海洋节点采集仪器发展现状及方向

通过对国内外海洋节点相关技术的专利进行统计，专利申请趋势见图1，从图可以看出，在1935年全球首次出现海洋节点相关的专利申请，技术处于萌芽期。1968-1979年，专利申请数量逐年增多且申请连续技术处于开发/探索阶段。1980-1992年，专利申请呈慢速增长趋势，到1992年后专利申请呈爆发式增长趋势，尤其在2006年左右坦索地球物理公司(PetroleumGeo-Services，PGS)等各大公司的投入研究，使专利呈跳跃式增长模式。

图 1 海洋节点专利申请趋势

2020年出现了申请量的高峰。由于专利公开存在一定的滞后，本领域的专利申请仍处于增长阶段。从专利的趋势可以看出海洋节点技术的快速发展趋势。图1海洋节点专利申请趋势中国海洋节点技术从2008-2014年，专利数量呈快速增长趋势，2014年出现第一个小高峰;2015年至今仍在快速发展中，与2020年达到最高峰;美国在我国布局专利最多，其次是法国、日本、韩国、英国、挪威、荷兰等均在我国有专利布局;技术分布OBN硬件技术42%，其次是控制软件、充电授时仪及采集方法;排名前三的专利申请人有中国石油集团、中科院声学所、哈尔滨工程大学。但总体看来，中国在这一领域里起步晚，技术水平暂时落后于西方。

国内外多家公司在研发海洋节点采集装备，主要研究方向包括海底节点自动化地震数据采集装备及技术方法，以提高采集精度、降低采集成本、减少作业时间为目标，这些研究成果对海底地震勘探技术的进步和发展有着重要的影响。

西方国家研究海洋OBN采集技术及装备的公司主要有美国PGS(石油地球物理服务公司)、法国CGG(地球物理服务公司)、美国Western(西方公司)以及挪威GECO(能源勘探公司)等。这些研究机构自己生产采集设备，并在世界各地(如北海、中东、中国南海等)开展了大量海上多波地震的研究和实际生产工作，取得了良好效果。本文提到成熟的海洋节点采集仪器为已经在多个项目上投入使用的海洋节点。目前国际项目中常有的海洋节点有四种，美国Fairfield公司生产的Z-marine系列、美国GeoSapce公司海洋节点OBX，挪威Magseis海洋节点MassI、法国Sercel海洋节点GPR，成熟海洋节点采集仪器主要集中在美国欧洲等一些国家，国内商用的海底节点仪器还没有。

Fairfield公司生产的Z-marine系海洋节点设备，包括Z100、Z700、Z3000涵盖了过渡带到深水无间断的采集区域。Z系列是最早海洋节点产品，应用于多个海洋节点采集项目，性能稳定，四分量采集(模拟三分量检波器+水听器)，32G-64G内存容量，持续采集30-50天(2ms)。GeoSapce公司OBX海洋节点是应用较早的海洋节点产品，性能稳定，应用于多个海洋节点采集项目。四分量采集(模拟三分量检波器+水听器)，作业水深0-300米，16G内存容量，连续采集35天(2ms)。

Magseis公司海洋节点MassI拥有全自动化的海底布设、回收和数据下载系统，生产过程极大的减少了人员的参与。先后在中东红海项目、俄罗斯项目、马来西亚项目成功应用。公司成功中标ADNOC海洋项目，使得Magseis公司成为海洋节点仪器最有实力的制造商，同期成功收购Fairfield公司。但其节点内部的电池不能充电，使用1-2个月就需要更换电池，造成使用不便。主要关注点在收放方式上面，但总体技术布局较为完善，包括结构、收放方式、数据采集等方面的专利。在2020年，有一篇压电检波器的专利出现，表示其研发方向除OBN结构、数据等方面，又扩展到了压电检波器方向。对节点结构调整达到更好的采集效果;不断的优化其收放方式，使得数据更准确等方面。

Sercel海洋节点GPR300专为在水深至300米的浅水环境进行地震采集而设计，采用3-CQuietSeisMEMS检波器，作业水深0-300米，32G内存容量，持续采集50天(2ms)。MEMS检波器是该节点主要特点，野外已部署的65,000个节点。

新型海洋节点采集仪器是目前在展会及各种宣传资料进行展示还没有在项目中大量应用的产品。目前国内外共有8种。

GeoSapce推出了性价比高的浅水行节点Mariner，最大工作水深750m，电池续航可达70天，内置headingsensor，具备无线充电和数据下载功能。MagseisFairfield深水节点-MASSII连续采集可长达150天，适合0-3000m的水深，采用芯片级原子钟，内置256G内存，4分量检波器，可使用钢缆、绳索和ROV进行节点收放。Sercel提供基于QuietSeis技术的全套OBN节点产品，能在从300至6000米不同的水深进行部署，以满足行业对OBN地震勘探采集不断增长的需求。该产品系列包括GPR300、GPR700、GPR3000和MicrOBSNT海底节点。MicrOBSNT稀疏节点解决方案完善了Sercel的OBN产品系列，非常适合在深达6,000米的海底进行稀疏OBN作业。InApril深水节点-A3000LL可提供150-200天的超长水下采集续航时间，适用于0-3000m水深的范围，采用高精度的OCXO或CSAC时钟，并内置USBL定位装置。InApril主要创新点在收放方式方面。Shearwater海洋节点-Pearl节点电池续航150天，空气中重量4kg，水中重量2kg，采用MEMS检波器，最大采集水深3000m。支持无线充电和数据下载，支持多次收放。AmpSeis海洋节点-NodeX/NodeXL电池续航150天，NodeXL电池续航300天。最大采集水深3000m。优化动态范围和低频相应。兼容模块化的收放。支持无线通信。NodeX节点通过加装模块可以成为滑翔节点。

国内东方物探公司oSeis海洋节点2016年开始进行关键技术研发，攻克深水压电检波器、全向检波器、数据采集、时钟同步及姿态校准等关键技术，完成了浅水到3000m四种型号的海底节点(图2)、充电授时仪、节点管理软件研制和小批量生产，为用户提供完整的海洋节点采集方案，实现了从关键部件到系统集成完整的OBN装备技术体系。特别是采集和声学模块融合实现水底质控状态传输在全球尚属首例。

2023年7月27日，中国海油研发的海底地震节点“海脉”在渤海海域正式投入使用，“海脉”工作水深300m，具有体积小、布放灵活、适应水深范围宽、超低频性能高等特点。

在两年前世界上能提供深水海洋节点的装备供应商只有1-2家，2023年能提供深水节点的厂家增加到5-6，而且基本能生产海洋节点的厂家都有深水节点系列产品。全海域系列海洋节点成为海洋装备厂家提供产品的共识。

2023年有3家海洋节点仪器供应商提出具有无线充电和数据下载功能，虽然无线充电和数据下载并不会比有线方式速度快，该功能多处于概念或试验阶段，目前仍未实现商用，但海洋节点接口的无线化具有节省防水插头成本、减少漏水风险及使用的便利性，随着无线充电和通信技术的完善，也是未来发展的方向。

Sercel基于QuietSeis®技术的的OBN节点设备，配备了MEMS数字传感器(图3)，其极低的噪声性能为高精度地下成像提供了高保真、高质量的宽频数据，引领了海洋节点三分量传感器向数字化发展。

国外的海洋节点生产厂家看准OBN的市场需求，加紧进行海洋节点的研发，近两年海洋节点产品如雨后春笋般出现，对国产海洋节点的推广应用造成冲击。MEMS数字传感器、无线充电和数据下载等海洋节点已经为国产节点推广应用制造了技术壁垒。需要紧跟国际节点技术步伐，提升国产节点整体技术水平。海洋节点采集仪器是高精度海洋地震勘探装备利器，通过本文了解国内外OBN技术的发展方向，为国产海洋节点仪器的发展提供参考，推进自主海洋节点技术的实质性发展，实现了国内OBN从装备、采集、处理解释到服务完整的产业链。为海洋油气勘探开发和国家能源保障提供自主装备支撑。

来源 | 本文摘选自《第二届中国石油物探学术年会论文集》

作者 | 任文静 张庆峰等 中国石油东方物探公司

转载自 | 数智海洋公众号