關(guān)于油氣勘探開發(fā)中高程問題的探討

關(guān)于油氣勘探開發(fā)中高程問題的探討

高度在油氣勘探和開發(fā)中起著明顯的作用。這里不僅有測量方法，還有數(shù)學(xué)方法、三角高程、gps和其他方法以及相應(yīng)的高距離系統(tǒng)，包括參數(shù)定義和選擇。但不管怎樣都離不開對位差的測量,目前在油氣勘探開發(fā)中均有所涉及,人們應(yīng)根據(jù)實際情況加以運(yùn)用,若是使用不當(dāng)將會發(fā)生一些問題。例如在地下密度分布較為復(fù)雜的地區(qū)或山地乃至盆地(塔里木),若采用大地高而不采用正高或正常高,將會導(dǎo)致米級甚至更大的誤差,對重力的影響達(dá)n×10-5m/s2。又如在南北兩點緯差及高差較大的西氣東輸中不采用動力高系統(tǒng),則可能導(dǎo)致0.6m的誤差,由此引起的壓(力)差變化也會影響油氣的運(yùn)移。1幾何高差測量的測驗方法眾所周知,依附在地球上的人和物都要受到地球重力場的作用,而在重力等位面上的所有測點其高程應(yīng)該相等,由于重力等位面互不平行也不相交,人們早已認(rèn)識到水準(zhǔn)測量的結(jié)果只反映兩點間的幾何高差,由于未測重力,因此隨著所經(jīng)過測量路徑的不同,所得的高差也不相同,但是只要將這種幾何的高差測量與重力測量相結(jié)合,這時求得的高程才具有物理意義和實用價值。地面一點A和大地水準(zhǔn)面上的O點的位差:W0-WA,且W0-WA=A∫0gdh=C?(1)W0?WA=∫0Agdh=C?(1)這時稱C為A點的位基數(shù)。對于地面上任一點而言,不管水準(zhǔn)和重力路徑怎么變動,重力位差是唯一的,因此在測地學(xué)中可以根據(jù)(1)式來定義各種不同的高程,在大地測量中有3種與之相應(yīng)的高程或高程系統(tǒng),這里做一簡介。1.1正常高和正高按我國的大地測量法規(guī)定,采用的高程為以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高系統(tǒng),有些國家則采用以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正高系統(tǒng),目前兩者已可能用高精度方法求得。不過正常高和正高在濱海的大陸附近非常接近,其間微小差別可以忽略。對于地面一點的正常高h(yuǎn)γ有:hγ=1γmA∫0gdh=Cγm(2)式中:γm為沿正常重力線的正常重力平均值。在上式中,正常重力的平均值可以精確地計算出來,若位差W0-WA可以精確測定,于是正常高也可精確確定。此外由文獻(xiàn)可知:似大地水準(zhǔn)面在海面上與大地水準(zhǔn)面相合為一,而在陸地則有異。1.2a點距垂線方向到u點上重力的測定正高就是海拔高,它是以大地水準(zhǔn)面——等位面為基準(zhǔn)面。該系統(tǒng)一直為歐美等國所采用,地學(xué)中所指的海拔就是正高,于是許多地區(qū)和山峰均以該高程為基準(zhǔn),對于地面上一點的正高(h0)有:h0=W0-WAˉg(3)式中ˉg為A點沿垂線方向到大地水準(zhǔn)面上重力的平均值,其值是惟一的,一般不能直接測得,但可以很高精度求取,不過這時需要有巖石層密度分布和較大比例尺的地形圖。b>1.3力高系統(tǒng)為了使同一水準(zhǔn)面上各點有相同的高程值,應(yīng)采用力高系統(tǒng),如果取地球的平均緯度45°處的正常重力等于γ45°,對正常地球而言,它就是全球重力的平均值,若將位基數(shù)C與之相除,則得力高:hd=C/γ45°(4)以往由于一些原因,使這種意義明確的高程—力高,至今尚未在各國得到廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)今隨著全球垂直基準(zhǔn)研究的深入,大型地學(xué)工程的不斷實施,以及人們認(rèn)識的增強(qiáng),預(yù)計對力高的研究和應(yīng)用,必將受到進(jìn)一步的重視。2正常高正高近30年來空間大地測量的迅速發(fā)展,尤其是GPS的出現(xiàn),給測地工作帶來了革命性的變化,它不僅可以精確給出水平位置及其變化,還可用來測量地面點高程及其變化,由于GPS純粹是用幾何方法定位,故所得相對于橢球面的高程——大地高只具有幾何性質(zhì),如果將GPS等所得的結(jié)果與重力測量相結(jié)合,則可以在油氣勘探開發(fā)及其他事業(yè)中發(fā)揮重要作用。這里應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,從高程系統(tǒng)而言,大地高不是一個高程系統(tǒng),由于該高程與重力無關(guān),在油氣勘探中不能直接應(yīng)用。一般人們所選的地球橢球賦予一定物理內(nèi)涵,并定義為正常橢球,其表面上的正常位處處相等,它上面的位可用u0=GΜcarctanab+ω23a(5)描述。式中,G為萬有引力常數(shù),M為地球質(zhì)量,c=√a2+b2?a、b為地球的長短半徑,ω為其自轉(zhuǎn)角速率。但是大地高的基準(zhǔn)面—橢球面與實際地球上的大地水準(zhǔn)面的形狀互不一致,且在有的地方相差是很大的,例如在印度洋的赤道附近為-105m,在西藏為-25m左右,在塔里木盆地中心為-60m,而盆地南側(cè)達(dá)-40m,在赤道新幾內(nèi)為+60m,我國東北松遼盆地附近為+8m左右,那里在50km范圍內(nèi)大地水準(zhǔn)面的變化達(dá)1m,即使那里相鄰兩點的大地高相等,而正常高(正高)是不會相等的。眾所周知,大地高:h=hγ+ζ=h0+Ν?(6)式中,ζ為高程異常即似大地水準(zhǔn)高,N為大地水準(zhǔn)面高(以上二者相差不大),只有當(dāng)似大地水準(zhǔn)高或大地水準(zhǔn)面高是常數(shù)時,才可用大地高來代替正常高或正高。這種忽略了重力場的影響,在理論上和實踐上都是行不通的,如在塔里木盆地南北相距200km的兩點,大地水準(zhǔn)面互差達(dá)20m,若在重力勘探中不顧這一影響,將造成近6.2×10-5m/s2的重力偏差,即使在東北的松遼盆地50km范圍內(nèi),由于高程有1m之差,也可引起0.31×10-5m/s2的偏差,顯然這在高精度重力解釋中是不能忽視的。3正常高系統(tǒng)的算例近年來,我國加大了能源開發(fā)和應(yīng)用的步伐,以便滿足國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要,目前已經(jīng)開展西氣東輸?shù)墓こ獭Ｓ捎谟蜌獾倪\(yùn)移是在地球重力場中進(jìn)行的,而在一個等位面上力高的高程相等,此時的油氣處于靜力平衡狀態(tài),因此在討論油氣運(yùn)移時需用力高系統(tǒng)。為了把目前一般所采用的正常高系統(tǒng)換算成力高系統(tǒng),其換算方法可見文:現(xiàn)取油氣東輸?shù)慕K點為沿海某市,其緯度為30°,正常高為6m,起點在緯度40°西部某油田,正常高為1000m,利用有關(guān)公式可算得兩點間的力高高差改正:Δh=61cm,該值還是比較大的,若起、終點間的正常高高差增大,則Δh值也隨之增大,對于如此大的改正在敷設(shè)油氣管道時必須加以考慮。如果緯度低而高程大的一點在南端,而緯度高高程低的另一點在北端,此時動力高差將更大,可達(dá)數(shù)米,這在水利工程特別是南水北調(diào)中應(yīng)加注意,我們在文中已經(jīng)對此加以論證。4均一精度和精度的提高如前所說,只有幾何方法與重力相結(jié)合才能真正構(gòu)成地面點的高程,但在油氣勘探中仍采用正常高。從(7)式可知:hγ=h-ζ?式中,大地高h(yuǎn)由GPS測得,目前國內(nèi)外的觀測精度已達(dá)到厘米級或更高,而高程異常ζ的測定精度與發(fā)達(dá)國家相比尚有一定差距,國外許多國家近10年來已擁有高精度(±1cm)高分辨率(5′×5′)的局部大地水準(zhǔn)面。在我國東經(jīng)108°以東精度為30cm(平原地區(qū)要高些),在108°E以西36°N以北精度為50cm,在108°E以西36°N以南為60～70cm,顯然這樣的精度是不能滿足高精度重力勘探的要求。近年來,已構(gòu)成完整全國2000似大地水準(zhǔn)面,上述精度會略有提高。當(dāng)前測繪部門正在向更高的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)軍,以便在不遠(yuǎn)的將來能提供不低于20km×20km分辨率和5～10cm精度的似大地水準(zhǔn)面?；诖?這里提出幾種確定高程異常的方法,以適應(yīng)當(dāng)前勘探工作的急需。(1)區(qū)域重力場模型ζ=R4πγ?ΣΔgS(ψ)dσ,(7)式中,Δg為空間異常,S(ψ)為Stokes函數(shù),Σ系指整個地球,亦即對全球進(jìn)行積分。這時重力異常Δg需復(fù)蓋全球,且在計算點周圍應(yīng)具有詳細(xì)的重力資料,如果將Δg展開為球函數(shù),并將它與Stokes函數(shù)的球函數(shù)表達(dá)式相乘,積分后可得:ζ=GΜrγ∑(Rr)n∑(ˉCnmcosmλ+ˉSnmsinmλ)ˉΡnm(sin?),(8)式中,r為由地心到地面點的向徑,R為地球半徑,ˉCnm、ˉSnm為正?；亓ξ幌禂?shù),ˉΡnm(sin?)為正常化的勒讓德多項式,?為緯度,n為階數(shù),m為次數(shù)。目前全球重力場模型有GPM98C(1800階次)、EGM96(360階次),區(qū)域重力場模型IGG97-L(720階次),中國沿海的MOD99和南海的3600階次局部重力場模型等,如按δζ=10-5R/n=64m/n(9)估計ζ的誤差。當(dāng)n=1800時,則δζ=0.035m;當(dāng)n=3600時,則δζ=0.018m。該法對中國東部地區(qū)可能適合,對我國西部就不適用了,這是由于西部一些地區(qū)重力點稀少。目前我國約有10個1°×1°和近100個30°×30°是空白,如何在這個地區(qū)提供足夠精確的似大地水準(zhǔn)面是需要解決的問題。筆者認(rèn)為應(yīng)充分發(fā)揮該地區(qū)正在進(jìn)行的GPS與重力測量的作用,例如在1°×1°的中心按重力方法計算ζ,方法是:在半徑0.5°×0.5°以內(nèi)用實測資料推算空間重力異常,其外側(cè)用已知的5′×5′平均空間異常,在2°之外用高階模型資料,則有可能使該點似大地水準(zhǔn)面的精度有所提高,但在山區(qū)莫洛金斯基的一次項的影響仍必須考慮。而這種計算非常繁復(fù),且需要布設(shè)密集的重力點乃至重力梯度測點或用詳細(xì)的地形高代替,實際上我國已有不少學(xué)者對上述問題作了研究,可見文獻(xiàn)。(2)模型算得結(jié)果一個引起其原理仍然是以Stokes理論為基礎(chǔ),并將地表上的重力異常歸算到大地水準(zhǔn)面上,并顧及歸算后引起的間接影響,方法是:Ν=Ν1+Ν2+Ν3,(10)式中,N1為用前述的地球重力位模型算得,即N1=Nm(由模型算得的大地水準(zhǔn)面高),見Ν1=GΜRγm∑n=2n∑m=0(ˉCnmcosmλ+ˉSnmsinmλ)ˉΡnm(sin?),(11)Ν2=R4πγ=?(ΔgF-Δgm)S(ψ)dσ,(12)Ν3=πμh2pγ+3μR4γ?σh2+h2pl0dσ-μR26γ?σh3+h3pl30(1-3l204R2)dσ。(13)式中,Δgm為由模型算得的重力異常,N2為殘差大地水準(zhǔn)面,ΔgF為法伊異常,hp為計算點高程,l0為計算點到積分單元的距離,N3為間接影響改正。至于如何由N推求ζ,可見文獻(xiàn)。(3)ab方向上垂線偏差的計算由于在重力點上均測有GPS,則可充分利用這些資料,根據(jù)比較詳細(xì)的勘探重力資料可以計算出A、B點間絕對垂線偏差之差(θ),同樣由GPS數(shù)據(jù)可以計算A、B兩點的距離s及AB的方位角A,這時A、B點間的高程(正高)之差亦即兩點間大地水準(zhǔn)面的高差:ΝB-ΝA=B∫AdΝ=-B∫Aθds=(θA-θB)S,(14)式中,θA、θB為A、B兩點在AB方向上的垂線偏差,并有:θA=ξAcosA+ηAsinA,θB=ξBcosA+ηBsinA。(15)式中,ξ和η分別為任一點垂線偏差在子午線、卯酉線上的分量,其角標(biāo)A、B分別為A、B點。而ξ=14πγ?ΔgdSdψcosαdσ,η=14πγ?ΔgdSdψsinαdσ。(16)此式是對全球進(jìn)行積分,Δg為面元對dσ上的空間重力異常,α為計算點到dσ的方位角,dS/dψ為Stokes函數(shù)對角距ψ的導(dǎo)數(shù),該法是利用重力資料及GPS資料求得h0,對于山區(qū)也需顧及地形的影響,至于如何計算中央?yún)^(qū)域的影響可見文獻(xiàn)。上面求出的是任意兩點間的大地水面的高差,只要知道測區(qū)中的任一點的高,則可推出其他點上的高,由公式(7),可求出其他點上正高。(4)ab方向上垂線偏差的估計在上述方法中,除了用GPS、重力確定正常高外,還有是當(dāng)今流行的GPS水準(zhǔn)法,然而在山區(qū)實現(xiàn)水準(zhǔn)測量是很困難的,所以筆者對此不加介紹,但這里推薦一種簡便的GPS測角高程法,只要在測區(qū)內(nèi)相鄰的GPS點上(間距比重力點點距要大,例如1km左右)使用經(jīng)緯儀或全站儀做對向(即在A、B點上分別做AB和BA方向的觀測)各的天頂距或垂直角的觀測,這時兩點間正常高差h可由文獻(xiàn)推求,其公式為:h=ΔhAB+(εm-εA+εB2)S+1γmB∫A(g-γ)dh+γA0-γB0γmhm。(17)式中,第一項ΔhAB為由邊長及垂直角測量求得;第二項為2點的垂線偏差非線性影響;εA、εB分別為A、B點在同一方向AB上的垂線偏差,εm為在該方向上的積分平均值;第三項為重力異常改正,即實際重力與正常重力不符的改正;第四項為正常水準(zhǔn)面不平行的改正?，F(xiàn)將這四項分別討論:ΔhAB=12(ScosΖA-ScosΖB)-(k1-k2)S2/4R(18)該式第一項S和ZA、ZB分別為兩點的距離A、B點的天頂距;第二項為折光改正,k1、k2為折光系數(shù),一般在0.01左右,實踐證明,在做對向觀測并對客觀環(huán)境稍加注意的情況此值較小,可以略去,在儀器高與覘標(biāo)高相等時,則測距三角所得高差:ΔhAB=12(ScosΖA-ScosΖB)(19)又由于兩點間的大地高之差,亦可由GPS獲得,這時大地高差(相當(dāng)于(17)式中少了最后二項)hB-hA=ΔhAB-(εA+εB)S2。(20)亦即根據(jù)(19)、(20)求上述兩點的垂線偏差之差,如此可按(17)式進(jìn)行計算。對于(17)式中的第二項,存在2種情況,(主要視地形起伏程度而定),一是垂線偏差的非線性影響很小,則此項可以忽略;二是根據(jù)估計。若存在非線性影響,則可以利用重力或地形數(shù)據(jù)算得在AB方向上的垂線偏差的平均值,不過這時的計算范圍只要在計算點最近的3個環(huán)帶上進(jìn)行即可,而不像第3種方法那樣需全球資料。至于如何計算,文獻(xiàn)對利用極坐標(biāo)直角坐標(biāo)及已列出了相應(yīng)公式,文獻(xiàn)還對中央?yún)^(qū)域的處理以及山區(qū)大地水準(zhǔn)面的精化作了研究,這里不再作詳細(xì)介紹。(17)式的第三項中g(shù)-γ為空間重力異常,在山區(qū)該值可能較大,又設(shè)山區(qū)的A、B兩點高差為400m,此項影響可達(dá)4cm,這里不可忽略。(17)式中的最后一項的影響,視海拔高度而定,對于相距1km的2點,若海拔為4500m,則其影響小于0.5cm,故可忽略。需指出的是該法是在大地測量理論基礎(chǔ)上新提出的一種方法,預(yù)計在測區(qū)數(shù)十公里范圍內(nèi)高程可望達(dá)到厘米級,當(dāng)然它還需在實踐中檢驗