海洋技术▏深拖在深水崎岖海底作业的研究
深拖是深水井场调查中的常用设备。它是将一种或几种调查仪器组合安装在拖体上，并将拖体沉放到预定深度，减少水体等对调查精度的影响。深拖调查时因拖体位于水下，距离调查船较远，不可控因素较多。海底平坦时，拖体距离海底高度一般在40-70m，高度较好控制，获得资料的精度高，清晰度好；海底崎岖不平时，拖体高度难以控制，带来设备安全、资料质量和测量精度下降等问题。本文根据海上作业中遇到的问题，研究深拖在深水崎岖海底作业的难点及解决方法。
一、深拖系统的组成及搭载的设备
DT-1拖体的体积L305cm×W92cm×H104cm，总重910kg，额定工作水深3000m，作业速度2-3.5kn，作业环境：风力≤6级，浪高≤2m。
DT-1系统由拖体、脐带缆、压载器、拖缆、绞车及甲板控制单元组成，见图1-1。拖体搭载多波束测深系统、侧扫声纳系统、浅地层剖面系统及辅助传感设备（MRU、CTD、压力传感器、多普勒计程仪、高度计和声信标等）。水深与拖缆长度的经验比为1:2-1:3，采用万米拖缆绞车，为承受较大的拉力，拖缆采用直径相对较粗的18mm铠装同轴电缆，可承受20t拉力，配套绞车体积大，需占用较大的船甲板空间。船舶为配合拖体作业，通常在船尾配备A型架或航车以方便拖体下水和回收作业[1]。DT-1拖体具有正浮力，作业时依靠550kg的压载器将拖体沉入深水中，拖体通过50m脐带缆和压载器连接，可实现海底微地形、微地貌和浅层结构的高分辨率探测，满足深水区海底的精细探测要求[2]。
图1DT-1系统组成
⒉深拖系统搭载的专业设备
现场作业时，调查船提前对准测线，保持匀速直线航行，拖体和压载器入水后继续放缆，使拖体沉放到预定深度，母船拖曳拖体沿设计测线匀速航行，拖体上搭载的各种设备同时工作，采集各种数据：SonardyeRangePro型超短基线（USBL）用于与母船（双船定位时的定位船）实时联系，确定拖体位置；KongsbergEM2000型多波束系统采集水深数据，深度分辨率可达1cm；Edgetech2400型浅地层剖面系统采集海底以下浅部地层信息（海底至海底以下约30m），垂直分辨率达0.2m；Edgetech2400型侧扫声纳系统采集海底地貌特征信息，410/120kHz双频；Kongsberg高度计获取拖体距离海底的高度信息（见图1-2）。
DT-1拖体搭载的调查设备为浅水型，设备对拖体的高度敏感。高度过高时（经验值100m以上），资料质量和精度都下降。因此，维持一定的离底高度是深拖作业获取高质量数据的关键。
图2DT-1搭载的设备
二、深水崎岖海底作业难点及解决方案
⒈设备安全
设备安全是深拖作业的重要风险，深水项目投资大，工期要求严格，调查设备价格昂贵，设备丢失带来的直接和间接损失往往很大。深拖拖体依靠拖缆收放和船速调节其距离海底的高度，作业时拖缆一般在2000-4000m,常用拖缆绞车平均速率0.5m/s,拖体高度响应速率0.17m/s，拖缆收放和船速调节拖体高度时存在滞后性。海底起伏较大时，拖体距离海底的高度难以控制，太高了资料质量差，数据密度底，太低了拖体触底风险增加。
解决方案：利用船载深水多波束进行区域踏勘，查明区域内的整体水深和地形变化情况。船载多波束距离目标海底远，水深精度、密度很难满足钻井船就位和作业需要，但这些数据可以为深拖作业服务。将船载多波束采集的数据处理后加载到导航系统中，就可以在作业中预知拖体前方水深变化的趋势，提前收放拖缆。踏勘获得的数据还可以为深拖测线设计提供依据，深拖主测线应当尽量平行于水深等值线，降低水深急剧变化对深拖作业的影响。
⒉资料采集
在深水崎岖海底作业时，拖体高度不断变化，姿态不稳，产生以下问题：一是有效地貌资料不能全覆盖。因为拖体距离海底的高度增大时侧扫声纳盲区也增大，有效资料覆盖范围减小，拖体受海流等影响偏离设计测线，形成地貌覆盖“空白区”；二是浅地层剖面失真。拖体姿态不稳导致浅剖剖面中海底及地层随拖体起伏而变化，形成虚假的地形起伏，即“假海底”现象。
解决方案：①地貌资料全覆盖问题。关注拖体高度，实时调节，加密测线，采用多波束后散射数据综合解释。②浅地层剖面失真问题可采用“海底归位”技术。将多波束的水深值网格化输出，从浅地层剖面数据中提取道头坐标，根据该坐标在水深网格中搜索、插值得到对应的水深值，将该水深转换为时间间隔，根据浅地层剖面数据的采样间隔在每道数据前填充“空白”数据[2]。
⒊测量精度
测量精度是深拖在深水崎岖海底作业时面临的又一难题。水深是海洋工程勘察中最重要的数据之一，深拖采集的水深数据由两部分组成：拖体至海面的深度值由压力传感器获取；拖体至海底的水深值由多波束探头获取，二者之和即为工区水深值。深拖在深水崎岖海底作业时，多波束换能器发射接收频率受限制，导致数据密度在沿航迹和垂直航向上均减小，崎岖的海底也使声波传播过程中折射、散射增强，水深精度降低。
解决方案：提高水深测量精度的方法：①增加声速测量站；②减小多波束的波束开角，降低边缘波束的影响；③多种测量方法综合评估，除多波束水深测量外，钻杆测量、CTD温盐深测量、海底高精度压力传感器测量（USBL精确定位）都可获得相对高精度的水深值。
三、实例应用
现场作业中采用以上措施降低了崎岖海底对深拖作业的不利影响。例1、A井场位于南海北部大陆坡的海底峡谷区，南海北部陆坡油气资源丰富，近年来相继开发了荔湾、白云、流花等区块，部分区域存在崎岖海底，平均坡度较大[3]。
⒈区域踏勘
利用EM302型船载多波束系统和Geo-Source800型电火花系统进行区域踏勘。图3-1左侧为A井场多波束踏勘数据，可见水深变化剧烈，在10×10km内，水深由323.9m变为935.6m，海底坡度达25°。深拖作业时，导航系统利用踏勘获得的水深数据，及时收放拖缆。既保证了设备安全，又获得了相对高质量的数据。图3-1右侧为A井场深拖多波束数据，资料质量和精度都比踏勘数据高。
图3多波束踏勘和深拖数据
⒉加密测线、资料互补、综合解释
调查中，在预定井位周边200m范围内加密了测线（线距50m）,井场中心地貌资料全覆盖。除加密测线外，利用多波束采集的反向散射强度数据可以得到海底沉积物的变化[4]。为弥补浅地层剖面资料不足，进行了电火花地层剖面调查(见图4)。
图4电火花地层剖面
⒊海底归位解决“假海底”现象
DT-1拖体搭载的Edgetech2400型浅地层剖面系统，该系统使用的EdgeTech软件以jsf格式记录数据，后处理时需要转换为常用的sgy格式。EdgeTech软件将jsf浅剖数据转换为sgy格式时会丢失拖体在水中的高度信息，使拖体的升降在浅剖上形成虚假的海底起伏地形，见图5左侧。采用在浅剖数据中加入真实水深的“海底归位”技术解决了这一难题，见图5右侧真实浅剖资料。
图5“海底归位”前后对比图
⒋特殊测量方法提高测深精度
高精度的水深值在海洋工程中极为重要，它关系到钻井船就位、平台导管架设计等安全和成败。对于某些特殊项目，水深精度要求更高。
例2：南海东部某区块张力腿平台项目中，预定井位位置水深误差限值±0.5m，国家《海道测量规范》中水深精度要求≤2%（水深100m以上），项目要求远高于国家规范。在井场调查中采用了多种测量方式：船载单/多波束、ROV搭载多波束、钻孔水深+单波束、深拖多波束、CTD和ROV搭载压力传感器。其中ROV搭载压力传感器的测量方式：ROV搭载压力传感器（精度0.01%水深）和USBL（提供定位数据）至预定井位位置稳定约30min获得的连续水深值。对比各种测量方法后发现，此方法获得的水深值与真值（多次测量和数学统计获得）最接近（表1）。
表1多种水深测量方式对比
调查方式 | 井场1 | 井场2 | 调查精度 |
调查方式 | B井场 | C井场 | 调查精度 |
多波束 | 342.2m | 414.7m | 0.01m |
单波束 | 342.6m | 415.5m | ±0.1m±0.1%水深 |
CTD相对 | 11.0m | 11.1m | ±0.3%量程 |
ROV搭载压力传感器 | 341m | 414.9m | 0.01%水深 |
ROV搭载多波束 | 339.9m | 413.9m | 0.01m |
深拖多波束调查 | 339.8m | 413.7m | 0.01m |
钻孔水深 | 340.1m | 414.7m | |
真值 | 341m | 414.9m |
注：根据保密要求，上表测量数值中加入了一个常量。
四、结束语
本文主要分析了深拖在深水崎岖海底作业中遇到的问题：设备安全、资料采集和测量精度，并提出了区域踏勘、方案优化和海底归位等解决办法，为提高深拖在深水崎岖海底作业的安全性和数据质量提供了思路。
参考文献：
[1]汤民强,毕永良.深海路由勘察中深拖与AUV的技术对比［J].海洋测绘,2008,28(6):79-82.
[2]罗进华,朱友生,张宝平,等.深拖系统在南海深水工程勘察中的应用[J].物探装备,2013,23(6):393-396.
[3]冯文科,鲍才旺.南海地形地貌特征[J].海洋地质研究,1982,2(4):80-93.
[4]唐秋华,周兴华,丁继胜,等.多波束反向散射强度数据处理研究[J].海洋学报,2006,28(2):51-55.
【作者简介】本文作者/陶华 罗进华 李彦杰 聂明涛，分别来自中海油田服务股份有限公司和中石油集团东方地球物理公司吐哈物探处；第一作者陶华，男，1983出生，江苏省人，中海油田服务股份有限公司，工程师，主要从事海洋工程勘察方面的研究；本文来自《水道港口》（2016年第2期），现作者做了部分修改，重新分享给大家，用于学习与交流，版权归作者所有。
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