新闻中心
海洋技术▏深拖在深水崎岖海底作业的研究
作者:转发自溪流之海洋人生    发布于:2017-12-27 11:13:17    文字:【】【】【
摘要:深拖是深水井场调查中的常用设备。它是将一种或几种海洋调查仪器进行组合安装在同一个拖体上,将拖体沉放到预定深度来减少水体对调查精度等影响的设备。

      深拖是深水井场调查中的常用设备。它是将一种或几种海洋调查仪器进行组合安装在同一个拖体上,将拖体沉放到预定深度来减少水体对调查精度等影响的设备。利用深拖进行调查时因为拖体位于水下,且距离调查船较远,不可控因素较多。当海底较平坦时,深拖作业时拖体距离海底的高度一般在40~70m,高度较好控制,获得的资料精度高,清晰度好;当海底崎岖不平时,深拖在水中的姿态起伏不定,拖体高度难以控制,带来了拖体安全、资料质量和测量精度下降等问题,本文主要根据海上实际作业中遇到的问题,研究深拖在深水崎岖海底作业的难点及解决方法。

      一、深拖系统的组成及搭载的设备

      深拖系统作为载体可以根据需要搭载相关物探或水文调查设备,一套深拖系统主要由拖体绞车及拖缆、甲板控制单元组成。

      1. 深拖系统的组成(以DT-1拖体为例)

      DT-1拖体的体积L305cm×W92cm×H104cm,总重量910kg,额定工作水深3000m,正常工作速度2~3.5kn,作业环境:风力≤6级,浪高≤2m。

图1   DT-1系统组成

      DT-1深拖系统主要由拖体、脐带缆、压载器、拖缆、绞车及甲板控制单元组成(图1)。拖体搭载多波束测深系统、侧扫声纳系统、浅地层剖面仪以及辅助传感设备(MRU、CTD、压力传感器、多普勒计程计、高度计和声信标等)。拖体深度与拖缆长度的经验比1:2~1:3,采用万米拖缆绞车,为承受较大的拉力,拖缆采用直径相对较粗的18mm铠装同轴电缆,能承受20t拉力,配套的绞车本身体积也较大,占用较大的船甲板空间。测量船舶为配合拖体作业,通常在船尾配备A型架或航车以方便拖体下水和回收作业[1]。DT-1拖体具有正浮力,在作业时依靠550kg的压载器将拖体沉入深水中,拖体通过50m脐带缆和压载器连接,可实现海底微地形、微地貌和浅层结构的高分辨率探测,满足深水区海底的精细探测要求[2]。

      2. 深拖系统搭载的专业设备

      深拖作业时,调查船提前对准测线,保持匀速直线航行,在拖体和压载器入水后不断放缆,当拖体沉降到预定深度后,母船拖曳拖体沿设计测线开始测量。作业中,拖体上搭载的各种设备同时工作,采集各种数据:Sonardye RangePro型超短基线(USBL)用于与母船(双船定位时的定位船)实时联系,确定拖体位置;Kongsberg EM 2000型多波束系统采集水深数据,深度分辨率可达1cm;Edgetech 2400型浅地层剖面系统采集海底以下浅部地层信息(海底至海底以下30m),垂直分辨率达0.2m;Edgetech 2400型侧扫声纳系统采集海底地貌特征信息,410/120kHz双频;Kongsberg高度计获取拖体距离海底的高度信息(图2)。

 图2    DT-1搭载的设备

      为提高测量精度,DT-1拖体搭载的调查设备为浅水型,设备对拖体的高度很敏感。拖体高度过高(经验值100 m以上)调查资料的质量和精度都将下降。因此,维持一定的离底高度是深拖作业获取高质量测量数据的关键。

      二、深水崎岖海底作业难点及解决方案

      1. 设备安全

      设备安全是深拖作业的首要风险,深水调查设备的价格昂贵,项目投资大,工期要求严格,设备丢失带来的直接和间接损失往往很大。由于拖体是依靠拖缆收放和船速来调节其距离海底的高度,作业时拖缆一般在2000~4000m,常用拖缆绞车平均速率0.5m/s,拖体高度响应速率0.17m/s,拖缆收放和船速在调节拖体高度方面存在滞后性。海底起伏较大时,拖体距离海底的高度难以控制,太高了资料质量差,采集的数据密度底,太低了拖体触底风险增加。

      解决方案:利用船载深水多波束进行区域踏勘,查明区域内的大致水深和地形变化情况。船载多波束距离目标海底太远,水深精度和水深点密度都不能满足钻井船就位和作业的需要,但这些数据可以为深拖作业服务。将船载多波束采集的数据处理后加载到导航系统中,可以在深拖作业中预知拖体前方的水深变化趋势,提前收放拖缆。踏勘获得的数据还可以为深拖测线设计提供依据,深拖主测线应当尽量平行于水深等值线,降低水深急剧变化对深拖的影响。

      2. 资料采集

      在深水崎岖海底作业时,拖体在水中的姿态不稳定,高度不断变化,这样就造成两个问题:一是有效地貌资料不能全覆盖调查区域,这是因为拖体距离海底的高度增大时侧扫声纳盲区也增大,有效资料的覆盖范围减小,拖体受海流等影响偏离设计测线,形成地貌覆盖“空白区”;二是浅地层资料失真,拖体姿态不稳导致浅剖资料中的海底及地层随拖体起伏变化,形成虚假的地形起伏,即“假海底”现象。

      解决方案:①对于地貌资料的“空白区”,除关注拖体高度,实时调节之外,适当的加密测线,利用多波束后散射数据综合解释。②对“假海底”现象可以采用“海底归位”技术。将多波束的水深值网格化输出,从浅地层剖面数据中提取道头坐标,根据该坐标在水深网格中搜索、插值得到对应的水深值,接着将该水深转换为时间间隔,根据浅地层剖面数据的采样间隔在每道数据前填充“空白”数据[2]。浅地层剖面资料质量不佳时还可用大能量的电火花设备采集的地层剖面资料补充。

      3. 测量精度

      测量精度的下降是深水崎岖海底面临的又一难题,这在测深调查中尤为突出。水深始终是海洋工程勘察中最重要的数据之一。深拖采集的水深数据由两部分组成:拖体至海面的水深值由拖体内的压力传感器获取;拖体至海底的水深值由拖体内的多波束探头获取,二者之和即为实际的水深值。在深水崎岖海底的作业时,多波束换能器发射接收的频率受到限制,导致采集数据的密度在沿着航迹和垂直于航向上均减小,崎岖的海底也使声波传播过程中受折射、散射的影响增加,这都使水深精度降低。

      解决方案:提高水深测量精度的方法:①增加声速测量站;②减小多波束的波束开角,减少其对边缘波束的影响;③多种测量方法并用,除了深拖多波束外,钻孔实测水深(钻杆测量)、CTD温盐深测量、海底高精度压力传感器测量(US⁃BL精确定位)。

      三、实例应用

      现场作业中利用以上的措施降低了崎岖海底对深拖作业的影响。例1:BY5-2-1井场位于南海北部大陆坡的海底峡谷区,南海北部陆坡油气资源丰富,近年来相继开发了荔湾(LW)、白云(BY)、流花(LH)等区块,但该区海底起伏不平,平均坡度0.013°~0.023°[3]。

      1. 区域踏勘

      利用EM302型船载多波束系统和Geo⁃Source 800型电火花系统进行区域踏勘。图3左侧为南海东部某井场A的多波束踏勘数据,可见水深变化剧烈,在10×10km内,水深由323.9 m急剧变为935.6m,海底坡度达25°。在深拖作业时,导航系统利用踏勘数据,及时的收放拖缆。既保证了设备安全,又获得了相对高质量的资料。图3右侧为A井场深拖多波束数据,资料质量和精度都比踏勘数据高。

  图3    多波束踏勘和深拖数据

      2. 加密测线、资料互补、综合解释

      在A井场调查时,在预定井位周边200m范围内加密了测线(线距50m),这样采集的地貌资料全覆盖了井场的中心部分。除加密测线外,利用多波束采集的反向散射强度数据可以得到海底沉积物的变化[4],弥补地貌资料的不足。为了弥补浅地层剖面资料不足,在A井场踏勘时进行了电火花地层剖面调查(图4),利用电火花资料与深拖系统的浅地层剖面资料互补,综合解释。

图4   电火花地层剖面

      3. 海底归位解决“假海底”现象

      DT-1拖体搭载的Edgetech 2400型浅地层剖面系统,该系统使用的EdgeTech软件以jsf格式记录数据,后处理时需要转换为常用的sgy格式。EdgeTech软件将jsf浅剖数据转换为sgy格式时会丢失拖体在水中的高度信息,使拖体的升降在浅剖上形成虚假的海底起伏地形,见图5左侧。采用在浅剖数据中加入真实水深的“海底归位”技术解决了这一难题,见图5右侧真实浅剖资料。

图5   “海底归位”前后对比图

      4. 特殊测量方法提高测深精度

      高精度的水深值在海洋工程中极其重要,它关系到钻井船就位、平台导管架设计等一系列海洋工程业务,关乎整个项目的安全和成败。对于某些特殊项目,水深精度要求更高。

      例2:南海东部某区块张力腿平台项目中,预定井位位置水深误差限值±0.5m,国家《海道测量规范》中水深精度要求≤2%(水深100m以上),项目要求远高于国家规范。在流花平台场址调查中采用了多种测量方式:船载单/多波束、ROV搭载多波束、钻孔水深+单波束、深拖多波束、CTD和ROV搭载压力传感器。其中ROV搭载压力传感器的测量方式:ROV搭载压力传感器(精度0.01%水深)和USBL(提供定位数据)至预定井位位置稳定约30min获得的连续水深值。对比各种测量方法后发现,此方法获得的水深值与真实的水深值(通过多次测量和数学统计获得)最接近(表1)。

表1 多种水深测量方式对比


调查方式

井场1

井场2

调查精度

多波束

330.9m

403.4m

0.01m

单波束

331.3m

404.2m

±0.1m±0.1%水深

CTD相对

-0.3m

-0.2m

±0.3%量程

ROV搭载压力传感器

329.7m

403.6m

0.01%水深

ROV搭载多波束

328.6m

402.6m

0.01m

深拖多波束调查

328.5m

402.4m

0.01m

钻孔水深

328.8m

403.4m


真实水深

329.7m

403.6m

      四、结束语

      本文主要分析了深拖在深水崎岖海底作业中遇到的问题:设备安全、资料采集和测量精度,并提出了区域踏勘、方案优化和海底归位等解决办法,为提高深拖在深水崎岖海底作业的安全性和数据质量提供思路。

      参考文献:

      [1]汤民强,毕永良.深海路由勘察中深拖与AUV的技术对比[J].海洋测绘,2008,28(6):79-82.

      [2]罗进华,朱友生,张宝平,等.深拖系统在南海深水工程勘察中的应用[J].物探装备,2013,23(6):393-396.

      [3]冯文科,鲍才旺.南海地形地貌特征[J].海洋地质研究,1982,2(4):80-93.

      [4]唐秋华,周兴华,丁继胜,等.多波束反向散射强度数据处理研究[J].海洋学报,2006,28(2):51-55.

地 址:山东省青岛市高新区锦业路一号   
电话:0532-68012199   邮箱:597758163@qq.com
手机:15589858638
 
销售办地址:江苏省东台市城东新区研发中心C座   电话:0515-85291989 
工厂办地址:江苏省东台市城东新区经一路88号    电话:0515-69612898
邮箱:597758163@qq.com     手机:17715200898
 
版权所有:青岛赶海机器人有限公司    鲁ICP备14037978号-1