精度较高,可以达到厘米级,而对应地形变化复杂的地区其精度有限,为了获得精度较高的高程异常拟合结果,就需要在测区选取尽可能多的高精度的已知水准点,在其上进行GPS联测,并且已知点应均匀分布在测区中,将整个区域包围起来.对于大区域可以将测区划分为几个小区域然后在各小区域内按上述方法进行拟合,求得高程异常,进而求得测区内未知点的正常高,但是这种方法需要的已知点太多,数据处理复杂,而我们一般小区域探区内已知数据较少,因此该方法的使用会受到限制.

3.在小区域利用GPS测量求取正常高

在实际工作中我们在测区中三个已知水准点上联测GPS,将GPS观测数据进行无约束平差求得各已知点在WGS-84坐标系中的大地高,并将它们与各点已知正常高（海拔高）进行比较,得出各个点上的高程异常值,如表1所示：

通过比较发现,在局部区域内高程异常值的变化非常小,精度能达到厘米级.

另外,我们再在该测区中选定三个已知水准点,在六个已知点上同时进行GPS观测,并以K001、K002、K003作为已知坐标点,在处理数据时分别输入三个已知点的西安80坐标值和海拔高,进行三维约束平差,求得另三个已知水准点K004、K005、K006的平面坐标和高程,如表2所示：

4.GPS高程测量在石油勘探中的应用

石油勘探中井位的部署必须要有高精度的井位坐标和高程,这样才能确保钻井地质和工程设计准确无误,并以此为基础制作井位分布图、砂体等厚图、油藏剖面图等各类地质图件,在图纸上真实的反映地下砂体和油藏分布情况,为石油技术人员研究分析和领导的决策提供依据,最终提高石油勘探的成功率.

以前井位坐标和高程的测量采油经纬仪、全站仪和水准仪相结合观测来完成,工作量大、效率低,且因为人的观测,偶然误差积累非常大,最终导致井位坐标结果精度非常低,特别是在山区,高程测量的精度根本无法保证,相应的,石油勘探成果率也非常低.通过以上实验分析,如果采用GPS方法测量,只需在探区将已知点与待测井位联测,处理数据时,利用已知点的正常高（海拔高）代替大地高,即可快速求得待测井位的高程,且不受通视条件、距离条件和天气条件的限制,厘米级的精度完全可以满足石油勘探的需要,工作效率是传统测量方法的几倍甚至几十倍.近年来随着定向井和水平井钻井技术的发展,井位坐标和高程的精度要求较以前更为严格,特别是高程的精度直接关系到油层中靶与否,因此今后GPS测量技术在石油勘探、开发中将会有更加广阔的天地.