1. 引言
高难山地地震勘探施工,风险极高,测量是第一个进入工区作业的工序,它不仅担负着开路先锋的作用,还有为后道工序提供安全警示的责任。多年来,高难山地的测量工作主要借助遥感影像,采用人工现场踏勘的方式进行。无法预判的地形风险和寻找行进路线时产生的无效路程,严重影响了测量工序作业安全和施工效率。怎样解决这个问题,是我们多年来在一线作业中不断探索的问题。随着GIS技术在石油勘探的深入应用及推广,这个问题得到了相对圆满的解决。
2. 风险识别
2.1. 技术背景
地形是指地球硬表面由内外动力共同作用塑造而成的多种外貌形态 [1] 。以往,我们评估地形风险,仅限于对坡度的认识,而多年的野外地震勘探实践表明,单一坡度,不能正确表达地形风险程度,地形风险程度需要同时表达某点(片)相对准确的坡度和起伏度,经过多年持续研究,发现采用起伏度和两个不同方向坡度的平均值,形成约束条件,对地形进行分级,可以相对客观、全面的反应地形风险程度。
2.2. 风险分级
坡度和坡向作为描述地形特征的两个重要指标,能够间接表示地形的起伏形态和结构,一般在数字高程模型(DEM)上通过一定的计算模型计算得到 [2] [3] 。本文选取三阶不带权差分法计算地形坡度。若定义3 × 3的DEM网格编号(见图1),则有计算公式:
(1)
式(1)中,S为坡度,d为DEM的单元尺寸,d分别改为对应方向的dx和dy;
为中心点Z5周围各网格点的高程。
![](//html.hanspub.org/file/5-1110423x9_hanspub.png?20230913093156796)
Figure 1. DEM 3 × 3 partial moving window
图1. DEM 3 × 3局部移动窗口
地形起伏度是定量描述地貌形态,宏观描述地形变化整体趋势的主要指标 [4] 。本文选取标准差法来衡量地形的起伏程度 [5] [6] [7] [8] [9] ,其计算公式为:
(2)
式(2)中,P是起伏度,以矩阵格式进行采样,采样间隔大于DEM数据原始采样间隔,Z1、Z2、
、Zn是计算起伏度矩阵各网格高程,m是n个采样点高程算数平均值。
经过多年研究,利用起伏度和坡度共同约束,将地形风险划分为六级。如表1是某区域地形风险分级约束条件,表中P为研究区域起伏度值,
为多向坡度平均值 [10] - [15] 。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Terrain risk classification table
表1. 地形风险分级表
地形风险分级,需要根据不同地区形成不同约束条件,一般情况下分为植被茂密区和植被稀疏区,因为野外作业人员攀爬能量与借助外力成正比,植被茂密区借助植被攀爬能力相对强一些,植被稀疏区弱一些。图2是同一地区地形风险分级和单一方向坡度的比较,从中可以看出细节上的差别。
![](//html.hanspub.org/file/5-1110423x19_hanspub.png?20230913093156796)
Figure 2. Comparison of slope and terrain risks in the same area
图2. 同一区域坡度与地形风险对比图
3. 行进线路规划
3.1. 测量工序行进线路规划及应用
![](//html.hanspub.org/file/5-1110423x20_hanspub.png?20230913093156796)
Figure 3. Comparison diagram of construction route
图3. 施工行进线路对比图
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Comparison table of construction mileage
表2. 施工行进里程对比表
施工行进线路规划,主要应用于无人区,因为这些地区没有路,现场寻找施工线路非常麻烦而且十分危险。提前规划施工线路,可以避免实际施工时因盲目寻找施工行进线路造成人员人身伤害,同时提高施工效率。在施工前,利用地形风险分级根据物理点部署情况,沿地形相对低风险段对施工行进线路进行规划,再利用DEM、DOM进行路演验证,大幅度减少高难山体施工中寻找线路时的风险。图3是某地区三维勘探时,施工行进线路规划情况,河流两边地形基本相当,西部是规划线路后的实际施工行进线路轨迹,东部是没有规划行进线路的实际行进轨迹,表2是该地区没有进行规划线路和规划行进对比结果,可以看出通过预先规划线路与没有规划线路相比,操作人员实际行进里程缩短35.74%。
3.2. 后道工序行进线路规划及应用
由于测量工序还有为后道工序提供安全警示的责任,所以在物理点放样的同时,测量人员还需利用GPS记录实际行进轨迹。通过进行轨迹整理,剔除重复路线,按照“排列工序重叠测量轨迹、钻井工序参考测量轨迹”的原则重新规划排列、钻井等后道工序行进线路,同时将规划好的线路与地形风险模型、物理点成果叠加形成施工行进避险文件。后道工序施工人员只需将此避险文件装入手机,沿整理后重新规划的线路施工,既可通过避免绕道提高施工效率,又可通过灵活选择施工作业与返回路线,最大限度的规避高风险地形带来的施工进行风险。
如图4,施工人员有1、2两条可以选择的道路,1号路线要经过4个极高风险区,2号线路只经过1个极高风险区,且大部分路段为中、低风险区(见图5、图6)。施工时必须到达物理点位,只能选择走1号线路。但施工完后返回,以前大多时候都是原路返回,现在可以直接从图上找到风险更低,效率更快的2号线路。
![](//html.hanspub.org/file/5-1110423x21_hanspub.png?20230913093156796)
Figure 4. Route map (remote sensing image on the left and terrain risk map on the right)
图4. 行进线路图(左图为遥感影像图,右图为地形风险图)
4. 应用效果
4.1. 项目施工风险
塔里木盆地某高难山地三维项目,是该地区地形风险最大的区域,特别是南部高难山体区,地形切割较大,沟壑纵横交错,涉及接收点35,478个在极高风险区,测量和排列工序作业风险极大(见图7)。
![](//html.hanspub.org/file/5-1110423x24_hanspub.png?20230913093156796)
Figure 7. Topographic risk and feature distribution map of the work area
图7. 工区地形风险及地物分布图
4.2. 测量工序行进线路规划
针对南部高难山体区151条测线35,478个接收点,根据地形风险分级图,在室内预先选择施测线路,再把规划的行进线路和风险图、设计物理点导入手持机,用于实地放样(见图8)。20人62天共完成1050公里的物理点放样工作。规划进行线路与实际行进线路吻合率达90%。安全高效的完成了施工任务。为高难山地施工作业探索出了一套安全、高效、实用的技术方法,结束了人工现场摸索施工的工作模式。充分利用了测量施工轨迹,切实实现了前道工序为后道工序服务的施工理念。
![](//html.hanspub.org/file/5-1110423x25_hanspub.png?20230913093156796)
Figure 8. Planned route map (remote sensing image on the left and terrain risk map on the right)
图8. 规划行进线路图(左图为遥感影像,右图为地形风险图)
4.3. 排列工序行进线路规划应用
由于本项目炮点未上山,排列工序施工人员运用施工避险文件,在南部高难山体区完成了980公里的施工线路规划和35,478个单点检波器埋置。安全高效的完成了高难山地排列布设工作。如图9为局部排列埋置的路线图,左图为上山进行排列埋置的施工路线,右图白色路线为下山时的快捷路线。此方法大幅降低了排列埋置人员的施工风险,同时提高了施工效率。
5. 结论
本文基于地形风险分级,提出了在高难山地石油勘探采集作业测量工序施工中,提前规划行进线路及为后道工序提供规划线路支撑的技术方法。解决了多年来施工中无效行进路程较多的问题。并充分利用测量行进轨迹服务生产,践行了前道工序为后道工序服务的施工理念。
同时,该方法在实际生产应用中取得了较理想的效果,最大限度地规避了地形因素给施工人员及设备带来的安全隐患。降低了高难山地测量和后续施工安全风险,提高了施工效率,具有较大的推广应用价值。