DT-1深拖系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與優(yōu)化設(shè)計

劉起

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

隨著我國南海深水油氣田勘探開發(fā)的逐步展開，對深水井場調(diào)查、油氣田開發(fā)前期勘察能力提出了更高的要求。目前，國內(nèi)外主流的水下運載平臺包括深拖系統(tǒng)（DT）、遙控水下機器人（ROV）及自主航行水下機器人（AUV）。作為商業(yè)應(yīng)用最廣，綜合效益相對較高的深拖系統(tǒng)依靠母船拖帶運動，可以攜帶各種設(shè)備，進行近海底、遠距離、長時間的海底地形地貌、淺層地質(zhì)和海水物理化學等調(diào)查。繼“大洋一號”Benthos商業(yè)級深拖系統(tǒng)之后，中海油服公司又引進了一套額定作業(yè)水深3000m的DT-1深拖系統(tǒng)，現(xiàn)已用于南海數(shù)個深水井場鉆井危機調(diào)查作業(yè)，作業(yè)水深已達到1500m。隨著深拖系統(tǒng)的越來越廣泛的應(yīng)用于海洋科學考察與工程作業(yè)的情況下，對深拖系統(tǒng)潛器的數(shù)據(jù)采集和導航定位精確性提出了更高的要求。

本文通過對DT-1深拖系統(tǒng)的南海工程作業(yè)的信息數(shù)據(jù)進行整理分析，結(jié)合深拖系統(tǒng)的實際工況對深拖系統(tǒng)的拖體定高運動和導航定位進行了分析。

1 拖體定高運動

DT-1深拖系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息采集的方式是將拖體上集成的各調(diào)查設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過中性浮力臍帶纜、鎧裝拖纜及甲板通訊鏈實時傳輸至甲板采集處理單元。DT-1深拖系統(tǒng)作業(yè)時，拖體距離海底的合理高度通常為50～80m，主要通過調(diào)整鎧裝拖纜的長度和拖曳速度將壓載器下沉或提升來實現(xiàn)。

確保深拖系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的可靠性和準確性的關(guān)鍵在于對拖體運動軌跡的精確控制，其中數(shù)據(jù)采集的過程中線上拖體的高度影響著深拖系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的效率以及拖曳設(shè)備的安全。線上拖體過高，便無法獲得良好的數(shù)據(jù)；反之如果拖體過低，則追蹤覆蓋面有限，且碰撞海底的機率會增大。由于拖體并不是獨立存在的，在深拖系統(tǒng)作業(yè)過程中拖纜對拖體不斷施加外力的作用，因此本文以拖體—拖纜為研究整體，基于DT-1深拖系統(tǒng)的不同作業(yè)深度的數(shù)據(jù)，對不同作業(yè)深度的拖曳速度和拖纜的釋放長度進行分析。

表1為DT-1深拖系統(tǒng)部分參數(shù)，表2和圖1為DT-1深拖系統(tǒng)在拖體質(zhì)量一定的前提下，不同作業(yè)深度下拖曳速度與拖纜釋放長度的對應(yīng)關(guān)系。

表1 DT-1深拖系統(tǒng)參數(shù)

表2 DT-1深拖系統(tǒng)在不同的作業(yè)深度和拖曳速度下的拖纜長度

圖1 不同作業(yè)深度下拖曳速度與釋放纜繩長度的關(guān)系

通過對DT-1深拖系統(tǒng)在南海不同水深作業(yè)時的情況對比分析，如圖1所示，拖纜釋放長度隨著拖曳速度和作業(yè)深度的增大呈線性增長趨勢。

圖2 1000m水深作業(yè)時，拖纜釋放長度與拖曳速度對應(yīng)關(guān)系圖

DT-1南海工程作業(yè)中基本上作業(yè)深度為1000m，其拖曳速度和纜繩釋放長度如圖2所示。在2knot以內(nèi)拖曳速度下拖纜釋放長度短，但線上作業(yè)時效低，且低速不易保持，會加劇拖曳母船和拖體的偏航，尤其是在表層或底層流速大的情況下，拖體順流上線顯得極其困難。超出3.5knot的拖曳速度下釋放的拖纜過長，水中拖體和拖纜承受的流體阻力較大，影響拖體、拖纜的安全性。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析和實際工程實驗可知，不同作業(yè)深度下拖曳速度控制在2.5knot最佳，同時拖纜的釋放長度約為作業(yè)水深的2.5倍。

2 導航定位精度

深拖系統(tǒng)的導航定位主要靠超短基線聲學定位系統(tǒng)（USBL）結(jié)合DGPS導航定位系統(tǒng)的方式實現(xiàn)。USBL聲學定位系統(tǒng)通過測量拖體相對調(diào)查船的距離和方位角來計算拖體相對調(diào)查船的位置，再結(jié)合調(diào)查船的GPS位置信息換算出拖體在水下的真實位置。在導航定位系統(tǒng)性能一定的情況下，深拖調(diào)查導航定位的精度取決于所采用的定位方式（單船定位方式或雙船定位方式，其原理如見圖3、圖4所示）。

圖3 單船定位方式

深拖系統(tǒng)在1000m水深作業(yè)時，不同拖拽速度下的拖拽母船水平距離如圖5所示。

圖4 雙船定位方式

圖5 拖體作業(yè)深度、拖曳速度及相對水平距離對照圖

單船定位方式時，在拖曳速度為2.5節(jié)的情況下，其拖纜長度約2500m，拖體距離拖曳母船的水平距離約2200m，USBL換能器與深拖拖體上應(yīng)答換能器之間通訊聲波入射角φ約等于65°，大于60°的通訊聲波入射臨界角（60°是一般的USBL聲學定位系統(tǒng)能可靠定位的通訊聲波入射臨界角，入射角越小，定位精度越高），定位誤差可達到20m左右，遠低于理論的定位精度。圖6為單船定位作業(yè)時的拖體軌跡，可看出拖體位置信息呈“S”型漂移。

而在雙船定位方式下，一條追蹤定位船，一條深拖拖曳船，安裝USBL接收換能器的追蹤定位船始終在拖體的正上方的水面航行。這種方式，不僅縮短了USBL換能器與深拖拖體上應(yīng)答換能器之間的斜距，減少了聲學通訊信號反饋時間，而且將這兩者之間的聲學通訊有效控制在聲學覆蓋角內(nèi)。此外，近似0°的入射角將聲波在水中的折射影響降到最低，從而提高了距離和方位的測量精度。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在1000m作業(yè)水深時，雙船定位誤差在5～10m左右，拖體位置信息穩(wěn)定，如圖7。

通過以上分析對比可以看出，較單船定位方式，雙船定位方式提高了至少2倍的定位精度。在作業(yè)水深達到1000m時，單船定位方式精度低、穩(wěn)定性差。因此在超過1000m的作業(yè)水深進行深拖調(diào)查時宜采用雙船定位方式。

5 結(jié)語

圖6 在1000m作業(yè)水深時單船定位拖體航跡

深拖系統(tǒng)作為目前主要的深水勘察裝備，今后較長的一段時間內(nèi)會繼續(xù)發(fā)揮其在南海深水油氣田勘探開發(fā)工程中的重大作用。通過近幾年的實際工程應(yīng)用，我國深拖調(diào)查技術(shù)已逐漸趨于成熟。本文對深拖系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵性問題和數(shù)據(jù)進行了總結(jié)和分析。同時本文提出幾點深拖系統(tǒng)作業(yè)優(yōu)化方案，提高了深拖系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性。

圖7 在1000m作業(yè)水深時雙船定位拖體航跡