你所不知道的海洋勘探“黑”科技

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近年来随着技术的飞速发展及跨界融合，海洋油气勘探能力也实现了长足进步。过去面对复杂多变的海洋环境，物探船作业时，定位、激发与接收地震波过程会产生一定误差，这也会影响最终的勘探结果。

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常规海上地震勘探方法：海上拖缆（Tower Streamer，TS）和海底电缆（Ocean Bottom Cable，OBC）

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海上拖缆就是接收地震波的数据接收器（检波器）漂浮在海面下方。

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△布置地震采集电缆、水鸟等水下装置

△下放震源（空气压缩枪）

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△海上拖缆勘探工作效率高、成本低

但漂浮在海水中的检波器，受风浪、洋流的影响，易导致勘探结果不准确。

海底电缆就是接收地震波的数据接收器（检波器）放置于海底。

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△海底电缆勘探能够采集多分量地震数据

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但是在铺设海底电缆过程中，海流、潮汐、船速以及检波器沉降速度都会影响检波器下放的准确性，易导致勘探数据偏差。

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△检波器在海底的实际位置与实时得到的导航结果存在偏差

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弥补勘探方式的不足，实现海洋油气资源高效开发，是石油科技工作者奋斗的目标。海底节点（Ocean Bottom Node）地震勘探技术的出现不仅克服了海水的影响，还大大提高了勘探数据的准确性，代表了海洋勘探技术发展的方向。

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< 什么是OBN？ >

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一、OBN

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OBN全称Ocean Bottom Node，简称海底节点，它是一种位于海底，可以独立采集、记录地震信号的多分量地震仪。

△OBN地震勘探

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△海底节点

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“海底节点”就是一个个独立的检波器，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。

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补充 | 知识

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常规地震勘探采集的是纵波数据：垂向入射到检波器的地震波（简称单分量）。

OBN既可以采集多方位的数据：垂向纵波、水平方向转换PS波、垂向的标量压力波（多分量）。

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△海底多分量采集示意图

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△横波在水中无法传播，因此拖缆式勘探只能接收到纵波数据

二、OBN的由来

早在上个世纪60年代，就有人提出了自主式海底地震记录仪的概念，学术界希望可以借此深入研究深部地壳结构。

1964年世界上第一台海底地震记录仪研制成功。随后，为解决遥测系统的带宽限制问题，美国Amoco石油公司在1970年开始研究自主式无缆地震记录方法，拉开了石油勘探界的“黑”科技发展序幕。

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△世界上第一台海底地震记录仪，该仪器曾部署在美国西太平洋600米深的海底，自带的电源可以连续11个小时记录四分量地震数据

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< OBN是如何工作的？ >

一、流程简述

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利用水下机器人将自备电源的OBN布置在海底→接收地震波→回收OBN→下载数据并进行处理和解释。

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△右上角ROV工作船负责布置海底节点；左上角的震源船释放地震波；海底节点接收信号

二、细说流程

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2.1 准备工作

工厂加工生产节点并转移至下一个环节。

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△组装节点

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△每个节点都独立编号

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△运输节点的工作船

2.2 布置节点

海洋深邃而澎湃，如何克服各种不确定因素，将大批节点准确而快速的安放到海底预定位置呢？技术专家想到了TMS（Tether Management System，线缆管理系统）和ROV（Remotely Operated Vehicles，远程遥控机器人）设备。

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水下机器人参见石油课堂010期文章：比肩火星“好奇号”的深海油气开发利器——水下机器人

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△水下机器人是深海作业神器

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△顶部黄色区域是TMS系统，下部为ROV设备，每台ROV共可搭载12个节点

布置节点的过程就像在海底放风筝，线缆管理系统控制收放线，到达指定位置后ROV就可以携带节点“下车”了。

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△工作人员远程操控ROV

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当第一个节点布置好后，TMS和ROV会马不停蹄地布置下一个节点。

( D3 e6 d' J+ K+ z 3 `- N1 S5 t7 W5 S0 i& k8 t 但问题出现了，一台ROV最多可搭载12个节点，往复接送效率低。为了提高海底节点的布置效率，研发了专门运输节点的HSL（High Speed Loader，快速装载系统）。当ROV搭载的节点即将布置完毕时，HSL就会满载24个节点奔赴海底——快递小哥来了O(∩_∩)O哈哈~ 4 F8 H5 b: j; l, y# ^4 b$ J 2 i" V @8 q" v

△装载节点

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△ROV接货

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△节点整齐摆放

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浅水区域的节点布置会简单的多，将节点按顺序直接固定在缆绳上，下放缆绳，即可完成节点铺设。

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△节点布置

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2.3 地震采集

海底节点布置完毕后就可以结合震源船进行地震采集工作了。

△震源船产生地震波，海底节点接收信号

2.4 数据回收 # x5 g) n) k6 _4 P/ F Y l; c

△回收节点

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△快速装载系统提高了节点回收效率

浅水区域的节点回收可直接由工作船完成。 $ R8 r( e* X0 o' I4 H# ^! R+ p

△浅水节点回收

2.5 数据处理

△下载数据

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△地震资料处理

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< OBN的优势 >

一、定位精确

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借助水下机器人的监视系统，可将节点准确布置在目标位置，这大大提高了后期油藏数据的准确性。

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△工作人员正在操控ROV布置节点

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△OBN内的地震传感器中具有罗盘和倾角仪，保证仪器垂直布置在海底

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工作人员后期处理采集到的地震数据依赖于前期预定的观测位置，如果实际观测数据与预定位置不一致，那么解释结果会出现偏差。所以精确定位非常关键！

二、施工灵活

常规拖缆和海底电缆勘探作业受海洋区域影响大，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。 X) U, c U, }. V- ]: t

△离岸平台方圆500米都是禁采隔离区，不允许拖缆船靠近

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△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。

△你想象中的海底可能是这样的

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△实际中的海底是这样的

然而独立式的海底节点完全可以克服这些困难，它不需要任何辅助连接设备，独立自主的布置在海底接收地震波，自身携带的锂电池一次充电后可在海底续航180天。 & @4 R' b% L5 o2 [* w. R % t% O7 x+ V, h0 U

△正在船上充电的节点单元

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△OBN采集方式弥补了传统方式的不足

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三、采集信号质量高

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节点底部具有很强的抓地能力，可以很好的与海底地层进行耦合，极大地提高了数据的矢量保真度。

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△ROV机械臂正在控制着节点进行抓地耦合

此外，四分量的海底节点不仅可以记录常规的纵波，还可以记录岩性分析的关键数据——横波。

△从左到右依次为水听器分量Z，垂直压力分量P，水平分量X和Y

其中Z分量用来接收垂直出射的纵波数据，是最常用的地震勘探资料；X分量和Y分量是用来接收转换横波数据，这是海底地震仪器所独有的。关于P波数据，它接收到的是一种标量的压力数据，现如今P波数据的最终目的是为了和Z分量数据作匹配叠加，分离上下行波。

四、探测地层更深，对地质构造了解更全面

激发炮点与检波点间距远形成的大偏移距可以探测到更深的地层；而全方位角采集可以接收来自地下各个方向的地震信号，全面了解地下三维地质构造。 ' Y! k) K- _4 W. ^# F' K

△OBN观测系统偏移距和方位角信息：左图中的小红点为炮点，蓝色点为节点，这种观测系统的偏移距更大；右侧玫瑰图清晰地展现了这种观测系统的偏移距、方位角和覆盖次数信息

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五、横波成像，对裂缝预测准确

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油气资源的形成和运移离不开地下裂缝，但裂缝有时也可能导致油气资源的泄漏而不利于后期开发，而横波是评价裂隙的关键指标，OBN可以采集高质量的横波数据，根据这些数据对储层裂缝作出的合理的评估和预测，指导油气资源的生产与开发。

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△左上角图中显示了南北走向的垂直裂缝，引起的快横波分离可以帮助确定快横波方向（红色箭头）和慢横波方向（蓝色箭头）。左下为陆上地震图，显示的是来自两个震源-检波器方向的共中心点道集射线，右下为海底地震图，表明地震各向异性的影响，在三维OBN地震勘探中，结合全方位角信息可以非常有效的对地下裂缝进行预测和解释

< OBN发展情况及展望 >

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当前国际上对OBN的研究主要集中在美国，欧洲等一些发达国家，其中主要有Fairfield Nodal，CGG和SEABED公司。

△Fairfield Nodal公司最为著名，推出了适合不同水域的海底节点

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△CGG公司的Trilobit海底节点

△SEABED公司的Manta系列节点

中国最大的物探服务商——东方地球物理公司（BGP），拥有海底电缆勘探设备，但在海底节点的研制方面，还和国外专业公司存在一定差距。 ; P5 l D3 ]' {4 T9 y3 m8 B& r, o

△BGP的海底电缆设备

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OBN采集技术在国外的应用比较广泛，从各石油公司的项目成果来看，该技术具有很好的市场应用前景。

2002年，Seabed地球物理公司、挪威科技工业研究院（SINTEF）、挪威国家石油公司（STAToil）、挪威海德鲁公司（Norsk Hydro）和法国道达尔菲纳-埃尔夫公司（Total Fina-Elf）联手在英国北海油田首次使用自主式地震节点开展工业规模的4分量地震勘探工作。

之后，墨西哥国家石油公司、英国石油公司、道达尔E&公司、壳牌等都在其各自工区开展了OBN勘探项目。值得一提的是，2014年，东方地球物理公司（BGP）联合阿拉伯石油公司在红海开展了部分OBN的实际地震勘探工作，开创了我国在OBN勘探方面的先河。

平心而论，国内OBN技术的应用和推广和国外相比仍存在较大差距，石油课堂的分析如下：

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一、节点布置慢，工作效率低

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将一个个节点精确布置到海底指定位置，覆盖上百平方公里，每个步骤都需要人工参与，效率非常低，这会造成勘探成本居高不下。

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△海底节点的布置是批量工作

二、中国地形复杂

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为了提高整体工作效率，国外石油公司的普遍做法是拉大节点的间隔，原本50米的道间距增加到400米，再通过加密炮点来弥补稀疏采样点的缺陷。这虽然可以大大提高工作效率，但实际上也降低了地震数据的精确性，但是我国东南海域油气田在构造上属于西太平洋板块的主动大陆边缘、地下小断层发育，这种“高效率”的采集方法并不适用。

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三、采集技术的国外垄断、服务费高

该技术目前还只掌握在少数西方专业公司手中，国内石油公司在本土或者海外工作区开展OBN采集需要支付高昂的服务费，但当前全球石油行业遭遇严冬，成本压力凸显，上游勘探预算更是捉襟见肘，这也制约了该技术的应用。

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《荀子》有言：不登高山,不知天之高也；不临深溪,不知地之厚也。虽然目前OBN采集技术存在一些不足，但在日新月异的今天，技术的发展速度是前所未有的。相信OBN采集技术在未来能够不断的完善和升级，高效的提供更精准的勘探数据，以指导对油田进行更科学合理的开发，它也一定协助广大石油工作者为全人类奉献源源不断的、清洁的、低成本的油气资源，照亮人类文明！

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延伸阅读

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做一个有原则的人

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石油课堂 | 原则

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