溫明明1 肖波 徐行 張漢泉
（廣州海洋地質調查局 廣州 510760）
第壹作者簡介：溫明明，男，1976年出生，1998年畢業於長春科技大學信息工程學院，現任廣州海洋地質調查局技術方法所工程物探室副主任，物探工程師，從事海洋工程物探技術方法研究工作。
摘要 隨著近海油氣不斷開發，其後續發展能力明顯不足，因此深水含油氣盆地的開發將成為必然的發展趨勢。深水油氣田的井場調查是深水油氣田開發過程中的壹個主要環節，其勘探技術越來越被人們所關註。本文通過深水井場調查的技術要求分析，結合多次組織和參加井場調查的工作經驗，指出深水油氣田井場調查的技術難點在於探索海底表面障礙物分布情況、勘測海底地形地貌特征、了解中淺地層結構等這類勘探技術上。由於這些勘探技術受聲吶技術特點的限制，國外已經采用了DEEPTOW、ROV或者AUV技術，將壹些關鍵調查設備與海底保持壹定的高度來實現勘探技術目標，並已經取得成功的嘗試，因此，研究、發展和不斷地完善這類“貼底”調查技術十分重要。
關鍵詞 井場調查 勘探技術 近海底多參量勘查 聲吶技術
1 前言
最近幾年全球對石油的需求增加，導致世界石油價格不斷上漲，世界石油價格的大幅波動對世界經濟、對出口國和進口國均影響很大。隨著我國的經濟和現代化建設的快速發展，對於石油等能源的需求也越來越大。中國已經成為了世界上第二大石油消費國和第三大石油進口國。從目前我國經濟發展現狀來看，石油的進口量將逐年增加。能源問題已經作為國家安全問題對待。我國海域油氣資源產量超過4000萬噸油當量，海洋油氣資源的開發已經成為我國目前油氣資源供給的重要組成部分。
隨著近海油氣不斷開發，其後續發展能力明顯不足，深水含油氣盆地已經作為開發考慮的對象，這也是必然的發展趨勢。世界油氣總儲量的44%將來自深水海域，國外壹些大型深水油田已成功地進行開發，深水勘探（鉆探）水深和開發作業深度均超過了2000m。2004年7月8日巴西石油公司成功在墨西哥灣2301m水深進行了油氣開發，創造了海洋油氣開發新的水深世界紀錄［1］。我國管轄海域總面積近300萬km2，其中深水海域面積超過150萬km2，發育沈積厚度大於2000m的沈積盆地有20多個，面積近50萬km2。南海北部陸坡區、南沙海域等深水盆地均具有良好的含油氣遠景，尤其南海南部的南沙海域油氣資源極為豐富，預測總資源量達320億～430億噸，被譽為繼墨西哥灣、北海、中東之後的第四個產油區，成為周邊國家甚至美、日等國迫切染指的地區。然而，我國深水海域油氣資源仍處在勘探開發的初期，深水勘探（鉆探）能力僅達600m，開發作業能力503m，遠落後於發達國家［2］。
深水油氣資源開發成本極高，深水油氣主要分布的陸坡範圍具有海底地形地貌起伏多變、濁流沈積發育、沈積結構復雜、構造活動強烈，海底滑坡、沙土液化等地質災害頻發的特征，開發過程海底地震的波動、海底斷層活動、海底變形滑坡、深水濁流活動及海嘯等對采油平臺、浮式生產系統（FPSO）、海底輸油管線、海底電纜等都可能造成嚴重破壞，甚至危及人員的重大傷亡和財產的重大損失，開發前需要全面地了解井場的地質災害情況。深水油氣田的井場調查是油氣開發過程中的重要環節之壹，掌握先進的井場勘探技術至關重要，因此其勘探技術越來越被人們所關註。由於我國在此領域的工作剛剛開始，深水油氣勘探和處理等技術方法仍然處於起步階段，急需我們去探索和研究。
海洋油氣田井場調查的勘探技術是基於水聲物理學而發展起來的，測深、淺、中和深部的海底地層勘探以及側掃聲吶勘查設備都是利用聲吶技術。這些技術受勘探水深和分辨率相互矛盾的制約。例如當測深儀的工作頻率高時，其分辨率和測量的精度也高，但因聲信號在水層中的衰減也快，不能適用於水深較大的海域工作；反之，工作頻率低，其分辨率和測量的精度相對較差，而聲信號在水體中的傳播也要遠壹些，適合於深水海域作業。然而，單純靠提高發射功率是不能實現長距離聲信號傳播的目的。由此可見，在深水海域進行勘探時，要保證壹定的勘探精度和分辨率，這就要求使用類似側掃聲吶工作頻率的設備進行調查，其工作過程與海底需要保持壹定距離，使之具有類似淺水海域調查的精度和分辨率，這是深水油氣田井場勘查的主要技術難點之壹。
本文參照廣州海洋地質調查局2007年4月完成的國內首個深水井場調查的技術要求（水深約600m），並對在深圳蛇口召開的深水油氣井場調查技術研討會的資料分析，以及近年來多次參加、組織油氣田井場調查的工作經驗基礎上，通過對相應勘探技術的了解，結合我國調查船只及設備的實際情況，對目前深水井場的勘探技術做壹些初期研究。
2 井場調查的技術要求
海上油氣田井場調查的技術要求主要是：確定井場鄰近的水深、了解海底地形、地貌以及淺層氣和淺地層斷裂發育情況、中淺地層結構、海底以下1000～1500m深度上的地層構造變化情況、地質災害因素、海底表面障礙物分布情況等地質地球物理特征，為鉆井平臺的安全作業和準確確定鉆探位置提供可靠的地質評價資料。
近年來，我們的海上油氣田井場調查的工作從水深不足百米朝水深二三百米以下的海底加深；目前國際上對深水井場水深還沒有壹個統壹的定義，通常將水深超過500m的油氣井場稱為深水井場，需要勘探的工作深度將達到3000m。隨著調查海域不斷地朝深海方向推進，海上勘探工作的技術難度也不斷提高。因而，我們正面臨著海洋調查中的新要求、新技術和新方法的挑戰。
3 調查技術
3.1 淺水海域井場調查技術
在淺水海域的油氣田井場調查中，通常使用的調查技術有：測深、側掃聲吶、淺層剖面、單道地震、多道地震、地質取樣以及導航定位等（圖1）。
圖1 淺水海域井場調查工作示意圖
Fig.1 Shallow-water well site survey sketch map
單波束測深：主要用於確定井場及其附近海域的海底地形特征，常用的有單波束雙頻測深技術。
側掃聲吶：用於了解海底表面障礙物分布情況以及海底地形地貌特征，常用的是相幹側掃聲吶或多波束側掃聲吶技術。
淺層剖面：用於查明海底幾十米以內的淺地層結構、淺層氣和淺地層斷裂發育情況。通常的勘探要求為地層分辨率達到十厘米甚至幾厘米。淺層剖面技術已由早期的單頻率低頻探測發展為線性調頻或差分調頻探測技術。
單道地震：用於探測海底以下近百米的高分辨率中淺地層結構和淺地層斷裂發育情況，通常的勘探要求為地層分辨率1m甚至更高。壹般使用多極電火花、長排列的單道信號接收電纜以及信號采集處理器等設備組合，可獲取中淺地層結構、淺地層斷裂發育的海底信息。
多道地震：用於獲取海底以下1000～1500m深度的構造變化情況。通常的勘探要求為地層分辨率數米。多道地震勘探技術相對而言，其系統復雜、結構龐大，而且輔助設備也較多。
地質取樣：為了解海底底質情況，通常需要用重力柱狀取樣或抓鬥表層取樣，並且還需要壹定數量的樣品。
3.2 深水井場調查技術
深水井場多位於陸坡區，區內海底地形地貌、地質條件相對復雜，又因為在水深500m以上，壹些常規的技術方法已無法滿足深水井場調查的要求，這使得深水井場的調查難度遠遠大於常規淺水井場，相應的調查技術方法也需要全面升級。同時，深水淺層水流（Shllow water flow）的存在已經被人們視為新的地質災害，並認為會嚴重威脅到鉆井平臺的安全，調查技術手段要求比常規調查多，除原來的地質取樣、單波束測深、側掃聲吶、淺層剖面、單道地震和多道地震調查技術之外，還增加了多波束測深、淺層水流的檢測項目，部分項目還要求開展海洋磁力測量來探索海底目標物。
3.2.1 導航定位技術
常規的井場調查通常使用差分GPS導航定位技術來實現。因水深不大而拖曳長度也不大，壹些拖曳設備的定位問題可使用歸算法來解決。而在深水油氣井場調查中，要了解底質取樣和拖曳位置，使用歸算法來解決長距離的水下設備的定位問題勢必會產生較大的誤差，影響調查成果的精度，因而必須采用水下定位技術。
由於水下聲學定位系統是壹種在水下利用聲波應答脈沖測量發聲器與接收器間的距離從而對設備進行相對定位的系統。根據工作時基線長短可分為：長基線定位系統（LBL）、短基線定位系統（SBL）和超短基線定位系統（USBL）。USBL的基線長度小於聲波波長，其換能器陣固定在船上並投放入水中，根據裝在待定位設備上的信標發出的回波到達基線陣各元的信號的時間和相位差測量方位和距離，再計算出信標的位置，相對定位精度壹般為斜距的0.25%～0.5%。長基線定位系統（LBL）利用在海底布設3個以上不在壹條直線上的換能器組成基線陣，采用標準時鐘同步，發射聲脈沖，根據距離測量交會的球面定位原理，計算出載有接收器（信標）的運動物體位置，相對定位精度壹般在5cm至2m；短基線定位原理與長基線相同，只是基線長度較短，壹般安裝在調查船或平臺上，相對定位精度壹般為斜距的0.15%左右。在井場調查中，深拖調查（DeeptoW）和水下遙控機器人調查（ROV）系統工作時需要配備USBL技術，水下自治機器人調查（AUV）系統在水下作業時必須配備LBL系統。
3.2.2 測深技術
低頻率的單波束測深設備將取代高頻率的淺水調查設備來采集水深數據。由於水深較大，在各水層中聲速差異較大，需要再增加聲速剖面的測量設備，用聲速測量剖面資料參與測量水深數據的校正，以達到提高測深的精度。又因為大多數深水井場位於陸坡區，其周邊的海底地形地貌特征與大陸架上的油氣田井場相比要復雜得多，使用全覆蓋、高精度的海底地形測量的多波束條幅測深技術更有利於確定調查區域的海水深度以及完整地探明海底地形地貌特征。
3.2.3 淺地層探測技術
隨著調查區域水深加深，少量換能器組合而成的陣列已經無法達到探測的目的，因此要處理好發射能量和分辨率這些技術問題，通常用12或者16個換能器組成的陣列來探測深水海域的海底淺地層結構。多換能器組陣探測系統不僅可加大聲波的發射功率，而且還可減小換能器組陣波束角，提高探測的分辨率。在信號發射、接收和處理上可使用FM CHIRP技術來提高地層探測的水平分辨能力和垂直地層的穿透能力。在條件允許的情況下，最好使用窄波束、深穿透和高分辨的非線性差頻聲吶技術，以獲取更高的水平和垂直分辨率。
3.2.4 側掃聲吶調查技術
與其他調查技術不同，側掃聲吶在深水井場和淺水海域井場調查中的技術應用有所差異。全覆蓋的多波束測深系統中的側掃聲吶功能由於其聲學圖像分辨能力不夠高，無法滿足或者取代對深水海域的海底精密地貌測量和海底障礙物探索等技術要求，該項技術需要作技術調整。根據調查規範和調查需要，側掃聲吶調查中使用的量程範圍通常是100m或者200m，拖魚距海底的工作高度要保持在量程的10%～15%。為了達到較好的探索海底表面障礙物分布情況以及勘測海底地形地貌特征的效果，獲得更高的分辨率，必須使拖體能貼近海底工作。這種貼底勘查需要在DeeptoW、ROV和AUV技術的支持下實施。
3.2.5 單道地震調查技術
單道地震調查壹般使用組合系統。主要有三個部分，壹是由大容量的電容箱、控制電路和釋放能量的多極電火花構成的震源；二是長排列的單道信號接收電纜；三為信號采集處理系統。深水井場調查需要更大能量的震源，若到達水深超過1500m時，起碼需要用大於5000焦耳能量的震源，而且還需要改變電極的形式以適應這種大功率能量發射的要求。由於井場調查技術要求中，對水平和垂直分辨率要求較高，因此很難用小型的水槍或者GI槍來取代電火花作為震源。使用深拖電火花作為震源也是壹種有效的技術手段，可獲得更高分辨率的剖面探測圖像。在勘探信號接收水聽器的電纜中，應選用多水聽器（8，16或者24個）構成的單道地震電纜，可獲得較好的頻響效果以及較高的信噪比。
3.2.6 多道地震調查技術
多道地震調查系統也是由震源、數據處理、監視和記錄系統以及較長排列長度的地震電纜三個部分組成，但其系統復雜、結構龐大。為保證水平分辨率，其中的電纜道間距必須小於或者等於12.5m。同時選用和配備壹些高分辨勘探技術的震源設備，如大容量的水槍、GI槍或者特殊槍陣。通常而言，常規井場調查使用的多道地震系統也適用於深水井場調查，不需要做大的技術改進，可實現1000～1500m深度的地層勘探，了解地層的結構和變化特征。
3.2.7 底質沈積物取樣
無論是用抓鬥來采表層沈積物樣品還是用重力柱狀取樣器來取柱狀沈積物樣品，由於沒有說明，均不需要做專門的技術改造。但深水井場的工作水深較大，為保證甲板有纜作業的工作效率和取樣設備的安全，需要在取樣器以上的壹定高度上安裝PINGER（聲脈沖發生器）來監控取樣器和海底之間的相對位置。若需要高精度的定位，可使用USBL技術來提高取樣器的著底水下定位精度。
3.2.8 測流技術
深水井場調查中另外壹個值得關註的問題就是海流對平臺的影響。由於在深水海域，復雜多變的海流很容易引起海底變形滑坡、深水濁流等地質災害，這些地質災害嚴重威脅到平臺的安全。使用走航式ADCP測量設備進行流速流向的測量或者采用布設海底觀測錨系的方式對不同水層的海流進行定期觀測，以獲取深水井場以及附近海域的海流資料。
4 近海底多參量勘查技術
類似側掃聲吶、海底攝像系統和海洋磁力儀這類調查設備在工作時，必須要貼近海底才能獲得較好技術效果和達到技術要求，因此需要通過借助於DeeptoW，ROV和AUV技術來實現技術目標。
4.1 DeeptoW 技術
深拖（DeeptoW）系統與淺水海域工作的普通側掃聲吶探測系統相比，其設備安裝、操作和維護比較復雜，拖體內可集成包括側掃聲吶在內的其他探測設備。整個拖曳需要在母船牽引下作業；為了在壹定水深的海底保持平穩地工作，要配備壓沈器（depressor）、零浮力纜、正浮力拖體、穩定翼等裝置；由於需要實時傳輸大量的調查數據，為了確保長距離的信號通信的質量，降低信號在傳輸過程中的衰減，通常配備幾千米鎧裝光纜作為拖纜；收放設備需要配備大型絞車、A型架等輔助設備，甲板上需要配備強大的監控系統。為了提高調查效率，通常的深拖系統是壹個載體，可集成其他調查技術，例如多波束測深系統、淺地層剖面儀、光學攝像系統、磁力儀、深拖電火花震源和定位系統等，進行多手段多方法同步調查。此外，深拖的拖體距母船遠達幾千米，需要USBL技術的水下導航定位系統支持下作業。
4.2 ROV技術
與DeeptoW比較，遙控機器人（ROV）是壹個多用途的、需要有纜作業的、遙控運載系統。其水下載體可在甲板操作系統的指揮下，在壹定距離內靈活運動。它可集成側掃聲吶、多波束聲吶、海洋磁力儀、淺地層剖面儀以及光學觀測設備，進行海底綜合探測［3］，這也是目前被國外廣泛采用的技術方法。ROV技術的主要特點是：①采用數量較多的推力器，通常為4～7個推進器，多的可達10個。由於采用計算機自動控制技術，其水下載體推力器的控制能力大大提高，使得ROV平衡性好、靈活性高；②配備高精度的水下定位技術（主要是USBL技術）進行水下作業；③使用了光纖通訊技術，使得信號傳輸能力十分強大，從而也提高了計算機信號處理能力；④吊放系統大部分都有帶止蕩裝置的A型吊和臍帶絞車。臍帶則采用鎧裝、動力（高壓）、光纖合壹的重力纜；⑤配備強大的專用絞車和甲板輔助裝置進行工作；⑥有較大的負荷能力，以攜帶各種勘探、取樣的設備和存儲樣品；⑦目前的ROV的體積和功率都比早期的ROV有了較大的增加，機動能力大大提高，負荷能力也變得較大；⑧結構模塊化，可根據項目的技術要求，靈活地對各種調查設備進行技術集成，安裝所需的調查設備。此外還可以安裝機械手進行水下取樣，了解海底底質分布和查明海底障礙物［4］。
4.3 AUV技術
水下自治機器人（AUV）是壹種無纜的、可自攜動力和能按設計程序進行操作的自治式潛水器。它是壹個調查設備的集成載體，可集成多波束測深系統、淺地層剖面儀、光學攝像系統、側掃聲吶等多種調查設備，可用於深水井場調查的勘探設備。它在運行過程中通過聲通訊系統從水面接收改變航向、深度、收集數據等工作指令而進行調查觀測，來實現海底目標物搜索、地形地貌勘察、地層結構勘探以及其他觀測、取樣、打撈等壹系列作業的“水下機器人”（圖2）。
AUV主要由載體系統、控制系統、水聲系統及收放系統四大部分組成。它壹般艏部裝有垂直推進器和側移推進器，艉部裝有水平推進器，因而機動性強，自動定向定深快、準、精，為聲光探測系統在深水中的穩定性和準確性創造了極其有利的條件。機器人裝有長基線聲學定位系統和聲學發射應答器，因此系統本體在深水中的運動軌跡清晰，並可通過長基線定位系統對本體實施8道控制命令。系統本體所載傳感器和探測系統齊全，可實時記錄下溫度、鹽度、深度等參數。機器人具有多CPU、多級遞階控制結構，能方便地修改及編入程序，可預編程序航行，還可自動記錄各種運動和功能及圖像參數（黑匣子）。機器人還有獨特的回收和釋放本體的收放系統。
圖2 AUV結構圖
Fig.2 AUV structrue map
AUV需要水下定位技術中的長基線水下定位系統（LBL）的導航來工作。LBL工作需要在海底布設3個以上不在壹條直線上的發聲器組成基線陣。LBL的命令指揮系統安裝在調查船上。LBL是AUV工作不可缺少的配套設備。其工作的主要技術特點：①耐高水壓的動態密封結構和技術；②精度更高、誤碼率更低、作用距離更大的水聲通信能力；③最大工作水深達到6000m以上；④水下航速超過6節；⑤水下續航能力超過60小時；⑥采用數量較多的推力器，包括垂直、水平、側推等多種類型，由於采用計算機自動控制技術，其水下載體推進器的控制能力大大提高，使得現代的AUV平衡性更好、靈活性更高；⑦配備高精度的水下定位技術（主要是LBL技術）進行水下作業；⑧結構模塊化，可根據項目的技術要求，靈活地對各種調查設備進行技術集成，安裝所需的調查設備。例如可裝備的深水油氣井場調查需要的定位、淺地層剖面儀、側掃聲吶和多波束測深設備等；⑨獨特的回收和釋放本體的收放系統，發生局部故障或喪失自航能力時，它能自動拋載上浮至水面，且自動拋起應急無線電發射天線和亮起急救閃光燈［5］。
對比深拖系統、ROV和AUV三種設備中，前兩者具有可進行實時數據傳輸、實時控制、沒有動力限制等優點，但是需配備大型絞車、工作速度較慢、技術要求高和操作的靈活性不夠。後者作業因沒有拖纜的約束而範圍較大，工作更加靈活、方便。但其弱點也很明顯：首先是不能實時數據傳輸，只能在特殊情況下可通過聲學modem將重要數據發送到甲板控制中心，AUV行動的重要命令是通過甲板控制命令單元發送信號來運行的；其次，水下機器人的回收至今仍是壹個沒有完全解決的問題，尤其是在深海使用的AUV設備的回收更加艱難；再次，AUV的能耗很大，它既不能采用太陽能電池，也沒有臍帶纜不斷地供電，只能靠自帶的蓄電池，從而限制了它在水下的工作時間；最後是AUV以及相應水下定位系統價格昂貴，技術的引進還受出口許可的限制。因此，盡管目前AUV技術還存在許多缺點，但它對調查船舶依賴性較小，而且具有較高的靈活性和可擴展性，因而具有無法比擬的優越性，隨著技術水平的不斷提高，其技術的不斷發展和完善，AUV技術必將在深水井場調查中起著越來越重要的作用。
5 認識和結論
從深水井場調查項目技術要求、調查技術以及相關的輔助調查技術分析，根據目前國內海洋調查單位的勘探技術裝備情況，我們認識到開展深水油氣井場調查仍然具有壹定的差距。盡管測深、淺層剖面、單道地震、多道地震、地質取樣等勘探技術比較成熟，只要作壹些技術升級可以實現技術目標；而當務之急需要發展的重點在於提高深水井場的海底精密地貌測量、海底障礙物探索、淺地層結構探測的綜合調查技術能力，主要是包括近海底多參量勘查和配套的水下定位技術。主要有以下幾點：
1）深水油氣井場調查所需要的手段和淺水海域的壹些油氣田井場相比，增加的調查項目不多，除需要進行海流測量之外，還需增加多波束海底地形地貌測量；而這些技術國內裝備較多，工作方法也比較成熟。
2）多道地震、地質取樣等調查項目的技術要求沒有變化，但用於中、淺地層剖面勘探的淺地層剖面儀和單道地震勘探設備需要做壹些技術升級；
3）用於探測海底障礙物和海底地貌特征的側掃聲吶和海洋磁力測量項目需要在近海底多參量勘查技術支持下作業，但這些技術目前國內開展得很少，尤其是深海海域幾乎是空白。因此，需要加強該方面技術和方法上的研究，尤其是對ROV和AUV技術、方法以及應用領域和集成技術的研究工作；
4）近海底多參量勘查技術離不開USBL和LBL等水下定位技術，它們將成為深水油氣井場勘探的關鍵技術，需要加快超短基線定位系統、長基線定位系統的技術方法和應用研究工作。
隨著科學技術的發展和進步，海洋深水油氣開發的要求也將發生相應的變化；因此我們要跟蹤國際上海洋調查技術的最新發展，積極開展技術調研，技術方法以及應用研究，同時也關註和加強對壹些目前還沒有受人重視的調查技術以及方法研究，例如，深水海底的原位CPT探測技術等領域。在研究深水油氣井場調查技術的基礎上，也積極開展對深水海底管線路由調查技術方法的研究，為參與我國即將開展的深水油氣開發做好技術儲備。
參考文獻
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［5］李曄，常文田，孫玉山，蘇玉民.自治水下機器人的研發現狀與展望.機器人技術與應用，2007，1期
The Study on The InveStigation Technique of Oil and GaS Field Well Site in Deep Sea
Wen Mingming Xiao Bo Xu Xing Zhang Hanquan
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：With the continuously exploit of offshore oil and gas，the sustainab1e developing capability appears to be more and more insufficient.Thus it becomes the tendency for recovering the oil and gas in the deep sea basin.As a key Procedure for exploiting oil and gas in the deep sea，the investigation of Well site is being Paid much more attention to.By analyzing the technique elements and some Practical investigations for Well site in deep sea，this paper Points out that the main problem for deep sea Well site investigation lies in the discovering the barrier，surveying the topography and Physiognomy of the sea floor and finding out the moderate to shallow structure of the stratigraphy.In overseas，some key equipments，such as DEEPTOW，ROV and AUV have been introduced for overcoming the shortcomings of sonar.These tools are generally kept certain distance to the sea floor when working and good success has been got.So it is of great significance to study and improve this kind of near sea floor technique for deep sea Well site investigation.
Key Words：Well site survey Exploration technique Near sea floor survey of multiple Parameters Sonar technique