OBN 地震采集水下定位質控技術及應用

左江成

(中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300459)

0 引言

OBN(海底節點)地震采集是一種先進的海上地震數據采集技術，相比拖纜采集和OBC(海底電纜)地震采集可以適應更為復雜的海面和海底條件，觀測系統設計更為靈活，施工作業更加高效，其采集方式如圖1 所示[1]。2019 年中海油渤海油田實施了國內首塊OBN 地震數據采集，相比過去拖纜采集，獲得的數據更加精準[2]，之后OBN 地震采集技術開始在我國海上油田推廣應用。在OBN 地震采集中海底節點定位精度直接影響地震資料采集質量，海底節點在投放過程中受到海流、潮汐等因素影響，其在海面的投放位置坐標與沉放海底之后的位置坐標存在較大差異，這種偏差會對地震資料成像產生影響，進而影響地震勘探精度[3]。節點船釋放節點設備示意圖如圖2 所示，節點位置偏離設計示意圖如圖3 所示。因此，需要采取有效措施在采集過程中對海底節點水下定位進行質控。

圖1 OBN 節點采集原理示意圖

圖2 節點船釋放節點示意圖

圖3 節點位置偏離設計示意圖

1 OBN 投放點位質控技術

在OBN 節點投放時，最為常用的方式是用纜繩基于一定距離將一個排列上的多個節點連接起來，然后按照排列設計將其沉放在海底，在完成地震數據采集之后再將所有的節點進行回收。為了解節點在海底的準確位置，在每個節點上安裝1 個定位應答器，通過定位應答器發射信號便可以了解其在海底的位置坐標。采用上述方式投放節點，為保障節點水下定位的準確性要對放纜過程進行控制，提高放纜精度，確保實際沉放到海底的測線位置與觀測系統設計位置基本一致。如果兩者之間偏差太大，將可能導致地震資料覆蓋不均勻甚至局部無覆蓋問題。通常情況下放纜誤差應低于道距的一半，如果超過該誤差需要重新進行放纜[4]。在具體作業過程中為了保障精度，要采用超短基線聲學定位系統對節點位置進行實時監測，通過計算實測位置與設計位置之間的偏差來指導放纜船的行進速度和行進方向。

1.1 超短基線聲學定位系統

該系統構成主要包括主控機、發射換能器、接收水聽器、應答器、編碼器以及定位軟件等，其中發射換能器和接收水聽器共同構成了換能器基陣。在進行定位時，發射換能器會向水下反射信號，應答水聽器在接收到信號之后會基于提前設定的頻率應答信號。通過檢測應答信號傳輸至接收基陣不同陣元之間的時間延遲，可以計算得到應答器的俯仰角以及方位角。綜合測量得到的距離和航向角度，得到其的大地位置坐標，通過坐標變換得到應答器所處的經緯度，進而實現對節點位置的準確定位。換能器基陣存在一定的方向性，在進行組裝時自身坐標系與船體坐標系不會完全重復，因此換能器會存在一定的安裝偏差，為保障定位數據精度，要在使用之前對基陣進行校準處理。同時姿態傳感器和羅經也會存在一定安裝偏差，要通過外部測量設備進行測量，然后再進行針對性校正。超短基線聲學定位系統在校準結束之后通過串口與綜合導航系統連接，由導航系統對超短基線聲學定位系統進行指令操控，隨后導航人員對超短基線聲學定位系統數據進行處理。

1.2 OBN 投放過程質控

在沉放節點之前，要將樁號以及節點序列號關系對應表等數據信息全部導入導航操作系統中。在開展節點沉放作業時，啟動鋪纜和定位功能，由超短基線聲學定位系統通過實時定位應答器位置來保障節點沉放位置的準確性[5]。導航系統在獲取應答器水下位置信息之后，會在導航屏幕上展示應答器的位置信息以及整個節點沉放過程。同時導航系統會計算得到節點實際沉放位置與設計位置之間的偏差，導航人員基于計算偏差，結合當前洋流情況與船舶駕駛員和放纜工作人員進行溝通，調整放纜船方向和速度。

2 OBN 地震采集水下節點定位質控技術

節點在沉放到海底之后，要對每個節點重新進行定位，即二次定位。在部分情況下受到海流沖擊和人為因素影響，海底節點位置偏離較大，這時要進行多次定位。節點位置精度直接影響地震資料成像質量，導致地震剖面信噪比較低，小構造、小斷層以及潛山內幕等成像不清晰，難以滿足高精度勘探開發需求。因此節點位置對于后續地震資料處理非常重要。

不同聲學定位系統具有不同的定位精度和適用性，通常來說長基線聲學定位系統精度最高，短基線次之，超短基線最低。為了獲取更為準確的節點海底位置信息，在節點二次定位時要采用長基線聲學定位系統。

2.1 長基線聲學定位系統

長基線聲學定位系統構成與超短基線整體一致，不同點在于長基線聲學定位系統的聲學換能器為收發合置換能器。安裝在各個節點上的應答器之間的距離形成基線，基線距離從幾十米到幾千米不等，該距離相對于超短基線來說稱之為長基線系統。該系統在獲取聲學換能器與應答器之間的距離之后通過球面交匯法便可以獲取節點位置坐標。聲學換能器連接放纜船，放纜船在行駛過程中會在固定時間間隔發射詢問信號。海底節點上的應答器接收到詢問信號之后會發出應答信號，水聲換能器將接收到的應答信號傳輸至主控機，主控機基于信號之間的時間差便可以計算水聲換能器與應答器之間的傾斜距離。換能器位置坐標由GPS 獲取，這樣在獲得多次觀測數據之后便可以采用平差法計算得到應答器的位置坐標信息，即海底節點的大地坐標。

2.2 海底節點二次定位

通過上述分析可知，測量水聲換能器與應答器之間的距離是對海底節點進行二次定位的關鍵。為得到準確的測量距離，要在二次定位之前對工區進行詳細踏勘，明確水深以及水中聲波傳播速度[6]。在獲得二次定位結果之后，要從兩個方面來對其質量進行評價：一是采收率。采收率是一條測線上定位合格的應答器在總應答器中的占比，數值越高表示聲學定位質量越高，通常二維采集要求采收率不低于60%，三維采集要求采收率不低于80%[7]。在采用該指標對聲學定位質量進行評價時還應該增加1 個附加指標，即定位不合格應答器不能連續超過5 個，這樣可以有效避免1 條測量整體采收率很高但是局部采收率很低情況。二是定位點偏差值，即二次定位結果與設計坐標之間的偏差。通過定位結果文件可以詳細查看各個節點的偏差值大小以及偏差方向。影響偏差值的主要因素除了沉放原因外，還包括系統誤差，比如GPS 測量誤差、水中聲波速度傳播誤差、計算誤差等，這些系統誤差均可以在作業之前通過系統精度測試進行校準，校準之后的長基線聲學定位系統誤差范圍要求在1 m 之內。

3 OBN 地震采集水下定位質控技術實際應用

本文以國外某OBN 采集項目來分析OBN 地震采集水下定位質控技術實際應用效果。該項目采集范圍為4 644 km2，水深10～80 m。OBN 采集道間距為50 m，要求放纜精度在25 m 之內。抽取某條測線對放纜精度進行分析，該測線共有80 個節點。在放纜過程中采用超短基線聲學定位系統控制放纜精度，放纜結束后馬上采用長基線聲學定位系統對沉放到海底的節點進行定位，計算兩次定位結果之間的縱向偏移量和橫向偏移量，結果分別如圖4 所示。從圖中可見兩次定位結果之間的縱向偏移量和橫向偏移量整體均在5 m 之內，這也表明本采集項目通過超短基線聲學定位系統控制放纜具有較高的精度。

圖4 某測線各節點兩次定位結果之間的偏移量

在放纜作業過程中，該測線上的節點纜線被其他船只拖拽，導致部分節點位置可能發生變化。為了解該測線被拖拽之后的節點位置情況，采用長基線聲學定位系統重新對節點位置進行定位，將結果與放纜結束之后的定位結果進行相減，得到節點被拖拽之后的位置偏差圖。圖5 為該測線被拖拽之后各節點縱向偏移量和橫向偏移量，可以看到部分節點受到纜線拖拽影響其位置已經明顯發生了變化，距離較遠的節點受拖拽影響較小。其縱向偏移量和橫向偏移量基本為0，這也表明了長基線聲學定位系統具有較高的定位精度。通常來說節點重量通常大于10 kg，在沒有大風大浪以及其他意外情況下，其在海底位置較為穩定，基本上不會發生大的偏移。

圖5 某測線被拖拽之后各節點偏移量

OBN 地震采集水下定位直接影響著地震采集的效果，與基于觀測系統設計坐標得到的疊加剖面相比，采用長基線聲學定位系統二次定位后的疊加剖面具有更高的信噪比，同相軸連續性更好，波組特征更加清晰。

4 結語

綜上所述，海底節點位置坐標誤差會直接影響OBN 地震資料成像品質，進而影響油氣勘探開發精度，有必要采取措施對節點海底位置進行質控。在節點放纜作業時通過超短基線聲學定位系統可以有效控制放纜精度，避免因放纜誤差過大而重新進行放纜作業。對已經沉放到海底的節點，采用長基線聲學定位系統可以對其進行準確定位，誤差通常在1 m 之內，有助于獲得準確的節點位置信息，為后續OBN 地震資料處理奠定基礎。