海洋技术▏海洋地震拖缆系统及其应用技术发展 - 海洋地质分析仪

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我国海洋面积辽阔，总面积近300万平方公里，共有渤海、黄海、东海、北部湾、珠江口、琼东南和莺歌海7个海洋油气盆地，其中蕴藏着大量的油气资源。随着我国综合国力的增强和向海经济的推进，海洋地质探测的步伐正在加快。海洋油气资源的充分探测有利于我国经济的进一步发展。但截至目前，我国仍有大面积的未探明海域。海洋地震拖缆技术是利用不同地质层回声特性的差异，确定海底地质层的分布，进而确定地质层中油气的位置。高效、准确的海洋地震拖缆技术是加快探索海底油气的有效手段。

自20世纪30年代中期以来，海洋地震拖缆技术经过了近一个世纪的发展，技术不断革新。在形式上，由单拖缆构成的2D拖缆系统发展到了由多道拖缆形成的3D拖缆系统；在分析技术上，以3D拖缆系统为基础，增加时间作业轴作为第4维度形成4D系统，提高了探测分析的效率。

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海洋地震拖缆技术复杂，绳索多，需要专用船舶进行布放和回收。海洋地震拖缆船舶的建造质量和数量在一定程度上可以反映一个国家、地区的地震拖缆技术水平。欧美、俄罗斯和日韩等国家或地区的地震拖缆技术发展较早，截至目前，已经累计建造了百艘海洋地震拖缆船舶。我国地震拖缆技术的快速发展始于21世纪初，截至目前，已经自主建造了“海洋地质六号”“海洋地质八号”“海洋地质九号”“海洋石油718”“海洋石油719”“海洋石油720”“海洋石油721”和“发现6”号等海洋地震拖缆船舶。其中，“海洋地质八号”“海洋石油720”“海洋石油721”和“发现6”号是典型的3D多拖缆的科考船，其他船舶虽然以2D拖缆系统为主，但可以升级到多拖缆的3D系统。在物探拖缆船舶的建造方面，上海船厂船舶有限公司建造了多艘拖缆船舶，积累了丰富的经验。

我国的地质调查系统和石油系统已经有了一定规模的先进的地震拖缆系统船舶，在满足我国临海探测需求的同时，也在积极参与远洋海区的地质调查。2016年，“海洋石油720”在北极海域完成了地质勘探；2017年，“海洋地质六号”在南极海域勘探了地质情况。此外，我国建造的“海洋地质十号”正积极参与印度洋的地质勘探。

一、海洋地震拖缆系统简介

⒈系统组成

海洋地震拖缆系统是根据不同地质层回波特性的差异确定地质层分布的。拖缆系统如图1所示，系统的组成主要分为船上部分和水中部分：船上部分包括拖缆的布放回收装置、数据分析系统和综合导航系统；水中部分主要包括震源枪、导向器（扩展器）、首部浮标、拖缆、绳索、尾部浮标和水鸟系统等。导向器提供侧向的张力，将多道缆拉开，缆之间通过浮标连接有绳索，绳索的拉力与导向器的张力平衡，形成多缆的平行运行。为了避免水面环境扰动与声学噪声的影响，拖缆系统的声学接收部分通常运行在水下一定深度，由挂载在拖缆上的水鸟系统调节深度。拖缆的首尾端都连接有浮标，首端浮标固定，而尾端浮标有一定阻力，两浮标的作用是张紧拖缆，避免拖缆的随意摆动。

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图1  海洋地震拖缆系

系统中包含的缆索多，有专门的布放回收装置辅助。并且，为了避免缆索缠绕，布放回收过程非常缓慢，对于多缆系统，通常需要数小时，甚至1天。拖缆的布放是在船舶航行时进行的，布放顺序是：①布放外侧拖缆尾部浮标；②布放外侧拖缆，在拖缆布放过程中添加挂水鸟系统；③外侧拖缆布置好后，再布放两端的导向器；④导向器向两端拉紧后，再依次布放其他拖缆。

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⒉工作原理

海洋地震拖缆技术是利用不同地质层回声特性的差异，确定海底地质层的分布，工作原理与医用CT仪类似。拖缆系统工作时，系统中的震源枪首先启动，以组为单位向水底发射声波，发射间隔通常在10s以内。声波达到海底后激发地质层的震动，地质层震动产生的回波由声学装置接收，每个声学接收装置都会接收不同时间、不同震源的回波，数据量极大。将数据汇总，通过与地质层数据进行对比分析计算，确定地质层的分布。海洋地震拖缆系统的工作过程如图2所示。

图2  海洋地震拖缆工作原理

二、海洋地震拖缆控制

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拖缆是地震拖缆系统的主要部件，拖缆整体密封，内部设置有电缆和密集布置的声学探头。拖缆长度多为3000m～6000m，在有特殊需求时可达10000m。多缆系统中拖缆的间距通常为20m～100m，根据探测需求的不同，研究人员也在探索小道距与大道距拖缆系统的效果。水动力性能良好的拖缆可以降低拖缆在水中的随机摆动，在拖缆特性研究方面，上海交通大学做了大量研究。

拖缆系统中的准确位置反馈对系统的准确控制至关重要，通常在系统的水面漂浮物上安装差分全球定位系统（GPS），准确定位各节点相对船体的位置。水下部分中，由安装在声学鸟中的声学定位装置探测各个声学鸟之间的相对位置。由于水下通信存在延时以及水下环境干扰多变的特性，往往需要快速预测拖缆系统的运动。目前应用得较多的是Kalman滤波预测方法，该方法根据运动模型、干扰信息和反馈的位置数据做融合滤波，实时推算概率较大的实际位置。水上和水下定位数据构成完成的定位网络，为系统的可观测、可控制做铺垫。

拖缆系统中的可控部件是前端导向器和水鸟系统。通过改变前端导向器的角度可以调节张紧的拉力。水鸟系统包含用于姿态反馈的声学水鸟和用于调节姿态的罗经水鸟，2种水鸟在拖缆上相间布置。其中，声学水鸟中配置有声学定位装置，可以探测与同缆或其他缆上声学水鸟的相对距离，进而完成拖缆的水下定位。

罗经水鸟根据深度值和偏航信息调节姿态，早期的罗经水鸟主要调节深度，深度控制精度在1m以内。随着控制需求的提升，为了更好地克服船舶艉流和横向流的影响，先进的罗经水鸟也有调节航向的能力，也有部分拖缆系统专门增加横向水鸟调节航向。图3为3种比较先进的罗经水鸟。

图3  可控深度与航向的罗经水鸟

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WesternGeco公司的Q-Fin系统通过将Q-Fin上的传感器采集到的数据与导航系统技术的数据进行比较，计算出驱动拖缆所需要改变的水翼角度；通过点击驱动水翼产生升力，进而调整拖缆的位置和姿态。Q-Fin系统既能控制拖曳系统的水平位置，又能控制拖缆的深度。Sercel公司的Nautilus系统采用3水翼形式，既能精确控制拖缆深度，又能优化拖缆间的水平距离。

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Kongsberg公司的eBird控制器是一个综合优化了流动噪声、水平操纵和深度控制的系统，具有嵌入式本体、可拆卸水翼和低噪声的水翼设计，能进一步提高勘探作业效率。

三、结论

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海洋地震拖缆技术已经成为海洋地质和油气勘探的最主要装备。其技术不断成熟，可根据不同的情况，对拖缆数量和拖缆长度等进行配置。海洋地震拖缆系统在技术上仍在不断发展：

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⑴在应用上，高分辨率和高效性是地震拖缆系统的发展方向，主要通过增加拖缆的数量、缩减拖缆道距、提高探测频率、精简施工和提高地震分析仪能力等手段实现。

⑵在拖缆系统船舶制造方面，多道拖缆船舶仍然有制造需求。

⑶在综合分析系统上，我国地震拖缆技术虽然有了一定的技术积累，但在地震分析系统的研制上仍存在短板，我国物探船上应用的多是法国Sercel、美国ION和美国Hydroscience等公司的设备，综合分析系统的研制是我国急需解决的问题。

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【作者简介】文/陆响晖 甘霏斐 杨勇，均来自中国船舶及海洋工程设计研究院；文章来自《船舶工程》（2021年第9期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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