“海经”的震源控制系统，人工地震波就是从这里激发。中海油服供图
科研人员正在无磁工坊检测罗盘精度，这个小木屋内，没有一颗铁钉。中海油服供图
数据处理工程师正在处理三维地震勘探数据。王珍摄
物探船搭载“海经”系统作业模型。王珍摄
“海洋石油720”搭载“海经”系统正在进行超深水三维地震勘探作业。中海油服供图
在海洋深处，有着许多我们不知道的秘密。除了水生生物之外，还有暗礁、河道、火山、沟壑等不同的地质构造。在一些海底地层的孔隙中，则蕴藏着宝贵的油气资源。
据介绍，全球超过70%的油气资源蕴藏在海洋之中，其中超40%来自深水，即水深超过300米的水域。这个水域也是未来全球油气资源的主要接替区和争相开发的重要战略区。但要想叩开深水油气资源开发的大门，首先得“找得到”，知道海底的油气资源究竟在哪里。
深海物探装备尤为关键。我国首套自研高精度海洋拖缆地震勘探采集装备“海经”系统，就是其中的佼佼者。它的“火眼金睛”可以穿透3000米水深，还原海底复杂的地质结构。
“海经”系统是如何工作的？其研发过程中攻克了哪些难题？近日，记者来到了“海经”系统的“诞生地”——坐落于天津滨海新区的中海油服物探研究院，探寻“海经”系统的奥秘。
不会引发海底地震，而是利用人工地震波获取海底信息
拖缆地震勘探，探测海底地质结构最直接、最经济、最高效
大年初一晚，中海油服物探事业部首席工程师阮福明仍在忙碌着。他正通过手机工作群与远在海外跟船作业的同事，交流着“海经”系统数据传输方面的优化事项。
一个多月前，刚刚完成珠江口盆地3000米超深水勘探作业的我国大型深水物探船“海洋石油720”搭载着“海经”系统，从湛江港启航，前往印度尼西亚，开启了首次海外作业。
对于阮福明和同事们而言，此次作业意义非凡。一方面，这是我国自研勘探装备首次在国际上提供地震勘探技术服务，为解决海外地质勘探难题提供“中国方案”，对“中国技术”推进全球海洋油气开发、促进共建“一带一路”合作具有重要意义。另一方面，这也是对“海经”系统的一个全方位考验。
自从“海经”系统开启海外作业，阮福明每天都会和同事们在工作群中进行类似的业务交流与探讨，一是为了了解作业进度，二是为了及时掌握“海经”系统在不同海域条件、不同气象情况下的运行状态。“就像看着自己的孩子出国参加比赛，时时放心不下。但还是有信心的！”阮福明告诉记者。
“海经”，即我国首套自研高精度海洋拖缆地震勘探采集装备。这是一个庞大的系统，由震源控制、拖缆采集、综合导航以及定位与控制等多种装备系统组成。在海上进行地震勘探作业时，多条电缆同时展开，非常庞大壮观，形似地球经纬线，“海经”也因此得名。
据介绍，拖缆地震勘探技术是世界上探测海底地质结构最直接、最经济、最高效的方法。“虽然名字叫地震勘探，但并不会引发海底地震，而是利用气体枪阵在海水中瞬间爆破产生震动波来获取海底信息。”阮福明介绍，其工作原理是，物探船搭载成套拖缆装备“犁”过海面，利用人工震源激发地震波，收集地震波在穿透海水和海底地层之后形成的反射波，还原出海底复杂的地质结构，从而推断出油气资源的分布，为油气藏钻探提供依据。
“不同地层因深度、致密性等方面因素的不同，其反射波也是不同的。”他进一步解释道。因此，装配的拖缆越长、根数越多、对微弱信号采集能力越强，获取海底信息的效率和分辨率也就越高。“就像在医院体检，CT的分辨率就明显高于X光。”
“海经”系统如同一个给海底地层做CT的大机器，列装于我国大型深水物探船“海洋石油720”上，最多可实现12条近10公里长的拖缆同时作业，从高空俯瞰，就像一艘巨轮拖着一个超过10平方公里的大渔网，相当于1400多个标准足球场。以其超低频、高精度的三维地震波信号采集能力，可精准描绘出深水深层以及复杂地质结构的“3D立体图”，大幅提升了我国在超深水领域油气勘探能力。
“目前，‘海经’系统最大作业水深达到3500米，勘探目的层最大埋深处5600米，打破了我国海洋三维地震勘探作业最大水深纪录。”阮福明告诉记者，我国海洋地震勘探拖缆成套装备长期依赖进口，多项技术参数和性能受限，制约着我国勘探技术的发展。“海经”系统成功“照亮”我国深海地层，使我国成为全球第3个掌握此项装备技术与制造能力的国家，而且与进口装备相比，“海经”采集到的地震资料识别度更高，可透过3000米水深，精细刻画万米地层的复杂地质结构，装备整体性能满足了当前海洋石油勘探要求。
可捕捉海底万米地层下相当于蚊子飞行声1/150的信号
“海经”耳聪目明探测范围更广精度更高
在位于中海油服物探研究院四层的室内处理室，数十名工作人员正在电脑前忙碌着。电脑上五颜六色的画面、繁杂的数据令人眼花缭乱。
程耀，中海油服物探研究院数据处理工程师。记者采访时，他正对“海经”此前作业获取的三维地震勘探数据进行处理作业。“就是去除数据‘杂质’，比如海面船只、海浪等噪音的干扰等。”程耀解释，这样的“杂质”去除程序有20多道，然后再进行偏移成像，才能得到更为准确的地层剖面图。
作为资深数据处理工程师，程耀对“海经”作业获取的勘探数据很是满意。他给记者展示了同一片海域不同时期获取的地层剖面图，一份是“海经”的勘探结果，另一份则是此前使用进口拖缆地震勘探设备获取的结果。记者看到，使用“海经”系统获取的地层剖面图如同另一张图的“高清版”，地层褶皱、隆起等信息更清晰。“不仅分辨率更高，探测深度更深、范围更广，数据也更加精准。”程耀从专业角度给记者作出解读。
要实现这样的效果，就不得不提“海经”系统中的一个关键设备——自主研发的高性能检波器。检波器，顾名思义，是监测海底地层反射波段的设备，又被形象地称为水听器。
记者了解到，“海经”系统作业时，首先由震源控制系统释放人工地震波，声波传到海底地层再反射回来，通过拖缆系统中阵列排布的水听器来接收。水听器监测声信号，并将它转换成电信号，结合物探船和水听器的位置信息，技术专家就可以得到地层信息。
水听器的采集信号覆盖频率、沉放深度等都会影响其信号采集精度，从而进一步影响地震勘探获取资料的分辨率。据阮福明介绍，“海经”系统的每一条拖缆上搭载了近100个水听器。当水听器的沉放深度越深，它受到海面船只、海浪等噪音的干扰越小，能够侦听到更深地层的反射信息，精度可以大大提高。
“国外对我们最大的限制，就是水听器的深度限制，浅了不工作，深一点也不工作。”阮福明说，22米是进口设备的沉放深度。而“海经”系统中采用的自研水听器则突破了这一限制，最大可以在100米的水深工作，使得探测精度大大提高。
与此同时，我国自研水听器将可采集的低频频率拓展到2赫兹。这意味着，它能够捕捉到万米地层下相当于蚊子飞行声1/150大小的地震波信号，达到国际领先水平。“目前，进口设备监测频率最低可达3赫兹，从3赫兹到2赫兹，可穿透的地层深度能增加1000米左右。”阮福明说，加上长度接近10公里的拖缆系统，使得探测范围和成像品质都得以大大提高。
智能化操作部署高精度定位解算
攻克多项技术难题实现精准控制
南半球赤道附近的印尼海域，蔚蓝深海，蓝白相间的“海洋石油720”拖着一个约10平方公里的“大渔网”，正在进行掉头作业。
“海洋石油720”中控室的屏幕上，显示着物探船搭载“海经”系统的运行轨迹。“因为搭载的‘尾巴’太长太大，所以航行时的一点点变动，都是一个巨大的挑战。”中海油服物探装备研究所副所长张昊楠告诉记者，这就像多节火车在一个固定的轨道上完成掉头转向，转弯难度非常大，“一次掉头作业要耗时4个小时，大概需要绕一个直径约8公里的圆。”
据介绍，物探船搭载“海经”系统运行的每一步都是在拖缆综合导航系统的规划导航下实现的。“这是整个勘探装备的神经中枢，可以根据海况和工况条件，指挥和控制物探船各系统协同工作，全流程智能化操作部署，并进行高精度定位解算，比如震源响炮点位的预测与解算，等等。”提及这个系统，张昊楠有讲不完的故事，他也是“海经”软件系统研究室的负责人。
记者了解到，2018年，研发团队成功发布二维综合导航系统。此后不久，他们又攻克了涉及设备种类多、观测数量大、电缆模型复杂的三维综合导航系统。在2019年的一次三维综合导航系统与进口导航系统“背靠背”海试中，他们却发现“海经”三维综合导航系统与进口导航系统在某些响炮点位的计算结果上差距很大。最终经过多轮次排查，发现进口导航系统的计算存在偏差。
“这给我们研发人员打了一剂‘强心针’。我们用实际数据证明，进口设备能实现的功能，我们也能做到，而且做得更好更精准。”张昊楠感慨。
“海经”的技术突破不止于此。12条拖缆怎样才能始终处于相同的作业水深，相邻拖缆之间的距离如何才能稳定保持在100米？精准控制背后有“奥秘”。
其中的关键便是被工作人员形象地称为“水鸟”的几种设备。在距离中海油服物探研究院办公楼不远的中海油服物探装备制造维修中心，记者见到了正在装配、调试或维修，长着“翅膀”的不同“水鸟”，每一只“水鸟”都具有高精度三维动态电子罗盘，都可在水下100米深度作业。
“这是通过翅膀调整拖缆水深的罗经鸟，这种是控制相邻拖缆间距的水平鸟……”张昊楠介绍，仅一个罗经鸟就有上百个部件、40多道水密封面。每一根拖缆上都会根据作业需要布设多个功能不同的“水鸟”，船载系统加上罗经鸟、声学鸟、水平鸟等多个设备，共同组成“海经”拖缆控制与定位系统，这是“海经”的重要系统之一。
据了解，20年来，研发团队不断优化升级拖缆控制与定位系统，提高精度，降低功耗，攻克自适应智能深度控制算法、声学微弱信号采集及多路径传输处理等多项技术难题。“10缆作业大概需要400只‘水鸟’，仅这一种设备，就能节省数百万元。”张昊楠告诉记者。
除此之外，还有应用分布式同步控制技术和动态调整算法、控制精度达到0.05毫秒的“海经”震源控制系统，拥有22项国家专利的拖缆采集系统……“大到一个子系统，小到每个接头、每个零件，我们都要做到最好最精。”阮福明说，而这也是“海经”在高强度连续勘探作业下，设备依然稳定运行的秘诀。
经纬四海，脉听八方。“海经”系统采集的每一道地震波，都可能记录了一次勘探机遇。据了解，自2022年9月投产以来，“海洋石油720”搭载“海经”系统已在中国海域顺利完成5个工区总计6552平方千米的三维地震勘探，并成功“出海”作业。
“目前，‘海经’已为我国提供了十几个井位的油气勘探发现，助力储量发现约5000万吨。随着规模化应用，‘海经’将走向深水深层，也将有更大价值贡献。”中海油服物探事业部总经理周滨表示。（记者王珍）
