陳超

(中海石油技術檢測有限公司,天津300000)

深海油氣勘探面對的自然情況非常復雜，會受到海洋的流速、水位變化因素、海底復雜的地形、以及這些情況的各種交織影響，在進行實地勘探時，會投入大量的人力物力和財力，因此在勘探過程中最為關鍵的是提高深海油氣勘探成功率，也就是要對基礎資料獲得的技術能力，其中最關鍵的是水深地形數(shù)據(jù)的獲得，這個是勘探資料獲得與處理的基礎數(shù)據(jù)。當前深?？碧郊夹g主要有三種，而且每種技術都有自身的特點，各自的原理，分析他們對數(shù)據(jù)獲得的原理，獲得結果的質(zhì)量以及投入的成本等方面，挖掘他們的長處，以此更好的在深海油氣勘探中投入使用，確保在深海勘探過程中不但能有效獲得高精度的數(shù)據(jù)，同時達到更加經(jīng)濟有效的方式獲得并實施。

1 深海地形勘測三種主要方法

1.1 船載多波束系統(tǒng)深?？睖y。多波束系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)原理是利用聲波技術和接收換能器陣實施聲波廣角度定向發(fā)出、收集，聲波在水下來回傳播的時間和聲速的乘積計算獲得長短，以此得到水的深度。其中多波束聲納是通過窄帶的法向反射形成的一種已校正高頻聲波，深水在10～30kHz時，頻率會在10～300kHz范圍內(nèi)。船載多波束系統(tǒng)深?？睖y就是在船上裝有多波束聲納系統(tǒng)，并且多波束聲納系統(tǒng)會從海面上對海底進行掃測，掃測的過程中會形成和航向垂直的垂面中條幅式高密度水深數(shù)據(jù)，這樣就能迅速測出沿航線某一大小條帶中的水深大小。船載多波束系統(tǒng)深海勘測的優(yōu)點是測量速度迅速、測量區(qū)域廣而且精度高等優(yōu)點。測量精度與海水的深度有直接的相關性，當時水深越深，誤差就會越大，精度就會變得越低。其次是分辨率，這與沿聲信號兩軸方向的波束寬度相關，通常水變深或波束傾斜大，聲穿透面積更大，空間分辨率反而變得更低。因此測量精度和分辨率就成為權衡測深系統(tǒng)的關鍵性指標。

1.2 自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)勘探。自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)是一種配備了能源動力裝置的設備，不需要人駕駛和纜，能夠自己在水下自主航行。該設備裝置有光學攝像系統(tǒng)、多波束系統(tǒng)、淺地層剖面儀和側掃聲納等裝備，在勘測過程中能夠從水面上接收各種指令，包括水下航向的變化、水的進入深度和各種數(shù)據(jù)收集等方面的命令，因此在海底勘測過程中能實現(xiàn)錄像拍攝和海底搜索勘測等多項任務。相比船載多波束系統(tǒng)深?？睖y，自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)勘探無需水面工作船跟隨，作業(yè)費用更低，而且AUV上的多波束測量設備和船載多波束原理一樣，不同的是船載多波束系統(tǒng)測得水深是實際大小，而AUV是多波束測量的和AUV兩者一起的深度。AUV因為可以自由航行，載荷的多波束測量設備可以和海底保持一個固定的相對高度，能有效的接近目標，利于深測目標誤差的大大減小，也更加有利于獲得高質(zhì)量高分辨率的深水地形數(shù)據(jù)。AUV存在不足的是投入比較大，自身需要攜帶能量密度大的能源，設備要輕巧，結構要緊湊。

1.3 三維地震勘探技術。三維地震勘探技術是根據(jù)設計要求在地上鋪放兩組測線相互垂直的測線，順著測線采取地震勘探施工，使用面線接受方式獲得地層反射到地上的地震波數(shù)據(jù)資料，然后利用計算機進行處理獲取三維數(shù)據(jù)體。地質(zhì)工作者按照工程需要獲得地質(zhì)數(shù)據(jù)，并得到有關三維可視圖、斷裂分布圖、構造圖、剖面圖和沉積相圖等圖形。該技術是一項集地質(zhì)專業(yè)、數(shù)學領域、物理專業(yè)和計算機專業(yè)等綜合性技術，和船載多波束系統(tǒng)相比，兩者都應用了水下聲學原理，但是物理原理差別很大。三維地震勘探是通過寬帶的幾乎垂直的入射反射方式來探查地層構造，但是獲得的數(shù)據(jù)集也能對水深計算出來，其具體提取過程是先進行海底反射波拾取規(guī)則設置，然后在地震數(shù)據(jù)集里面獲取深海地底初到波的往返反射時間和坐標，利用1500米每秒的均速給予時深改變獲得水深數(shù)據(jù)信息，該過程不會出現(xiàn)另外的誤差修正，獲得的便是一個相對尺度，并不是一個絕對尺度種的水深，會存在一個系統(tǒng)誤差，水深的相對精度還算高，三維地震勘探技術是當前高精度的探測海底復雜多變的地質(zhì)環(huán)境構造的重要技術，并成為深海油氣勘探的重要方式。

2 三種測量方式的應用分析

在實際的應用中選擇的是渤海的某一區(qū)域，利用三種方法測量原理進行勘測水深，并從數(shù)據(jù)分辨率、精度進行分析評價，挖掘各自的優(yōu)點和缺點。

2.1 三種測量中數(shù)據(jù)的分辨率。分辨率的高低和數(shù)據(jù)密度成正比。將三種方法應用在渤海的某一區(qū)域勘測，各種分辨率如下，如圖1船載多波束系統(tǒng)深海勘測。

從圖1可以看出，船載多波束系統(tǒng)深?？睖y數(shù)據(jù)密度在620米時密度要比在1800米時水深密度要大，水深越深，分辨率越低，這符合船載多波束系統(tǒng)測量的原理，分辨率主要和水深相關。接下來利用三維地震勘探技術進行勘測，如圖2三維地震勘探所有水深密度。

圖1 船載多波束系統(tǒng)深?？睖y

從圖2可以看出，三維地震勘探技術下所有水深密度保持不變，平行間距是12.6m，垂直間距是26m，那么間距是12.6 mX26m。地震數(shù)據(jù)的分辨率和水深沒有相關性，保持著一個固定值。接下來利用自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)勘探，如圖3自主式無人無纜水下航行機器人勘探的水深。

圖2 三維地震勘探所有水深密度

圖3 自主式無人無纜水下航行機器人勘探的水深

從圖3可以看出，自主式無人無纜水下航行機器人勘探在不同水深下密度基本保持一樣。三種方式在渤海的某一區(qū)域勘測測量下，海底的水深是1150～1800m，地形非常復雜，而且有非常豐富的微地形特點，尤其是海底峽谷明顯，海底地形模型網(wǎng)格基本上是20m。從以上三圖可以看出，自主式無人無纜水下航行機器人勘探下數(shù)據(jù)密度要大于另外兩種方法所測出來的密度，同時也說明其分辨率更高。但是從地形的實際表達來看，自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)勘探可以清晰地展現(xiàn)海底豐富多樣的微地形特點，船載多波束系統(tǒng)深海勘測對主要地形也有了大概展示，但是海底峽谷中的微地形特沒有顯示出來。三維地震勘探技術下通過一定的處理與精細修改，海底峽谷中的微地形特有了一定顯示，總體而言在這個深入下自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)勘探分辨率要好于三維地震勘探技術、船載多波束系統(tǒng)。但是在不同深度下，多波束分辨率優(yōu)于三維地震數(shù)據(jù)這是一個復雜的問題，而有研究顯示在水深小于500m，多波束分辨率要好于地震數(shù)據(jù)，當大于1000m時地震數(shù)據(jù)就沒有多波束分辨率好了。

2.2 三種測量中數(shù)據(jù)的精度。三種測量中數(shù)據(jù)的精度從原理上來看，自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)勘探精度要大于船載多波束系統(tǒng)、三維地震勘探技術，船載多波束系統(tǒng)絕對精度要大于三維地震勘探技術，但是經(jīng)過精細處理的三維地震勘探技術的地震數(shù)據(jù)水深向AU V數(shù)據(jù)靠近，而船載多波束系統(tǒng)水深數(shù)據(jù)比AUV數(shù)據(jù)多波束誤差要大一些。也就是說明在水深超過1000m時，通過精細修改的三維地震勘探技術的數(shù)據(jù)絕對測量精度要好于船載多波束系統(tǒng)的精度，但是沒有精細修改的絕對精度并不高。那么為了深入探究三維地震勘探技術，船載多波束系統(tǒng)的精度，我們選擇渤海水深在560～670m的地勢平坦的微地形特點不顯著的進行對比。而且利用精細修改的船載多波束系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、三維地震勘探技術數(shù)據(jù)和AUV數(shù)據(jù)進行對比減去，從而得到和AUV數(shù)據(jù)的誤差，從其研究對比發(fā)現(xiàn)，船載多波束系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比誤差是0.3 ～2.7 m，誤差平均值在1.5 m，三維地震勘探技術數(shù)據(jù)的對比誤差是3.2 ～5.5 m，誤差平均值在4.5 m，這就說明在水深560～670m的地勢平坦的微地形特點區(qū)域船載多波束系統(tǒng)的精度要好于三維地震勘探技術數(shù)據(jù)測量精度。從而也說明船載多波束系統(tǒng)的水深測量精度和水深關系很大，當水加深后，誤差就會變大，比三維地震勘探技術要明顯的是精確度和絕對測量水深方面。也可以這樣說，三維地震勘探技術的數(shù)據(jù)不經(jīng)過精細處理，絕對精度在各種水深環(huán)境下都要小于船載多波束系統(tǒng)的精度。

3 結論

從以上應用探究來看，自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)勘探在深海測量精度和分辨率是最高的測量方法，但是該方法有一個比較大的缺點，測量費用高，并且相對效率低，只是船載多波束系統(tǒng)的水深測量效率的十分之一，無法有效大規(guī)模應用測量。船載多波束系統(tǒng)雖然沒有自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)勘探在深海測量精度和分辨率那么高，但是覆蓋率寬，能靈活測量，能夠在深水海域快速大面積的測量，及時提供詳盡的海底地形數(shù)據(jù)。三維地震勘探技術數(shù)據(jù)絕對水深精度不高，但是經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和精細的修改后還是有非常高的使用價值。因此我們無論采取哪種方法，都應該根據(jù)所要探測海底的不同情況采取不同的勘探方式。即使自主式無人無纜水下航行機器人(AUV)勘探測量費用高，相對效率低，但是能夠?qū)５椎孛策M行詳細的勘探，所以我們要盡量利用每種方法的優(yōu)點，讓其發(fā)揮最大的價值。