一种新型精准海洋地勘系统

技术领域

本发明涉及海洋地勘技术领域，具体涉及一种新型精准海洋地勘系统。

背景技术

海洋工程地质勘察(以下简称地勘)是获取海床物理状态与力学特征的工程活动，是一切海洋工程的起点，是保障海底诸多设施设计建造经济合理的关键因素，也是海洋开发风险管控的重要环节，因此是海洋工程技术体系的重要组成部分。鉴于当前海洋工程高技术、高投入、高风险的特征，海洋地勘的完备性和精准性是海洋开发和工程建设的内在要求。

在技术特征上，海洋地勘是伴随着海洋开发特别是海洋油气开发而发展起来的一门新兴技术领域。由于海洋开发和工程建设特殊的作业环境、工作内容和要求，海洋地勘与陆上勘察技术在技术理念、技术路线和实施方法有显著不同。当前，我国海洋地勘技术特别是在海上风电领域，严重沿袭陆上粗放、经验式的技术路线，在装备、作业工艺、数据解释等关键环节全面落后，地勘结果普遍出现离散性大、严重偏离真实值的现象，“地勘数据是说不清楚的”已成为一种常态，是制约海洋开发的技术短板，实践中已出现较多与之相关的问题和难题。海洋精准地勘技术是保障我国海洋开发健康可持续发展和工程建设顺利实施而亟需发展的重要技术方向。

在局部区域内，例如一个海洋油气平台或者一个海上风电机位周围，海洋地勘通常采用钻孔取样测试、原位测试(以CPT静力触探为主)等定点式勘测的方法，获取指定位置一定深度内海床土体的物理力学数据。相比陆上勘察，海上钻孔取样及原位测试的成本高、耗时长，因此海洋地勘中定点式勘测的布设密度要远远小于相应的陆上工程。在海洋工程中，在一个给定海洋设施周围布设多少个勘测点？这些勘测点在水平空间又如何布置？这在当前的业界规范及常规实践尚存较大争议。例如，在海上风电开发中，常规的做法是在一个风机机位布设一个钻孔取样点和一个与之匹配的CPT原位测试点，这种布设对于土层分布均匀的地质环境也许是可行的，但却难以充分表征较为复杂的地质环境，棱镜体、孤石、胶结土层、不规则基岩整合面、泥石流运移沉积等不规则地质现象的出现，都可以对定点式勘测方法的精准性带来严峻的挑战，海洋地勘对这些不规则地质体的疏漏，是海洋工程事故的重要来源。海洋浅水区(海上风电的主要开发区)及深水陆坡区(海洋油气和可燃冰等海底资源的重要矿区)是不均匀地质现象较为发育的环境，在这里传统定点式的地勘方法具有较大的盲目性。在常规地勘工作量的基础上，通过增设勘测点，虽然可以在一定程度上提高探测不规则地质体的可能性，但不能从根本上消除传统定点式勘测方法的局限性，更何况考虑到海洋地勘成本和工期的限制，过大增加地勘工作量在实践上不可行。

另一方面，随着海洋油气开发向陆坡等前沿领域发展，在地质环境较为复杂时，工程物探包括多波束、侧扫声纳、浅剖等逐渐成为区域性海洋地勘的重要内容，可以在较大区域内确定地层的空间分布，并能够对地层的某些工程属性做出定性判断。工程物探与传统定点式勘测技术的结合是当前国际海洋地勘技术的重要特征。通过工程物探的方法，获取调查区域内的地层空间变化，优化定点式勘测的数量和点位布置，可以有效减小传统定点式勘测方法的盲目性。然而，常规的工程物探更加适合探查较大区域内较为宏观的地质现象，对于确定海洋设施周围较小空间内的不良地质体，却存在一定的效率和精度问题，例如当不良地质体的横向尺寸小于相邻两个浅剖剖面的间距时，则该地质体容易成为漏网之鱼，而该尺寸的不良地质体却可能导致海底设施特别是下文介绍的负压基础在安装时出现倾斜和下沉受阻的事故。简单减小海洋工程物探轨迹线的间距固然可以提高对不规则地质体的辨识度，但依然有一定的盲目性，而且同样会增加海上勘察的作业成本及周期。此外，传统工程物探获得的勘察数据通常是间接的和定性的，应用价值有较大的局限性。

在海洋工程中，负压基础是最具海洋工程特色的一种基础形式，它采用倒扣式的薄壁壳体结构，通过自重及泵撬块抽水在基础内部形成的负压进行安装贯入，就位后借助土体内的负孔隙水压效应，高效抵抗上拔方向的风暴荷载，是一种可靠和高效海洋基础，在海洋油气、海上风电及其它海洋工程中有广泛且重要的应用，也是我国海洋开发有待大规模推广的一种基础形式。安装是负压基础有别于其它海洋工程基础的重要特征，是决定负压基础成败与否的关键环节。负压基础主要依赖静力(吸力和自重)贯入，相对打入桩和钻孔灌注桩等传统基础，它的安装冗余度低，对地勘质量的敏感性高，需要更加可靠地勘测周围土层的精细分布及土体强度的精细变化。精准地勘是顺利实施负压基础的重要保障，国内外海洋工程中已出现多个由于地勘偏差导致负压基础失败的重大事故。传统的定点式勘测方法，即使在传统工程物探方法的辅助下，对于负压基础的顺利实施依然有一定的盲点。

发明内容

本发明针对上述海洋开发及工程建设对精准海洋地勘的需求，提供了一种新型精准海洋地勘系统。该系统通过新的勘测工具以及对勘测数据合理的应用，有效突破常规海洋地勘方法的局限性，能够在海洋勘察成本和工程周期允许的范围内，在复杂的地质环境下，为负压基础等敏感性海底设施提供充分且精准的地勘数据。

本发明的技术方案如下：

一种新型精准海洋地勘系统，包括海洋工程物探子系统、数字取芯子系统、CPT+子系统、钻孔取样及土工测试子系统、实验室数字岩芯成像子系统、地勘数据平台大数据系统；

其中，所述海洋工程物探子系统用于获取区域三维物探连续剖面；所述数字取芯子系统用于获取局域物探三维连续剖面；所述CPT+子系统用于获取一维物性特征连续剖面以及一维力学特征连续剖面，所述一维物性连续剖面与所述一维力学特征连续剖面的深度坐标相匹配；所述钻孔取样及土工测试子系统用于获取一维物性特征离散剖面以及一维力学特征离散剖面，所述一维物性特征离散剖面与所述一维力学特征离散剖面的深度坐标相匹配；所述实验室数字岩芯成像子系统用于获取一维物性连续剖面；所述地勘数据平台大数据系统用于存储土体的物性特征数据和力学特征数据，并根据所述海洋工程物探子系统、数字取芯子系统、CPT+子系统、钻孔取样及土工测试子系统以及实验室数字岩芯成像子系统获取的数据匹配关系，建立区域三维地质模型以及获取与所述区域三维地质模型相对应的地勘参数。

进一步的，所述海洋工程物探子系统获取的区域三维物探连续剖面包括较大区域内海床的水深、地形、地貌和宏观地层空间变化数据。

进一步的，所述数字取芯子系统获取局域物探三维连续剖面的方法是：把合成孔径声纳装置安装在固定支座的滑块上，所述固定支座放置在海床指定位置，通过固定支座的手臂旋转和滑块的组合运动，形成对局部海床的全覆盖。

进一步的，所述钻孔取样及土工测试子系统获取的一维力学特征离散剖面数据包括土体的变形参数、循环荷载参数。

进一步的，所述CPT+子系统获取的一维物性特征连续剖面分别与所述数字取芯子系统获取的局域物探三维连续剖面、所述钻孔取样及土工测试子系统获取的一维物性特征离散剖面、所述实验室数字岩芯成像子系统获取的一维物性连续剖面有直接深度坐标对应关系，所述CPT+子系统获取的一维力学特征连续剖面与所述所述钻孔取样及土工测试子系统获取的一维力学特征离散剖面有直接深度坐标对应关系，根据所述两组直接深度坐标对应关系，将所述钻孔取样及土工测试子系统获取的一维力学特征映射到所述CPT+子系统获取的一维力学特征连续剖面上，然后进一步映射到整个地勘空间。

进一步的，所述地勘数据平台大数据系统通过现场安装监测数据对所述区域三维地质模型以及对应的地勘参数做进一步校核。

进一步的，所述地勘数据平台大数据系统利用区块链技术对所述区域三维地质模型中各剖面的地勘参数进行标记和溯源，建立地层工程属性基因库。

进一步，所述所述地勘数据平台大数据系统的土体的物性特征数据包括海洋工程物探子系统获取的区域三维物探连续剖面、数字取芯子系统获取的局域物探三维连续剖面、CPT+子系统获取的一维物性特征连续剖面、钻孔取样及土工测试子系统获取的一维物性特征离散剖面、以及实验室数字岩芯成像子系统获取的一维物性连续剖面。

本发明提供的一种新型精准海洋地勘系统，其有益效果是：

(1)提高海洋地勘的精准性，特别是在不良地质体发育的复杂地质环境下，实现对区域地质环境具体而微的认知，保障海洋开发及工程建设的顺利实施；

(2)建立地层物探数据、物性特征数据以及力学特性数据的紧密联系，实现土体一维离散的力学特征数据在整个区域三维空间的映射，节省海洋地勘的经济成本及时间成本；

(3)通过大数据技术、AI训练、区块链等先进技术的引入，建立地层工程属性基因库，进一步提高地勘参数和地质模型的精准度，不断推动并彰显地勘智能化技术能力。

附图说明

图1为本发明实施例中的新型精准海洋地勘系统架构示意图；

图2为本发明实施例中的新型精准海洋地勘系统中海洋地勘大数据系统的数据结构图。

具体实施方式

为进一步对本发明的技术方案作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的步骤。

如图1所示为本发明实施例提供的一种新型精准海洋地勘系统100架构示意图，包括海洋工程物探子系统101、数字取芯子系统102、CPT+子系统103、钻孔取样及土工测试子系统104、实验室数字岩芯成像子系统105、地勘数据平台大数据系统106，除了这6个子系统以外，新型精准海洋地勘系统100还可以包括其他子系统，然而，由于这些子系统与本公开实施例的内容无关，因此在这里省略其图示和描述。

其中，所述海洋工程物探子系统101用于获取区域三维物探连续剖面；进一步的，所述海洋工程物探子系统101获取的区域三维物探连续剖面包括较大区域内海床的水深、地形、地貌和宏观地层空间变化数据。

本发明实施例中，海洋工程物探子系统101包括但不限于浅层地震、多波束、侧扫声纳、浅剖工具，将这些工具附属在机动载体(如船只、AUV、ROV等)上，进行大面积的扫海，用于高效获取较大区域内海床的水深、地形、地貌和宏观地层空间变化数据。海洋工程物探子系统101所能探测到的地质体的特征尺寸一般大于3-5米。海洋工程物探子系统101获取的物探数据主要用于海洋开发的整体布局，并可用来优化定点式勘测的数量及点位布置，通常在项目前期完成。

所述数字取芯子系统102用于获取局域物探三维连续剖面；进一步的，所述数字取芯子系统102获取局域物探三维连续剖面的方法是：把合成孔径声纳装置安装在固定支座的滑块上，所述固定支座放置在海床指定位置，通过固定支座的手臂旋转和滑块的组合运动，形成对局部海床的全覆盖。

本发明实施例中，将包括但不限于合成孔径声纳装置安装在固定支座的滑块上，该固定支座放置在海床指定位置上，所述指定位置包括但不限于负压基础的安装位置或者根据海洋工程物探子系统物探得到的代表性地点，通过固定支座的手臂旋转和滑块的组合运动，形成对局部海床的全覆盖，获取局部空间三维地层的高清晰图像，进一步得到局域物探三维连续剖面，实现对局部空间微地层的精细辨识。数字取芯子系统102能够辨识的地质体的特征尺寸可以减小到0.5米。

所述CPT+子系统103用于获取一维物性特征连续剖面以及一维力学特征连续剖面，所述一维物性连续剖面与所述一维力学特征连续剖面的深度坐标相匹配；

静力触探即CPT(Cone Penetration Test)是海洋工程中应用最为广泛的原位测试技术，其最大优势在于能够避免土样扰动的影响，获得土体在原位状态下的力学特性。此外，CPT测试能够提供较为连续的土层竖向剖面，对操作人员的依赖性低，结果的可靠性高，并且有以小孔扩张理论和临界状态土力学为框架的理论框架，具有高效、经济、信息含量大的特征。在海洋工程中，CPT通常具有三个独立的测试分量，即锥尖阻力q

本发明实施例在上述常规CPT力学测试功能的基础上，综合利用声、光、电、核技术，增强CPT的物理参数测试功能，例如在CPT锥杆处加入地震波传感器，可测量土体的剪切波速；在CPT锥杆处安装放射源，可实现对土体的密度和含水率的量测，这些CPT增强技术总称CPT+。相比常规的CPT测试，CPT+不仅能够提供海床土体的力学特征剖面，也可以提供海床土体声波、电阻率、密度、含水量等物性特征剖面，并通过深度坐标形成两种剖面的匹配关系。

在本发明实施例中，CPT+子系统103具有重要的桥梁作用。一方面，CPT+子系统103获取的一维物性特征连续剖面与海洋工程物探子系统101获取的区域三维物探连续剖面、数字取芯子系统102获取的局域物探三维连续剖面以及后续实验室数字岩芯成像子系统105获取的一维物性连续剖面，同属土体物性特征的表达，有直接的对应关系；另一方面，CPT+子系统103获取的一维力学特征连续剖面中的力学参数与钻孔取样及土工测试子系统获取的一维力学特征离散剖面中的力学参数是对土体同类参数不同测试方法的结果，因此也有直接的对应关系。上述两组对应关系，可以通过CPT+子系统103自身得到的一维物性特征连续剖面以及一维力学特征连续剖面的匹配关系而联结起来，这是进行海洋地勘大数据分析的重要基础。

进一步的，在本发明实施例中，CPT+子系统103直接或者间接得到的力学参数通常只是海洋工程所需土体力学参数的一部分，土体的一些高级力学参数例如变形参数、循环荷载参数等主要依靠钻孔取样及土工测试子系统获得。钻孔取样及土工测试子系统104获得的高级土工参数可以首先映射到CPT+子系统103的一维剖面上，进而通过上述对应关系映射到整个地勘空间。

进一步的，在本发明实施例中，CPT+是一种定点式测试，它的测试点根据海底设施规划确定，或者是海洋工程物探子系统101及数字取芯子系统102物探所确定的代表性地点。

所述钻孔取样及土工测试子系统104用于获取一维物性特征离散剖面以及一维力学特征离散剖面，所述一维物性特征离散剖面与所述一维力学特征离散剖面的深度坐标相匹配；进一步的，所述钻孔取样及土工测试子系统104获取的一维力学特征离散剖面数据包括土体的变形参数、循环荷载参数。

本发明实施例中，钻孔取样及土工测试子系统104即在指点地点获取一定深度内的土样，并对所获取的土样进行一系列的物理力学测试，包括含水量、密度、限值、粒径、矿物组成、各种强度、变形及渗透性等。在海洋工程中，钻孔取样及土工测试需要充分重视土样的扰动控制。所述土工试验既包括常规土工试验，也包括基于海洋工程荷载和应用特征而开展的循环荷载试验、强度各向异性试验、强度触变恢复试验、流变及加载速率试验等高级土工试验。钻孔取样及土工测试子系统获取的土工参数是对一定深度内代表性土层的表征，所获得的土工参数通常是最完备的，在深度剖面上通常以离散点表示。如前所属，钻孔取样土工测试方法获得的高级土工参数可以通过CPT+子系统103联结起来的对应关系映射到整个地勘空间。

所述实验室数字岩芯成像子系统105用于获取一维物性连续剖面。本发明实施例中，实验室数字岩芯成像子系统105是在钻孔取样及土工测试子系统钻孔取样获得的土样的基础上，在实验室内通过声、光、电、核等技术的应用，具体包括X光、核磁共振、多道岩芯扫描MSCL等工具，获取土样的内部结构及密度、含水量、声波、电阻率等物性参数随土样深度的变化。

实验室数字岩芯成像技术所得到的结果与CPT+子系统103获取的一维物性特征连续剖面及海洋工程物探子系统101物探连续剖面以及数字取芯子系统102获取局域物探三维连续剖面结果有内在的对应关系，另一方面也通过土样深度的联结，与钻孔取样及土工测试子系统结果有直接的匹配关系。

所述地勘数据平台大数据系统106用于存储土体的物性特征数据和力学特征数据，并根据所述海洋工程物探子系统101、数字取芯子系统102、CPT+子系统103、钻孔取样及土工测试子系统104以及实验室数字岩芯成像子系统105获取的数据匹配关系，建立区域三维地质模型以及获取与所述区域三维地质模型相对应的地勘参数。

进一步的，所述CPT+子系统103获取的一维物性特征连续剖面分别与所述数字取芯子系统102获取的局域物探三维连续剖面、所述钻孔取样及土工测试子系统104获取的一维物性特征离散剖面、所述实验室数字岩芯成像子系统105获取的一维物性连续剖面有直接深度坐标对应关系，所述CPT+子系统103获取的一维力学特征连续剖面与所述所述钻孔取样及土工测试子系统104获取的一维力学特征离散剖面有直接深度坐标对应关系，根据所述两组直接深度坐标对应关系，将所述钻孔取样及土工测试子系统104获取的一维力学特征映射到所述CPT+子系统103获取的一维力学特征连续剖面上，然后进一步映射到整个地勘空间。

进一步的，所述地勘数据平台大数据系统106通过现场安装监测数据对所述区域三维地质模型以及对应的地勘参数做进一步校核。

进一步的，所述地勘数据平台大数据系统106利用区块链技术对所述区域三维地质模型中各剖面的地勘参数进行标记和溯源，建立地层工程属性基因库。

本发明实施例中，海洋地勘数据平台大数据系统106如图2所示。该系统所包括的数据类型有两种：(1)土体的物性特征数据、(2)土体的力学特征数据。实际应用中，只有土体的力学特征数据对海洋开发及工程建设有直接的应用价值。相对海量和全域式的物性特征数据，土体的力学特征数据是有限的和定点式的。

由宏观到微观，从粗糙到精细，海床土体的物性特征数据包括海洋工程物探子系统101获取的区域三维物探连续剖面、数字取芯子系统102获取的局域物探三维连续剖面、CPT+子系统103获取的一维物性特征连续剖面、钻孔取样及土工测试子系统104获取的一维物性特征离散剖面、以及实验室数字岩芯成像子系统105用于获取一维物性连续剖面所。其中CPT+子系统103获取的一维物性特征连续剖面能够把海洋工程物探子系统101获取的区域三维物探连续剖面和数字取芯子系统102获取的局域物探三维连续剖面、钻孔取样及土工测试子系统104获取的一维物性特征离散剖面及实验室数字岩芯成像子系统105用于获取一维物性连续剖面联系起来。

在力学特征参数方面，通过深度关系，形成CPT+子系统103获取的一维力学特征连续剖面与钻孔取样及土工测试子系统104获得的一维力学特征离散剖面间的对应关系。通过土层的匹配关系，可以把钻孔取样及土工测试子系统104获得的高级土工参数可以映射到CPT+子系统103获取的一维力学特征连续剖面上。

CPT+技术在同一位置同一深度得到的力学特征数据及物性特征数据是同一土体单元的两种属性，有直接的匹配关系。同样的，钻孔取样及土工测试子系统104也可获得同一土体的力学特征及物性特征的匹配关系。上述匹配关系是实现定点式的土体力学特征向全域式的工程物探空间映射的桥梁。

通过上述对应和匹配关系，可以把钻孔取样及土工测试子系统104获得的高级土工参数映射到CPT+子系统103获取的一维力学特征连续剖面上，进而映射到整个开发区域的物探勘测空间，从而获得对区域地质环境具体而微的认知，建立精准的区域三维地质模型。在此基础上，上述模型可通过现场安装监测如沉桩数据及运营过程中获得的反馈数据，对上述地勘参数及地质模型做进一步的验证和校核，并通过大数据技术和AI训练，进一步提高地勘参数和地质模型的精准度。

通过上述技术的不断应用，实现地勘大数据的不断扩容，并利用区块链技术对多种土层的多维数据特征进行标记和溯源，建立地层工程属性基因库。在后续海洋地勘服务中，只需开展相对快速且全覆盖的工程物探作业(包括但不限于海洋工程物探和实验室数字岩芯成像)，对获得的物探数据特征值进行分析，通过地层基因库物性特征的匹配，赋予所测土层相应的力学特征值，可以在很大程度上省略海洋地勘中耗时长、成本高且质量难以控制的定点式勘测(特别是钻孔取样及土工测试)，在成本、时间和可靠性三个维度，支持海洋开发及工程建设项目的顺利实施。

本发明的海洋精准地勘系统100的主要有益效果为：提高海洋地勘的精准性，特别是在不良地质体发育的复杂地质环境下，实现对区域地质环境具体而微的认知，保障海洋开发及工程建设的顺利实施；建立地层物探数据及力学特性数据的紧密联系，实现土体一维离散的力学特征数据在整个区域三维空间的映射，节省海洋地勘的经济成本及时间成本；通过大数据技术、AI训练、区块链等先进技术的引入，建立地层工程属性基因库，进一步提高地勘参数和地质模型的精准度，不断推动并彰显地勘智能化技术能力。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的步骤、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种步骤、方法所固有的要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。