集水下導(dǎo)航測量設(shè)備于一體的裝置設(shè)計(jì)

李士濤，劉海強(qiáng)，宋潛新，劉建為，蓋廣輝

(東方地球物理有限責(zé)任公司海洋物探分公司，天津 300457)

1 引 言

受國際油價(jià)的影響，石油行業(yè)受到了很大的沖擊?？碧酵度氲某杀敬蟠笙鳒p，作為乙方服務(wù)行業(yè)需以降低項(xiàng)目運(yùn)行成本、提高生產(chǎn)效率為措施，實(shí)現(xiàn)企業(yè)盈利。目前海洋地震勘探船舶通常將洋流儀、聲學(xué)測深儀通過船底開孔方式安裝固定，或?qū)⒍味ㄎ辉O(shè)備以升降桿方式固定安裝。當(dāng)須更換損壞探頭、清理海洋污垢、設(shè)備更新更換時(shí)，需要船舶上船塢方可進(jìn)行。升降桿方式則需要回收收縮桿并將海底門關(guān)閉，進(jìn)行密閉空間作業(yè)進(jìn)行清潔，存在著一定的安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。以上設(shè)備安裝方式，不僅僅要消耗大量的時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本，而且存在一定的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。本文通過分析海上地震采集所涉及的導(dǎo)航設(shè)備信號采集原理和方式，如洋流儀、測深儀、二次定位、超短基線等，設(shè)計(jì)一種集水下導(dǎo)航探測設(shè)備于一體的裝置。

2 研發(fā)需求

設(shè)計(jì)一種集多種導(dǎo)航聲學(xué)設(shè)備探頭一起的裝置，并采用“側(cè)掛式”固定于船舷一側(cè)旋轉(zhuǎn)收放,改變以往采用“船底式”安裝洋流儀、測深儀方法或者單獨(dú)安裝的導(dǎo)航定位設(shè)備[1,2]。通過改變安裝方式和設(shè)計(jì)集成探頭，以實(shí)現(xiàn)降低地震采集項(xiàng)目設(shè)備安裝成本以及提高設(shè)備更換、使用的便捷性;同時(shí)，在很大程度上降低設(shè)備維護(hù)的安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3 導(dǎo)航設(shè)備采集原理

海底節(jié)點(diǎn)地震采集施工所涉及的導(dǎo)航水下測量設(shè)備均采用聲波在海水中發(fā)射、傳播、接收的規(guī)律進(jìn)行地球物理勘探輔助測量，主要包括測深儀、洋流儀、二次定位系統(tǒng)、超短基線定位系統(tǒng)等。其換能器發(fā)射頻率不同(表1)，聲學(xué)信號不互相干擾，頻率也決定了測量量程[3,4]。超短基線(Ultra-short Baseline,USBL)和長基線(Long Baseline,LBL)因?yàn)槭褂孟嗤膽?yīng)答器，頻率相同，但這兩套設(shè)備受采集任務(wù)區(qū)分，都是獨(dú)立使用，不同時(shí)開啟，相互間不存在聲學(xué)干擾現(xiàn)象。

表1 海底節(jié)點(diǎn)采集導(dǎo)航設(shè)備頻率

3.1 測深儀(Echo Sounder)

聲波速度為關(guān)鍵參數(shù)，主要受海水的鹽度、溫度和深度影響。一般對于深水、渾水、軟海底水域測深，采用低頻(低于50 kHz)大功率換能器，頻率越低，精度越低。較淺的清水硬底水域測深，可選用高頻(200 kHz)換能器。

3.2 洋流儀(Acoustic Doppler Current Profiler)

利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測量。用于海洋地球物理勘探ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)換能器通常為3～4個(gè)，ADCP軸線與換能器成一定角度，聲波換能器作為傳感器發(fā)射和接收信號。換能器發(fā)射短脈沖和長脈沖聲波，遇到水體中不均勻分布的顆粒物、浮游生物等散射，由換能器接收信號，經(jīng)測定多普勒頻移而計(jì)算波束向的相對速度。

聲學(xué)多普勒頻移，即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差由式(1)確定[5,6]：

Fd=2FsV/C

(1)

其中，F(xiàn)d為聲學(xué)多普勒頻移(kHz)，F(xiàn)s為發(fā)射聲波頻率(kHz)，V為顆粒物沿聲束方向的移動速度(即沿聲束方向的水流速度,m/s);C為聲波在水中的傳播速度(m/s);2為系數(shù)。

此時(shí)測得的“速度”是船速和流水速度的矢量和。采用底跟蹤技術(shù)，由海底的回波測量海底相對于物探船舶ADCP的運(yùn)動，通過海底回波多普勒頻移計(jì)算船速，進(jìn)而得到洋流的真實(shí)速度[7,8];其中，船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)(艏向heading，縱搖pitch，橫搖roll)對地震勘探船舶航行時(shí)發(fā)生的搖擺進(jìn)行修正[9]。

3.3 聲學(xué)二次定位(Acoustic Secondary Positioning)

聲學(xué)定位系統(tǒng)的工作原理采用圓圓定位原理和最小二乘法統(tǒng)計(jì)技術(shù), 把GPS(Global Positioning System,GPS)定位和聲納測距結(jié)合在一起間接定位[10-12]。換能器產(chǎn)生一種聲納信號發(fā)射給聲學(xué)應(yīng)答器，聲學(xué)應(yīng)答器再返回一個(gè)聲納信號給DAU(Data Analysis Unit)，DAU將收到的信號進(jìn)行處理，以確定聲學(xué)應(yīng)答器的組號、ID號以及聲納信號往返的時(shí)間，DAU將這些信號再傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過處理便可得到換能器與應(yīng)答器間的距離(圖1)。每個(gè)應(yīng)答器至少要得到4個(gè)以上有效的測距值，測距值是由聲波速度乘以聲波時(shí)差得到。但在實(shí)際工作中需要更多的點(diǎn)提供冗余計(jì)算，再通過最小二乘法擬合確定出聲學(xué)應(yīng)答器在海底的實(shí)際位置。

圖1 聲學(xué)二次定位工作原理示意Fig.1 Working principle diagram of acoustic secondary positioning

圖2 超短基線定位原理及坐標(biāo)系統(tǒng)[7]Fig.2 Ultra-short baseline positioning principle and coordinate system of USBL system

3.4 超短基線(Ultra—short Baseline)

超短基線水下定位系統(tǒng)主要由發(fā)射接收機(jī)(Transceiver)、導(dǎo)航控制單元(Navigation Controller Unit)、應(yīng)答器(Transponder)組成[13];換能器基陣由一個(gè)發(fā)射換能器基元和4個(gè)接收換能器基元構(gòu)成[14]，通過測定聲單元的相位差來確定換能器到目標(biāo)的相對方位角,同時(shí)通過測定聲波傳播的時(shí)間來確定換能器與應(yīng)答器的距離，再利用聲波剖面修正波束線，最終確定聲基陣與水下拖體目標(biāo)的相對距離，從而確定目標(biāo)的相對位置[15](圖2)。在實(shí)際的海上地震勘探應(yīng)用過程中，還配備有船舶的GPS定位系統(tǒng)、電羅經(jīng)、高精度姿態(tài)傳感器(橫搖(roll)、縱搖(pitch)及船艏向(yaw)資料, 用于實(shí)時(shí)校正超短基線的姿態(tài))等以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)高精度定位[16-18]。

4 方案設(shè)計(jì)

集水下導(dǎo)航測量設(shè)備于一體的裝置采用不銹鋼材質(zhì)制作，通過電機(jī)絞車對側(cè)掛式收放桿進(jìn)行收放。該設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)主體部分：聲學(xué)收放桿裝置和水下探頭集成裝置。

圖3 聲學(xué)收放桿裝置Fig.3 Device of acoustic retrieval and deployment rob

4.1 聲學(xué)收放桿裝置

4.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為聲學(xué)收放桿裝置。該裝置采用直徑為30～40 cm的收放桿，內(nèi)壁厚度為5 cm的空心鋼管，聲學(xué)桿子強(qiáng)度要求水下部分能夠支撐船舶航行在3～4節(jié)航速所產(chǎn)生的海水沖擊。收放桿頂端焊接于船舷一側(cè)船舶支撐點(diǎn)，強(qiáng)度滿足船級社要求[18,19]。且頂部裝有固定可旋轉(zhuǎn)軸承，中下部外側(cè)設(shè)置吊點(diǎn)，其通過鋼絲繩連接甲板上的電驅(qū)輔助電絞車對聲學(xué)桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式收放。聲學(xué)收放桿船艏尾方向兩側(cè)分別焊有導(dǎo)流裝置，以避免海流對收放桿的沖擊造成桿體的振動而導(dǎo)致的采集信號假頻。末端采用法蘭結(jié)構(gòu)與水下探頭集成裝置相連，并在側(cè)面裝有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)裝置，以保證兩部分主體連接強(qiáng)度。

4.1.2 考慮因素

1)海平面淺層有無數(shù)受破碎波浪產(chǎn)生的氣泡，受氣泡吸收和聲能反射作用，其主要影響聲波在水中的傳播。因此，收放桿長度制作根據(jù)船舶的最大吃水深度，滿足收放桿末端探頭在船底下部1.5 m以上，以減少自生噪聲的影響，確保信號采集。

2)推進(jìn)式螺旋槳產(chǎn)生的機(jī)械噪聲是大多數(shù)船舶的主要噪聲源。噪音通過海水傳播，嚴(yán)重影響換能器信號的發(fā)射與接收。因此，聲學(xué)收放桿的安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離螺旋槳推進(jìn)器產(chǎn)生氣泡位置。

3)聲學(xué)收放桿在水下的支撐強(qiáng)度將決定采集信號的保真性，故在船舶水下側(cè)舷裝有與收放桿相匹配的卡箍裝置，以避免海流對收放桿的沖擊而導(dǎo)致的采集信號假頻。

4)船底的湍流對換能器的信號影響較大，換能器的安裝位置應(yīng)盡量避開湍流，所以安裝在船體前1/3～1/2處(圖4)。

圖4 聲學(xué)收放桿船舶安裝位置示意Fig.4 Sketch of acoustic retrieval and deployment rob installation on vessel

4.2 水下探頭集成裝置

主體采用集成探頭設(shè)計(jì)(圖5)，通過法蘭及外部側(cè)面的支撐臂將集成探頭與收放桿結(jié)合。采用可拆卸設(shè)備及法蘭將超短基線、洋流儀、測深儀、二次定位4種設(shè)備探頭固定，各個(gè)探頭外部設(shè)有鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置，其長度略低于探頭外沿，以確保信號采集無遮擋。設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置，一方面能夠起到保護(hù)聲學(xué)探頭的作用；另一方面將各個(gè)探頭物理性分割，避免電磁干擾現(xiàn)象[20,21]。內(nèi)部設(shè)置有穿線孔，用于設(shè)備走線將探頭與在船導(dǎo)航主體設(shè)備連接，所采用的供電或者信號電纜均滿足行業(yè)要求，存在屏蔽層。集成探頭安裝向船艏一側(cè)也裝有導(dǎo)流裝置，進(jìn)一步減少海流對集成探頭的沖擊。

圖5 水下探頭集成裝置Fig.5 Underwater probe integration device

5 應(yīng)用效果

該設(shè)計(jì)適合水深10 m以上海底節(jié)點(diǎn)地震采集施工，采用“側(cè)掛式”收放并將采集所涉及的導(dǎo)航設(shè)備集成到一起，可行性和便捷性較高。采用“船底式”安裝需要船舶上塢，操作過程中存在磕碰導(dǎo)致聲學(xué)設(shè)備損壞的隱患。還需要在船底開洞穿線，安裝導(dǎo)流罩，整體工程量較大，費(fèi)用較高。如果采用“側(cè)掛式”安裝可以有效地避免采用“船底式”方式時(shí)設(shè)備損壞船舶需要上塢所消耗的項(xiàng)目運(yùn)行成本。

該設(shè)計(jì)在南海水域OBN(OBN,Ocean Bottom Node,海底節(jié)點(diǎn)采集)施工中得到了成功的應(yīng)用。由于設(shè)備的頻率不同，各個(gè)設(shè)備發(fā)射和回收的信號互不干擾(USBL和二次定位不同時(shí)使用)，如圖6所示，在進(jìn)行聲學(xué)定位時(shí)，同時(shí)采集的洋流儀數(shù)據(jù)，測深儀數(shù)據(jù)，OBC12數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定，信號跳變較少。本文針對“船底式”和“側(cè)掛式”聲學(xué)集成探頭兩種方式所采集的聲學(xué)二次定位數(shù)據(jù)和測深儀數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比(圖7)，誤差分別小于1 m和0.5 m，均符合行業(yè)要求。集成探頭洋流儀數(shù)據(jù)按照10 s采樣，所獲得的每層數(shù)據(jù)齊全，滿足行業(yè)要求。超短基線采用自校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)結(jié)果較好，且與聲學(xué)二次定位結(jié)果對比誤差較小，可用于實(shí)時(shí)指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)。

圖6 四種導(dǎo)航測量設(shè)備集成于一體的裝置在南海水域OBN勘探的應(yīng)用Fig.6 Application of the device integrating four kinds of navigation and measurement equipment in OBN exploration in South China Sea

圖7 船底式探頭與側(cè)掛式集成探頭聲學(xué)二次定位誤差和測深儀水深誤差對比Fig.7 Comparison of acoustic secondary positioning error and depth error of echo sounder with vessel bottom method and sidemount method of integrated probe

6 結(jié) 語

受全球疫情和國際油價(jià)的雙重影響，海上石油勘探面臨嚴(yán)峻的形式。在保證地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的前提下，如何提高作業(yè)效率、壓縮作業(yè)成本和優(yōu)化采集裝備成為了勘探公司的主要課題。本文根據(jù)海上地球物理勘探導(dǎo)航設(shè)備應(yīng)用的最新現(xiàn)狀，通過分析OBN勘探中涉及導(dǎo)航測量設(shè)備的工作原理和采集頻率，全面考慮各個(gè)采集設(shè)備的影響因素，如湍流、螺旋槳推進(jìn)器、假頻問題、集成探頭深度等，有效地將4種導(dǎo)航設(shè)備集成在同一個(gè)聲學(xué)桿集成探頭內(nèi)。該設(shè)計(jì)分為2個(gè)主體部分，聲學(xué)收放桿裝置和水下探頭集成裝置。其采用法蘭固定和連接，焊接點(diǎn)、固定點(diǎn)及聲學(xué)桿強(qiáng)度均滿足船舶要求。

該裝置研發(fā)和應(yīng)用的成功，推動了海上物探裝備的革新，徹底地避免了傳統(tǒng)“船底式”、“收縮桿式”等安裝方式造成的經(jīng)濟(jì)成本的消耗，降低了海上勘探設(shè)備投入的成本。同時(shí)，大大地降低了人員高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)幾率。