鄒建文，施炎武

（中海輝固地學(xué)服務(wù)（深圳）有限公司，廣東深圳 518000）

海底節(jié)點(diǎn)（Ocean Bottom Node，簡(jiǎn)稱OBN），是一種位于海底，可以獨(dú)立采集、記錄地震信號(hào)的多分量地震儀。主要應(yīng)用于海底地貌復(fù)雜，地形變化大，深淺結(jié)合帶內(nèi)油田油藏的地震數(shù)據(jù)采集，具有高覆蓋、多排列、寬方位、高精度等特點(diǎn)。同時(shí)能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，提高地震成像質(zhì)量，提高四維勘探的可重復(fù)性，改善油藏監(jiān)測(cè)結(jié)果[1-4]，因而越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外各大石油公司的高度重視。

近年來(lái)，OBN地震數(shù)據(jù)采集已得到了大量的應(yīng)用，尤其在油藏監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著，國(guó)內(nèi)方面中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱“東方地球物理公司”，BGP）已成為全球唯一不生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)卻掌握OBN全業(yè)務(wù)鏈的公司，包括整套節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)、質(zhì)控技術(shù)，并擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的處理軟件；萬(wàn)瑞（北京）科技有限公司已完成了具有國(guó)際先進(jìn)水平的海底節(jié)點(diǎn)的研發(fā)工作，設(shè)計(jì)水深3 500 m，目前已進(jìn)入實(shí)測(cè)階段，打破了國(guó)外公司的壟斷[5-6]。

1 ROV在OBN地震勘探中應(yīng)用簡(jiǎn)介

OBN地震作業(yè)示意圖見(jiàn)圖1，其觀測(cè)方法就是將OBN布放在海底，地震儀自備電池供電，震源船在震源點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)，OBN則在海底獨(dú)立采集、記錄地震信號(hào)[7]。當(dāng)震源船完成所有震源點(diǎn)激發(fā)后，回收OBN下載數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理與解釋。

圖1 OBN地震作業(yè)示意圖Fig. 1 Schematic of OBN seismic operation

OBN布放通常采用人工拋放（圖2）和水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱ROV）精確布放（圖3）相結(jié)合的方式：

圖2 OBN人工拋放示意圖Fig. 2 Schematic of OBN deployment by lowering down from vessel deck directly with connected securing cables

圖3 OBN水下機(jī)器人精確布放示意圖Fig. 3 Schematic of accurate OBN subsea deployment via ROV

（1）在水深小于100 m、流速較小、水下地形平坦區(qū)域采用人工拋放，將OBN按順序串接在纜繩上，作業(yè)支持船以一定速度朝設(shè)計(jì)路線航行，通過(guò)下放纜繩即可完成節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)；

（2）在水深大于100 m、流速較大、水下地形較復(fù)雜區(qū)域采用ROV精確布放，ROV在水下將每個(gè)特定編號(hào)的OBN逐個(gè)放置于海底設(shè)計(jì)位置。

ROV要完成OBN的精確布放需要借助于水面及水下定位系統(tǒng)，通常根據(jù)作業(yè)水深范圍以及所需的布放精度來(lái)選擇合適的定位系統(tǒng)。常規(guī)使用的是超短基線（Ultra Short Baseline，簡(jiǎn)稱USBL）水下定位系統(tǒng)[8]，其定位精度隨水深的增加而降低。對(duì)于深水作業(yè)則可以采用組合定位導(dǎo)航的形式，由USBL水下定位系統(tǒng)結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，簡(jiǎn)稱INS）組成，它主要包括多普勒計(jì)程儀（Doppler Velocity Log，簡(jiǎn)稱DVL）、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器（Inertial Measurement Unit，簡(jiǎn)稱IMU）、深度傳感器等設(shè)備。組合定位導(dǎo)航的方式可以整合水下位置、聲速、姿態(tài)等信息，優(yōu)化位置算法，能夠有效地濾除USBL的跳動(dòng)，剔除位置噪點(diǎn)，平滑位置軌跡，定位精度可以提高3～5倍。

2 存在的問(wèn)題及解決方法

因?yàn)镽OV單次下水可攜帶OBN的數(shù)量有限，這嚴(yán)重制約了ROV精確布放OBN的效率，所以需要采用一套專門設(shè)計(jì)的ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)。以針對(duì)某海域OBN作業(yè)設(shè)計(jì)的釋放回收系統(tǒng)為例，主要分為水面釋放回收系統(tǒng)和水下吊籃兩部分。水面釋放回收系統(tǒng)主要由液壓動(dòng)力單元、A型門架、鋼纜絞車、操控臺(tái)等組成；水下吊籃為其核心設(shè)計(jì)，主要由吊籃本體和OBN掛桿等組成。在實(shí)際作業(yè)中，ROV精確布放OBN的效率得到了大幅提升，OBN水下吊籃在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮：

（1）可攜帶OBN的數(shù)量

OBN水下吊籃內(nèi)分為四個(gè)小方格，每個(gè)小方格中安裝一個(gè)OBN掛桿，每個(gè)掛桿有四個(gè)掛鉤，每個(gè)掛鉤上掛載一個(gè)OBN（圖4）。因此，OBN吊籃單次可攜帶16個(gè)OBN至水下。

圖4 ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)水下吊籃Fig. 4 Subsea basket of the ROV-friendly OBN launch and recovery system

（2）ROV抓取OBN的方式

OBN掛桿由三部分組成：中心柱、移動(dòng)導(dǎo)柱、掛鉤（圖5），中心柱是管狀結(jié)構(gòu)，吊籃中心有4根小立柱，掛桿掛載好OBN后，將掛桿中心柱插入到吊籃立柱中；移動(dòng)導(dǎo)柱套在中心柱外，可以沿中心柱軸向移動(dòng)，且移動(dòng)導(dǎo)柱和中心柱上方均設(shè)計(jì)有一塊擋板，對(duì)移動(dòng)導(dǎo)柱向上移動(dòng)起到限位作用；同時(shí)移動(dòng)導(dǎo)柱下方也有一塊擋板，與下方掛鉤配合對(duì)準(zhǔn)，鉆有四個(gè)孔位，向上移動(dòng)“移動(dòng)導(dǎo)柱”使下方擋板脫離掛鉤，將綁扎在OBN上的繩環(huán)掛入掛鉤內(nèi)，然后向下移動(dòng)“移動(dòng)導(dǎo)柱”使其落入掛鉤中，可將OBN繩環(huán)壓緊確保在釋放過(guò)程中OBN不會(huì)發(fā)生意外脫落，安全可靠。

圖5 OBN掛桿Fig. 5 Hanging rod for OBN

水下作業(yè)時(shí)，ROV機(jī)械手抓住OBN掛桿

“移動(dòng)導(dǎo)柱”向上飛行，移動(dòng)導(dǎo)柱向上移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)導(dǎo)柱接觸到中心柱擋板后，整個(gè)OBN掛桿就會(huì)脫離OBN吊籃，在重力作用下，移動(dòng)導(dǎo)柱下方擋板也會(huì)脫離掛鉤并露出足夠的間隙便于ROV機(jī)械手抓?。▓D6）。

圖6 ROV從OBN掛桿中抓取OBNFig. 6 ROV grabs OBN from hanging rod by 7 function manipulator

3 ROV作業(yè)內(nèi)容

ROV在OBN地震作業(yè)中的主要作業(yè)內(nèi)容包括海底預(yù)調(diào)查、海底精確布放、回收以及OBN丟失后的應(yīng)急搜查打撈等。

3.1 海底預(yù)調(diào)查

OBN布放前，ROV需提前對(duì)工區(qū)等深線密集坡度較大的斜坡區(qū)域進(jìn)行預(yù)調(diào)查（圖7），確認(rèn)海底地貌及水文信息。主要為了調(diào)查斜坡坡度、海底地質(zhì)、水下能見(jiàn)度、水流情況以及劃定特殊區(qū)域等，并針對(duì)實(shí)際的水文環(huán)境、海底地貌情況做出相應(yīng)的分析和應(yīng)對(duì)措施。

圖7 工區(qū)等深線及3D地形圖（實(shí)際工程案例）Fig. 7 Isobath and 3D topographic map of the OBN deployment area

（1）海底若為礁石珊瑚地貌，此種地貌能見(jiàn)度較好，布放時(shí)應(yīng)選擇合適地點(diǎn)放置OBN，確保OBN不會(huì)二次滑動(dòng)卡入石縫中；

（2）海底若為沙地，此種地貌能見(jiàn)度較好，斜坡區(qū)域放置OBN存在流沙導(dǎo)致OBN二次移動(dòng)或掩埋的可能，可為該區(qū)域內(nèi)的OBN配備標(biāo)識(shí)浮球以及帶引線的固定插針，OBN放置后由ROV操作將插針插入海床；

（3）海底若為沉積物泥質(zhì)海床，此種地貌能見(jiàn)度一般，泥質(zhì)海床一般流水較小，同時(shí)海泥增加了OBN附著力，OBN因流水導(dǎo)致二次移動(dòng)的可能性較小，但存在OBN掩埋的可能。為便于節(jié)點(diǎn)的搜尋回收，可為該區(qū)域內(nèi)的OBN配備標(biāo)識(shí)浮球以及帶引線的固定插針，同時(shí)在OBN表面粘貼反光標(biāo)帶。

海上作業(yè)時(shí)應(yīng)根據(jù)至少未來(lái)1周的天氣預(yù)報(bào)信息（包括浪高、風(fēng)速、表面流、以及臺(tái)風(fēng)預(yù)警）等合理制定作業(yè)計(jì)劃，確保OBN布放期間海況條件良好，同時(shí)參照工區(qū)準(zhǔn)確的海底水文信息，提前預(yù)判海底水流及能見(jiàn)度，規(guī)避海底水流急、能見(jiàn)度差可能帶來(lái)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 OBN海底精確布放

采用ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)進(jìn)行OBN水下精確布放示意圖見(jiàn)圖8。如果作業(yè)水深較深或者OBN布放間距較短，OBN吊籃回收及下放期間存在ROV水下等待，可采用兩套OBN釋放系統(tǒng)來(lái)回交替進(jìn)行釋放回收。

圖8 ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)精確布放OBN示意圖Fig. 8 Schematic of accurate OBN deployment by ROV-friendly launch and recovery system

ROV首先從水下吊籃中取出OBN掛桿，然后使用七功能機(jī)械手逐個(gè)抓取OBN，根據(jù)水下定位指引將其放置于海底設(shè)計(jì)位置，如果某些OBN設(shè)計(jì)有插針，則在OBN放置到位后將其插針插入海床并在水下定位系統(tǒng)中進(jìn)行標(biāo)識(shí)記錄。如果放置某些OBN時(shí)有方位要求，可在ROV前端安裝綠色激光儀，通過(guò)ROV艏向結(jié)合激光儀的光束來(lái)輔助判斷OBN的方位并調(diào)整至設(shè)計(jì)方位角（圖9）。

圖9 綠色激光儀輔助判斷OBN方位Fig. 9 Green laser projector assisted for judging the heading of OBN

3.3 OBN回收

OBN鋪設(shè)、布放完成后，物探船到達(dá)設(shè)計(jì)震源點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)，OBN則在海底采集、記錄地震信號(hào)，待所有震源點(diǎn)激發(fā)完成后對(duì)OBN進(jìn)行回收。人工拋放部分，采用水面掛鉤纜繩可直接回收；而ROV布放部分則需由ROV逐個(gè)進(jìn)行水下抓取，再由OBN釋放系統(tǒng)回收至ROV支持船甲板。

3.4 布放回收過(guò)程中的應(yīng)急作業(yè)

工程作業(yè)型ROV通常配備有一個(gè)5功能和一個(gè)7功能機(jī)械手，同時(shí)可搭載各類型水下作業(yè)工具，具備水下解掛鉤、水下切割、吹泥、應(yīng)急打撈等作業(yè)能力，OBN布放回收過(guò)程中的應(yīng)急作業(yè)如下：

（1）若人工拋放段出現(xiàn)纜繩纏繞、鉤掛海底障礙物等情況，ROV可攜帶液壓剪或軟繩割刀進(jìn)行水下切割，并使用回收抓鉤進(jìn)行打撈回收；

（2）若出現(xiàn)人工拋放段起始點(diǎn)浮標(biāo)偏移丟失或者OBN掩埋情況，ROV可搭載吹泥工具進(jìn)行水下吹泥搜查。

4 發(fā)展前景

常規(guī)拖纜和海底電纜勘探作業(yè)受海洋區(qū)域影響較大。例如在近海區(qū)、禁采區(qū)、暗礁區(qū)等位置作業(yè)空間受限，傳統(tǒng)勘探過(guò)程都難以順利實(shí)施。離岸平臺(tái)方圓500 m都是禁采隔離區(qū)，不允許物探拖纜船靠近，平臺(tái)周圍的錨泊定位系統(tǒng)也限制了海底電纜勘探技術(shù)。除此以外，溝壑縱橫的海底地形也會(huì)影響海底電纜的布置[9]。而OBN作為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的檢波器獨(dú)立自主的布置在海底接收地震波，它既擺脫了電纜的束縛，又能夠在海底靈活部署，定位更準(zhǔn)、采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量更高，諸多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)加之海洋勘探逐步走向深水，采用ROV進(jìn)行OBN海底布放具有靈活性及精準(zhǔn)性的特點(diǎn)，勢(shì)必會(huì)在未來(lái)海洋地震勘探中得到越來(lái)越廣闊的應(yīng)用。

5 結(jié)論

ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)以及布放方式為提高ROV精確布放OBN的效率提供了一種可行性方案：

（1）單次最多可攜帶16個(gè)OBN至水下，ROV操作安全、高效，布放效率顯著提高；

（2）OBN掛桿采用重力自鎖設(shè)計(jì)，有效地防止及避免了OBN在釋放回收過(guò)程中發(fā)生意外脫落丟失；

（3）采用組合定位導(dǎo)航的形式，確保了OBN水下布放精度，深水區(qū)域布放精度在±5 m以內(nèi)；

（4）針對(duì)不同地質(zhì)的海床，為OBN配備標(biāo)識(shí)浮球、帶引線的固定插針、反光標(biāo)，回收OBN時(shí)ROV更容易發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，OBN回收完好率可達(dá)100%。

相比于傳統(tǒng)作業(yè)模式，無(wú)論是作業(yè)方式方法、布放精度、布放效率都得到了提高。但是，OBN釋放回收系統(tǒng)及布放方式仍需進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，才能適應(yīng)未來(lái)更大規(guī)模以及超深水OBN布放作業(yè)對(duì)布放精度、時(shí)效性的需求，ROV精確布放OBN技術(shù)有待進(jìn)一步的研究。