劉起

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

隨著我國(guó)南海深水油氣田勘探開發(fā)的逐步展開，對(duì)深水井場(chǎng)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(guó)內(nèi)外主流的水下運(yùn)載平臺(tái)包括深拖系統(tǒng)（DT）、遙控水下機(jī)器人（ROV）及自主航行水下機(jī)器人（AUV）。作為商業(yè)應(yīng)用最廣，綜合效益相對(duì)較高的深拖系統(tǒng)依靠母船拖帶運(yùn)動(dòng)，可以攜帶各種設(shè)備，進(jìn)行近海底、遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間的海底地形地貌、淺層地質(zhì)和海水物理化學(xué)等調(diào)查。繼“大洋一號(hào)”Benthos商業(yè)級(jí)深拖系統(tǒng)之后，中海油服公司又引進(jìn)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(gè)深水井場(chǎng)鉆井危機(jī)調(diào)查作業(yè)，作業(yè)水深已達(dá)到1500m。隨著深拖系統(tǒng)的越來越廣泛的應(yīng)用于海洋科學(xué)考察與工程作業(yè)的情況下，對(duì)深拖系統(tǒng)潛器的數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航定位精確性提出了更高的要求。

本文通過對(duì)DT-1深拖系統(tǒng)的南海工程作業(yè)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，結(jié)合深拖系統(tǒng)的實(shí)際工況對(duì)深拖系統(tǒng)的拖體定高運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)航定位進(jìn)行了分析。

1 拖體定高運(yùn)動(dòng)

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(shí)時(shí)傳輸至甲板采集處理單元。DT-1深拖系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，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(zhǎng)度和拖曳速度將壓載器下沉或提升來實(shí)現(xiàn)。

確保深拖系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的可靠性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵在于對(duì)拖體運(yùn)動(dòng)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(wú)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(jī)率會(huì)增大。由于拖體并不是獨(dú)立存在的，在深拖系統(tǒng)作業(yè)過程中拖纜對(duì)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(duì)不同作業(yè)深度的拖曳速度和拖纜的釋放長(zhǎng)度進(jìn)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(zhǎng)度的對(duì)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(zhǎng)度

圖1 不同作業(yè)深度下拖曳速度與釋放纜繩長(zhǎng)度的關(guān)系

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

圖2 1000m水深作業(yè)時(shí)，拖纜釋放長(zhǎng)度與拖曳速度對(duì)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(zhǎng)度如圖2所示。在2knot以內(nèi)拖曳速度下拖纜釋放長(zhǎng)度短，但線上作業(yè)時(shí)效低，且低速不易保持，會(huì)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(zhǎng)，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(duì)數(shù)據(jù)的分析和實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)可知，不同作業(yè)深度下拖曳速度控制在2.5knot最佳，同時(shí)拖纜的釋放長(zhǎng)度約為作業(yè)水深的2.5倍。

2 導(dǎo)航定位精度

深拖系統(tǒng)的導(dǎo)航定位主要靠超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)（USBL）結(jié)合DGPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)。USBL聲學(xué)定位系統(tǒng)通過測(cè)量拖體相對(duì)調(diào)查船的距離和方位角來計(jì)算拖體相對(duì)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(shí)位置。在導(dǎo)航定位系統(tǒng)性能一定的情況下，深拖調(diào)查導(dǎo)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(shí)，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(duì)水平距離對(duì)照?qǐng)D

單船定位方式時(shí)，在拖曳速度為2.5節(jié)的情況下，其拖纜長(zhǎng)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(xué)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(dá)到20m左右，遠(yuǎn)低于理論的定位精度。圖6為單船定位作業(yè)時(shí)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(xué)通訊信號(hào)反饋時(shí)間，而且將這兩者之間的聲學(xué)通訊有效控制在聲學(xué)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(cè)量精度。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在1000m作業(yè)水深時(shí)，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(duì)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(dá)到1000m時(shí)，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(jìn)行深拖調(diào)查時(shí)宜采用雙船定位方式。

5 結(jié)語(yǔ)

圖6 在1000m作業(yè)水深時(shí)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(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)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(shí)際工程應(yīng)用，我國(guó)深拖調(diào)查技術(shù)已逐漸趨于成熟。本文對(duì)深拖系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵性問題和數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)和分析。同時(shí)本文提出幾點(diǎn)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(zhǔn)確性。

圖7 在1000m作業(yè)水深時(shí)雙船定位拖體航跡