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《武汉大学》 2014年
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海底电缆地震勘探导航定位关键技术研究及系统研制

方守川  
【摘要】:二十一世纪是海洋的世纪,世界各国已经将海洋油气资源开发的重点转向了海洋。海底电缆地震勘探是海洋油气资源勘探的重要工具之一。长期以来,我国的OBC地震勘探导航定位技术完全依赖进口,缺少自主系统;此外,由于国外核心技术垄断,国内该领域技术发展滞后,我国的OBC导航定位作业和数据处理仍停留在按照国外系统手册作业、复杂海洋环境下无法作业这一水平,所以开展自主产权的OBC导航定位理论方法研究和系统研制显得必要而迫切。 论文针对OBC地震勘探导航定位技术开展研究,解决了海底电缆地震勘探作业中船只的实时导航定位、海底电缆放缆过程控制及海底电缆定位等多项技术难题,建立了一套完整的、复杂海洋环境下海底电缆地震勘探导航定位作业和数据处理方法体系,并研发了基于多船分布式系统设计的海底电缆地震勘探综合导航系统,满足了复杂海况下海底电缆石油勘探高精度、高效率及数字化管理的新需求,实现了海底电缆油气勘探核心技术的“中国制造”。 论文主要研究工作和贡献如下: (1)建立了一套完整的海底电缆地震勘探导航定位技术方法体系,全面阐述了综合导航定位系统组成、工作原理、数据处理方法及精度评定方法。 (2)针对海底电缆勘探海洋环境的复杂性,借助姿态传感器实测船姿参数,分析了风浪对不同船型姿态及作业船导航定位精度的影响和显著性。利用波能谱对海况进行了描述,并根据谱分析方法研究了不同有义波高下作业船横摇和纵摇与有义波高的相关性,以此给出了不同风浪条件下作业船导航定位卡尔曼滤波模型中噪声协方差阵Qk-1和量测噪声协方差阵Rk的经验确定方法,提出了基于不同分级模式的作业船卡尔曼滤波模型,实现了分米级船位估计,为无姿态传感器下船只精确导航定位提供了一种新途径。 (3)震源阵列导航定位精度对于解译海底地层结构具有重要的作用,而由于系统设备性能和采样频率的差异,导航定位观测值存在跳变和缺失现象,很难获得震源阵列放炮时刻的精确位置,为此提出了一种基于滑动缓冲区的多项式拟合粗差剔除和数据同步处理算法,实现了震源阵列放炮时刻观测值的确定;提出和实现了基于单个枪体的卡尔曼滤波震源阵列导航定位模型,实现了优于1m的定位精度。其研究结果满足了复杂海况条件下,高精度OBC地震勘探导航定位的需要。 (4)针对OBC放缆过程、状态和位置无法确定及对地震勘探成果影响显著这一问题,借助动力学模型,推导并给出了稳态海洋环境下和顾及海流因素的电缆放缆运动轨迹方程。借助该模型,分析了不同张力、电缆密度、阻力系数、放缆速度、流体密度及海流对电缆运动姿态的影响。经过实验的检验和验证,相比已有文献,建立的数学模型更为完备,与实际更为一致。基于该模型的放缆准则和仿真分析方法对指导海底电缆放缆过程具有重要的现实意义。 (5)对海底电缆声学定位方法进行了系统的研究。分析了现有距离交会定位法存在野外作业过程繁杂、严格依赖声速剖面及精度不高等不足。为此,提出了附加深度约束的声学定位方法,相比传统方法显著提高了电缆定位精度。该方法在交会定位图形强度较差的情况下,依然可以实现米级定位精度。估及测量水域声速以及相邻观测值声速误差的相关性,提出了独立于声速剖面的距离单差定位算法,实现了海底电缆应答器亚米级定位精度,较传统定位方法,无需声速剖面,极大地简化了现有海底电缆定位作业流程,节约了作业时间和成本。 (6)为了提高海底电缆声学定位精度和作业效率,对作业船的航迹线优化及航迹点优选问题进行了研究。分析了平行航迹线宽度选取及S形航迹线优化设计问题,认为平行航迹宽度为作业区域水深的1.72倍时定位GDOP值最小,S形航迹线具有优于平行航迹的GDOP值,且总的航迹长度小于平行航迹线,能够提高定位作业效率。开展了航迹点的优选问题研究,分析了航迹点个数、测量距离对定位精度的影响,提出了一种基于几何图形强度因子的航迹点优选准则:航迹点应围绕应答器对称且均匀分布,航迹点到应答器的观测边的入射角为30°到60°、观测边长Ρ为水深的1.155到2.000倍范围。经实验表明,形成的航迹点筛选准则,弥补了粗差剔除方法的不足,提高了声学定位精度。 (7)研制了国内首套功能齐全、导航定位精度高及管理作业模式先进的海底电缆地震勘探综合导航系统。通过在国内渤海湾和喀麦隆等勘探项目中应用表明:系统实现了作业船只分米级的导航定位精度;提出的海底电缆放缆过程控制方法,能够模拟计算海底电缆放缆作业时电缆的形态,提高了放缆作业的精度和效率,并能科学指导放缆作业过程。相较传统定位方法,系统显著提高了海底电缆声学定位的精度,并且明显好于初至波定位方法;系统实现了优于1m的震源阵列定位精度;系统的地震同步采集精度达到50微秒,提高了野外作业同步采集精度,并实现了船队内部的数据共享和可视化管理,满足了复杂海况下海底电缆石油勘探高精度、高效率及数字化管理的需要。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:P631.46

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