中國海油高精度地震勘探采集裝備技術研制與應用*

阮福明 吳秋云 王 斌 曹占全 朱耀強

(中海油田服務股份有限公司物探事業部 天津 300451)

中國海油高精度地震勘探采集裝備技術研制與應用*

阮福明 吳秋云 王 斌 曹占全 朱耀強

(中海油田服務股份有限公司物探事業部 天津 300451)

隨著海上油氣勘探技術的發展和勘探目標的日益復雜化，對地震采集的測量動態范圍、精度及分辨率的要求日益提高，迫切需要研發高精度海上地震勘探裝備。為打破國外技術封鎖和壟斷，近年來中海油服攻克難關，自主研制了一系列完全知識產權的高精度地震采集裝備和技術，包括“海亮”高精度拖纜地震采集系統、“海燕”拖纜定位與控制系統、“海途”綜合導航系統及“海源”氣槍震源控制系統。多次海上試驗及生產應用表明，利用自主研發的高精度地震采集裝備采集到的數據具有高保真度、高帶寬、高分辨率等特點，其核心技術指標達到了國際同類產品的先進水平，填補了我國在該領域的技術空白，全面提升了我國海上油氣勘探技術的核心競爭力。

中國海油；高精度地震勘探；采集裝備與技術；“海亮”高精度拖纜地震采集系統；“海燕”拖纜定位與控制系統；“海途”綜合導航系統；“海源”氣槍震源控制系統

隨著各種勘探技術的不斷發展以及勘探目標的日趨復雜，海洋油氣勘探面臨諸多挑戰，迫切需要地震勘探裝備能夠提供更高質量的勘探資料。目前，高精度地震勘探技術已逐漸成為實際勘探作業的主要手段之一[1-6]，其發展的途徑主要有提高空間采樣率，減小采集面元，更好的震源控制技術、拖纜姿態控制技術以及相應的處理解釋技術等。國際上高精度地震勘探技術已有3 種典型代表:以PGS 為代表的HD3D技術、CGGVeritas的Eys-D技術、WesternGeco的Q技術。由于起步較晚，我國的物探地震設備幾乎全部依賴進口，而且受制于技術壁壘，高精度地震勘探技術發展緩慢[7-8]。

為改變我國海上地震勘探裝備依賴進口的現狀，打破國外技術封鎖和壟斷，從“十五”起中海油田服務股份有限公司(簡稱中海油服)依托國家“863計劃”課題，逐步開展海上高精度地震勘探采集裝備技術的研發。“十五”期間，依托“863計劃”子課題“時移地震采集關鍵設備研制”，開展了關鍵核心系統——拖纜采集系統的研制，形成了試驗樣機;“十一五”期間，依托“863計劃”子課題“海上高精度地震采集設備研制”，開展了海上地震裝備技術攻關，形成了拖纜地震采集系統、拖纜定位與控制系統兩套工程樣機;“十二五”期間，依托“863計劃”課題“深水高精度地震勘探系統成套化研制”，在前期成果基礎上，開展了海上高精度成套物探裝備及核心技術研制，成功研制出具有完全自主知識產權的“海亮”、“海燕”、“海途”、“海源”等4套高精度地震采集裝備和技術，已進行多次試驗及生產作業，取得了良好的應用效果，為我國海上石油勘探開發發揮了重要作用。

1 “海亮”高精度拖纜地震采集系統

1.1 I型地震采集系統

“海亮”(HQI-Seis)I型系統是由中海油服自主研發的第一代海上高精度拖纜地震采集系統，分為船載記錄系統和水下拖纜兩大部分(圖1)。

圖1 “海亮”I型地震采集系統Fig .1 HQI-Seis I seismic acquisition system

船載記錄系統由數據采集箱體、主控工作站和顯示工作站以及其他磁帶存儲設備和繪圖顯示設備組成，負責接收水下拖纜地震數據，進行數據格式轉化、顯示和記錄。水下拖纜利用水聽器接收地震波，完成模數轉化，向船載記錄系統實時傳送地震數據[9-10]。 水下拖纜采用3.125 m道間距，可實現0.25、0.5、1、2、4 ms多種地震數據采樣間隔，使用高精度24位模數轉化(ADC)，動態范圍大于115 dB。系統的可擴展能力較強，最大能擴展到16纜地震數據采集。水下拖纜采用單檢高密度小道距技術，設計中充分利用現代電子技術的成果，拖纜工作段每段長100 m，直徑50 cm,這種小尺寸有利于減小拖纜在水中的流噪聲[7]。

1.2 固體拖纜技術

近年來， 固體線列陣作為新興產品因其環保與低噪聲等優勢在國際上甚受重視，有逐漸取代傳統充液線列陣的趨勢[11]。“海亮”固體電纜利用固體發泡層代替傳統液體填充物為整條電纜提供浮力，環保可靠，在電纜內部相應位置布局水聽器、通信線圈、采集傳輸模塊等器件實現地采集、解析、傳輸和電纜水下姿態的控制，內部線纜通過彈性軟段與兩端水密性連接器連接組成固體電纜的機械接頭總成(圖2)。

固體電纜相比傳統充油電纜更環保，即使現場使用過程中受到破壞也不會對海洋環境造成危害，不會因破皮進水進氣而影響信號接收質量，信號保真度高、接收質量好，可靠性高、故障率低，從而能保證較高的作業時效。

圖2 “海亮”固體電纜結構Fig .2 HQI-Seis solid streamer structure

近年來，“海亮”高精度拖纜地震采集系統搭載“濱海511”、“濱海512”、“海洋石油760”等船完成了多次試驗及生產任務，取得了良好的應用效果，累計產值近2億元人民幣。 2016年9月，采用7 km拖纜高效完成南海某工區約2 470 km的二維斜纜犁式作業，平均日作業量120.3 km,最大作業深度達100 m，設備故障率為零。

2 “海燕”拖纜定位與控制系統

“海燕”(HQI-Poco)系統是中海油服自主研發，具有完全自主知識產權的國內首套拖纜定位與控制系統(圖3)，包括上位機控制系統和水下控制設備。通過控制羅經鳥翼板垂直方向移動實現拖纜深度控制，通過控制水平鳥翼板水平方向移動實現拖纜間距控制，通過聲學鳥測距為綜合導航系統提供定位數據。“海燕”系統兼容進口及國產水鳥，兼容進口及國產綜合導航系統，突破了深度控制限制，打破了國外技術壟斷，工作水深可達100 m，提供可調節的水平控制、聲學測距控制算法，穩定性好、可靠性高、定位精度準，受到國內外廣泛關注和一致好評。目前，“海燕”系統已在多艘物探船應用。

圖3 “海燕”上位機控制系統及水下控制設備Fig .3 HQI-Poco upper computer control system and underwater equipment

2.1 深度控制技術

為實現羅經鳥深度控制，采用帶有帶死區的PID改進控制算法。PID控制算法是一種過程自動控制策略，應用于過程中某個參量的閉環控制，以實現某一過程的智能化自動控制。PID控制算法的基本公式為

(1)

式(1)中：u(n)為被控目標調整量；比例Kp為對預設值和反饋值差值的放大系數；e(n)為參量設定值與第n次參量測得值之差；積分Ki為預設值和反饋值之間差值在時間上進行累加；微分Kd為預測誤差變化趨勢。

結合羅經鳥的具體工作實際，式(1)可描述為以下流程:

1) 上位機給羅經鳥進行深度設定，即為目標參量的設定值；

2) 羅經鳥接收到命令，立即進入PID閉環深度控制模式，計時開始；

3) 到達定深度閉環控制時刻，處理器根據深度偏差值e(n)和上次偏差值e(n-1)，代入式(1)計算得羅經鳥翼板角度偏差值u(n)；

4) 羅經鳥根據計算偏差值角度u(n)，轉動到相應角度。

應用表明，PID控制算法較好地實現了羅經鳥的深度控制，達到了國際同類設備水平。

2.2 全網測距技術

為實現拖纜定位與間距控制，采用聲學鳥掛載在拖纜指定位置，聲學鳥之間互相測距實現相對距離測量，得到電纜幾何形狀。采用聲學輪詢測距算法，根據約束條件，以聲學鳥為節點，自動構建聲學測距網絡并合理安排聲學鳥的信號發射時間和信號接收時間窗口序列，以達到總體時間最短的目標(圖4)。采用后補償機制的貪婪算法，初始構建最大網絡集，采用基于優先級的刪邊策略規則，不斷迭代刪邊，直至符合最小約束。采用回歸補償機制，克服刪邊策略的不完備性，將多刪的邊恢復，使網絡幾何結構達到最優。

圖4 “海燕”網絡測距策略Fig .4 HQI-Poco network ranging strategy

3 “海途”綜合導航系統

通過攻克基于卡爾曼濾波的坐標解算算法以及纜形解算算法、炮點預測算法，研制了具有完全自主知識產權的綜合導航系統——“海途”(HQI-Navi)綜合導航系統(圖5)，實現了物探船的定位與控制。“海途”綜合導航系統是海上地震勘探作業中的控制和指揮中心，為勘探船提供實時定位，控制船載其他系統協同工作，實時解算震源位置和檢波點位置以及分析反射面元覆蓋情況，對地震勘探作業質量進行有效控制，其精度直接關系后期的地震數據處理以及鉆井定位。應用表明，“海途”綜合導航系統兼容性好，可跨平臺，支持常見勘探系統及設備，支持隨機震源響炮作業，支持常見操作系統,導航定位精度高。

圖5 “海途”綜合導航系統Fig .5 HQI-Navi integrated navigation system structure

3.1 主要算法

1) 炮點預測算法。“海途”綜合導航系統實時計算船位和前繪炮點距離，使實際響炮點與理論響炮點一致，偏差越小說明響炮精度越高。采用基于卡爾曼濾波的炮點預測算法，在天氣、海浪劇烈變化的環境中能保持較好的計算精度，響炮精度高，可使響炮點與前繪坐標整體偏差控制在0.1 m以內(圖6)。

圖6 南海某測線“海途”響炮精度Fig .6 Shot accuracy of HQI-Navi for a survey line in South China Sea

2) 纜形解算及坐標解算算法。采用弧段積分纜型解算方法，將相鄰的近距離節點之間視為直線段，通過已知距離偏移與方位觀測值進行坐標傳遞，計算出纜上所有節點的坐標，并通過尾標RGPS等觀測值進行電纜旋轉修正偏差；通過實時接收差分GPS信號與船參考點坐標以及配置的船尾中心點、槍陣和拖纜掛載的羅經鳥、聲學鳥以及RGPS相對位置及實時數據，采用卡爾曼濾波法進行坐標傳遞，最終計算出每個采集道的坐標。實際應用表明，與國外同類系統比較，“海途”綜合導航系統整體偏差可控制在2.5 m以內。

3.2 硬件采集平臺

研制了具有自主知識產權的導航數據采集平臺(INSP)，實現了船載綜合導航系統實時數據的采集及勘探作業觸發控制(圖7)。基于VME總線架構，選用商用成熟的單板計算機及傳輸接口板實現綜合導航系統和船載其他系統及傳感器設備的互連通信,其中單板計算機運行VxWorks實時操作系統，傳輸接口板采用現場可編程門陣列(FPGA)實現高精度時鐘守護和觸發。

圖7 “海途”綜合導航數據采集平臺結構Fig .7 INSP structure of HQI-Navi

4 “海源”氣槍震源控制系統

氣槍震源控制系統是海上地震勘探設備不可或缺的重要組成部分，可完成對氣槍震源的激發控制，實時采集氣槍同步信號、近場子波信號、壓力和深度數據，監控氣槍震源的激發質量。研制了完全自主知識產權的“海源”(HQI-Source)氣槍震源控制系統。該系統把水下采集的所有數據在氣槍附近進行數字化，大大減小炮纜的直徑和長度，允許更小的偏移距，實現了高精度的氣槍震源同步控制，為高質量的3D、4D 地震勘探提供高度重復的、寬頻的震源信號。同時，該系統還實現了多種延遲氣槍震源控制方式，為隨機震源和立體震源提供了更簡易的方式，從而能夠為多船、寬頻等采集新方法提供有效震源保障。

5 應用效果

近年來，高精度地震勘探采集裝備逐漸投入生產應用，突破了深度、道間距等技術限制，開展了深纜、斜纜、高密度等新方法試驗和生產作業，完成了10余個地震采集作業，包括常規2D、斜纜寬頻2D及高密度3D勘探，應用區域遍布渤海、黃海、東海和南海(表1)。

表1 近年來我國海上高精度地震勘探采集裝備作業情況Table 1 Seismic exploration of high precision acquisition equipment in recent years in China offshore

目前“海亮”、“海燕”、“海途”、“海源”等裝備系統已裝配到新建的“海洋石油760”和“海洋石油707”船，實際應用表明已具備單纜7 km的二維地震采集能力，進一步推動了自主裝備的生產應用，承擔起了生產作業及探索勘探新方法、新技術的任務，助力中國海油開拓新的市場。

近年來，“海亮”犁式斜纜作業由于其高分辨率成像效果受到廣泛關注，與常規水平纜相比優勢明顯(圖8)。

圖8 “海亮”犁式斜纜與常規水平纜成像效果對比Fig .8 Contrast of images between HQI-Seis inclined streamer and conventional horizontal streamer data

應用表明，中國海油高精度地震勘探采集裝備采集到的資料具有明顯優勢：有利于避免空間假頻，可提高噪音識別能力；有利于近地表地質調查，可提高淺層勘探精度；室內數字組合方式更方便，可為后續處理提供多種選擇[12-14]；可提高分辨率和成像精度，采集的數據表現出良好的頻譜，其中“海亮”犁式斜纜作業比常規水平纜采集顯著提高了頻帶寬度(圖9)。

圖9 “海亮”犁式斜纜與常規水平纜頻譜對比Fig .9 Contrast of spectrum between HQI-Seis inclined streamer and conventional horizontal streamer data

6 結束語

高精度地震勘探采集裝備的研制是一項大的系統工程，涉及物探、機械、電子、軟件、測繪、控制等多學科融合，工藝和可靠性要求高。經過近幾年不懈努力，中海油服攻克難關，成功研制出我國海上高精度地震勘探系統成套采集裝備，包括“海亮”高精度拖纜地震采集系統、“海燕”拖纜定位與控制系統、“海途”綜合導航系統以及“海源”氣槍震源控制系統，完成了多次海上試驗及生產作業，取得了非常好的應用效果，采集到的地震數據具有高保真度、高帶寬、高分辨率等特點，受到了業界廣泛關注。這表明，中海油服自主研發的高精度拖纜采集裝備可以適應高精度野外地震勘探的要求，其核心技術指標均已達到國際同類產品的先進水平，打破了國外公司長期的技術壟斷與限制，填補了我國在該領域的技術空白，全面提升了我國海上油氣勘探技術的核心競爭力。

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(編輯：張喜林)

Development and application of high precision seismic acquisition equipment in CNOOC

RUAN Fuming WU Qiuyun WANG Bin CAO Zhanquan ZHU Yaoqiang

(COSLGeophysicalDivision,Tianjin300451,China)

The improvement of exploration technology and increasing complexity of exploration targets in offshore lead to higher requirement for measurement of dynamic range, accuracy and resolution of seismic acquisition equipment, further cause urgent need to develop high precision seismic exploration equipment. To break the international technology blockade and monopoly, COSL develops a series of high precision geophysical acquisition equipment and technology, including “HQI-Seis” high precision acquisition system, “HQI-Poco” positioning and control system, “HQI-Navi” integrated navigation system and “HQI-Source” shot control system. The offshore field test and application show that the data acquired by the HQI series equipment is of high fidelity, wide bandwidth and high resolution. The key technical parameters of the independently developed HQI series equipment have reached the international advanced level of the similar products. CNOOC high precision geophysical acquisition equipment fill the domestic gap and enhance the core competitiveness of China offshore oil and gas exploration technology.

CNOOC; high precision seismic exploration; acquisition equipment and technology; “HQI-Seis” high precision acquisition system; “HQI-Poco” positioning and control system; “HQI-Navi” integrated navigation system; “HQI-Source” shot control system

阮福明，男，高級工程師，2005年7月畢業于中國科學技術大學物理電子學專業，獲博士學位，現從事物探裝備研發工作。地址：天津市濱海新區塘沽海洋高新區黃山道4500號中海油服產業園區B02座(郵編：300451)。 E-mail:ruanfm@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0019-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.003

TP319；P631.4

A

*國家高技術研究發展計劃(863計劃)“深水高精度地震勘探系統成套化研制(編號：2012AA09A211)”部分研究成果。

阮福明,吳秋云,王斌，等.中國海油高精度地震勘探采集裝備技術研制與應用[J].中國海上油氣，2017,29(3)：19-24.

RUAN Fuming,WU Qiuyun,WANG Bin,et al.Development and application of high precision seismic acquisition equipment in CNOOC[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):19-24.