油气回收检测问题论文参考文献

温明明1肖波徐行张汉泉

（广州海洋地质调查局 广州 510760）

第一作者简介：温明明，男，1976年出生，1998年毕业于长春科技大学信息工程学院，现任广州海洋地质调查局技术方法所工程物探室副主任，物探工程师，从事海洋工程物探技术方法研究工作。

摘要 随着近海油气不断开发，其后续发展能力明显不足，因此深水含油气盆地的开发将成为必然的发展趋势。深水油气田的井场调查是深水油气田开发过程中的一个主要环节，其勘探技术越来越被人们所关注。本文通过深水井场调查的技术要求分析，结合多次组织和参加井场调查的工作经验，指出深水油气田井场调查的技术难点在于探索海底表面障碍物分布情况、勘测海底地形地貌特征、了解中浅地层结构等这类勘探技术上。由于这些勘探技术受声呐技术特点的限制，国外已经采用了DEEPTOW、ROV或者AUV技术，将一些关键调查设备与海底保持一定的高度来实现勘探技术目标，并已经取得成功的尝试，因此，研究、发展和不断地完善这类“贴底”调查技术十分重要。

关键词 井场调查 勘探技术 近海底多参量勘查 声呐技术

1 前言

最近几年全球对石油的需求增加，导致世界石油价格不断上涨，世界石油价格的大幅波动对世界经济、对出口国和进口国均影响很大。随着我国的经济和现代化建设的快速发展，对于石油等能源的需求也越来越大。中国已经成为了世界上第二大石油消费国和第三大石油进口国。从目前我国经济发展现状来看，石油的进口量将逐年增加。能源问题已经作为国家安全问题对待。我国海域油气资源产量超过4000万吨油当量，海洋油气资源的开发已经成为我国目前油气资源供给的重要组成部分。

随着近海油气不断开发，其后续发展能力明显不足，深水含油气盆地已经作为开发考虑的对象，这也是必然的发展趋势。世界油气总储量的44%将来自深水海域，国外一些大型深水油田已成功地进行开发，深水勘探（钻探）水深和开发作业深度均超过了2000m。2004年7月8日巴西石油公司成功在墨西哥湾2301m水深进行了油气开发，创造了海洋油气开发新的水深世界纪录［1］。我国管辖海域总面积近300万km2，其中深水海域面积超过150万km2，发育沉积厚度大于2000m的沉积盆地有20多个，面积近50万km2。南海北部陆坡区、南沙海域等深水盆地均具有良好的含油气远景，尤其南海南部的南沙海域油气资源极为丰富，预测总资源量达320亿～430亿吨，被誉为继墨西哥湾、北海、中东之后的第四个产油区，成为周边国家甚至美、日等国迫切染指的地区。然而，我国深水海域油气资源仍处在勘探开发的初期，深水勘探（钻探）能力仅达600m，开发作业能力503m，远落后于发达国家［2］。

深水油气资源开发成本极高，深水油气主要分布的陆坡范围具有海底地形地貌起伏多变、浊流沉积发育、沉积结构复杂、构造活动强烈，海底滑坡、沙土液化等地质灾害频发的特征，开发过程海底地震的波动、海底断层活动、海底变形滑坡、深水浊流活动及海啸等对采油平台、浮式生产系统（FPSO）、海底输油管线、海底电缆等都可能造成严重破坏，甚至危及人员的重大伤亡和财产的重大损失，开发前需要全面地了解井场的地质灾害情况。深水油气田的井场调查是油气开发过程中的重要环节之一，掌握先进的井场勘探技术至关重要，因此其勘探技术越来越被人们所关注。由于我国在此领域的工作刚刚开始，深水油气勘探和处理等技术方法仍然处于起步阶段，急需我们去探索和研究。

海洋油气田井场调查的勘探技术是基于水声物理学而发展起来的，测深、浅、中和深部的海底地层勘探以及侧扫声呐勘查设备都是利用声呐技术。这些技术受勘探水深和分辨率相互矛盾的制约。例如当测深仪的工作频率高时，其分辨率和测量的精度也高，但因声信号在水层中的衰减也快，不能适用于水深较大的海域工作；反之，工作频率低，其分辨率和测量的精度相对较差，而声信号在水体中的传播也要远一些，适合于深水海域作业。然而，单纯靠提高发射功率是不能实现长距离声信号传播的目的。由此可见，在深水海域进行勘探时，要保证一定的勘探精度和分辨率，这就要求使用类似侧扫声呐工作频率的设备进行调查，其工作过程与海底需要保持一定距离，使之具有类似浅水海域调查的精度和分辨率，这是深水油气田井场勘查的主要技术难点之一。

本文参照广州海洋地质调查局2007年4月完成的国内首个深水井场调查的技术要求（水深约600m），并对在深圳蛇口召开的深水油气井场调查技术研讨会的资料分析，以及近年来多次参加、组织油气田井场调查的工作经验基础上，通过对相应勘探技术的了解，结合我国调查船只及设备的实际情况，对目前深水井场的勘探技术做一些初期研究。

2 井场调查的技术要求

海上油气田井场调查的技术要求主要是：确定井场邻近的水深、了解海底地形、地貌以及浅层气和浅地层断裂发育情况、中浅地层结构、海底以下1000～1500m深度上的地层构造变化情况、地质灾害因素、海底表面障碍物分布情况等地质地球物理特征，为钻井平台的安全作业和准确确定钻探位置提供可靠的地质评价资料。

近年来，我们的海上油气田井场调查的工作从水深不足百米朝水深二三百米以下的海底加深；目前国际上对深水井场水深还没有一个统一的定义，通常将水深超过500m的油气井场称为深水井场，需要勘探的工作深度将达到3000m。随着调查海域不断地朝深海方向推进，海上勘探工作的技术难度也不断提高。因而，我们正面临着海洋调查中的新要求、新技术和新方法的挑战。

3 调查技术

浅水海域井场调查技术

在浅水海域的油气田井场调查中，通常使用的调查技术有：测深、侧扫声呐、浅层剖面、单道地震、多道地震、地质取样以及导航定位等（图1）。

图1 浅水海域井场调查工作示意图

Shallow-water well site survey sketch map

单波束测深：主要用于确定井场及其附近海域的海底地形特征，常用的有单波束双频测深技术。

侧扫声呐：用于了解海底表面障碍物分布情况以及海底地形地貌特征，常用的是相干侧扫声呐或多波束侧扫声呐技术。

浅层剖面：用于查明海底几十米以内的浅地层结构、浅层气和浅地层断裂发育情况。通常的勘探要求为地层分辨率达到十厘米甚至几厘米。浅层剖面技术已由早期的单频率低频探测发展为线性调频或差分调频探测技术。

单道地震：用于探测海底以下近百米的高分辨率中浅地层结构和浅地层断裂发育情况，通常的勘探要求为地层分辨率1m甚至更高。一般使用多极电火花、长排列的单道信号接收电缆以及信号采集处理器等设备组合，可获取中浅地层结构、浅地层断裂发育的海底信息。

多道地震：用于获取海底以下1000～1500m深度的构造变化情况。通常的勘探要求为地层分辨率数米。多道地震勘探技术相对而言，其系统复杂、结构庞大，而且辅助设备也较多。

地质取样：为了解海底底质情况，通常需要用重力柱状取样或抓斗表层取样，并且还需要一定数量的样品。

深水井场调查技术

深水井场多位于陆坡区，区内海底地形地貌、地质条件相对复杂，又因为在水深500m以上，一些常规的技术方法已无法满足深水井场调查的要求，这使得深水井场的调查难度远远大于常规浅水井场，相应的调查技术方法也需要全面升级。同时，深水浅层水流（Shllow water flow）的存在已经被人们视为新的地质灾害，并认为会严重威胁到钻井平台的安全，调查技术手段要求比常规调查多，除原来的地质取样、单波束测深、侧扫声呐、浅层剖面、单道地震和多道地震调查技术之外，还增加了多波束测深、浅层水流的检测项目，部分项目还要求开展海洋磁力测量来探索海底目标物。

导航定位技术

常规的井场调查通常使用差分GPS导航定位技术来实现。因水深不大而拖曳长度也不大，一些拖曳设备的定位问题可使用归算法来解决。而在深水油气井场调查中，要了解底质取样和拖曳位置，使用归算法来解决长距离的水下设备的定位问题势必会产生较大的误差，影响调查成果的精度，因而必须采用水下定位技术。

由于水下声学定位系统是一种在水下利用声波应答脉冲测量发声器与接收器间的距离从而对设备进行相对定位的系统。根据工作时基线长短可分为：长基线定位系统（LBL）、短基线定位系统（SBL）和超短基线定位系统（USBL）。USBL的基线长度小于声波波长，其换能器阵固定在船上并投放入水中，根据装在待定位设备上的信标发出的回波到达基线阵各元的信号的时间和相位差测量方位和距离，再计算出信标的位置，相对定位精度一般为斜距的～。长基线定位系统（LBL）利用在海底布设3个以上不在一条直线上的换能器组成基线阵，采用标准时钟同步，发射声脉冲，根据距离测量交会的球面定位原理，计算出载有接收器（信标）的运动物体位置，相对定位精度一般在5cm至2m；短基线定位原理与长基线相同，只是基线长度较短，一般安装在调查船或平台上，相对定位精度一般为斜距的左右。在井场调查中，深拖调查（DeeptoW）和水下遥控机器人调查（ROV）系统工作时需要配备USBL技术，水下自治机器人调查（AUV）系统在水下作业时必须配备LBL系统。

测深技术

低频率的单波束测深设备将取代高频率的浅水调查设备来采集水深数据。由于水深较大，在各水层中声速差异较大，需要再增加声速剖面的测量设备，用声速测量剖面资料参与测量水深数据的校正，以达到提高测深的精度。又因为大多数深水井场位于陆坡区，其周边的海底地形地貌特征与大陆架上的油气田井场相比要复杂得多，使用全覆盖、高精度的海底地形测量的多波束条幅测深技术更有利于确定调查区域的海水深度以及完整地探明海底地形地貌特征。

浅地层探测技术

随着调查区域水深加深，少量换能器组合而成的阵列已经无法达到探测的目的，因此要处理好发射能量和分辨率这些技术问题，通常用12或者16个换能器组成的阵列来探测深水海域的海底浅地层结构。多换能器组阵探测系统不仅可加大声波的发射功率，而且还可减小换能器组阵波束角，提高探测的分辨率。在信号发射、接收和处理上可使用FM CHIRP技术来提高地层探测的水平分辨能力和垂直地层的穿透能力。在条件允许的情况下，最好使用窄波束、深穿透和高分辨的非线性差频声呐技术，以获取更高的水平和垂直分辨率。

侧扫声呐调查技术

与其他调查技术不同，侧扫声呐在深水井场和浅水海域井场调查中的技术应用有所差异。全覆盖的多波束测深系统中的侧扫声呐功能由于其声学图像分辨能力不够高，无法满足或者取代对深水海域的海底精密地貌测量和海底障碍物探索等技术要求，该项技术需要作技术调整。根据调查规范和调查需要，侧扫声呐调查中使用的量程范围通常是100m或者200m，拖鱼距海底的工作高度要保持在量程的10%～15%。为了达到较好的探索海底表面障碍物分布情况以及勘测海底地形地貌特征的效果，获得更高的分辨率，必须使拖体能贴近海底工作。这种贴底勘查需要在DeeptoW、ROV和AUV技术的支持下实施。

单道地震调查技术

单道地震调查一般使用组合系统。主要有三个部分，一是由大容量的电容箱、控制电路和释放能量的多极电火花构成的震源；二是长排列的单道信号接收电缆；三为信号采集处理系统。深水井场调查需要更大能量的震源，若到达水深超过1500m时，起码需要用大于5000焦耳能量的震源，而且还需要改变电极的形式以适应这种大功率能量发射的要求。由于井场调查技术要求中，对水平和垂直分辨率要求较高，因此很难用小型的水枪或者GI枪来取代电火花作为震源。使用深拖电火花作为震源也是一种有效的技术手段，可获得更高分辨率的剖面探测图像。在勘探信号接收水听器的电缆中，应选用多水听器（8，16或者24个）构成的单道地震电缆，可获得较好的频响效果以及较高的信噪比。

多道地震调查技术

多道地震调查系统也是由震源、数据处理、监视和记录系统以及较长排列长度的地震电缆三个部分组成，但其系统复杂、结构庞大。为保证水平分辨率，其中的电缆道间距必须小于或者等于。同时选用和配备一些高分辨勘探技术的震源设备，如大容量的水枪、GI枪或者特殊枪阵。通常而言，常规井场调查使用的多道地震系统也适用于深水井场调查，不需要做大的技术改进，可实现1000～1500m深度的地层勘探，了解地层的结构和变化特征。

底质沉积物取样

无论是用抓斗来采表层沉积物样品还是用重力柱状取样器来取柱状沉积物样品，由于没有说明，均不需要做专门的技术改造。但深水井场的工作水深较大，为保证甲板有缆作业的工作效率和取样设备的安全，需要在取样器以上的一定高度上安装PINGER（声脉冲发生器）来监控取样器和海底之间的相对位置。若需要高精度的定位，可使用USBL技术来提高取样器的着底水下定位精度。

测流技术

深水井场调查中另外一个值得关注的问题就是海流对平台的影响。由于在深水海域，复杂多变的海流很容易引起海底变形滑坡、深水浊流等地质灾害，这些地质灾害严重威胁到平台的安全。使用走航式ADCP测量设备进行流速流向的测量或者采用布设海底观测锚系的方式对不同水层的海流进行定期观测，以获取深水井场以及附近海域的海流资料。

4 近海底多参量勘查技术

类似侧扫声呐、海底摄像系统和海洋磁力仪这类调查设备在工作时，必须要贴近海底才能获得较好技术效果和达到技术要求，因此需要通过借助于DeeptoW，ROV和AUV技术来实现技术目标。

DeeptoW 技术

深拖（DeeptoW）系统与浅水海域工作的普通侧扫声呐探测系统相比，其设备安装、操作和维护比较复杂，拖体内可集成包括侧扫声呐在内的其他探测设备。整个拖曳需要在母船牵引下作业；为了在一定水深的海底保持平稳地工作，要配备压沉器（depressor）、零浮力缆、正浮力拖体、稳定翼等装置；由于需要实时传输大量的调查数据，为了确保长距离的信号通信的质量，降低信号在传输过程中的衰减，通常配备几千米铠装光缆作为拖缆；收放设备需要配备大型绞车、A型架等辅助设备，甲板上需要配备强大的监控系统。为了提高调查效率，通常的深拖系统是一个载体，可集成其他调查技术，例如多波束测深系统、浅地层剖面仪、光学摄像系统、磁力仪、深拖电火花震源和定位系统等，进行多手段多方法同步调查。此外，深拖的拖体距母船远达几千米，需要USBL技术的水下导航定位系统支持下作业。

ROV技术

与DeeptoW比较，遥控机器人（ROV）是一个多用途的、需要有缆作业的、遥控运载系统。其水下载体可在甲板操作系统的指挥下，在一定距离内灵活运动。它可集成侧扫声呐、多波束声呐、海洋磁力仪、浅地层剖面仪以及光学观测设备，进行海底综合探测［3］，这也是目前被国外广泛采用的技术方法。ROV技术的主要特点是：①采用数量较多的推力器，通常为4～7个推进器，多的可达10个。由于采用计算机自动控制技术，其水下载体推力器的控制能力大大提高，使得ROV平衡性好、灵活性高；②配备高精度的水下定位技术（主要是USBL技术）进行水下作业；③使用了光纤通讯技术，使得信号传输能力十分强大，从而也提高了计算机信号处理能力；④吊放系统大部分都有带止荡装置的A型吊和脐带绞车。脐带则采用铠装、动力（高压）、光纤合一的重力缆；⑤配备强大的专用绞车和甲板辅助装置进行工作；⑥有较大的负荷能力，以携带各种勘探、取样的设备和存储样品；⑦目前的ROV的体积和功率都比早期的ROV有了较大的增加，机动能力大大提高，负荷能力也变得较大；⑧结构模块化，可根据项目的技术要求，灵活地对各种调查设备进行技术集成，安装所需的调查设备。此外还可以安装机械手进行水下取样，了解海底底质分布和查明海底障碍物［4］。

AUV技术

水下自治机器人（AUV）是一种无缆的、可自携动力和能按设计程序进行操作的自治式潜水器。它是一个调查设备的集成载体，可集成多波束测深系统、浅地层剖面仪、光学摄像系统、侧扫声呐等多种调查设备，可用于深水井场调查的勘探设备。它在运行过程中通过声通讯系统从水面接收改变航向、深度、收集数据等工作指令而进行调查观测，来实现海底目标物搜索、地形地貌勘察、地层结构勘探以及其他观测、取样、打捞等一系列作业的“水下机器人”（图2）。

AUV主要由载体系统、控制系统、水声系统及收放系统四大部分组成。它一般艏部装有垂直推进器和侧移推进器，艉部装有水平推进器，因而机动性强，自动定向定深快、准、精，为声光探测系统在深水中的稳定性和准确性创造了极其有利的条件。机器人装有长基线声学定位系统和声学发射应答器，因此系统本体在深水中的运动轨迹清晰，并可通过长基线定位系统对本体实施8道控制命令。系统本体所载传感器和探测系统齐全，可实时记录下温度、盐度、深度等参数。机器人具有多CPU、多级递阶控制结构，能方便地修改及编入程序，可预编程序航行，还可自动记录各种运动和功能及图像参数（黑匣子）。机器人还有独特的回收和释放本体的收放系统。

图2 AUV结构图

AUV structrue map

AUV需要水下定位技术中的长基线水下定位系统（LBL）的导航来工作。LBL工作需要在海底布设3个以上不在一条直线上的发声器组成基线阵。LBL的命令指挥系统安装在调查船上。LBL是AUV工作不可缺少的配套设备。其工作的主要技术特点：①耐高水压的动态密封结构和技术；②精度更高、误码率更低、作用距离更大的水声通信能力；③最大工作水深达到6000m以上；④水下航速超过6节；⑤水下续航能力超过60小时；⑥采用数量较多的推力器，包括垂直、水平、侧推等多种类型，由于采用计算机自动控制技术，其水下载体推进器的控制能力大大提高，使得现代的AUV平衡性更好、灵活性更高；⑦配备高精度的水下定位技术（主要是LBL技术）进行水下作业；⑧结构模块化，可根据项目的技术要求，灵活地对各种调查设备进行技术集成，安装所需的调查设备。例如可装备的深水油气井场调查需要的定位、浅地层剖面仪、侧扫声呐和多波束测深设备等；⑨独特的回收和释放本体的收放系统，发生局部故障或丧失自航能力时，它能自动抛载上浮至水面，且自动抛起应急无线电发射天线和亮起急救闪光灯［5］。

对比深拖系统、ROV和AUV三种设备中，前两者具有可进行实时数据传输、实时控制、没有动力限制等优点，但是需配备大型绞车、工作速度较慢、技术要求高和操作的灵活性不够。后者作业因没有拖缆的约束而范围较大，工作更加灵活、方便。但其弱点也很明显：首先是不能实时数据传输，只能在特殊情况下可通过声学modem将重要数据发送到甲板控制中心，AUV行动的重要命令是通过甲板控制命令单元发送信号来运行的；其次，水下机器人的回收至今仍是一个没有完全解决的问题，尤其是在深海使用的AUV设备的回收更加艰难；再次，AUV的能耗很大，它既不能采用太阳能电池，也没有脐带缆不断地供电，只能靠自带的蓄电池，从而限制了它在水下的工作时间；最后是AUV以及相应水下定位系统价格昂贵，技术的引进还受出口许可的限制。因此，尽管目前AUV技术还存在许多缺点，但它对调查船舶依赖性较小，而且具有较高的灵活性和可扩展性，因而具有无法比拟的优越性，随着技术水平的不断提高，其技术的不断发展和完善，AUV技术必将在深水井场调查中起着越来越重要的作用。

5 认识和结论

从深水井场调查项目技术要求、调查技术以及相关的辅助调查技术分析，根据目前国内海洋调查单位的勘探技术装备情况，我们认识到开展深水油气井场调查仍然具有一定的差距。尽管测深、浅层剖面、单道地震、多道地震、地质取样等勘探技术比较成熟，只要作一些技术升级可以实现技术目标；而当务之急需要发展的重点在于提高深水井场的海底精密地貌测量、海底障碍物探索、浅地层结构探测的综合调查技术能力，主要是包括近海底多参量勘查和配套的水下定位技术。主要有以下几点：

1）深水油气井场调查所需要的手段和浅水海域的一些油气田井场相比，增加的调查项目不多，除需要进行海流测量之外，还需增加多波束海底地形地貌测量；而这些技术国内装备较多，工作方法也比较成熟。

2）多道地震、地质取样等调查项目的技术要求没有变化，但用于中、浅地层剖面勘探的浅地层剖面仪和单道地震勘探设备需要做一些技术升级；

3）用于探测海底障碍物和海底地貌特征的侧扫声呐和海洋磁力测量项目需要在近海底多参量勘查技术支持下作业，但这些技术目前国内开展得很少，尤其是深海海域几乎是空白。因此，需要加强该方面技术和方法上的研究，尤其是对ROV和AUV技术、方法以及应用领域和集成技术的研究工作；

4）近海底多参量勘查技术离不开USBL和LBL等水下定位技术，它们将成为深水油气井场勘探的关键技术，需要加快超短基线定位系统、长基线定位系统的技术方法和应用研究工作。

随着科学技术的发展和进步，海洋深水油气开发的要求也将发生相应的变化；因此我们要跟踪国际上海洋调查技术的最新发展，积极开展技术调研，技术方法以及应用研究，同时也关注和加强对一些目前还没有受人重视的调查技术以及方法研究，例如，深水海底的原位CPT探测技术等领域。在研究深水油气井场调查技术的基础上，也积极开展对深水海底管线路由调查技术方法的研究，为参与我国即将开展的深水油气开发做好技术储备。

参考文献

［1］吕福亮，贺训云，武金云，孙国忠，王根海.全球深水油气勘探简论.海洋油气地质，2006，4期

［2］孙清，连琏.中国深水海域油气及相关资源勘探开发进展及关键技术.中国海洋大学学报（自然科学版）.2005，6期，923～927

［3］燕奎臣，俞建成，张奇峰.深水油气开发中的水下机器人.自动化博览，2005，5期

［4］彭学伦.水下机器人的研究现状与发展趋势.机器人技术与应用，2004，4期

［5］李晔，常文田，孙玉山，苏玉民.自治水下机器人的研发现状与展望.机器人技术与应用，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 it becomes the tendency for recovering the oil and gas in the deep sea a key Procedure for exploiting oil and gas in the deep sea，the investigation of Well site is being Paid much more attention 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 overseas，some key equipments，such as DEEPTOW，ROV and AUV have been introduced for overcoming the shortcomings of tools are generally kept certain distance to the sea floor when working and good success has been 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