OBN 地震采集水下定位质控技术及应用

左江成

(中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300459)

0 引言

OBN(海底节点)地震采集是一种先进的海上地震数据采集技术，相比拖缆采集和OBC(海底电缆)地震采集可以适应更为复杂的海面和海底条件，观测系统设计更为灵活，施工作业更加高效，其采集方式如图1 所示[1]。2019 年中海油渤海油田实施了国内首块OBN 地震数据采集，相比过去拖缆采集，获得的数据更加精准[2]，之后OBN 地震采集技术开始在我国海上油田推广应用。在OBN 地震采集中海底节点定位精度直接影响地震资料采集质量，海底节点在投放过程中受到海流、潮汐等因素影响，其在海面的投放位置坐标与沉放海底之后的位置坐标存在较大差异，这种偏差会对地震资料成像产生影响，进而影响地震勘探精度[3]。节点船释放节点设备示意图如图2 所示，节点位置偏离设计示意图如图3 所示。因此，需要采取有效措施在采集过程中对海底节点水下定位进行质控。

图1 OBN 节点采集原理示意图

图2 节点船释放节点示意图

图3 节点位置偏离设计示意图

1 OBN 投放点位质控技术

在OBN 节点投放时，最为常用的方式是用缆绳基于一定距离将一个排列上的多个节点连接起来，然后按照排列设计将其沉放在海底，在完成地震数据采集之后再将所有的节点进行回收。为了解节点在海底的准确位置，在每个节点上安装1 个定位应答器，通过定位应答器发射信号便可以了解其在海底的位置坐标。采用上述方式投放节点，为保障节点水下定位的准确性要对放缆过程进行控制，提高放缆精度，确保实际沉放到海底的测线位置与观测系统设计位置基本一致。如果两者之间偏差太大，将可能导致地震资料覆盖不均匀甚至局部无覆盖问题。通常情况下放缆误差应低于道距的一半，如果超过该误差需要重新进行放缆[4]。在具体作业过程中为了保障精度，要采用超短基线声学定位系统对节点位置进行实时监测，通过计算实测位置与设计位置之间的偏差来指导放缆船的行进速度和行进方向。

1.1 超短基线声学定位系统

该系统构成主要包括主控机、发射换能器、接收水听器、应答器、编码器以及定位软件等，其中发射换能器和接收水听器共同构成了换能器基阵。在进行定位时，发射换能器会向水下反射信号，应答水听器在接收到信号之后会基于提前设定的频率应答信号。通过检测应答信号传输至接收基阵不同阵元之间的时间延迟，可以计算得到应答器的俯仰角以及方位角。综合测量得到的距离和航向角度，得到其的大地位置坐标，通过坐标变换得到应答器所处的经纬度，进而实现对节点位置的准确定位。换能器基阵存在一定的方向性，在进行组装时自身坐标系与船体坐标系不会完全重复，因此换能器会存在一定的安装偏差，为保障定位数据精度，要在使用之前对基阵进行校准处理。同时姿态传感器和罗经也会存在一定安装偏差，要通过外部测量设备进行测量，然后再进行针对性校正。超短基线声学定位系统在校准结束之后通过串口与综合导航系统连接，由导航系统对超短基线声学定位系统进行指令操控，随后导航人员对超短基线声学定位系统数据进行处理。

1.2 OBN 投放过程质控

在沉放节点之前，要将桩号以及节点序列号关系对应表等数据信息全部导入导航操作系统中。在开展节点沉放作业时，启动铺缆和定位功能，由超短基线声学定位系统通过实时定位应答器位置来保障节点沉放位置的准确性[5]。导航系统在获取应答器水下位置信息之后，会在导航屏幕上展示应答器的位置信息以及整个节点沉放过程。同时导航系统会计算得到节点实际沉放位置与设计位置之间的偏差，导航人员基于计算偏差，结合当前洋流情况与船舶驾驶员和放缆工作人员进行沟通，调整放缆船方向和速度。

2 OBN 地震采集水下节点定位质控技术

节点在沉放到海底之后，要对每个节点重新进行定位，即二次定位。在部分情况下受到海流冲击和人为因素影响，海底节点位置偏离较大，这时要进行多次定位。节点位置精度直接影响地震资料成像质量，导致地震剖面信噪比较低，小构造、小断层以及潜山内幕等成像不清晰，难以满足高精度勘探开发需求。因此节点位置对于后续地震资料处理非常重要。

不同声学定位系统具有不同的定位精度和适用性，通常来说长基线声学定位系统精度最高，短基线次之，超短基线最低。为了获取更为准确的节点海底位置信息，在节点二次定位时要采用长基线声学定位系统。

2.1 长基线声学定位系统

长基线声学定位系统构成与超短基线整体一致，不同点在于长基线声学定位系统的声学换能器为收发合置换能器。安装在各个节点上的应答器之间的距离形成基线，基线距离从几十米到几千米不等，该距离相对于超短基线来说称之为长基线系统。该系统在获取声学换能器与应答器之间的距离之后通过球面交汇法便可以获取节点位置坐标。声学换能器连接放缆船，放缆船在行驶过程中会在固定时间间隔发射询问信号。海底节点上的应答器接收到询问信号之后会发出应答信号，水声换能器将接收到的应答信号传输至主控机，主控机基于信号之间的时间差便可以计算水声换能器与应答器之间的倾斜距离。换能器位置坐标由GPS 获取，这样在获得多次观测数据之后便可以采用平差法计算得到应答器的位置坐标信息，即海底节点的大地坐标。

2.2 海底节点二次定位

通过上述分析可知，测量水声换能器与应答器之间的距离是对海底节点进行二次定位的关键。为得到准确的测量距离，要在二次定位之前对工区进行详细踏勘，明确水深以及水中声波传播速度[6]。在获得二次定位结果之后，要从两个方面来对其质量进行评价：一是采收率。采收率是一条测线上定位合格的应答器在总应答器中的占比，数值越高表示声学定位质量越高，通常二维采集要求采收率不低于60%，三维采集要求采收率不低于80%[7]。在采用该指标对声学定位质量进行评价时还应该增加1 个附加指标，即定位不合格应答器不能连续超过5 个，这样可以有效避免1 条测量整体采收率很高但是局部采收率很低情况。二是定位点偏差值，即二次定位结果与设计坐标之间的偏差。通过定位结果文件可以详细查看各个节点的偏差值大小以及偏差方向。影响偏差值的主要因素除了沉放原因外，还包括系统误差，比如GPS 测量误差、水中声波速度传播误差、计算误差等，这些系统误差均可以在作业之前通过系统精度测试进行校准，校准之后的长基线声学定位系统误差范围要求在1 m 之内。

3 OBN 地震采集水下定位质控技术实际应用

本文以国外某OBN 采集项目来分析OBN 地震采集水下定位质控技术实际应用效果。该项目采集范围为4 644 km2，水深10～80 m。OBN 采集道间距为50 m，要求放缆精度在25 m 之内。抽取某条测线对放缆精度进行分析，该测线共有80 个节点。在放缆过程中采用超短基线声学定位系统控制放缆精度，放缆结束后马上采用长基线声学定位系统对沉放到海底的节点进行定位，计算两次定位结果之间的纵向偏移量和横向偏移量，结果分别如图4 所示。从图中可见两次定位结果之间的纵向偏移量和横向偏移量整体均在5 m 之内，这也表明本采集项目通过超短基线声学定位系统控制放缆具有较高的精度。

图4 某测线各节点两次定位结果之间的偏移量

在放缆作业过程中，该测线上的节点缆线被其他船只拖拽，导致部分节点位置可能发生变化。为了解该测线被拖拽之后的节点位置情况，采用长基线声学定位系统重新对节点位置进行定位，将结果与放缆结束之后的定位结果进行相减，得到节点被拖拽之后的位置偏差图。图5 为该测线被拖拽之后各节点纵向偏移量和横向偏移量，可以看到部分节点受到缆线拖拽影响其位置已经明显发生了变化，距离较远的节点受拖拽影响较小。其纵向偏移量和横向偏移量基本为0，这也表明了长基线声学定位系统具有较高的定位精度。通常来说节点重量通常大于10 kg，在没有大风大浪以及其他意外情况下，其在海底位置较为稳定，基本上不会发生大的偏移。

图5 某测线被拖拽之后各节点偏移量

OBN 地震采集水下定位直接影响着地震采集的效果，与基于观测系统设计坐标得到的叠加剖面相比，采用长基线声学定位系统二次定位后的叠加剖面具有更高的信噪比，同相轴连续性更好，波组特征更加清晰。

4 结语

综上所述，海底节点位置坐标误差会直接影响OBN 地震资料成像品质，进而影响油气勘探开发精度，有必要采取措施对节点海底位置进行质控。在节点放缆作业时通过超短基线声学定位系统可以有效控制放缆精度，避免因放缆误差过大而重新进行放缆作业。对已经沉放到海底的节点，采用长基线声学定位系统可以对其进行准确定位，误差通常在1 m 之内，有助于获得准确的节点位置信息，为后续OBN 地震资料处理奠定基础。