DT-1深拖系統的應用現狀與優化設計

劉起

（中海油田服務股份有限公司，天津 300459）

隨著我國南海深水油氣田勘探開發的逐步展開，對深水井場調查、油氣田開發前期勘察能力提出了更高的要求。目前，國內外主流的水下運載平臺包括深拖系統（DT）、遙控水下機器人（ROV）及自主航行水下機器人（AUV）。作為商業應用最廣，綜合效益相對較高的深拖系統依靠母船拖帶運動，可以攜帶各種設備，進行近海底、遠距離、長時間的海底地形地貌、淺層地質和海水物理化學等調查。繼“大洋一號”Benthos商業級深拖系統之后，中海油服公司又引進了一套額定作業水深3000m的DT-1深拖系統，現已用于南海數個深水井場鉆井危機調查作業，作業水深已達到1500m。隨著深拖系統的越來越廣泛的應用于海洋科學考察與工程作業的情況下，對深拖系統潛器的數據采集和導航定位精確性提出了更高的要求。

本文通過對DT-1深拖系統的南海工程作業的信息數據進行整理分析，結合深拖系統的實際工況對深拖系統的拖體定高運動和導航定位進行了分析。

1 拖體定高運動

DT-1深拖系統數據信息采集的方式是將拖體上集成的各調查設備采集的數據通過中性浮力臍帶纜、鎧裝拖纜及甲板通訊鏈實時傳輸至甲板采集處理單元。DT-1深拖系統作業時，拖體距離海底的合理高度通常為50～80m，主要通過調整鎧裝拖纜的長度和拖曳速度將壓載器下沉或提升來實現。

確保深拖系統數據采集的可靠性和準確性的關鍵在于對拖體運動軌跡的精確控制，其中數據采集的過程中線上拖體的高度影響著深拖系統數據采集的效率以及拖曳設備的安全。線上拖體過高，便無法獲得良好的數據；反之如果拖體過低，則追蹤覆蓋面有限，且碰撞海底的機率會增大。由于拖體并不是獨立存在的，在深拖系統作業過程中拖纜對拖體不斷施加外力的作用，因此本文以拖體—拖纜為研究整體，基于DT-1深拖系統的不同作業深度的數據，對不同作業深度的拖曳速度和拖纜的釋放長度進行分析。

表1為DT-1深拖系統部分參數，表2和圖1為DT-1深拖系統在拖體質量一定的前提下，不同作業深度下拖曳速度與拖纜釋放長度的對應關系。

表1 DT-1深拖系統參數

表2 DT-1深拖系統在不同的作業深度和拖曳速度下的拖纜長度

圖1 不同作業深度下拖曳速度與釋放纜繩長度的關系

通過對DT-1深拖系統在南海不同水深作業時的情況對比分析，如圖1所示，拖纜釋放長度隨著拖曳速度和作業深度的增大呈線性增長趨勢。

圖2 1000m水深作業時，拖纜釋放長度與拖曳速度對應關系圖

DT-1南海工程作業中基本上作業深度為1000m，其拖曳速度和纜繩釋放長度如圖2所示。在2knot以內拖曳速度下拖纜釋放長度短，但線上作業時效低，且低速不易保持，會加劇拖曳母船和拖體的偏航，尤其是在表層或底層流速大的情況下，拖體順流上線顯得極其困難。超出3.5knot的拖曳速度下釋放的拖纜過長，水中拖體和拖纜承受的流體阻力較大，影響拖體、拖纜的安全性。經過對數據的分析和實際工程實驗可知，不同作業深度下拖曳速度控制在2.5knot最佳，同時拖纜的釋放長度約為作業水深的2.5倍。

2 導航定位精度

深拖系統的導航定位主要靠超短基線聲學定位系統（USBL）結合DGPS導航定位系統的方式實現。USBL聲學定位系統通過測量拖體相對調查船的距離和方位角來計算拖體相對調查船的位置，再結合調查船的GPS位置信息換算出拖體在水下的真實位置。在導航定位系統性能一定的情況下，深拖調查導航定位的精度取決于所采用的定位方式（單船定位方式或雙船定位方式，其原理如見圖3、圖4所示）。

圖3 單船定位方式

深拖系統在1000m水深作業時，不同拖拽速度下的拖拽母船水平距離如圖5所示。

圖4 雙船定位方式

圖5 拖體作業深度、拖曳速度及相對水平距離對照圖

單船定位方式時，在拖曳速度為2.5節的情況下，其拖纜長度約2500m，拖體距離拖曳母船的水平距離約2200m，USBL換能器與深拖拖體上應答換能器之間通訊聲波入射角φ約等于65°，大于60°的通訊聲波入射臨界角（60°是一般的USBL聲學定位系統能可靠定位的通訊聲波入射臨界角，入射角越小，定位精度越高），定位誤差可達到20m左右，遠低于理論的定位精度。圖6為單船定位作業時的拖體軌跡，可看出拖體位置信息呈“S”型漂移。

而在雙船定位方式下，一條追蹤定位船，一條深拖拖曳船，安裝USBL接收換能器的追蹤定位船始終在拖體的正上方的水面航行。這種方式，不僅縮短了USBL換能器與深拖拖體上應答換能器之間的斜距，減少了聲學通訊信號反饋時間，而且將這兩者之間的聲學通訊有效控制在聲學覆蓋角內。此外，近似0°的入射角將聲波在水中的折射影響降到最低，從而提高了距離和方位的測量精度。統計發現，在1000m作業水深時，雙船定位誤差在5～10m左右，拖體位置信息穩定，如圖7。

通過以上分析對比可以看出，較單船定位方式，雙船定位方式提高了至少2倍的定位精度。在作業水深達到1000m時，單船定位方式精度低、穩定性差。因此在超過1000m的作業水深進行深拖調查時宜采用雙船定位方式。

5 結語

圖6 在1000m作業水深時單船定位拖體航跡

深拖系統作為目前主要的深水勘察裝備，今后較長的一段時間內會繼續發揮其在南海深水油氣田勘探開發工程中的重大作用。通過近幾年的實際工程應用，我國深拖調查技術已逐漸趨于成熟。本文對深拖系統應用中的關鍵性問題和數據進行了總結和分析。同時本文提出幾點深拖系統作業優化方案，提高了深拖系統的采集數據的穩定性和準確性。

圖7 在1000m作業水深時雙船定位拖體航跡