梁春江++岳鵬
摘 要:該文針對(duì)深海海底管纜搜索定位及海底地層地貌勘探任務(wù)需求,對(duì)已有C3D-SBP拖魚系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造,分別對(duì)該設(shè)備通信硬件、供電線路、連接電纜、軟件源代碼、USBL、測(cè)線進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)。為配合該升級(jí)設(shè)備在工程中的應(yīng)用,分別對(duì)作業(yè)過程中的原始數(shù)據(jù)資料判斷提取技術(shù)、原始數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)、釋放與回收技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整改進(jìn)。最終形成了一整套適用于深海海底管纜調(diào)查和地層地貌綜合調(diào)查的應(yīng)用系統(tǒng)升級(jí)改造方案。實(shí)際工程應(yīng)用證明該改造方案可行,并帶來直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益,為同類設(shè)備的升級(jí)改造與應(yīng)用推廣提供了參考,拓展了深海海底管纜和地層地貌調(diào)查的技術(shù)手段。
關(guān)鍵詞:深海海底勘探 C3D-SBP 升級(jí)改造設(shè)計(jì) 工程應(yīng)用
中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2015)02(c)-0008-04
目前,海上平臺(tái)設(shè)施越來越多,其周邊的海底管纜分布密集,甚至錯(cuò)綜復(fù)雜。所以準(zhǔn)確地確定海底管纜的位置、狀態(tài)和地層地貌等信息對(duì)油田綜合調(diào)整實(shí)施的設(shè)計(jì)、海上平臺(tái)的安全拋錨就位、后繼施工、日常運(yùn)營維護(hù)以及海底管纜自身的安全具有重大意義[1-6]。
隨著海海底管纜調(diào)查的工作量逐步增長(zhǎng),但現(xiàn)有的近平臺(tái)區(qū)域管纜調(diào)查方式主要分為三類。
第一類:潛水探摸調(diào)查。具體方法為潛水員攜帶水下定位信標(biāo)對(duì)對(duì)下管纜進(jìn)行目視檢測(cè),利用水面差分定位系統(tǒng)和水下定位系統(tǒng)進(jìn)行綜合定位方式對(duì)海底管纜進(jìn)行探摸確定管纜的位置和狀態(tài)。常規(guī)的潛水探摸調(diào)查不僅成本高昂、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高,且作業(yè)效率低、受天氣影響很大等眾多局限性并且潛水員的潛水深度局限于500 m水深以內(nèi)。
第二類:ROV或AUV水下作業(yè),通過ROV或AUV搭載專業(yè)換能器等設(shè)備,由專業(yè)的有資質(zhì)的操作人員操作,同時(shí)要求有DP船支持,專業(yè)設(shè)備成本、人工成本和船舶成本很高,容易受天氣、海底流層的影響,不僅成本高昂、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高,且作業(yè)效率低。
第三類:拖拽設(shè)備作業(yè),對(duì)輔助設(shè)備如大型門吊、絞車、液壓泵、拖拽電纜等要求苛刻,設(shè)備動(dòng)復(fù)員成本高,作業(yè)中受漁業(yè)干擾嚴(yán)重,對(duì)海底地形起伏較大的工區(qū)中效率更低。
綜上所述,開發(fā)新的有效調(diào)查手段對(duì)深海海底管纜搜尋定位設(shè)備和技術(shù),獲取狀態(tài)和地層地貌等信息,解決該技術(shù)難題迫在眉睫。
近年來,許多科研機(jī)構(gòu)、院校和勘察單位都在研究新的設(shè)備和技術(shù)用以改進(jìn)常規(guī)的管纜調(diào)查方式。該文通過自主升級(jí)改裝設(shè)備C3D-SBP[7,8],以深海調(diào)查項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用為研究背景,研究出了一整套適用于100~2000 m的海底管纜調(diào)查和地層地貌綜合調(diào)查應(yīng)用系統(tǒng)和解釋方案,可以替代常規(guī)的作業(yè)模式,實(shí)現(xiàn)了規(guī)避作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、提高了作業(yè)質(zhì)量和效率,同時(shí)降低了生產(chǎn)成本,拓展了深海海底管纜和地層地貌調(diào)查的技術(shù)手段,提高了工程勘察質(zhì)量,提升了該領(lǐng)域的技術(shù)水平。
1 C3D-SBP的升級(jí)改造需求分析
1.1 C3D-SBP設(shè)備技術(shù)指標(biāo)
C3D-SBP系統(tǒng)是Teledyne Benthos公司開發(fā)的新一代深海拖魚,C3D-SBP拖魚系統(tǒng)具有較寬的掃寬,并可以將旁掃、測(cè)深和淺剖數(shù)據(jù)集成在一起,具有較高的作業(yè)效率[9-12],如圖1所示。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
1.2 設(shè)備升級(jí)改造需求分析
針對(duì)深海作業(yè)任務(wù),現(xiàn)有C3D-SBP設(shè)備具有很多局限性,設(shè)備的軟硬件等不符合作業(yè)要求。因此,基于多樣化的不定海深作業(yè)任務(wù)背景,對(duì)C3D-SBP進(jìn)行升級(jí)改造設(shè)計(jì),具體作業(yè)需求如下。
(1)通信硬件自主改裝升級(jí):設(shè)備內(nèi)部現(xiàn)有的通信設(shè)備指標(biāo)和技術(shù)已趨于淘汰,需在C3D-SBP設(shè)備現(xiàn)有的局限性內(nèi)重新設(shè)備的硬件配置。
(2)供電線路自主改裝升級(jí):根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)需求,結(jié)合磁力儀設(shè)備的用電需求的實(shí)際情況,需在不影響其他傳感器供電的前提下進(jìn)行電路改裝。
(3)電纜改裝升級(jí):鑒于C3D-SBP設(shè)備本身的硬件已經(jīng)做了較大改動(dòng),原配的部分電纜已與其不再匹配,為了適應(yīng)改裝升級(jí)后的C3D-SBP,改裝電纜要求與改裝版的C3D-SBP完全匹配。
(4)軟件源代碼編寫:為確保C3D-SBP設(shè)備的硬件改裝的每個(gè)動(dòng)作的安全可靠,編寫微觀底層硬件的調(diào)試源代碼程序,由于改裝步驟復(fù)雜、改裝所涉及到的傳感器、線路較多,因此需要從新編寫系統(tǒng)源代碼。
(5)將設(shè)備準(zhǔn)確下沉到850 m水深:在拖拽電纜的巨大的牽引力的作用下,絕大多數(shù)類型的設(shè)備的拖體都難以超過500 m,需要對(duì)設(shè)備的尾翼進(jìn)行改裝升級(jí),將C3D-SBP順利一次性地釋放到800多m水深處。
2 C3D-SBP系統(tǒng)的升級(jí)改造及勘探技術(shù)實(shí)施方案
鑒于實(shí)際作業(yè)要求,除了對(duì)上述技術(shù)需求進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)改造外,還需考慮作業(yè)過程中各種技術(shù)的調(diào)整及升級(jí)后的技術(shù)后融合,以確保基于多樣化深海作業(yè)任務(wù)的順利完成。C3D-SBP系統(tǒng)的升級(jí)改造及勘探技術(shù)融合設(shè)計(jì)如下。
(1)C3D-SBP設(shè)備通信硬件自主改裝升級(jí)。根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)需求,結(jié)合C3D-SBP設(shè)備實(shí)際情況,進(jìn)行通信硬件改裝,在自主改裝升級(jí)中注重每個(gè)步驟都進(jìn)行軟件模擬調(diào)試,確保每個(gè)硬件改裝動(dòng)作安全可靠。
基于增加的高度及數(shù)據(jù)、磁力儀數(shù)據(jù)都需要單獨(dú)的通訊端口,所以將原有的MOXA通訊卡升級(jí),增加至6個(gè)端口,并修改C3D-SBP的VxWorks配置中更新相應(yīng)的TCP/IP定義,并對(duì)6個(gè)端口進(jìn)行單獨(dú)的通訊測(cè)試和綜合測(cè)試。
同時(shí)鑒于原有的工作站只是為了解讀原有的旁掃、淺剖數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì),為了避免負(fù)載過重,添加了新的工作站,基于UDP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將新增的高度及數(shù)據(jù)和磁力儀數(shù)據(jù)引導(dǎo)到新的工作站上,在經(jīng)過高頻率的數(shù)據(jù)通訊測(cè)試后,實(shí)現(xiàn)了原有工作站和新增工作站可以同時(shí)工作,達(dá)到了既保留了C3D-SBP原有的技術(shù)功能的同時(shí),新增了高度計(jì)和磁力儀的數(shù)據(jù)。
為了解決旁掃和淺剖相互干擾設(shè)備自由缺陷,在打開電子艙后將換能器的觸發(fā)版和淺剖換能器的電源電路、接地電路、通訊通道在不影響去電噪音軟件程序的前提下盡量分開,不再共享使用,同時(shí)增加地線的平方數(shù),將電噪音從硬件基礎(chǔ)上盡量降低。
分析旁掃和淺剖相互干擾的問題根源在聲學(xué)原理上的原因,在軟件上將固定聲速改用實(shí)測(cè)的勝訴剖面,為聲學(xué)測(cè)量奠定基礎(chǔ),同時(shí)調(diào)整濾波時(shí)限。在硬件上著力從調(diào)整旁掃換能器和淺剖換能器觸發(fā)的頻率,將淺剖的數(shù)據(jù)通道引導(dǎo)到另一臺(tái)新增的工作站上,在旁掃和淺剖直接建立時(shí)差觸發(fā)線,改變以往的同時(shí)同步觸發(fā),根據(jù)不用的作業(yè)水深,調(diào)整觸發(fā)頻率,改變以往的同時(shí)同頻觸發(fā),以避免旁掃和淺剖的換能器的發(fā)射波交叉接受。
(2)C3D-SBP設(shè)備供電線路改裝:根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)需求,結(jié)合磁力儀設(shè)備的用電需求的實(shí)際情況,進(jìn)行供電線路的硬件改裝,在改裝中注重每個(gè)步驟都進(jìn)行測(cè)試,確保每個(gè)硬件改裝動(dòng)作安全可靠,如圖2所示。
(3)電纜改裝:鑒于C3D-SBP設(shè)備本身的硬件已經(jīng)做了較大改動(dòng),原配的所有電纜都已與其不再匹配,為了適應(yīng)改裝后的C3D-SBP,為了降本增效,取消了原定Teledyne Benthos電纜,通過自主改裝升級(jí)原有的老舊電纜、接頭使其與改裝后的C3D-SBP設(shè)備匹配,如圖3所示。
(4)軟件源代碼設(shè)計(jì):為確C3D-SBP設(shè)備的硬件改裝的每個(gè)動(dòng)作的安全可靠,設(shè)計(jì)微觀底層硬件的調(diào)試源代碼程序,用來測(cè)試每個(gè)硬件改裝后的單獨(dú)測(cè)試的實(shí)際效果和聯(lián)網(wǎng)后的數(shù)據(jù)測(cè)試。
(5)USBL設(shè)備改裝:考慮到最深的作業(yè)水深達(dá)到850m,為了更加準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行定位作業(yè),對(duì)Sonardyne RangePro的換能器加裝30度變向換能器,并在軟件中做相應(yīng)的配置調(diào)整。USBL設(shè)備改裝:由于USBL換能器設(shè)計(jì)的物理規(guī)格,市場(chǎng)上通用的USBL聲學(xué)定位系統(tǒng)的聲學(xué)覆蓋范圍大都向下,主瓣能量大都在船只(換能器)的下方,因此對(duì)于長(zhǎng)距離的水平跟蹤無法有效進(jìn)行。為了解決這個(gè)問題,我們對(duì)Sonardyne RangerPro USBL的換能器加裝了一個(gè)30度的傾斜適配器,這樣就能夠?qū)Q能器的主瓣能量覆蓋范圍向船的垂直后方偏移了30度,并在軟件中進(jìn)行了這個(gè)角度的修正,這就保證了我們?cè)谒?50 m的情況下,拖曳斜距在5000 m時(shí)能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確可到的定位作業(yè),從而保證了資料的解析準(zhǔn)確性。
(6)培訓(xùn):經(jīng)過自主改裝升級(jí)后,C3D-SBP設(shè)備已經(jīng)較原版的設(shè)備技術(shù)狀況提高很多,作業(yè)使用的方式方法也截然不同,未經(jīng)過原廠家的技術(shù)指導(dǎo),也沒有現(xiàn)成的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)或使用操作手冊(cè)等資源可用,還要結(jié)合改裝版的USBL設(shè)備、DT-Marine電動(dòng)絞車等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)作業(yè),鑒于此種現(xiàn)況,特別著重了培訓(xùn),對(duì)每個(gè)軟硬件的原理、技術(shù)要領(lǐng)、操作使用的注意事項(xiàng)、安全注意事項(xiàng)等進(jìn)行培訓(xùn)。
(7)原始資料的融合及處理:把精確測(cè)量的平臺(tái)位置實(shí)際的繪制到CAD軟件中,把判讀完的原始調(diào)查資料嵌入到CAD軟件中。在判讀資料量取判讀的特征點(diǎn)距離R0,量取實(shí)際特征點(diǎn)的距離R,確定縮放比例因子K=R0/R。把判讀影響按縮放因子進(jìn)行縮放,把原始資料融合到實(shí)際位置,如圖4所示。
(8)原始資料分析顯示。對(duì)鑲嵌到實(shí)際位置的原始資料進(jìn)行分析,顯示出管纜的實(shí)際位置及地層其地貌情況,如圖5所示。
①航跡及姿態(tài)數(shù)據(jù)處理控制。處理過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況平滑拖體航跡,使鑲嵌圖頻與頻之間圖像均勻過渡,避免出現(xiàn)雜亂的mosaic圖。
②海底跟蹤控制。設(shè)置跟蹤范圍,檢查實(shí)測(cè)海底高度是否準(zhǔn)確,如不準(zhǔn)確,選用振幅、梯度等檢測(cè)方式,或用人工干預(yù)方式對(duì)海底進(jìn)行跟蹤,確保海底跟蹤準(zhǔn)確,克服圖像記錄中的橫向失真。
③圖像灰度及對(duì)比度控制。調(diào)節(jié)時(shí)變?cè)鲆鎸?duì)來自不同距離的反射點(diǎn)的回波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,調(diào)節(jié)灰度及對(duì)比度使圖像灰度適中,目標(biāo)物清晰易辨。
④進(jìn)行斜距改正和地理編碼。將每個(gè)頻都?xì)w算到實(shí)際海底位置,從而能直接在地貌圖上判讀海底反射信息及坐標(biāo)。
3 升級(jí)改造后C3D-SBP系統(tǒng)的工程應(yīng)用與分析
自2014年初以來,自主改裝升級(jí)版的C3D-SBP已經(jīng)成功應(yīng)用于中海石油(中國)有限公司深圳分公司的多項(xiàng)深??碧焦こ添?xiàng)目,作業(yè)效果良好,得到了眾多領(lǐng)導(dǎo)和專家的認(rèn)可與好評(píng)。目前正在推廣應(yīng)用南海的深水調(diào)查項(xiàng)目,特別是更深的水深范圍1000 m~2000 m的作業(yè)區(qū)域。
升級(jí)改造后的C3D-SBP設(shè)備突破了調(diào)查成本高、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高、作業(yè)效率低、受天氣影響大等一系列局限性,在解決了設(shè)備自有的旁掃和淺剖相互干擾的缺陷,保留了設(shè)備原有的技術(shù)功能的同時(shí),還新增了深海海底管纜和海底管線和海底光纜纜搜尋定位的功能,并開發(fā)出了結(jié)合地貌、地層剖面調(diào)查、溫度、鹽度綜合調(diào)查應(yīng)用系統(tǒng)和解釋方案,研發(fā)出一套完整的深海勘探創(chuàng)新技術(shù)體系,在國內(nèi)此領(lǐng)域的技術(shù)處于領(lǐng)先水平。
自從自主改裝升級(jí)版的C3D-SBP成功投入到深水調(diào)查工程項(xiàng)目應(yīng)用中以來,節(jié)省了以往應(yīng)用深拖Edgetech DT-1的大量設(shè)備動(dòng)復(fù)員的時(shí)間和成本,在惡劣海況的有限時(shí)間間隙內(nèi)完成了施工,提高了海洋工程勘察技術(shù)水平和工作效率,為整個(gè)工程設(shè)計(jì)和后繼平臺(tái)的就位和施工提供了安全保障,同時(shí)也創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
3.1 升級(jí)改造后的C3D-SBP系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的技術(shù)創(chuàng)新
(1)建立了完整的深??碧郊夹g(shù)體系:通過對(duì)C3D-SBP的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、工作原理,特別是電子艙的以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行研究,規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)釋放、采集等操作流程,建立了完整的深海勘探技術(shù)體系。
(2)提高了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量:通過對(duì)C3D-SB設(shè)備的電子艙的數(shù)據(jù)采集接口、Responder接口的改裝,集成DT-marine 10015電動(dòng)絞車、SeaSpy磁力儀和USBL深水定位數(shù)據(jù)和GPS水面定位數(shù)據(jù),分析采集數(shù)據(jù)文件的記錄格式和內(nèi)容,根據(jù)信號(hào)采集質(zhì)量料判別采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量,合理調(diào)整釋放深度提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
(3)良好的數(shù)據(jù)處理與分析效果:通過如圖6所示方法對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,把原始波形信號(hào)和解釋成果嵌入到常用軟件中,直接得出深海海底光纜的實(shí)際位置及其周圍地貌情況。
3.2 經(jīng)濟(jì)效益
(1)直接經(jīng)濟(jì)效益:目前中海石油(中國)有限公司正在使用自主改裝升級(jí)版的C3D-SBP設(shè)備進(jìn)行作業(yè),預(yù)計(jì)全年可為南海作業(yè)船只增加直接產(chǎn)值3000萬元。
2)間接經(jīng)濟(jì)效益:使用自主改裝升級(jí)版C3D-SBP進(jìn)項(xiàng)深水項(xiàng)目調(diào)查,規(guī)避了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、大大縮短了作業(yè)工期、提高了作業(yè)效率、提高了作業(yè)質(zhì)量,大大減少了作業(yè)人數(shù),有效的降低了生產(chǎn)成本,擴(kuò)大了該設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域,為后期億元項(xiàng)目實(shí)施提供了堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支撐。
4 結(jié)語
基于深海海底管纜搜索定位及海底地貌底層勘探任務(wù)需求,該文通過分析深海勘探設(shè)備C3D-SBP升級(jí)改造需求,研發(fā)設(shè)計(jì)出一套C3D-SBP設(shè)備升級(jí)改造方案,并建立了一整套適用于深海海底管纜調(diào)查和地層貌底綜合調(diào)查應(yīng)用系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案。升級(jí)改造后的C3D-SBP設(shè)備及相關(guān)技術(shù)提高了作業(yè)質(zhì)量和效率和降低了生產(chǎn)成本,提出了深海海底管纜和地層地貌調(diào)查的創(chuàng)新性技術(shù)手段,提升了在該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力,為該技術(shù)應(yīng)用與推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。
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