阮福明 吳秋云 王 斌 曹占全 朱耀強(qiáng)

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300451)

中國海油高精度地震勘探采集裝備技術(shù)研制與應(yīng)用*

阮福明 吳秋云 王 斌 曹占全 朱耀強(qiáng)

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300451)

隨著海上油氣勘探技術(shù)的發(fā)展和勘探目標(biāo)的日益復(fù)雜化，對地震采集的測量動態(tài)范圍、精度及分辨率的要求日益提高，迫切需要研發(fā)高精度海上地震勘探裝備。為打破國外技術(shù)封鎖和壟斷，近年來中海油服攻克難關(guān)，自主研制了一系列完全知識產(chǎn)權(quán)的高精度地震采集裝備和技術(shù)，包括“海亮”高精度拖纜地震采集系統(tǒng)、“海燕”拖纜定位與控制系統(tǒng)、“海途”綜合導(dǎo)航系統(tǒng)及“海源”氣槍震源控制系統(tǒng)。多次海上試驗及生產(chǎn)應(yīng)用表明，利用自主研發(fā)的高精度地震采集裝備采集到的數(shù)據(jù)具有高保真度、高帶寬、高分辨率等特點，其核心技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)空白，全面提升了我國海上油氣勘探技術(shù)的核心競爭力。

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

隨著各種勘探技術(shù)的不斷發(fā)展以及勘探目標(biāo)的日趨復(fù)雜，海洋油氣勘探面臨諸多挑戰(zhàn)，迫切需要地震勘探裝備能夠提供更高質(zhì)量的勘探資料。目前，高精度地震勘探技術(shù)已逐漸成為實際勘探作業(yè)的主要手段之一[1-6]，其發(fā)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(shù)、拖纜姿態(tài)控制技術(shù)以及相應(yīng)的處理解釋技術(shù)等。國際上高精度地震勘探技術(shù)已有3 種典型代表:以PGS 為代表的HD3D技術(shù)、CGGVeritas的Eys-D技術(shù)、WesternGeco的Q技術(shù)。由于起步較晚，我國的物探地震設(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口，而且受制于技術(shù)壁壘，高精度地震勘探技術(shù)發(fā)展緩慢[7-8]。

為改變我國海上地震勘探裝備依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，打破國外技術(shù)封鎖和壟斷，從“十五”起中海油田服務(wù)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(shù)的研發(fā)?！笆濉逼陂g，依托“863計劃”子課題“時移地震采集關(guān)鍵設(shè)備研制”，開展了關(guān)鍵核心系統(tǒng)——拖纜采集系統(tǒng)的研制，形成了試驗樣機(jī);“十一五”期間，依托“863計劃”子課題“海上高精度地震采集設(shè)備研制”，開展了海上地震裝備技術(shù)攻關(guān)，形成了拖纜地震采集系統(tǒng)、拖纜定位與控制系統(tǒng)兩套工程樣機(jī);“十二五”期間，依托“863計劃”課題“深水高精度地震勘探系統(tǒng)成套化研制”，在前期成果基礎(chǔ)上，開展了海上高精度成套物探裝備及核心技術(shù)研制，成功研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“海亮”、“海燕”、“海途”、“海源”等4套高精度地震采集裝備和技術(shù)，已進(jìn)行多次試驗及生產(chǎn)作業(yè)，取得了良好的應(yīng)用效果，為我國海上石油勘探開發(fā)發(fā)揮了重要作用。

1 “海亮”高精度拖纜地震采集系統(tǒng)

1.1 I型地震采集系統(tǒng)

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

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

船載記錄系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱體、主控工作站和顯示工作站以及其他磁帶存儲設(shè)備和繪圖顯示設(shè)備組成，負(fù)責(zé)接收水下拖纜地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化、顯示和記錄。水下拖纜利用水聽器接收地震波，完成模數(shù)轉(zhuǎn)化，向船載記錄系統(tǒng)實時傳送地震數(shù)據(jù)[9-10]。 水下拖纜采用3.125 m道間距，可實現(xiàn)0.25、0.5、1、2、4 ms多種地震數(shù)據(jù)采樣間隔，使用高精度24位模數(shù)轉(zhuǎn)化(ADC)，動態(tài)范圍大于115 dB。系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力較強(qiáng)，最大能擴(kuò)展到16纜地震數(shù)據(jù)采集。水下拖纜采用單檢高密度小道距技術(shù)，設(shè)計中充分利用現(xiàn)代電子技術(shù)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(shù)

近年來， 固體線列陣作為新興產(chǎn)品因其環(huán)保與低噪聲等優(yōu)勢在國際上甚受重視，有逐漸取代傳統(tǒng)充液線列陣的趨勢[11]。“海亮”固體電纜利用固體發(fā)泡層代替?zhèn)鹘y(tǒng)液體填充物為整條電纜提供浮力，環(huán)?？煽?，在電纜內(nèi)部相應(yīng)位置布局水聽器、通信線圈、采集傳輸模塊等器件實現(xiàn)地采集、解析、傳輸和電纜水下姿態(tài)的控制，內(nèi)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(jī)械接頭總成(圖2)。

固體電纜相比傳統(tǒng)充油電纜更環(huán)保，即使現(xiàn)場使用過程中受到破壞也不會對海洋環(huán)境造成危害，不會因破皮進(jìn)水進(jìn)氣而影響信號接收質(zhì)量，信號保真度高、接收質(zhì)量好，可靠性高、故障率低，從而能保證較高的作業(yè)時效。

圖2 “海亮”固體電纜結(jié)構(gòu)Fig .2 HQI-Seis solid streamer structure

近年來，“海亮”高精度拖纜地震采集系統(tǒng)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(chǎn)任務(wù)，取得了良好的應(yīng)用效果，累計產(chǎn)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(qū)約2 470 km的二維斜纜犁式作業(yè)，平均日作業(yè)量120.3 km,最大作業(yè)深度達(dá)100 m，設(shè)備故障率為零。

2 “海燕”拖纜定位與控制系統(tǒng)

“海燕”(HQI-Poco)系統(tǒng)是中海油服自主研發(fā)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)首套拖纜定位與控制系統(tǒng)(圖3)，包括上位機(jī)控制系統(tǒng)和水下控制設(shè)備。通過控制羅經(jīng)鳥翼板垂直方向移動實現(xiàn)拖纜深度控制，通過控制水平鳥翼板水平方向移動實現(xiàn)拖纜間距控制，通過聲學(xué)鳥測距為綜合導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位數(shù)據(jù)。“海燕”系統(tǒng)兼容進(jìn)口及國產(chǎn)水鳥，兼容進(jìn)口及國產(chǎn)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，突破了深度控制限制，打破了國外技術(shù)壟斷，工作水深可達(dá)100 m，提供可調(diào)節(jié)的水平控制、聲學(xué)測距控制算法，穩(wěn)定性好、可靠性高、定位精度準(zhǔn)，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注和一致好評。目前，“海燕”系統(tǒng)已在多艘物探船應(yīng)用。

圖3 “海燕”上位機(jī)控制系統(tǒng)及水下控制設(shè)備Fig .3 HQI-Poco upper computer control system and underwater equipment

2.1 深度控制技術(shù)

為實現(xiàn)羅經(jīng)鳥深度控制，采用帶有帶死區(qū)的PID改進(jìn)控制算法。PID控制算法是一種過程自動控制策略，應(yīng)用于過程中某個參量的閉環(huán)控制，以實現(xiàn)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(biāo)調(diào)整量；比例Kp為對預(yù)設(shè)值和反饋值差值的放大系數(shù)；e(n)為參量設(shè)定值與第n次參量測得值之差；積分Ki為預(yù)設(shè)值和反饋值之間差值在時間上進(jìn)行累加；微分Kd為預(yù)測誤差變化趨勢。

結(jié)合羅經(jīng)鳥的具體工作實際，式(1)可描述為以下流程:

1) 上位機(jī)給羅經(jīng)鳥進(jìn)行深度設(shè)定，即為目標(biāo)參量的設(shè)定值；

2) 羅經(jīng)鳥接收到命令，立即進(jìn)入PID閉環(huán)深度控制模式，計時開始；

3) 到達(dá)定深度閉環(huán)控制時刻，處理器根據(jù)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(jīng)鳥翼板角度偏差值u(n)；

4) 羅經(jīng)鳥根據(jù)計算偏差值角度u(n)，轉(zhuǎn)動到相應(yīng)角度。

應(yīng)用表明，PID控制算法較好地實現(xiàn)了羅經(jīng)鳥的深度控制，達(dá)到了國際同類設(shè)備水平。

2.2 全網(wǎng)測距技術(shù)

為實現(xiàn)拖纜定位與間距控制，采用聲學(xué)鳥掛載在拖纜指定位置，聲學(xué)鳥之間互相測距實現(xiàn)相對距離測量，得到電纜幾何形狀。采用聲學(xué)輪詢測距算法，根據(jù)約束條件，以聲學(xué)鳥為節(jié)點，自動構(gòu)建聲學(xué)測距網(wǎng)絡(luò)并合理安排聲學(xué)鳥的信號發(fā)射時間和信號接收時間窗口序列，以達(dá)到總體時間最短的目標(biāo)(圖4)。采用后補(bǔ)償機(jī)制的貪婪算法，初始構(gòu)建最大網(wǎng)絡(luò)集，采用基于優(yōu)先級的刪邊策略規(guī)則，不斷迭代刪邊，直至符合最小約束。采用回歸補(bǔ)償機(jī)制，克服刪邊策略的不完備性，將多刪的邊恢復(fù)，使網(wǎng)絡(luò)幾何結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。

圖4 “海燕”網(wǎng)絡(luò)測距策略Fig .4 HQI-Poco network ranging strategy

3 “海途”綜合導(dǎo)航系統(tǒng)

通過攻克基于卡爾曼濾波的坐標(biāo)解算算法以及纜形解算算法、炮點預(yù)測算法，研制了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)——“海途”(HQI-Navi)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)(圖5)，實現(xiàn)了物探船的定位與控制?！昂Ｍ尽本C合導(dǎo)航系統(tǒng)是海上地震勘探作業(yè)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(tǒng)協(xié)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(yè)質(zhì)量進(jìn)行有效控制，其精度直接關(guān)系后期的地震數(shù)據(jù)處理以及鉆井定位。應(yīng)用表明，“海途”綜合導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性好，可跨平臺，支持常見勘探系統(tǒng)及設(shè)備，支持隨機(jī)震源響炮作業(yè)，支持常見操作系統(tǒng),導(dǎo)航定位精度高。

圖5 “海途”綜合導(dǎo)航系統(tǒng)Fig .5 HQI-Navi integrated navigation system structure

3.1 主要算法

1) 炮點預(yù)測算法?！昂Ｍ尽本C合導(dǎo)航系統(tǒng)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(yù)測算法，在天氣、海浪劇烈變化的環(huán)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(biāo)整體偏差控制在0.1 m以內(nèi)(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(biāo)解算算法。采用弧段積分纜型解算方法，將相鄰的近距離節(jié)點之間視為直線段，通過已知距離偏移與方位觀測值進(jìn)行坐標(biāo)傳遞，計算出纜上所有節(jié)點的坐標(biāo)，并通過尾標(biāo)RGPS等觀測值進(jìn)行電纜旋轉(zhuǎn)修正偏差；通過實時接收差分GPS信號與船參考點坐標(biāo)以及配置的船尾中心點、槍陣和拖纜掛載的羅經(jīng)鳥、聲學(xué)鳥以及RGPS相對位置及實時數(shù)據(jù)，采用卡爾曼濾波法進(jìn)行坐標(biāo)傳遞，最終計算出每個采集道的坐標(biāo)。實際應(yīng)用表明，與國外同類系統(tǒng)比較，“海途”綜合導(dǎo)航系統(tǒng)整體偏差可控制在2.5 m以內(nèi)。

3.2 硬件采集平臺

研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集平臺(INSP)，實現(xiàn)了船載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的采集及勘探作業(yè)觸發(fā)控制(圖7)。基于VME總線架構(gòu)，選用商用成熟的單板計算機(jī)及傳輸接口板實現(xiàn)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)和船載其他系統(tǒng)及傳感器設(shè)備的互連通信,其中單板計算機(jī)運(yùn)行VxWorks實時操作系統(tǒng)，傳輸接口板采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)高精度時鐘守護(hù)和觸發(fā)。

圖7 “海途”綜合導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集平臺結(jié)構(gòu)Fig .7 INSP structure of HQI-Navi

4 “海源”氣槍震源控制系統(tǒng)

氣槍震源控制系統(tǒng)是海上地震勘探設(shè)備不可或缺的重要組成部分，可完成對氣槍震源的激發(fā)控制，實時采集氣槍同步信號、近場子波信號、壓力和深度數(shù)據(jù)，監(jiān)控氣槍震源的激發(fā)質(zhì)量。研制了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“海源”(HQI-Source)氣槍震源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)把水下采集的所有數(shù)據(jù)在氣槍附近進(jìn)行數(shù)字化，大大減小炮纜的直徑和長度，允許更小的偏移距，實現(xiàn)了高精度的氣槍震源同步控制，為高質(zhì)量的3D、4D 地震勘探提供高度重復(fù)的、寬頻的震源信號。同時，該系統(tǒng)還實現(xiàn)了多種延遲氣槍震源控制方式，為隨機(jī)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(yīng)用效果

近年來，高精度地震勘探采集裝備逐漸投入生產(chǎn)應(yīng)用，突破了深度、道間距等技術(shù)限制，開展了深纜、斜纜、高密度等新方法試驗和生產(chǎn)作業(yè)，完成了10余個地震采集作業(yè)，包括常規(guī)2D、斜纜寬頻2D及高密度3D勘探，應(yīng)用區(qū)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(yè)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(tǒng)已裝配到新建的“海洋石油760”和“海洋石油707”船，實際應(yīng)用表明已具備單纜7 km的二維地震采集能力，進(jìn)一步推動了自主裝備的生產(chǎn)應(yīng)用，承擔(dān)起了生產(chǎn)作業(yè)及探索勘探新方法、新技術(shù)的任務(wù)，助力中國海油開拓新的市場。

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

圖8 “海亮”犁式斜纜與常規(guī)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(yīng)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(yōu)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(zhì)調(diào)查，可提高淺層勘探精度；室內(nèi)數(shù)字組合方式更方便，可為后續(xù)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(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的頻譜，其中“海亮”犁式斜纜作業(yè)比常規(guī)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(guī)水平纜頻譜對比Fig .9 Contrast of spectrum between HQI-Seis inclined streamer and conventional horizontal streamer data

6 結(jié)束語

高精度地震勘探采集裝備的研制是一項大的系統(tǒng)工程，涉及物探、機(jī)械、電子、軟件、測繪、控制等多學(xué)科融合，工藝和可靠性要求高。經(jīng)過近幾年不懈努力，中海油服攻克難關(guān)，成功研制出我國海上高精度地震勘探系統(tǒng)成套采集裝備，包括“海亮”高精度拖纜地震采集系統(tǒng)、“海燕”拖纜定位與控制系統(tǒng)、“海途”綜合導(dǎo)航系統(tǒng)以及“海源”氣槍震源控制系統(tǒng)，完成了多次海上試驗及生產(chǎn)作業(yè)，取得了非常好的應(yīng)用效果，采集到的地震數(shù)據(jù)具有高保真度、高帶寬、高分辨率等特點，受到了業(yè)界廣泛關(guān)注。這表明，中海油服自主研發(fā)的高精度拖纜采集裝備可以適應(yīng)高精度野外地震勘探的要求，其核心技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，打破了國外公司長期的技術(shù)壟斷與限制，填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)空白，全面提升了我國海上油氣勘探技術(shù)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(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理電子學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事物探裝備研發(fā)工作。地址：天津市濱海新區(qū)塘沽海洋高新區(qū)黃山道4500號中海油服產(chǎn)業(yè)園區(qū)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(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“深水高精度地震勘探系統(tǒng)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(shù)研制與應(yīng)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.