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          大興水利水電勘測研究會

          你所不知道的海洋勘探“黑”科技

          石油課堂2021-10-07 06:55:05
          首屆石油科技科普征文大賽經過兩個月的角逐,目前已經進入決賽階段。6篇文章從近200篇來稿中脫穎而出,即日起會持續發布(本期為第一篇)。文章發布后七天內的閱讀人數將作為一、二、三等獎的評選依據(一等獎10000元,二等獎5000元,三等獎2000元),所以,你的傳播就是對編者的喝彩!



          進入正文

          近年來隨著技術的飛速發展及跨界融合,海洋油氣勘探能力也實現了長足進步。過去面對復雜多變的海洋環境,物探船作業時,定位、激發與接收地震波過程會產生一定誤差,這也會影響最終的勘探結果。


          常規海上地震勘探方法:海上拖纜(Tower Streamer,TS)和海底電纜(Ocean Bottom Cable,OBC)


          海上拖纜就是接收地震波的數據接收器(檢波器)漂浮在海面下方。
          △布置地震采集電纜、水鳥等水下裝置
          △下放震源(空氣壓縮槍)

          △海上拖纜勘探工作效率高、成本低


          但漂浮在海水中的檢波器,受風浪、洋流的影響,易導致勘探結果不準確。


          海底電纜就是接收地震波的數據接收器(檢波器)放置于海底。

          △海底電纜勘探能夠采集多分量地震數據


          但是在鋪設海底電纜過程中,海流、潮汐、船速以及檢波器沉降速度都會影響檢波器下放的準確性,易導致勘探數據偏差。
          △檢波器在海底的實際位置與實時得到的導航結果存在偏差

          彌補勘探方式的不足,實現海洋油氣資源高效開發,是石油科技工作者奮斗的目標。海底節點(Ocean Bottom Node)地震勘探技術的出現不僅克服了海水的影響,還大大提高了勘探數據的準確性,代表了海洋勘探技術發展的方向。


          什么是OBN?
          OBN

          OBN全稱Ocean Bottom Node,簡稱海底節點,它是一種位于海底,可以獨立采集、記錄地震信號的多分量地震儀。
          △OBN地震勘探

          △海底節點


          “海底節點”就是一個個獨立的檢波器,它既擺脫了電纜的束縛,又能夠在海底靈活部署,定位更準,采集的數據質量更高。


          補充 | 知識

          常規地震勘探采集的是縱波數據:垂向入射到檢波器的地震波(簡稱單分量)。
          OBN既可以采集多方位的數據:垂向縱波、水平方向轉換PS波、垂向的標量壓力波(多分量)。
          △海底多分量采集示意圖

          △橫波在水中無法傳播,因此拖纜式勘探只能接收到縱波數據


          OBN的由來

          早在上個世紀60年代,就有人提出了自主式海底地震記錄儀的概念,學術界希望可以借此深入研究深部地殼結構。


          1964年世界上第一臺海底地震記錄儀研制成功。隨后,為解決遙測系統的帶寬限制問題,美國Amoco石油公司在1970年開始研究自主式無纜地震記錄方法,拉開了石油勘探界的“黑”科技發展序幕。
          △世界上第一臺海底地震記錄儀,該儀器曾部署在美國西太平洋600米深的海底,自帶的電源可以連續11個小時記錄四分量地震數據


          OBN是如何工作的?

          流程簡述


          利用水下機器人將自備電源的OBN布置在海底→接收地震波→回收OBN→下載數據并進行處理和解釋。

          △右上角ROV工作船負責布置海底節點;左上角的震源船釋放地震波;海底節點接收信號

          細說流程


          2.1 準備工作

          工廠加工生產節點并轉移至下一個環節。
          △組裝節點
          △每個節點都獨立編號

          △運輸節點的工作船


          2.2 布置節點
          海洋深邃而澎湃,如何克服各種不確定因素,將大批節點準確而快速的安放到海底預定位置呢?技術專家想到了TMS(Tether Management System,線纜管理系統)和ROV(Remotely Operated Vehicles,遠程遙控機器人)設備。

          水下機器人參見石油課堂010期文章:比肩火星“好奇號”的深海油氣開發利器——水下機器人
          △水下機器人是深海作業神器
          △頂部黃色區域是TMS系統,下部為ROV設備,每臺ROV共可搭載12個節點

          布置節點的過程就像在海底放風箏,線纜管理系統控制收放線,到達指定位置后ROV就可以攜帶節點“下車”了。

          △工作人員遠程操控ROV


          當第一個節點布置好后,TMS和ROV會馬不停蹄地布置下一個節點。

          但問題出現了,一臺ROV最多可搭載12個節點,往復接送效率低。為了提高海底節點的布置效率,研發了專門運輸節點的HSL(High Speed Loader,快速裝載系統)。當ROV搭載的節點即將布置完畢時,HSL就會滿載24個節點奔赴海底——快遞小哥來了O(∩_∩)O哈哈~
          △裝載節點
          △ROV接貨

          △節點整齊擺放


          淺水區域的節點布置會簡單的多,將節點按順序直接固定在纜繩上,下放纜繩,即可完成節點鋪設。

          △節點布置


          2.3 地震采集
          海底節點布置完畢后就可以結合震源船進行地震采集工作了。

          △震源船產生地震波,海底節點接收信號


          2.4 數據回收
          △回收節點

          △快速裝載系統提高了節點回收效率


          淺水區域的節點回收可直接由工作船完成。

          △淺水節點回收


          2.5 數據處理
          △下載數據
          △地震資料處理


          OBN的優勢

          定位精確

          借助水下機器人的監視系統,可將節點準確布置在目標位置,這大大提高了后期油藏數據的準確性。
          △工作人員正在操控ROV布置節點

          △OBN內的地震傳感器中具有羅盤和傾角儀,保證儀器垂直布置在海底


          工作人員后期處理采集到的地震數據依賴于前期預定的觀測位置,如果實際觀測數據與預定位置不一致,那么解釋結果會出現偏差。所以精確定位非常關鍵!

          施工靈活

          常規拖纜和海底電纜勘探作業受海洋區域影響大,例如在近海區、禁采區、暗礁區等位置作業空間受限,傳統勘探過程都難以順利實施。
          △離岸平臺方圓500米都是禁采隔離區,不允許拖纜船靠近

          △平臺周圍的錨泊定位系統也限制了海底電纜勘探技術


          除此以外,溝壑縱橫的海底地形也會影響海底電纜的布置。
          △你想象中的海底可能是這樣的
          △實際中的海底是這樣的


          然而獨立式的海底節點完全可以克服這些困難,它不需要任何輔助連接設備,獨立自主的布置在海底接收地震波,自身攜帶的鋰電池一次充電后可在海底續航180天。

          △正在船上充電的節點單元
          △OBN采集方式彌補了傳統方式的不足

          采集信號質量高

          節點底部具有很強的抓地能力,可以很好的與海底地層進行耦合,極大地提高了數據的矢量保真度。

          △ROV機械臂正在控制著節點進行抓地耦合


          此外,四分量的海底節點不僅可以記錄常規的縱波,還可以記錄巖性分析的關鍵數據——橫波。

          △從左到右依次為水聽器分量Z,垂直壓力分量P,水平分量X和Y


          其中Z分量用來接收垂直出射的縱波數據,是最常用的地震勘探資料;X分量和Y分量是用來接收轉換橫波數據,這是海底地震儀器所獨有的。關于P波數據,它接收到的是一種標量的壓力數據,現如今P波數據的最終目的是為了和Z分量數據作匹配疊加,分離上下行波。


          探測地層更深,對地質構造了解更全面


          激發炮點與檢波點間距遠形成的大偏移距可以探測到更深的地層;而全方位角采集可以接收來自地下各個方向的地震信號,全面了解地下三維地質構造。

          △OBN觀測系統偏移距和方位角信息:左圖中的小紅點為炮點,藍色點為節點,這種觀測系統的偏移距更大;右側玫瑰圖清晰地展現了這種觀測系統的偏移距、方位角和覆蓋次數信息

          橫波成像,對裂縫預測準確

          油氣資源的形成和運移離不開地下裂縫,但裂縫有時也可能導致油氣資源的泄漏而不利于后期開發,而橫波是評價裂隙的關鍵指標,OBN可以采集高質量的橫波數據,根據這些數據對儲層裂縫作出的合理的評估和預測,指導油氣資源的生產與開發。
          △左上角圖中顯示了南北走向的垂直裂縫,引起的快橫波分離可以幫助確定快橫波方向(紅色箭頭)和慢橫波方向(藍色箭頭)。左下為陸上地震圖,顯示的是來自兩個震源-檢波器方向的共中心點道集射線,右下為海底地震圖,表明地震各向異性的影響,在三維OBN地震勘探中,結合全方位角信息可以非常有效的對地下裂縫進行預測和解釋


          OBN發展情況及展望

          當前國際上對OBN的研究主要集中在美國,歐洲等一些發達國家,其中主要有Fairfield Nodal,CGG和SEABED公司。
          △Fairfield Nodal公司最為著名,推出了適合不同水域的海底節點
          △CGG公司的Trilobit海底節點

          △SEABED公司的Manta系列節點


          中國最大的物探服務商——東方地球物理公司(BGP),擁有海底電纜勘探設備,但在海底節點的研制方面,還和國外專業公司存在一定差距。

          △BGP的海底電纜設備


          OBN采集技術在國外的應用比較廣泛,從各石油公司的項目成果來看,該技術具有很好的市場應用前景。

          2002年,Seabed地球物理公司、挪威科技工業研究院(SINTEF)、挪威國家石油公司(STAToil)、挪威海德魯公司(Norsk Hydro)和法國道達爾菲納-埃爾夫公司(Total Fina-Elf)聯手在英國北海油田首次使用自主式地震節點開展工業規模的4分量地震勘探工作。

          之后,墨西哥國家石油公司、英國石油公司、道達爾E&P公司、殼牌等都在其各自工區開展了OBN勘探項目。值得一提的是,2014年,東方地球物理公司(BGP)聯合阿拉伯石油公司在紅海開展了部分OBN的實際地震勘探工作,開創了我國在OBN勘探方面的先河。

          平心而論,國內OBN技術的應用和推廣和國外相比仍存在較大差距,石油課堂的分析如下:

          節點布置慢,工作效率低

          將一個個節點精確布置到海底指定位置,覆蓋上百平方公里,每個步驟都需要人工參與,效率非常低,這會造成勘探成本居高不下。
          △海底節點的布置是批量工作

          中國地形復雜

          為了提高整體工作效率,國外石油公司的普遍做法是拉大節點的間隔,原本50米的道間距增加到400米,再通過加密炮點來彌補稀疏采樣點的缺陷。這雖然可以大大提高工作效率,但實際上也降低了地震數據的精確性,但是我國東南海域油氣田在構造上屬于西太平洋板塊的主動大陸邊緣、地下小斷層發育,這種“高效率”的采集方法并不適用。

          采集技術的國外壟斷、服務費高

          該技術目前還只掌握在少數西方專業公司手中,國內石油公司在本土或者海外工作區開展OBN采集需要支付高昂的服務費,但當前全球石油行業遭遇嚴冬,成本壓力凸顯,上游勘探預算更是捉襟見肘,這也制約了該技術的應用。

          《荀子》有言:不登高山,不知天之高也;不臨深溪,不知地之厚也。雖然目前OBN采集技術存在一些不足,但在日新月異的今天,技術的發展速度是前所未有的。相信OBN采集技術在未來能夠不斷的完善和升級,高效的提供更精準的勘探數據,以指導對油田進行更科學合理的開發,它也一定協助廣大石油工作者為全人類奉獻源源不斷的、清潔的、低成本的油氣資源,照亮人類文明!


          延伸閱讀


          道德常常能彌補智慧的缺陷
          智慧卻永遠填補不了道德的空白
          做一個有原則的人
          做一個有態度的人
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          石油課堂 | 原則

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