水下機器人在OBN海底布放中的應用

鄒建文，施炎武

（中海輝固地學服務（深圳）有限公司，廣東深圳 518000）

海底節(jié)點（Ocean Bottom Node，簡稱OBN），是一種位于海底，可以獨立采集、記錄地震信號的多分量地震儀。主要應用于海底地貌復雜，地形變化大，深淺結(jié)合帶內(nèi)油田油藏的地震數(shù)據(jù)采集，具有高覆蓋、多排列、寬方位、高精度等特點。同時能夠存儲數(shù)據(jù)，提高地震成像質(zhì)量，提高四維勘探的可重復性，改善油藏監(jiān)測結(jié)果[1-4]，因而越來越受到國內(nèi)外各大石油公司的高度重視。

近年來，OBN地震數(shù)據(jù)采集已得到了大量的應用，尤其在油藏監(jiān)測領域應用效果顯著，國內(nèi)方面中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司（簡稱“東方地球物理公司”，BGP）已成為全球唯一不生產(chǎn)節(jié)點卻掌握OBN全業(yè)務鏈的公司，包括整套節(jié)點采集技術、質(zhì)控技術，并擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的處理軟件；萬瑞（北京）科技有限公司已完成了具有國際先進水平的海底節(jié)點的研發(fā)工作，設計水深3 500 m，目前已進入實測階段，打破了國外公司的壟斷[5-6]。

1 ROV在OBN地震勘探中應用簡介

OBN地震作業(yè)示意圖見圖1，其觀測方法就是將OBN布放在海底，地震儀自備電池供電，震源船在震源點進行激發(fā)，OBN則在海底獨立采集、記錄地震信號[7]。當震源船完成所有震源點激發(fā)后，回收OBN下載數(shù)據(jù)并進行處理與解釋。

圖1 OBN地震作業(yè)示意圖Fig. 1 Schematic of OBN seismic operation

OBN布放通常采用人工拋放（圖2）和水下機器人（Remote Operated Vehicle，簡稱ROV）精確布放（圖3）相結(jié)合的方式：

圖2 OBN人工拋放示意圖Fig. 2 Schematic of OBN deployment by lowering down from vessel deck directly with connected securing cables

圖3 OBN水下機器人精確布放示意圖Fig. 3 Schematic of accurate OBN subsea deployment via ROV

（1）在水深小于100 m、流速較小、水下地形平坦區(qū)域采用人工拋放，將OBN按順序串接在纜繩上，作業(yè)支持船以一定速度朝設計路線航行，通過下放纜繩即可完成節(jié)點鋪設；

（2）在水深大于100 m、流速較大、水下地形較復雜區(qū)域采用ROV精確布放，ROV在水下將每個特定編號的OBN逐個放置于海底設計位置。

ROV要完成OBN的精確布放需要借助于水面及水下定位系統(tǒng)，通常根據(jù)作業(yè)水深范圍以及所需的布放精度來選擇合適的定位系統(tǒng)。常規(guī)使用的是超短基線（Ultra Short Baseline，簡稱USBL）水下定位系統(tǒng)[8]，其定位精度隨水深的增加而降低。對于深水作業(yè)則可以采用組合定位導航的形式，由USBL水下定位系統(tǒng)結(jié)合慣性導航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，簡稱INS）組成，它主要包括多普勒計程儀（Doppler Velocity Log，簡稱DVL）、運動姿態(tài)傳感器（Inertial Measurement Unit，簡稱IMU）、深度傳感器等設備。組合定位導航的方式可以整合水下位置、聲速、姿態(tài)等信息，優(yōu)化位置算法，能夠有效地濾除USBL的跳動，剔除位置噪點，平滑位置軌跡，定位精度可以提高3～5倍。

2 存在的問題及解決方法

因為ROV單次下水可攜帶OBN的數(shù)量有限，這嚴重制約了ROV精確布放OBN的效率，所以需要采用一套專門設計的ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)。以針對某海域OBN作業(yè)設計的釋放回收系統(tǒng)為例，主要分為水面釋放回收系統(tǒng)和水下吊籃兩部分。水面釋放回收系統(tǒng)主要由液壓動力單元、A型門架、鋼纜絞車、操控臺等組成；水下吊籃為其核心設計，主要由吊籃本體和OBN掛桿等組成。在實際作業(yè)中，ROV精確布放OBN的效率得到了大幅提升，OBN水下吊籃在設計時主要考慮：

（1）可攜帶OBN的數(shù)量

OBN水下吊籃內(nèi)分為四個小方格，每個小方格中安裝一個OBN掛桿，每個掛桿有四個掛鉤，每個掛鉤上掛載一個OBN（圖4）。因此，OBN吊籃單次可攜帶16個OBN至水下。

圖4 ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)水下吊籃Fig. 4 Subsea basket of the ROV-friendly OBN launch and recovery system

（2）ROV抓取OBN的方式

OBN掛桿由三部分組成：中心柱、移動導柱、掛鉤（圖5），中心柱是管狀結(jié)構(gòu)，吊籃中心有4根小立柱，掛桿掛載好OBN后，將掛桿中心柱插入到吊籃立柱中；移動導柱套在中心柱外，可以沿中心柱軸向移動，且移動導柱和中心柱上方均設計有一塊擋板，對移動導柱向上移動起到限位作用；同時移動導柱下方也有一塊擋板，與下方掛鉤配合對準，鉆有四個孔位，向上移動“移動導柱”使下方擋板脫離掛鉤，將綁扎在OBN上的繩環(huán)掛入掛鉤內(nèi)，然后向下移動“移動導柱”使其落入掛鉤中，可將OBN繩環(huán)壓緊確保在釋放過程中OBN不會發(fā)生意外脫落，安全可靠。

圖5 OBN掛桿Fig. 5 Hanging rod for OBN

水下作業(yè)時，ROV機械手抓住OBN掛桿

“移動導柱”向上飛行，移動導柱向上移動，當移動導柱接觸到中心柱擋板后，整個OBN掛桿就會脫離OBN吊籃，在重力作用下，移動導柱下方擋板也會脫離掛鉤并露出足夠的間隙便于ROV機械手抓?。▓D6）。

圖6 ROV從OBN掛桿中抓取OBNFig. 6 ROV grabs OBN from hanging rod by 7 function manipulator

3 ROV作業(yè)內(nèi)容

ROV在OBN地震作業(yè)中的主要作業(yè)內(nèi)容包括海底預調(diào)查、海底精確布放、回收以及OBN丟失后的應急搜查打撈等。

3.1 海底預調(diào)查

OBN布放前，ROV需提前對工區(qū)等深線密集坡度較大的斜坡區(qū)域進行預調(diào)查（圖7），確認海底地貌及水文信息。主要為了調(diào)查斜坡坡度、海底地質(zhì)、水下能見度、水流情況以及劃定特殊區(qū)域等，并針對實際的水文環(huán)境、海底地貌情況做出相應的分析和應對措施。

圖7 工區(qū)等深線及3D地形圖（實際工程案例）Fig. 7 Isobath and 3D topographic map of the OBN deployment area

（1）海底若為礁石珊瑚地貌，此種地貌能見度較好，布放時應選擇合適地點放置OBN，確保OBN不會二次滑動卡入石縫中；

（2）海底若為沙地，此種地貌能見度較好，斜坡區(qū)域放置OBN存在流沙導致OBN二次移動或掩埋的可能，可為該區(qū)域內(nèi)的OBN配備標識浮球以及帶引線的固定插針，OBN放置后由ROV操作將插針插入海床；

（3）海底若為沉積物泥質(zhì)海床，此種地貌能見度一般，泥質(zhì)海床一般流水較小，同時海泥增加了OBN附著力，OBN因流水導致二次移動的可能性較小，但存在OBN掩埋的可能。為便于節(jié)點的搜尋回收，可為該區(qū)域內(nèi)的OBN配備標識浮球以及帶引線的固定插針，同時在OBN表面粘貼反光標帶。

海上作業(yè)時應根據(jù)至少未來1周的天氣預報信息（包括浪高、風速、表面流、以及臺風預警）等合理制定作業(yè)計劃，確保OBN布放期間海況條件良好，同時參照工區(qū)準確的海底水文信息，提前預判海底水流及能見度，規(guī)避海底水流急、能見度差可能帶來的作業(yè)風險。

3.2 OBN海底精確布放

采用ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)進行OBN水下精確布放示意圖見圖8。如果作業(yè)水深較深或者OBN布放間距較短，OBN吊籃回收及下放期間存在ROV水下等待，可采用兩套OBN釋放系統(tǒng)來回交替進行釋放回收。

圖8 ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)精確布放OBN示意圖Fig. 8 Schematic of accurate OBN deployment by ROV-friendly launch and recovery system

ROV首先從水下吊籃中取出OBN掛桿，然后使用七功能機械手逐個抓取OBN，根據(jù)水下定位指引將其放置于海底設計位置，如果某些OBN設計有插針，則在OBN放置到位后將其插針插入海床并在水下定位系統(tǒng)中進行標識記錄。如果放置某些OBN時有方位要求，可在ROV前端安裝綠色激光儀，通過ROV艏向結(jié)合激光儀的光束來輔助判斷OBN的方位并調(diào)整至設計方位角（圖9）。

圖9 綠色激光儀輔助判斷OBN方位Fig. 9 Green laser projector assisted for judging the heading of OBN

3.3 OBN回收

OBN鋪設、布放完成后，物探船到達設計震源點進行激發(fā)，OBN則在海底采集、記錄地震信號，待所有震源點激發(fā)完成后對OBN進行回收。人工拋放部分，采用水面掛鉤纜繩可直接回收；而ROV布放部分則需由ROV逐個進行水下抓取，再由OBN釋放系統(tǒng)回收至ROV支持船甲板。

3.4 布放回收過程中的應急作業(yè)

工程作業(yè)型ROV通常配備有一個5功能和一個7功能機械手，同時可搭載各類型水下作業(yè)工具，具備水下解掛鉤、水下切割、吹泥、應急打撈等作業(yè)能力，OBN布放回收過程中的應急作業(yè)如下：

（1）若人工拋放段出現(xiàn)纜繩纏繞、鉤掛海底障礙物等情況，ROV可攜帶液壓剪或軟繩割刀進行水下切割，并使用回收抓鉤進行打撈回收；

（2）若出現(xiàn)人工拋放段起始點浮標偏移丟失或者OBN掩埋情況，ROV可搭載吹泥工具進行水下吹泥搜查。

4 發(fā)展前景

常規(guī)拖纜和海底電纜勘探作業(yè)受海洋區(qū)域影響較大。例如在近海區(qū)、禁采區(qū)、暗礁區(qū)等位置作業(yè)空間受限，傳統(tǒng)勘探過程都難以順利實施。離岸平臺方圓500 m都是禁采隔離區(qū)，不允許物探拖纜船靠近，平臺周圍的錨泊定位系統(tǒng)也限制了海底電纜勘探技術。除此以外，溝壑縱橫的海底地形也會影響海底電纜的布置[9]。而OBN作為一個個獨立的檢波器獨立自主的布置在海底接收地震波，它既擺脫了電纜的束縛，又能夠在海底靈活部署，定位更準、采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量更高，諸多的應用優(yōu)勢加之海洋勘探逐步走向深水，采用ROV進行OBN海底布放具有靈活性及精準性的特點，勢必會在未來海洋地震勘探中得到越來越廣闊的應用。

5 結(jié)論

ROV友好式OBN釋放回收系統(tǒng)以及布放方式為提高ROV精確布放OBN的效率提供了一種可行性方案：

（1）單次最多可攜帶16個OBN至水下，ROV操作安全、高效，布放效率顯著提高；

（2）OBN掛桿采用重力自鎖設計，有效地防止及避免了OBN在釋放回收過程中發(fā)生意外脫落丟失；

（3）采用組合定位導航的形式，確保了OBN水下布放精度，深水區(qū)域布放精度在±5 m以內(nèi)；

（4）針對不同地質(zhì)的海床，為OBN配備標識浮球、帶引線的固定插針、反光標，回收OBN時ROV更容易發(fā)現(xiàn)目標，OBN回收完好率可達100%。

相比于傳統(tǒng)作業(yè)模式，無論是作業(yè)方式方法、布放精度、布放效率都得到了提高。但是，OBN釋放回收系統(tǒng)及布放方式仍需進一步的優(yōu)化和改進，才能適應未來更大規(guī)模以及超深水OBN布放作業(yè)對布放精度、時效性的需求，ROV精確布放OBN技術有待進一步的研究。