深拖在深水崎嶇海底作業的研究

陶 華，羅進華，李彥杰，聶明濤

（1.中海油田服務股份有限公司，天津300451；2.中石油集團東方地球物理公司吐哈物探處，哈密839000）

深拖在深水崎嶇海底作業的研究

陶 華1，羅進華1，李彥杰1，聶明濤2

（1.中海油田服務股份有限公司，天津300451；2.中石油集團東方地球物理公司吐哈物探處，哈密839000）

利用深拖系統搭載多波束測深系統、側掃聲納系統及淺地層剖面系統等設備在深水區進行海洋工程勘察的技術在國內已經得到應用。深拖系統在深水崎嶇海底作業時，海底地形的突變對作業影響極大，引起深拖設備安全、資料質量下降和測量精度降低等問題。采用區域踏勘的方法可以預知工區水深，為深拖作業提供安全保障。采用海底歸位和綜合解釋可以解決“假海底”和淺剖資料不佳的問題。ROV搭載壓力傳感器可以獲得預定某點的高精度水深值。這些方法在南海東部的白云和流花區塊的項目中已得到應用。

深拖系統；崎嶇海底；海洋工程勘察；南海大陸坡

深拖是深水井場調查中的常用設備。它是將一種或幾種海洋調查儀器進行組合安裝在同一個拖體上，將拖體沉放到預定深度來減少水體對調查精度等影響的設備。利用深拖進行調查時因為拖體位于水下，且距離調查船較遠，不可控因素較多。當海底較平坦時，深拖作業時拖體距離海底的高度一般在40～70 m，高度較好控制，獲得的資料精度高，清晰度好；當海底崎嶇不平時，深拖在水中的姿態起伏不定，拖體高度難以控制，帶來了拖體安全、資料質量和測量精度下降等問題，本文主要根據海上實際作業中遇到的問題，研究深拖在深水崎嶇海底作業的難點及解決方法。

1 深拖系統的組成及搭載的設備

深拖系統作為載體可以根據需要搭載相關物探或水文調查設備，一套深拖系統主要由拖體絞車及拖纜、甲板控制單元組成。

1.1深拖系統的組成（以DT-1拖體為例）

DT-1拖體的體積L 305 cm×W 92 cm×H 104 cm，總重量910 kg，額定工作水深3 000 m，正常工作速度2～3.5 kn，作業環境：風力≤6級，浪高≤2 m。

DT-1深拖系統主要由拖體、臍帶纜、壓載器、拖纜、絞車及甲板控制單元組成（圖1）。拖體搭載多波束測深系統、側掃聲納系統、淺地層剖面儀以及輔助傳感設備（MRU、CTD、壓力傳感器、多普勒計程計、高度計和聲信標等）。拖體深度與拖纜長度的經驗比1：2～1：3，采用萬米拖纜絞車，為承受較大的拉力，拖纜采用直徑相對較粗的18 mm鎧裝同軸電纜，能承受20 t拉力，配套的絞車本身體積也較大，占用較大的船甲板空間。測量船舶為配合拖體作業，通常在船尾配備A型架或航車以方便拖體下水和回收作業［1］。DT-1拖體具有正浮力，在作業時依靠550 kg的壓載器將拖體沉入深水中，拖體通過50 m臍帶纜和壓載器連接，可實現海底微地形、微地貌和淺層結構的高分辨率探測，滿足深水區海底的精細探測要求［2］。

1.2深拖系統搭載的專業設備

深拖作業時，調查船提前對準測線，保持勻速直線航行，在拖體和壓載器入水后不斷放纜，當拖體沉降到預定深度后，母船拖曳拖體沿設計測線開始測量。作業中，拖體上搭載的各種設備同時工作，采集各種數據：Sonardye RangePro型超短基線（USBL）用于與母船（雙船定位時的定位船）實時聯系，確定拖體位置；Kongsberg EM 2000型多波束系統采集水深數據，深度分辨率可達1 cm；Edgetech 2400型淺地層剖面系統采集海底以下淺部地層信息（海底至海底以下30 m），垂直分辨率達0.2 m；Edgetech 2400型側掃聲納系統采集海底地貌特征信息，410/120 kHz雙頻；Kongsberg高度計獲取拖體距離海底的高度信息（圖2）。

圖1 DT-1系統組成Fig.1DT-1 system

圖2 DT-1搭載的設備Fig.2Equipment of DT-1 system

為提高測量精度，DT-1拖體搭載的調查設備為淺水型，設備對拖體的高度很敏感。拖體高度過高（經驗值100 m以上）調查資料的質量和精度都將下降。因此，維持一定的離底高度是深拖作業獲取高質量測量數據的關鍵。

2 深水崎嶇海底作業難點及解決方案

2.1設備安全

設備安全是深拖作業的首要風險，深水調查設備的價格昂貴，項目投資大，工期要求嚴格，設備丟失帶來的直接和間接損失往往很大。由于拖體是依靠拖纜收放和船速來調節其距離海底的高度，作業時拖纜一般在2 000～4 000 m，常用拖纜絞車平均速率0.5 m/s，拖體高度響應速率0.17 m/s，拖纜收放和船速在調節拖體高度方面存在滯后性。海底起伏較大時，拖體距離海底的高度難以控制，太高了資料質量差，采集的數據密度底，太低了拖體觸底風險增加。

解決方案：利用船載深水多波束進行區域踏勘，查明區域內的大致水深和地形變化情況。船載多波束距離目標海底太遠，水深精度和水深點密度都不能滿足鉆井船就位和作業的需要，但這些數據可以為深拖作業服務。將船載多波束采集的數據處理后加載到導航系統中，可以在深拖作業中預知拖體前方的水深變化趨勢，提前收放拖纜。踏勘獲得的數據還可以為深拖測線設計提供依據，深拖主測線應當盡量平行于水深等值線，降低水深急劇變化對深拖的影響。

2.2資料采集

在深水崎嶇海底作業時，拖體在水中的姿態不穩定，高度不斷變化，這樣就造成兩個問題：一是有效地貌資料不能全覆蓋調查區域，這是因為拖體距離海底的高度增大時側掃聲納盲區也增大，有效資料的覆蓋范圍減小，拖體受海流等影響偏離設計測線，形成地貌覆蓋“空白區”；二是淺地層資料失真，拖體姿態不穩導致淺剖資料中的海底及地層隨拖體起伏變化，形成虛假的地形起伏，即“假海底”現象。

解決方案：（1）對于地貌資料的“空白區”，除關注拖體高度，實時調節之外，適當的加密測線，利用多波束后散射數據綜合解釋。（2）對“假海底”現象可以采用“海底歸位”技術。將多波束的水深值網格化輸出，從淺地層剖面數據中提取道頭坐標，根據該坐標在水深網格中搜索、插值得到對應的水深值，接著將該水深轉換為時間間隔，根據淺地層剖面數據的采樣間隔在每道數據前填充“空白”數據［2］。淺地層剖面資料質量不佳時還可用大能量的電火花設備采集的地層剖面資料補充。

2.3測量精度

測量精度的下降是深水崎嶇海底面臨的又一難題，這在測深調查中尤為突出。水深始終是海洋工程勘察中最重要的數據之一。深拖采集的水深數據由兩部分組成：拖體至海面的水深值由拖體內的壓力傳感器獲取；拖體至海底的水深值由拖體內的多波束探頭獲取，二者之和即為實際的水深值。在深水崎嶇海底的作業時，多波束換能器發射接收的頻率受到限制，導致采集數據的密度在沿著航跡和垂直于航向上均減小，崎嶇的海底也使聲波傳播過程中受折射、散射的影響增加，這都使水深精度降低。

解決方案：提高水深測量精度的方法：（1）增加聲速測量站；（2）減小多波束的波束開角，減少其對邊緣波束的影響；（3）多種測量方法并用，除了深拖多波束外，鉆孔實測水深（鉆桿測量）、CTD溫鹽深測量、海底高精度壓力傳感器測量（US?BL精確定位）。

3 實例應用

現場作業中利用以上的措施降低了崎嶇海底對深拖作業的影響。例1：BY5-2-1井場位于南海北部大陸坡的海底峽谷區，南海北部陸坡油氣資源豐富，近年來相繼開發了荔灣（LW）、白云（BY）、流花（LH）等區塊，但該區海底起伏不平，平均坡度0.013°～0.023°［3］。

3.1區域踏勘

利用EM302型船載多波束系統和Geo?Source 800型電火花系統進行區域踏勘。圖3左側為南海東部某井場A的多波束踏勘數據，可見水深變化劇烈，在10× 10 km內，水深由323.9 m急劇變為935.6 m，海底坡度達25°。在深拖作業時，導航系統利用踏勘數據，及時的收放拖纜。既保證了設備安全，又獲得了相對高質量的資料。圖3右側為A井場深拖多波束數據，資料質量和精度都比踏勘數據高。

圖3 多波束踏勘和深拖數據Fig.3Bathymetry map（MBES）

3.2加密測線、資料互補、綜合解釋

在A井場調查時，在預定井位周邊200 m范圍內加密了測線（線距50 m），這樣采集的地貌資料全覆蓋了井場的中心部分。除加密測線外，利用多波束采集的反向散射強度數據可以得到海底沉積物的變化［4］，彌補地貌資料的不足。為了彌補淺地層剖面資料不足，在A井場踏勘時進行了電火花地層剖面調查（圖4），利用電火花資料與深拖系統的淺地層剖面資料互補，綜合解釋。

圖4 電火花地層剖面Fig.4Sparker profile of BY5-2-1 Site

3.3海底歸位解決“假海底”現象

DT-1拖體搭載的Edgetech 2400型淺地層剖面系統，該系統使用的EdgeTech軟件以jsf格式記錄數據，后處理時需要轉換為常用的sgy格式。EdgeTech軟件將jsf淺剖數據轉換為sgy格式時會丟失拖體在水中的高度信息，使拖體的升降在淺剖上形成虛假的海底起伏地形，見圖5左側。采用在淺剖數據中加入真實水深的“海底歸位”技術解決了這一難題，見圖5右側真實淺剖資料。

圖5 “海底歸位”前后對比圖Fig.5Sub?bottom profile of BY5-2-1 Site

3.4特殊測量方法提高測深精度

高精度的水深值在海洋工程中極其重要，它關系到鉆井船就位、平臺導管架設計等一系列海洋工程業務，關乎整個項目的安全和成敗。對于某些特殊項目，水深精度要求更高。

例2：南海東部某區塊張力腿平臺項目中，預定井位位置水深誤差限值±0.5 m，國家《海道測量規范》中水深精度要求≤2％（水深100 m以上），項目要求遠高于國家規范。在流花平臺場址調查中采用了多種測量方式：船載單/多波束、ROV搭載多波束、鉆孔水深+單波束、深拖多波束、CTD和ROV搭載壓力傳感器。其中ROV搭載壓力傳感器的測量方式：ROV搭載壓力傳感器（精度0.01％水深）和USBL（提供定位數據）至預定井位位置穩定約30 min獲得的連續水深值。對比各種測量方法后發現，此方法獲得的水深值與真實的水深值（通過多次測量和數學統計獲得）最接近（表1）。

表1 多種水深測量方式對比Tab.1 Multiple measurement methods

4 結束語

本文主要分析了深拖在深水崎嶇海底作業中遇到的問題：設備安全、資料采集和測量精度，并提出了區域踏勘、方案優化和海底歸位等解決辦法，為提高深拖在深水崎嶇海底作業的安全性和數據質量提供思路。

［1］湯民強，畢永良.深海路由勘察中深拖與AUV的技術對比［J］.海洋測繪，2008，28（6）：79-82. TANG M Q，BI Y L.Technical Comparison of Deep?Tow and AUV in Deep Water Route Survey［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2008，28（6）：79-82.

［2］羅進華，朱友生，張寶平，等.深拖系統在南海深水工程勘察中的應用［J］.物探裝備，2013，23（6）：393-396. LUO J H，ZHU Y S，ZHANG B P，et al.Deep tow system and its application in the deep?sea survey of South China Sea［J］.Equip?ment for Geophysical Prospecting，2013，23（6）：393-396.

［3］馮文科，鮑才旺.南海地形地貌特征［J］.海洋地質研究，1982，2（4）：80-93. FENG W K，BAO C W.Topography and geomorphology of the South China Sea［J］.Marine Geology Research，1982，2（4）：80-93.

［4］唐秋華，周興華，丁繼勝，等.多波束反向散射強度數據處理研究［J］.海洋學報，2006，28（2）：51-55. TANG Q H，ZHOU X H，DING J S，et al.Study on processing of multibeam backscatter data［J］.Acta Oceanologica Sinica，2006，28（2）：51-55.

Research of deep?tow operation in deep?sea of rough seabed

TAO Hua1,LUO Jin?hua1,LI Yan?jie1，NIE Ming?tao2
（1.Geophysical?China Oilfield Services Limited,Tianjin 300451,China；2.Tuha Division,BGP Inc.,CNPC,Hami 838000,China）

The technology in which deep?tow system carries the multi?beam echo system,side scan sonar sys?tem and shallow profile system has been used in the deep water geophysical investigation.When deep?tow system works in the deep water of rough seabed,the sudden changes of the underwater terrains have great influences on its operation,which causes a lot of problems such as the safety of the deep?tow,low quality of the data,low accuracy of the measurement,etc.Regional exploration can predict the water depth of the survey field to provide security for the deep?tow operation.Underwater homing and comprehensive interpretaion can solve false seabed and poor side scan data.ROV carrying pressure transducer can promote water depth accuracy of some predetermined point.Above all have been used in the projects such as BY and LH Blocks in the east of the South China Sea.

deep?tow system;rough seabed;ocean engineering geophysical investigation;continental slope in the South China Sea

P 715

A

1005-8443（2016）02-0213-04

2015-10-14；

2015-12-03

陶華(1983-)，男，江蘇省人，工程師，主要從事海洋工程勘察方面的研究。

Biography：TAO Hua（1983-），male，engineer.