水下機(jī)器人在深水OBN地震采集中的應(yīng)用

白 杰,全海燕,汪長輝,馬 濤,馬力強,彭德麗,張 坤,靳 望

(中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751)

海底節(jié)點(ocean bottom node,OBN)采集具有靈活性強,布放、回收便捷,可觀測多分量、長偏移距及全方位地震數(shù)據(jù),提高地震成像質(zhì)量[1-4],且觀測時間長、良好的可重復(fù)性等特點,為改善油藏地震監(jiān)測效果、四維地震創(chuàng)造了有利條件[5-7]。因此,OBN采集技術(shù)已成為海上地震數(shù)據(jù)采集的一種重要方法[8]。深水或復(fù)雜區(qū)OBN采集方法,通常面臨水深變化大、海底環(huán)境復(fù)雜等挑戰(zhàn),有時最大施工水深有數(shù)百米,遠(yuǎn)超常規(guī)OBN地震采集極限。這時利用傳統(tǒng)海面投放方法會產(chǎn)生較大點位誤差,不能滿足地震數(shù)據(jù)采集對接收點位置精度的要求,而且隨著水深的增加,誤差會逐漸增大[9],因此引入了水下機(jī)器人(remotely operated vehicle,ROV)技術(shù)。近年來ROV已被廣泛應(yīng)用于深海管線檢測與修復(fù)、海洋光纜布設(shè)、海洋油氣平臺的檢測與維護(hù)、深?？瓶技败娛碌阮I(lǐng)域[10-11],但在地震勘探行業(yè)的應(yīng)用仍處于初級階段。ROV系統(tǒng)及相應(yīng)定位產(chǎn)品及技術(shù)方面,以歐美國家的產(chǎn)品為主,我國的相關(guān)研究和設(shè)備制造基礎(chǔ)相對薄弱,處于跟隨階段[12-15]。由于動態(tài)定位(dynamic positioning,DP)船加ROV的組合普遍價格昂貴、設(shè)備及操作專業(yè)性強等原因,在OBN地震采集中鮮有應(yīng)用,少有的案例也大多是通過服務(wù)分包的方式進(jìn)行,目前還未形成適用于地震采集的完備質(zhì)控作業(yè)流程和評價體系,相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的定量論證及分析不足[16]。

本文研究依托于非洲東部某群島海域地震采集項目,是一個復(fù)雜區(qū)OBN的典型案例,通過對ROV在此應(yīng)用中的各環(huán)節(jié)剖析及其定量評價,闡明了ROV和地震采集行業(yè)質(zhì)量控制的銜接方法,并為ROV在石油勘探行業(yè)的下一步應(yīng)用提供重要參考。

1 水下機(jī)器人系統(tǒng)

由于洋流、海浪、風(fēng)力和風(fēng)向等因素的影響,船只在海洋中不能像在陸地一樣靜止在某個位置并長時間保持不動。而ROV需要相對穩(wěn)定的“平臺”支持,否則會帶來較大的安全風(fēng)險。因此,ROV必須配合DP船使用,缺一不可。

DP船指具有動態(tài)定位功能的船舶。船舶通過除主推進(jìn)器(船尾)之外的若干個可以數(shù)控調(diào)整推進(jìn)角度、功率的側(cè)推進(jìn)器組成。根據(jù)船只實時GPS位置、洋流方向和流速、風(fēng)向及風(fēng)力等信息,多個推進(jìn)器協(xié)同工作,利用數(shù)控方式自動調(diào)整推進(jìn)器的功率、方位等,最終實現(xiàn)將船舶穩(wěn)定在茫茫大海中的某個點位,并保持不動。

ROV系統(tǒng)裝備分為兩大部分,分別安裝于DP船甲板和船舶駕駛艙,以本次研究所用ROV為例(圖1),由ROV操作控制室、ROV吊架、布放回收OBN籃的吊架、絞車和定位控制系統(tǒng)組成。其定位控制系統(tǒng)是由安裝于船舷處的超短基線(ultra short base line,USBL)聲學(xué)換能器探頭、駕駛艙頂部的GPS天線及駕駛艙內(nèi)的定位監(jiān)控系統(tǒng)組成,同時,水下定位監(jiān)控、原始數(shù)據(jù)記錄也在DP船駕駛艙內(nèi)完成。

圖1 ROV系統(tǒng)布置(位于DP船甲板)

2 深水OBN定位技術(shù)

深水定位通過兩部分實現(xiàn):①海面以上的多個GPS探頭及精確測量的相對位置;②海面以下利用USBL定位技術(shù)。因海面以上的定位與陸上GPS定位無異,下面僅討論水下部分。ROV可以實時得到位于水下ROV機(jī)械臂上的應(yīng)答器的坐標(biāo),即OBN布放坐標(biāo)。與長基線和短基線定位技術(shù)相比,超短基線定位精度略低,但無需布設(shè)基站陣列支持,靈活方便,尤其適用于地震勘探等深海礦產(chǎn)和油氣資源的調(diào)查和開發(fā)[17]。USBL水下定位系統(tǒng)主要包含收發(fā)器(transceiver)與應(yīng)答器(transponder),其中收發(fā)器的聲學(xué)換能器(acoustic transducer)安裝于船底,應(yīng)答器則安裝于水下目標(biāo)物,即機(jī)械手臂。

圖2展示了USBL水下定位工作原理,由安裝于船底部的USBL聲學(xué)換能器發(fā)射高頻聲波,由位于機(jī)械臂末端的應(yīng)答器接收同頻聲波并返回?fù)Q能器,定位系統(tǒng)通過對比聲波信號彼此的相位差來確定應(yīng)答器的實時位置,也就是ROV的位置,記錄并顯示在監(jiān)控屏幕上。

圖2 USBL水下定位原理示意

3 應(yīng)用實例

非洲東部某區(qū)塊二維陸上+淺海+深海地震采集是復(fù)雜區(qū)OBN采集的典型案例。研究區(qū)主要由兩個珊瑚島嶼及附近群島組成,海底地表復(fù)雜多變,部分區(qū)域平均坡度高達(dá)14°,測網(wǎng)覆蓋區(qū)水深變化劇烈,如圖3所示。本文研究主要進(jìn)行如下4項關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用:①ROV定位系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)定;②節(jié)點布放回收及點位精度分析;③布放及回收效率分析;④定位數(shù)據(jù)精度驗證。

圖3 某測線實測水深曲線

3.1 深水定位系統(tǒng)標(biāo)定

超聲波的時間差是由主要參數(shù)聲波速度計算得到,因此為了獲取OBN的精確海底位置,需要準(zhǔn)確測得研究區(qū)內(nèi)不同深度的聲波速度。另一方面,在深水中實現(xiàn)準(zhǔn)確定位,儀器的可靠性驗證必不可少。由于在水中很難實現(xiàn)類似陸上穩(wěn)定基站觀測的方式來標(biāo)定和校準(zhǔn)各計量設(shè)備,因此需采取動態(tài)多次重復(fù)觀測的方式進(jìn)行。

3.1.1 聲速剖面測量

海洋測量中,聲速剖面是聲波速度改正的基礎(chǔ)。聲波速度對測量結(jié)果的影響是多方面的,有時對測量結(jié)果的影響非常顯著。研究區(qū)水深達(dá)數(shù)百米,隨著水深的增加,海水的溫度、鹽度、密度等不斷變化,均對聲波速度產(chǎn)生影響。因此在系統(tǒng)正式投入使用前,需選取工區(qū)最深位置作為測量點,利用高精度聲速儀,以固定間隔記錄不同深度處的聲波速度(采樣間隔約1m)。圖4為研究區(qū)實測聲波速度曲線,結(jié)果表明,聲波速度隨水深呈非線性遞減趨勢,其中,在水深0～80m聲波速度變化小,在水深80～300m聲波速度變化加大,隨后趨于平緩。將該聲波速度隨水深變化的曲線數(shù)值,輸入到定位系統(tǒng)中,可獲得精度更高的水下定位結(jié)果,避免了用固定聲波速度進(jìn)行深度和距離計算而帶來的定位誤差。

圖4 研究區(qū)實測聲波速度曲線

3.1.2 定位系統(tǒng)校準(zhǔn)

將一固定信標(biāo)布放于海底,通過收發(fā)器和應(yīng)答器之間的超聲波獲得信標(biāo)的初始位置;再選取若干個固定間距、均勻分布的點,例如定義初始位置東、南、西、北各200m間距的4個點,分布于4個象限。采用DP船分別定位,對以上4個點進(jìn)行多次(例如200次)觀測,共得到800個信標(biāo)的定位成果,如圖5所示。對這800個信標(biāo)定位結(jié)果剔除異常點后,利用統(tǒng)計原理,得到相應(yīng)的X、Y、水深、斜角、方位角、船首GPS探頭位置等修正值。再將得到的修正值重新輸入系統(tǒng),從而得到精度更高的定位數(shù)據(jù)。由圖5b可以看出,修正后在不同方位測量得到的定位結(jié)果精度更高。這一標(biāo)定方式,類似于陸地測量中的長時靜態(tài)觀測,由于海浪、洋流、風(fēng)力、船推進(jìn)器等多種因素制約,該系統(tǒng)中的各主要設(shè)備如DP船、ROV、鎧裝電纜等均無法固定位置,所有記錄的數(shù)值都是對其瞬時狀態(tài)的顯示,因此統(tǒng)計學(xué)標(biāo)定方法成為這一系統(tǒng)的必選方案。

圖5 USBL定位校準(zhǔn)前(a)、后(b)的結(jié)果

3.2 ROV布放回收

3.2.1 方法說明

ROV水下作業(yè)過程如圖6所示,利用船尾的吊車將裝有OBN的投放籃(備注:經(jīng)過實驗和改裝,本次采集所用ROV布放回收系統(tǒng),共兩個投放籃,每個投放籃可裝載最多32個OBN)放入距離海底5～10m的位置。隨后通過船甲板中部的ROV吊車將ROV下放至海底5～10m處,ROV利用自身的小型螺旋槳巡游至投放籃處。ROV主控室通過位于ROV前方的高清攝像頭,實時監(jiān)控水下的布放情況(圖7),攝像數(shù)據(jù)將隨控制室錄音設(shè)備一起存儲于系統(tǒng)硬盤,作為定位成果的輔助數(shù)據(jù)。操作員通過仿生操作桿,遙控位于ROV前方的兩個機(jī)械手,從投放籃中提取OBN并完成布放;完成后移動至下一個點,以此類推?；厥諘r程序類似,在此不再詳細(xì)論述。目前行業(yè)內(nèi)的OBN產(chǎn)品大多采用4分量記錄,即3個不同方向(GeophoneX,GeophoneY,GeophoneZ)的動圈式檢波器加一個水聽器(Hydrophone)組成?？梢钥闯?ROV布放的一個主要優(yōu)勢體現(xiàn)在:通過機(jī)械手對OBN的精確操作,可將每個OBN的首向(inline orient,heading)對準(zhǔn)測線方向,并有效降低OBN的平躺傾角,為多分量地震數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供了便利。

圖6 ROV水下作業(yè)示意

圖7 ROV機(jī)械手水下作業(yè)實時監(jiān)控畫面

3.2.2 定位精度分析

研究區(qū)OBN布放按水深劃分為淺水部分(0～50m)和深水部分(50～900m)。水深0～50m的淺水部分由施工船以傳統(tǒng)海面投放方式完成,水深超過50m的區(qū)域由ROV布放和回收。以某二維測線為例,經(jīng)過聲波二次定位后的最終定位成果(水深曲線)和整體點位偏移量統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。圖9為局部測線點位偏移量及水深曲線。圖10為點位精度分析結(jié)果。

圖8 某測線布放點位偏移量及水深曲線

由圖9和圖10可以看出淺海和深海兩種布放方法的OBN點位特征:

1) 采用淺海投放方法布設(shè),各處點位偏移量不固定,總體呈現(xiàn)與水深增減規(guī)律相同,即隨著水深增大,偏移量增大,反之亦然(圖9a);

2) 采用ROV布設(shè),水深變化較淺海劇烈,但布設(shè)點位偏移量較小且穩(wěn)定。點位偏移量與水深無明顯相關(guān)性(圖9b);

圖9 局部測線點位偏移量及水深曲線

3) 淺海OBN平均偏移量為3.77m,最大偏移量為15.87m,方差為5.39;深海OBN平均偏移量為1.66m,最大偏移量為7.23m,方差為1.12(圖10)。

圖10 點位精度分析結(jié)果

可以看出,淺海投放方式布設(shè)的OBN點位受水深和海底地形變化影響較大,這在常規(guī)淺海作業(yè)中比較常見,很難完全避免;而在點位控制方面,利用ROV布設(shè)則不受水深的影響,OBN點位偏移量較小,總體偏移均勻且數(shù)值集中,方差小,點位精度能夠滿足數(shù)據(jù)采集要求。

3.3 效率分析

本次研究對布放和回收分別進(jìn)行了定位、記錄,獲取了OBN布放和回收的兩套坐標(biāo)。為了客觀說明ROV系統(tǒng)的效率,選取了一條具有代表性的測線,對不同水深位置的布放和回收效率進(jìn)行了分段統(tǒng)計分析。圖11a統(tǒng)計了每小時內(nèi)不同水深范圍內(nèi)ROV布放、回收OBN的個數(shù),可以看出,0～200m內(nèi)由于水深及海底狀況變化復(fù)雜,影響了ROV布放,導(dǎo)致施工效率較低,測線其它位置坡度相對平緩,海底地形單一,這時布放效率保持在8～9個/h?；厥招士傮w略高于布放效率,約為10個/h。在不考慮水深或海底狀態(tài)的前提下,深海ROV布放效率大大低于淺海傳統(tǒng)投放方式(圖11b),同時考慮到DP船+ROV的價格較為高昂,建議在OBN采集的應(yīng)用中充分做好規(guī)劃,綜合考慮技術(shù)、效率、成本等因素。

圖11 ROV布放回收時效統(tǒng)計(道距為50m)

3.4 初至波二次定位驗證

為了再次驗證ROV坐標(biāo)的準(zhǔn)確性,采用單炮初至波二次定位技術(shù),對實測深海OBN點位進(jìn)行了二次驗證。選取每炮中某段近偏移距或中偏移距的清晰初至(圖12a),利用該段多道初至?xí)r間及偏移距離等已知信息,計算得到OBN點位的室內(nèi)二次定位結(jié)果,再計算該二次定位結(jié)果與野外實測位置的偏差(圖12b),結(jié)果表明(表1):超過99%的點位與野外實測坐標(biāo)誤差范圍在10m之內(nèi),其中71.76%的點位誤差小于5m。

圖12 初至波二次定位

表1 初至波二次定位結(jié)果與野外實測位置的偏差統(tǒng)計

4 結(jié)論

通過非洲東部某近島海域OBN采集實例,將ROV技術(shù)與物探行業(yè)相關(guān)的部分進(jìn)行了系統(tǒng)研究和詳細(xì)分析論證,主要包括定位系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)定、節(jié)點布放回收及點位精度、布放及回收效率、定位數(shù)據(jù)驗證等方面。本文的方法技術(shù)和定量分析結(jié)果對于ROV在物探行業(yè)的后續(xù)應(yīng)用具有重要參考價值。同時應(yīng)該看到,雖然ROV技術(shù)具有點位布放精度高、布放手段豐富等優(yōu)點,但在今后應(yīng)用中應(yīng)充分考慮ROV的低效率和高成本特點,在技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化評估時綜合考慮,做出科學(xué)決策。