水下机器人在OBN海底布放中的应用

邹建文，施炎武

（中海辉固地学服务（深圳）有限公司，广东深圳 518000）

海底节点（Ocean Bottom Node，简称OBN），是一种位于海底，可以独立采集、记录地震信号的多分量地震仪。主要应用于海底地貌复杂，地形变化大，深浅结合带内油田油藏的地震数据采集，具有高覆盖、多排列、宽方位、高精度等特点。同时能够存储数据，提高地震成像质量，提高四维勘探的可重复性，改善油藏监测结果[1-4]，因而越来越受到国内外各大石油公司的高度重视。

近年来，OBN地震数据采集已得到了大量的应用，尤其在油藏监测领域应用效果显著，国内方面中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司（简称“东方地球物理公司”，BGP）已成为全球唯一不生产节点却掌握OBN全业务链的公司，包括整套节点采集技术、质控技术，并拥有完全自主知识产权的处理软件；万瑞（北京）科技有限公司已完成了具有国际先进水平的海底节点的研发工作，设计水深3 500 m，目前已进入实测阶段，打破了国外公司的垄断[5-6]。

1 ROV在OBN地震勘探中应用简介

OBN地震作业示意图见图1，其观测方法就是将OBN布放在海底，地震仪自备电池供电，震源船在震源点进行激发，OBN则在海底独立采集、记录地震信号[7]。当震源船完成所有震源点激发后，回收OBN下载数据并进行处理与解释。

图1 OBN地震作业示意图Fig. 1 Schematic of OBN seismic operation

OBN布放通常采用人工抛放（图2）和水下机器人（Remote Operated Vehicle，简称ROV）精确布放（图3）相结合的方式：

图2 OBN人工抛放示意图Fig. 2 Schematic of OBN deployment by lowering down from vessel deck directly with connected securing cables

图3 OBN水下机器人精确布放示意图Fig. 3 Schematic of accurate OBN subsea deployment via ROV

（1）在水深小于100 m、流速较小、水下地形平坦区域采用人工抛放，将OBN按顺序串接在缆绳上，作业支持船以一定速度朝设计路线航行，通过下放缆绳即可完成节点铺设；

（2）在水深大于100 m、流速较大、水下地形较复杂区域采用ROV精确布放，ROV在水下将每个特定编号的OBN逐个放置于海底设计位置。

ROV要完成OBN的精确布放需要借助于水面及水下定位系统，通常根据作业水深范围以及所需的布放精度来选择合适的定位系统。常规使用的是超短基线（Ultra Short Baseline，简称USBL）水下定位系统[8]，其定位精度随水深的增加而降低。对于深水作业则可以采用组合定位导航的形式，由USBL水下定位系统结合惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）组成，它主要包括多普勒计程仪（Doppler Velocity Log，简称DVL）、运动姿态传感器（Inertial Measurement Unit，简称IMU）、深度传感器等设备。组合定位导航的方式可以整合水下位置、声速、姿态等信息，优化位置算法，能够有效地滤除USBL的跳动，剔除位置噪点，平滑位置轨迹，定位精度可以提高3～5倍。

2 存在的问题及解决方法

因为ROV单次下水可携带OBN的数量有限，这严重制约了ROV精确布放OBN的效率，所以需要采用一套专门设计的ROV友好式OBN释放回收系统。以针对某海域OBN作业设计的释放回收系统为例，主要分为水面释放回收系统和水下吊篮两部分。水面释放回收系统主要由液压动力单元、A型门架、钢缆绞车、操控台等组成；水下吊篮为其核心设计，主要由吊篮本体和OBN挂杆等组成。在实际作业中，ROV精确布放OBN的效率得到了大幅提升，OBN水下吊篮在设计时主要考虑：

（1）可携带OBN的数量

OBN水下吊篮内分为四个小方格，每个小方格中安装一个OBN挂杆，每个挂杆有四个挂钩，每个挂钩上挂载一个OBN（图4）。因此，OBN吊篮单次可携带16个OBN至水下。

图4 ROV友好式OBN释放回收系统水下吊篮Fig. 4 Subsea basket of the ROV-friendly OBN launch and recovery system

（2）ROV抓取OBN的方式

OBN挂杆由三部分组成：中心柱、移动导柱、挂钩（图5），中心柱是管状结构，吊篮中心有4根小立柱，挂杆挂载好OBN后，将挂杆中心柱插入到吊篮立柱中；移动导柱套在中心柱外，可以沿中心柱轴向移动，且移动导柱和中心柱上方均设计有一块挡板，对移动导柱向上移动起到限位作用；同时移动导柱下方也有一块挡板，与下方挂钩配合对准，钻有四个孔位，向上移动“移动导柱”使下方挡板脱离挂钩，将绑扎在OBN上的绳环挂入挂钩内，然后向下移动“移动导柱”使其落入挂钩中，可将OBN绳环压紧确保在释放过程中OBN不会发生意外脱落，安全可靠。

图5 OBN挂杆Fig. 5 Hanging rod for OBN

水下作业时，ROV机械手抓住OBN挂杆

“移动导柱”向上飞行，移动导柱向上移动，当移动导柱接触到中心柱挡板后，整个OBN挂杆就会脱离OBN吊篮，在重力作用下，移动导柱下方挡板也会脱离挂钩并露出足够的间隙便于ROV机械手抓取（图6）。

图6 ROV从OBN挂杆中抓取OBNFig. 6 ROV grabs OBN from hanging rod by 7 function manipulator

3 ROV作业内容

ROV在OBN地震作业中的主要作业内容包括海底预调查、海底精确布放、回收以及OBN丢失后的应急搜查打捞等。

3.1 海底预调查

OBN布放前，ROV需提前对工区等深线密集坡度较大的斜坡区域进行预调查（图7），确认海底地貌及水文信息。主要为了调查斜坡坡度、海底地质、水下能见度、水流情况以及划定特殊区域等，并针对实际的水文环境、海底地貌情况做出相应的分析和应对措施。

图7 工区等深线及3D地形图（实际工程案例）Fig. 7 Isobath and 3D topographic map of the OBN deployment area

（1）海底若为礁石珊瑚地貌，此种地貌能见度较好，布放时应选择合适地点放置OBN，确保OBN不会二次滑动卡入石缝中；

（2）海底若为沙地，此种地貌能见度较好，斜坡区域放置OBN存在流沙导致OBN二次移动或掩埋的可能，可为该区域内的OBN配备标识浮球以及带引线的固定插针，OBN放置后由ROV操作将插针插入海床；

（3）海底若为沉积物泥质海床，此种地貌能见度一般，泥质海床一般流水较小，同时海泥增加了OBN附着力，OBN因流水导致二次移动的可能性较小，但存在OBN掩埋的可能。为便于节点的搜寻回收，可为该区域内的OBN配备标识浮球以及带引线的固定插针，同时在OBN表面粘贴反光标带。

海上作业时应根据至少未来1周的天气预报信息（包括浪高、风速、表面流、以及台风预警）等合理制定作业计划，确保OBN布放期间海况条件良好，同时参照工区准确的海底水文信息，提前预判海底水流及能见度，规避海底水流急、能见度差可能带来的作业风险。

3.2 OBN海底精确布放

采用ROV友好式OBN释放回收系统进行OBN水下精确布放示意图见图8。如果作业水深较深或者OBN布放间距较短，OBN吊篮回收及下放期间存在ROV水下等待，可采用两套OBN释放系统来回交替进行释放回收。

图8 ROV友好式OBN释放回收系统精确布放OBN示意图Fig. 8 Schematic of accurate OBN deployment by ROV-friendly launch and recovery system

ROV首先从水下吊篮中取出OBN挂杆，然后使用七功能机械手逐个抓取OBN，根据水下定位指引将其放置于海底设计位置，如果某些OBN设计有插针，则在OBN放置到位后将其插针插入海床并在水下定位系统中进行标识记录。如果放置某些OBN时有方位要求，可在ROV前端安装绿色激光仪，通过ROV艏向结合激光仪的光束来辅助判断OBN的方位并调整至设计方位角（图9）。

图9 绿色激光仪辅助判断OBN方位Fig. 9 Green laser projector assisted for judging the heading of OBN

3.3 OBN回收

OBN铺设、布放完成后，物探船到达设计震源点进行激发，OBN则在海底采集、记录地震信号，待所有震源点激发完成后对OBN进行回收。人工抛放部分，采用水面挂钩缆绳可直接回收；而ROV布放部分则需由ROV逐个进行水下抓取，再由OBN释放系统回收至ROV支持船甲板。

3.4 布放回收过程中的应急作业

工程作业型ROV通常配备有一个5功能和一个7功能机械手，同时可搭载各类型水下作业工具，具备水下解挂钩、水下切割、吹泥、应急打捞等作业能力，OBN布放回收过程中的应急作业如下：

（1）若人工抛放段出现缆绳缠绕、钩挂海底障碍物等情况，ROV可携带液压剪或软绳割刀进行水下切割，并使用回收抓钩进行打捞回收；

（2）若出现人工抛放段起始点浮标偏移丢失或者OBN掩埋情况，ROV可搭载吹泥工具进行水下吹泥搜查。

4 发展前景

常规拖缆和海底电缆勘探作业受海洋区域影响较大。例如在近海区、禁采区、暗礁区等位置作业空间受限，传统勘探过程都难以顺利实施。离岸平台方圆500 m都是禁采隔离区，不允许物探拖缆船靠近，平台周围的锚泊定位系统也限制了海底电缆勘探技术。除此以外，沟壑纵横的海底地形也会影响海底电缆的布置[9]。而OBN作为一个个独立的检波器独立自主的布置在海底接收地震波，它既摆脱了电缆的束缚，又能够在海底灵活部署，定位更准、采集的数据质量更高，诸多的应用优势加之海洋勘探逐步走向深水，采用ROV进行OBN海底布放具有灵活性及精准性的特点，势必会在未来海洋地震勘探中得到越来越广阔的应用。

5 结论

ROV友好式OBN释放回收系统以及布放方式为提高ROV精确布放OBN的效率提供了一种可行性方案：

（1）单次最多可携带16个OBN至水下，ROV操作安全、高效，布放效率显著提高；

（2）OBN挂杆采用重力自锁设计，有效地防止及避免了OBN在释放回收过程中发生意外脱落丢失；

（3）采用组合定位导航的形式，确保了OBN水下布放精度，深水区域布放精度在±5 m以内；

（4）针对不同地质的海床，为OBN配备标识浮球、带引线的固定插针、反光标，回收OBN时ROV更容易发现目标，OBN回收完好率可达100%。

相比于传统作业模式，无论是作业方式方法、布放精度、布放效率都得到了提高。但是，OBN释放回收系统及布放方式仍需进一步的优化和改进，才能适应未来更大规模以及超深水OBN布放作业对布放精度、时效性的需求，ROV精确布放OBN技术有待进一步的研究。