海洋论坛▏“海马”号ROV在天然气水合物勘查中的应用 - 海底地质勘探工具

梦里寻你 · 发表于其他海洋设备 2024-7-30 16:21:31

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海洋占地球总面积的70.8%，蕴藏着丰富的海洋资源，特别是近几年来一直备受世界关注的天然气水合物，资源总量十分丰富，据1981 年潜在气体联合会公布数据，天然气水合物资源总量应该超过7.6×1018m3，在全球范围内已直接或间接发现的天然气水合物矿点中，海洋天然气水合物资源达到了97%。从长远角度考虑，天然气水合物作为一种高效、节能、环保的新能源是解决未来能源问题的主要出路。目前，全球至少有30多个国家和地区正在进行天然气水合物的研究与调查勘探。我国的南海天然气水合物勘探工作始于1999 年，在南海西沙海槽发现水合物发育的地球物理证据BSR，首次根据勘探实践，提出南海北部可能存在天然气水合物，开启了我国南海天然气水合物调查和研究的新篇章。

2015年在南海北部神狐海域实现水合物钻获成功率100%，再次钻探证实超千亿立方级天然气水合物矿藏；同年利用自主研发的“海马”号无人遥控潜水器在珠江口盆地西部海域发现“海马冷泉”，并利用大型重力活塞取样器获取块状水合物实物样品。2017年，我国在南海神狐海域取得天然气水合物试开采的历史性突破，成功实现了天然气水合物的试开采。

近年来国际上针对天然气水合物的研究与调查勘探进行了深入的探索，勘探技术手段也到了一个新的阶段，无人遥控潜水器技术与装备作为海洋探查和资源开发利用不可或缺的手段，已经被越来越多的海洋研究机构用于开展精细作业，进行科学研究和调查勘探，如美国蒙特利海湾研究所和伍兹霍尔海洋研究所配置了Doc Ricketts ROV和JasonⅡROV，日本海洋研究开发机构配置了Kaiko ROV和Hyper-Dolphin ROV，法国海洋开发研究院配置了Victor 6000 ROV和印度海洋研究机构NIOT自行研制的ROSUB 6000 ROV。我国于2008年年底启动了国家“863”计划海洋技术领域重点项目“4500米级深海作业系统”，项目研发团队经过6年的不懈努力，突破了核心技术受控国外、国内技术产业配套能力弱等不利因素，坚持潜心攻关、勇于探索、敢于创新的团队精神，全面掌握了大深度无人遥控潜水器设计和研制的多项核心技术，实现了项目总体目标，成功研制了4500米“海马”号无人遥控潜水器，是我国深海高技术发展进程中具有历史性意义的标志性成果，并迅速转化为应用，成为天然气水合物调查勘探的高科技技术和手段，满足未来更精细和更综合的勘探要求，对我国深海科学研究、天然气水合物资源探查与开发起到推进作用。

一、“海马”号作业系统构成

“海马”号4500米级无人遥控潜水器（ROV）为无人、有缆系统，不同于载人潜水器，它通过脐带缆与水面母船连接，脐带缆担负着传输能源和信息的使命，母船上的操作人员可以通过安装在ROV上的摄像机实时观察到海底状况，并通过脐带缆遥控操纵ROV及其机械手、配套的作业工具，从而实现水下作业。由于是无人有缆系统，ROV具有作业能力强、作业时间不受能源限制、无人员风险等优点，因而成为水下作业、尤其是深海作业不可缺少的装备。

“海马”号是我国首台套国产化率达到90%的深海ROV 系统，也是目前我国自主研制的工作水深和系统规模最大的ROV系统。“海马”号的主要构成如下（见图1）：⑴作业母船（海洋六号船）；⑵水面控制室系统；⑶甲板吊放回收系统；⑷6000m脐带缆；⑸推进、照明、视频系统；⑹水下观测搜寻系统；⑺机械手和水下作业工具系列。

图1 ROV系统组成示意图

“海马”号本体配置有液压动力、推进螺旋桨、云台、视频与照明、导航定位、供配电、监测与控制、多功能机械手和紧急定位装置，并有可更换的多功能作业底盘和辅助海底观测网布放维护的功能，具体组成如图2所示，具体组成和技术指标如下：

⑴最大工作水深：4500m；

⑵外形尺寸（长宽高）：3.5m×1.85m×2.2m（不包含作业底盘）；

⑶空气中总重量：约4.4t（作业底盘的重量视工具配置而定）；

⑷系统工作时间：连续长时间工作，无工作时间限制；

⑸动力系统：光电复合缆供电，母船供电，2×65HP液压泵站，8个液压推进器，最大纵向速度2kn；

⑹机械手：5功能机械手和7功能主从式机械手；

⑺通讯接口：通过光电复合缆，可提供以太网，视频，串口通讯接口；

⑻水下控制：实时远程分布式控制系统，定深、定高和定向；

⑼视频系统：高清变焦摄像机，微型彩色摄像机，广角摄像机（可扩展）；配置电动液压云台；

⑽照明系统：卤素灯250W(6个)，HMI灯575W(2个)；

⑾导航设备：USBL、罗盘、深度计、高度计、避碰声纳；

⑿紧急情况定位装置：超短基线MINI信标，无线定位信标RF-700A1和ST-400A闪光灯；

⒀扩展：提供液压接口、24V直流电源接口和通讯接口；负载：200kg；

⒁作业底盘及工具：采样篮工具底盘、插管取样器、网状取样器、机械触发式采水瓶、自容式CTD、甲烷传感器、水下定位信标、侧扫声呐、多波束图像声呐、生物诱捕器等作业工具。

图2 ROV本体基本构成

二、作业方法

根据天然气水合物资源勘查与试采工程总体部署，2015年中国地质调查局广州海洋地质调查局在南海北部陆坡西部海域开展天然气水合物有利区详查，圈定勘探目标区，评价天然气水合物资源潜力，为优选后续钻探目标提供基础资料和依据。顺利通过海试验收的“海马”号迅速应用到本次调查工作中，根据天然气水合物的调查需要，结合“海马”号的灵活、全面、立体的作业性能，有针对性地配置了三视角高清摄像、机械手专用工具、海水温度、甲烷含量测量、声呐、定位信标等设备工具，进行搜索，详查，观测，触探，取样，实验等海底作业，旨在发现海底“冷泉”活动和“冷泉”与天然气水合物赋存相关的微地貌特征。

⒈高精度定位多视角全方位搜索

“海马”号配置有三路高清水下摄像机（图3A所示），包括带有云台功能的高清变焦摄像机，前视广角水下摄像机和垂直底部的普通变焦摄像机。高清摄像机可以对目标物进行细致观察，广角摄像机侧重于搜寻重点目标点，底部变焦摄像机用于对海底目标进行近距离观察和座底后的细节观察，三路视频各有所长，能够很好地满足科学家对海底目标的观测。在水下定位精确定位下，可以对站位目标点进行近海底仔细搜索观察（图3B所示），相比较传统调查手段海底摄像系统（图3C所示），ROV具有更好的灵活性和机动性，可以对目标区进行反复搜索，不会错失疑似目标，从而找到研究目标。

A.三视觉高清摄像观察；B.站位的详细搜索；C.与传统手段对比

图3高精度定位下的全方位搜索

⒉定点触探及观测

利用“海马”号作业时间长的优势，在目标点可以长时间观察，通过64倍高速回放，可见大量生物，且生物活动度非常活跃（图4A和图4B对比非常明显，红色虚线框为活跃的生物群落）。

A.正常回放；B.64倍回放，红色虚线框为活跃的生物群落；C.甲烷测量曲线；D.机械手触探溢出的气泡（黄色虚线框所示）

图4 ROV定点触探及观测

此外，ROV灵活的多功能机械手对典型目标进行触探，判断碳酸盐结壳的硬度、大小和盖层下部情况，特别是ROV机械手触探海底结壳的过程中，有大量甲烷气体（气泡）渗出（图5D黄色虚线框所示），反映该区海底甲烷气体渗漏明显，流量大。ROV携带的探测仪器数据表明该冷泉区存在近海底海水低温异常和超高甲烷含量异常（图5C所示），是冷泉下伏特有天然气水合物赋存的有力证据。

A.侧扫声呐图像；B.多波束声呐图像；C和D.拍摄的钻孔

图5 图像声呐和侧扫声呐实现了对钻孔的精确探测

⒊声学探测

基于调查区的勘探的需要，往往需要在调查区布放很多观测设备，同时也需要在冷泉区通过声学设备寻找典型地貌和特征，冷泉区大片的贝壳也会造成声学强反射区，不利于潜水器搜寻海底观测设备和海底典型特征，“海马”号通过搭载侧扫声呐和多波束图像声呐，成功搜索到并在图像上清晰显示到钻探区的钻孔（图5所示），并在钻孔周围进行了综合探查。

⒋精准取样

为研究目标区的沉积环境，发育研发特征，生物群落环境和地球化学特征等内容，需要针对目标点进行精准取样，根据不同目标特点为“海马”号配置了多管沉积物取样设备、插管取样器、生物取样器、采水瓶等取样工具（图6所示部分取样工具），获取了大量的生物样品、沉积物、碳酸岩结壳、生物化学礁等珍贵样品。

图6 利用工具进行目标物取样

⒌设备布放和回收

随着新技术和新方法的出现，以及精细化勘探要求，越来越多的调查设备和手段需要利用ROV进行精确投放，完成作业后借助ROV进行回收。“海马”号在地勘调查任务中，多次出色地完成了海底勘探设备的布放回收。图7A所示为“海马”将生物诱捕器准确投放至钻探区的钻孔周围，图7B所示为“海马”成功将生物诱捕器回收。图7C所示为“海马”成功搜寻到海洋可控源电磁海底接收机并将其回收至甲板（图7D所示）。

A．发现生物诱捕器；B.回收生物诱捕器；C.发现海底设备；D.回收海底设备

图7 设备布放与回收

三、应用成果

根据中国地质调查局广州海洋地质调查局的工作部署，自2015年首次应用于地勘任务，“海马”号已连续3a在南海北部陆坡的天然气水合物开展调查勘探，在调查区获取了大量的海底视频图片、生物样品、沉积物、碳酸岩结壳、生物化学礁和实测数据等珍贵资料，为资源勘查和科学研究获取了第一手重要资料，并在各方面取得了重要成果。

⑴首次在南海北部陆坡西部发现活动性“海马冷泉”。2015年，“海马”号在地勘应用中首战告捷，首次在南海北部陆坡西部发现活动性“海马冷泉”，海底冷泉是研究天然气水合物环境效应的最理想研究场所。海马冷泉的发现，开拓了我国活动冷泉探测和研究的新纪元，对全面认识南海北部陆坡冷泉形成分布、冷泉生态系统具有重要的科学意义。

⑵天然气水合物资源勘查取得又一个突破性成果。“海马”号在冷泉区和钻探区的勘查，为开展天然气水合物有利区详查、圈定勘探目标区、评价天然气水合物资源潜力提供了宝贵的调查资料，为实施天然气水合物钻探奠定了坚实的基础。证实前期对海底渗漏型水合物分布预测方法的正确性，初步证实了勘查标区成矿条件优越，资源前景良好，对后续钻探部署有重要指导意义。

⑶揭示了海马冷泉流体来源、沉积环境和发育演化特征。通过“海马”号观察到大面积分布的碳酸盐结壳，揭示该区冷泉活动已有长久历史，而广泛分布的双壳类生物遗骸可能指示了冷泉喷溢的时空变迁。利用“海马”ROV获取的海马冷泉碳酸盐岩样品，开展了岩石学、矿物学、碳氧稳定同位素、微量元素组成以及AMS 14C年代学研究，揭示了海马冷泉的流体来源、沉积环境和演化特征，为天然气水合物环境效应研究提供了良好基础。

⑷进一步研究了“海马冷泉”生态系统结构。在“海马冷泉”进行详查和精确取样，获取了贻贝、管状蠕虫、囊蛤、铠甲虾、蛇尾、螺类等生物样品，了解了水合物区尤其是冷泉区海洋生物的种类、资源、多样性特点及分布格局，探索天然气水合物形成与分解与环境的相互关系，对海洋生物的多样性现状进行评估，探讨天然气水合物的勘查与试采可能对海洋生物多样性的影响，评估水合物勘查与试采对海洋生态系统可能的潜在效应，探索天然气水合物区底栖生物群落结构特征及其与环境因子的相关性，为进一步研究“海马冷泉”的演化历史和生态系统结构提供了基础资料。

⑸创新遥控潜水器的作业方法手段。“海马”号无人遥控潜水器（ROV）从科研成果到实用化深海调查装备的快速转化，是我国高科技科研成果在地勘投入实际应用并取得突破性成果的成功范例，以国产化装备完善了对天然气水合物资源进行探查作业的深海技术装备体系，并创新无人遥控潜水器的作业方法手段，填补了我国深海探查作业手段的一项空白，在我国深海技术装备研发领域具有里程碑式的意义。“海马”号在“冷泉”区海底作业过程中表现出色，证明我国在深海作业型ROV自主研发方面取得了实质性突破，同时体现了我国在天然气水合物资源领域具备了国际一流的科研水平和深海探查技术的设备研发、应用能力。

图8 “海马冷泉”区甲烷礁及生物样品

四、展望

随着我国水合物的成功试开采，当前天然气水合物的勘查到了一个新的阶段, 水合物的勘查本身就涉及高科技技术和手段, 未来要求有更精细和更综合的勘探手段。特别是在开展海底冷泉的活动史及其驱动机制展开研究，深化认识冷泉区甲烷在海底的地球化学过程及其环境效应，探索冷泉系统地球化学过程和元素循环对深海过程的潜在影响等科学问题的研究，还需要对冷泉区开展高分辨勘探, 以及针对冷泉柱状样和甲烷礁岩心的水合物或甲烷的精确识别提出了更高的要求，“海马”号将根据科学问题需要进行全面的技术优化和升级改造，拓展“海马”号系统的功能，提升其作业能力，进一步发挥“海马”号在天然气水合物勘查和深海科学研究中的作用，发挥“海马”号在国产化深海技术装备研发应用领域示范带动作用。

【作者简介】文/陈宗恒田烈余胡波陈春亮张旭盛堰陶军，来自国土资源部海底矿产资源重点实验室和广州海洋地质调查局；第一作者陈宗恒，1980年出生，男，硕士，高级工程师，主要从事深海无人遥控潜水器（ROV）应用技术方法研究；本文为基金项目，国家重点研发计划资助项目（2017YFC0306706）；来自《海洋技术学报》（2018年2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。