李　軍，朱友生

(中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部, 天津 300451)

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掃描聲吶技術(shù)在近平臺鉆井船就位中的應用*

李軍，朱友生

(中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部, 天津 300451)

摘要：近平臺鉆井船就位前，需對就位區(qū)域進行精細地貌調(diào)查，目前常規(guī)物探調(diào)查方法難以實現(xiàn)。通過對掃描聲吶系統(tǒng)工作原理和特點進行研究，總結(jié)出了一整套應用于近平臺鉆井船精細地貌調(diào)查方法、解釋程序和注意事項，有效解決了常規(guī)物探調(diào)查難以實現(xiàn)、精度低等難題。本文結(jié)合掃描聲吶技術(shù)在近平臺鉆井船就位項目實際案例，展示了其高精度、高效性等技術(shù)特點及作業(yè)優(yōu)勢，為以后近平臺鉆井船就位區(qū)域地貌精細調(diào)查項目實施提供了指導與參考。

關(guān)鍵詞：掃描聲吶；近平臺；鉆井船就位；海底地貌調(diào)查

近年來，渤海油田已進入大規(guī)模綜合調(diào)整階段，如綏中36-1、秦皇島32-6、渤中28/34等油田區(qū)，需要鉆井船在已建平臺附近頻繁就位。但已建平臺附近海底管纜分布密集、錯綜復雜，平臺附近海底地貌地形變化，平臺附近施工產(chǎn)生的廢棄物、遺棄物和工業(yè)垃圾等障礙物，都嚴重影響鉆井船就位作業(yè)安全[1]。所以準確地確定平臺附近海底管纜的位置和海底地貌信息，對油田綜合調(diào)整中鉆井船就位順利安全具有重大意義[2]。

然而，由于已建平臺設(shè)施影響，采用船載側(cè)掃聲吶進行常規(guī)物探調(diào)查[3]，無法實現(xiàn)全面覆蓋調(diào)查區(qū)域，且精度相對較低；潛水探摸調(diào)查和水下機器人搭載地貌設(shè)備調(diào)查，不僅成本高昂、風險系數(shù)高、作業(yè)效率低、受海況天氣影響很大，且渤海海域水質(zhì)渾濁，很難實現(xiàn)預期近平臺海底地貌精細調(diào)查。

根據(jù)近平臺鉆井船就位項目的作業(yè)需求，結(jié)合掃描聲吶工作特點，本文總結(jié)一種全覆蓋、高精度的旋轉(zhuǎn)掃描聲吶技術(shù)，適用于近平臺鉆井船就位區(qū)域海底地貌精細調(diào)查，為障礙物打撈提供位置參考信息，指導潛水員打撈作業(yè)，為鉆井船安全順利就位提供了保障。

1　掃描聲吶系統(tǒng)

以鉆井船就位區(qū)域調(diào)查使用的MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶為例介紹。MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶是國外公司產(chǎn)品，其被公認為全球頂尖水平的水下成像聲吶，以高精度、高分辨率處理系統(tǒng)著稱，圖像分辨率可高達1 m[4]。

對于較小區(qū)域海底地貌精細調(diào)查，如鉆井船就位區(qū)域地貌精細調(diào)查，MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶一般選擇單點或多點釋放掃描，而不是船載拖曳進行。通過三腳架垂直將設(shè)備釋放到海底，以半徑10～100 m采集海底地形地貌，生成圓形連續(xù)采集圖像。軟件處理程序是一個多功能甲板處理單元，通過USB直接傳輸給PC機或電腦，不需要任何其他插件和硬件。采集后的圖像可以通過軟件進行回放，對感興趣圖像數(shù)據(jù)可以保存為tiff圖片，便于進行后期的地貌數(shù)據(jù)鑲嵌。

1.1旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)組成

MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)由裝有MS1000操作軟件的PC機或電腦、軟件狗、多功能甲板處理單元、聲吶探頭、USB連接線、通訊電纜和裝有高分辨率單波束MS1000掃描聲吶的三腳架組成。系統(tǒng)具體組成及連接方式見圖1。

圖1　MS1000掃描聲吶系統(tǒng)組成及連接方式Fig.1　Components and connection mode of MS1000 Scanning Sonar System

1.2旋轉(zhuǎn)掃描聲吶工作原理

MS1000掃描聲吶換能器以0.9°×30°波束角度發(fā)射聲脈沖，頻率為675 kHz，見圖2。當聲波遇到物體或海底會反射回波，回波信號被聲吶接收后，根據(jù)信號時延和強度形成圖像[5]。然后聲吶探頭以一定的角度步長旋轉(zhuǎn)，再次重復發(fā)射和接收過程，見圖3。最后旋轉(zhuǎn)360°形成一幅完整的海底影像[6]。

圖2　MS1000掃描聲吶波束角度示意Fig.2　Beam angle of MS1000 Scanning Sonar

圖3　MS1000掃描聲吶波束組成Fig.3　Beam compositions of MS1000 Scanning Sonar

2　旋轉(zhuǎn)掃描聲吶在近平臺鉆井船就位區(qū)域調(diào)查方法

2.1資料解析

根據(jù)近平臺鉆井船就位實施方案，可以確定就位平臺信息。需對以下資料進行收集分析：

1)平臺附近水深情況、潮流潮汐情況；

2)平臺各層甲板尺寸布置圖(含水下結(jié)構(gòu))；

3)各樁腿剖面圖；

4)平臺附近管纜分布圖。

通過以上資料的收集整理，繪制出平臺尺寸結(jié)構(gòu)圖，包含各個樁腿及樁腿入泥點位置，明確是否有管纜在調(diào)查區(qū)域內(nèi)。

2.2作業(yè)場地

調(diào)查區(qū)域靠近平臺，可以選擇在平臺上或作業(yè)支持拖輪上進行?？紤]到調(diào)查后的障礙物需要進行潛水打撈，一般把作業(yè)場地選擇在作業(yè)支持拖輪上進行。這樣既便于旋轉(zhuǎn)掃描聲吶調(diào)查，又便于調(diào)查完后直接對障礙物實施潛水打撈，較大提高作業(yè)效率。

2.3平臺復測

前期的資料收集，可以得到平臺的結(jié)構(gòu)圖，但無法確定平臺實際坐標位置，需要對平臺位置進行測量。為了獲得高精度的平臺位置數(shù)據(jù)，對平臺位置測量使用DGPS定位系統(tǒng)。一般使用Starfix.DGPS定位系統(tǒng)和Multifix 6處理系統(tǒng)。利用Starfix無線電數(shù)據(jù)連續(xù)獲得的差分數(shù)據(jù)去修正GPS接收機獲取的GPS原始數(shù)據(jù)，差分數(shù)據(jù)由單獨的Starfix天線接收。原始的定位數(shù)據(jù)和差分改正數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖b有Starfix.seis導航定位軟件工作站進行處理，從而得到高精度的定位數(shù)據(jù)。

定位人員在平臺上比較開闊無遮擋地方，選取3點以上分別架設(shè)DGPS接收機，采用靜態(tài)觀測方法，連續(xù)采集1 h的數(shù)據(jù)，剔除跳點，通過Starfix.DGPS和Multifix 6處理系統(tǒng)獲取該點高精度定位數(shù)據(jù)。

平臺艏向通過觀測太陽高度角獲得。在上甲板的開闊地方架設(shè)全站儀，連續(xù)對太陽高度角的觀測，然后對原始觀測值進行一系列后處理，最終獲得平臺方位或艏向。

基于DGPS觀測點的高精度觀測數(shù)據(jù)，實測的平臺艏向以及資料收集的平臺結(jié)構(gòu)圖，可以得到平臺上所有關(guān)鍵點實際坐標以及樁腿入泥點坐標。此坐標作為掃描聲吶資料解釋的重要參考依據(jù)。

2.4鉆井船就位區(qū)域旋轉(zhuǎn)掃描聲吶調(diào)查

根據(jù)鉆井船就位調(diào)查區(qū)域，作業(yè)支持拖輪在調(diào)查區(qū)域側(cè)拋錨帶纜就位完后。在船尾、船中和船頭分別按照以下步驟進行掃描聲吶調(diào)查：

1)連接高分辨率的單波束掃描聲吶探頭與甲板單元、控制單元之間通訊電纜；

2)打開PC機里面的MS1000操作軟件，測試MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶是否工作正常；

3)安裝MS1000聲吶探頭三角支架；

4)在平流期間前后或流速較小時，將帶有鋼絲繩的電纜緩慢向下釋放支架，直到將支架釋放到海底，然后把甲板上的鋼絲繩和電纜固定好；

5)開機對海底地貌進行數(shù)據(jù)采集，掃描半徑依次設(shè)置為10，20，30，40，50，75，100 m，分別進行數(shù)據(jù)記錄和保存圖像資料；

6)地貌資料采集完畢，關(guān)閉設(shè)備，作業(yè)人員將MS1000聲吶探頭從海底收回；

在支持船上進行掃描聲吶調(diào)查示意圖如圖4所示，掃描聲吶獲取的原始資料影像示意圖如圖5所示。

圖4　MS1000掃描聲吶現(xiàn)場作業(yè)示意Fig.4　Sketch map of working mode of MS1000 Scanning Sonar

圖5　MS1000掃描聲吶原始影像Fig.5　Original image from MS1000 Scanning Sonar

2.5掃描聲吶資料解釋

通過掃描聲吶先進多功能處理單元，掃描聲吶影像資料中物體間相對方向和相對位置準確，但掃描聲吶自帶的磁羅經(jīng)精度較低，且靠近平臺，獲得掃描聲吶影像資料并不是真實的方向和坐標。所以在資料解釋前，需要對掃描聲吶影像方向和坐標進行校正[7]。

2.5.1掃描聲吶影像參考點選取

通常選取掃描聲吶影像較明顯的特征點，近平臺區(qū)域一般選取掃描聲吶影像中導管架樁腿點作為特征點。根據(jù)所獲得聲吶影像，找到2個以上的較明顯特征點作為參考點。

2.5.2確定縮放比例尺

根據(jù)平臺復測位置，量取導管架樁腿入泥處的兩樁腿點距離。將從MS1000保存的圖片導入AutoCAD中，從圖像上判讀出導管架位置，并量取導管架間距離R，通過圖像上選取導管架所對應的實際導管架間的距離R0，這樣就得到圖像的縮放比例因子即κ=R0/R。

2.5.3偏角校正

根據(jù)縮放后的掃描聲吶影像資料上2個特征點連線，以及對應2個實際特征點連線，量取兩直線存在的角度偏角α，將影像資料旋轉(zhuǎn)角度α，影像對應資料即為實際坐標位置。

2.5.4資料判讀

根據(jù)聲吶成像的圖像特征，對校正后的影像進行解釋和判讀[8]，獲得鉆井船就位區(qū)域的海底精細地貌情況，例如：裸露的海底管道、裸露海底電纜、管纜壓塊、海底障礙物等，標識出障礙物實際坐標位置，結(jié)合水上定位系統(tǒng)和USBL水下定位系統(tǒng)，指導潛水員完成鉆井船就位區(qū)域的障礙物潛水打撈。

2.6注意事項

獲取高質(zhì)量的掃描聲吶影像資料是整個調(diào)查實施的關(guān)鍵[9]。在調(diào)查實施過程中，需對以下情況特別關(guān)注：

需了解平臺附近水深和潮流潮汐情況，選擇在平潮期間進行掃描聲吶資料采集作業(yè)，避免因流速較大，三腳架傾斜或一側(cè)倒向海底，會造成掃描聲吶成像質(zhì)量差，無法辨識圖像。

在三腳架內(nèi)探頭下方配置重錘，這樣即使三腳架3個角不在一個水平面上或流速稍偏大時，也能保證掃描聲吶探頭保持垂直且在同一點上進行資料采集。

獲取的影像資料上，無法獲取2個以上的特征點，需要重新選擇釋放點進行掃描聲吶影像采集。

3　工程應用實例

掃描聲吶憑借其高分辨率、操作簡單，可以指導潛水員進行打撈作業(yè)，作業(yè)效率高，目前已廣泛應用于近平臺鉆井船就位區(qū)域海底地貌精細調(diào)查，提升了作業(yè)質(zhì)量，也提高了作業(yè)效率，為鉆井船安全順利及時就位提供了可靠資料[10]。下面以幾個鉆井船就位工程實例，展示掃描聲吶擁有分辨率高、精度高及效率高等優(yōu)點。

3.1工程實例1

某海上平臺位于中國渤海北部，水深約30～32 m。鉆井船需要在平臺東南側(cè)就位，為確保鉆井船就位安全，對鉆井船就位區(qū)域200 m×200 m區(qū)域進行地貌精細調(diào)查并對障礙物進行潛水打撈。

作業(yè)支持船舶在鉆井船就位區(qū)域拋錨帶纜就位完后，使用MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶對調(diào)查區(qū)域進行掃描聲吶調(diào)查，獲取調(diào)查區(qū)域內(nèi)精細地貌情況，指導潛水員對影響鉆井船就位的障礙物、遺棄物及工業(yè)垃圾進行打撈。潛水打撈后再進行掃描聲吶調(diào)查，核查障礙物潛水打撈前后的影像對比，確定障礙物是否打撈完全。障礙物潛水打撈前掃描聲吶影像如圖6所示，部分障礙物潛水打撈后如圖7所示，障礙物實際打撈圖如圖8所示。通過打撈前影像圖6、打撈后影像圖7和實際打撈圖8對比后可以明確，遺棄物平臺打水管已經(jīng)打撈完成。

圖6　打撈前掃描聲吶影像Fig.6　Scanning sonar image before salvage

圖7　障礙物打撈后掃描聲吶影像Fig.7　Scanning sonar image after the salvage of obstacles

圖8　實際打撈障礙物Fig.8　Practical salvage of obstacles

3.2工程實例2

某海上平臺位于中國渤海西南部，水深約15～18 m。鉆井船需要在平臺東南側(cè)就位，為確保鉆井船就位安全，對鉆井船就位區(qū)域200 m×200 m區(qū)域進行地貌精細調(diào)查并對障礙物進行潛水打撈。

作業(yè)支持船舶在鉆井船就位區(qū)域拋錨帶纜就位完后，使用MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶對調(diào)查區(qū)域進行掃描聲吶調(diào)查，獲得了調(diào)查區(qū)域內(nèi)精細地貌情況。掃描聲吶調(diào)查精度很高，通過影像資料可以分析調(diào)查區(qū)域內(nèi)有較小成片障礙物，通過實際打撈為成片的螃蟹籠。圖9和圖10分別為掃描聲吶影像圖和影像資料對應打撈的螃蟹籠。

圖9　掃描聲吶影像Fig.9　Scanning sonar image

圖10　障礙物實際打撈Fig.10　Practical salvage of obstacles

3.3工程實例3

某海上平臺位于中國渤海南部，水深約18～22 m。兩平臺通過棧橋相連且管纜數(shù)較多(兩個平臺共16根管纜)。平臺附近管纜的位置使用常規(guī)物探調(diào)查難以實現(xiàn)，通過在平臺上使用掃描聲吶進行調(diào)查高效完成管纜位置調(diào)查。

在平臺上有管纜一側(cè)釋放掃描聲吶至海底，可以獲得近平臺海底管纜位置，甚至可以獲取高分辨的壓塊位置及分布。圖11和圖12分別為某近平臺的掃描聲吶影像圖，從影像圖中可以直觀的看到平臺水下結(jié)構(gòu)(樁腿、井口區(qū))、管道、電纜、壓塊、遺棄物、鉆井船樁腿坑、凹陷或凹坑等精細地貌情況。

圖11　某平臺掃描聲吶影像Fig.11　Scanning sonar image of a platform

圖12　某平臺掃描聲吶影像Fig.12　Scanning sonar image of a platform

4　結(jié)　語

1)通過掃描聲吶技術(shù)引用，憑借其調(diào)查的高精度、高效率、可單點釋放采集及操作簡便等優(yōu)勢，有效地解決了近平臺常規(guī)物探調(diào)查無法全覆蓋、精度相對較低的難題。

2)在資料收集及桌面研究時，收集就位平臺的各層甲板布置、水下結(jié)構(gòu)圖及樁腿剖面圖很重要，用于掃描影像資料的校正和解釋。

3)獲取掃描聲吶的原始資料時，需要根據(jù)采集的原始影像資料，判斷是否需要重新進行調(diào)查或重新選擇掃描聲吶釋放點。如通過采集影像資料可以判斷三角架倒向海底、整個三腳架放入深坑、三腳架沒放到海底或重復影像不整合。

4)掃描聲吶調(diào)查和潛水打撈隊伍可同時進行，并有效地指導進行障礙物潛水打撈。實現(xiàn)現(xiàn)場資料解釋處理和障礙物打撈，提高作業(yè)效率，節(jié)約了作業(yè)成本，為鉆井船就位節(jié)省了較多時間并提供了可靠的資料，對油田綜合調(diào)整實施的設(shè)計、施工和日常運營維護具有重大意義。

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文章編號：1002-3682(2016)02-0041-09

*收稿日期：2015-10-13

作者簡介：李軍(1985-),男,工程師,主要從事海洋工程物探和工程勘察方面研究.E-mail：lijun35@cosl.com.cn

中圖分類號：P756.2

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.02.006

Application of Scanning Sonar Technology for Drilling Ship in Place Nearby the Platform

LI Jun, ZHU You-sheng

(Geophysical,ChinaOilfieldServicesLimited, Tianjin 300451, China)

Abstract:Before drilling ship in place nearby the platform, it is necessary to carry out a detailed geomorphological survey in the in-place area. By studying the working principle and characteristics of scanning sonar system, the methods, interpretative program and notes are proposed for carrying out detailed geomorphological survey by using scanning sonar technology for the purpose of drilling ship in place nearby the platform, which solves effectively the problem that can not be solved by the routine geophysical survey methods. It has been seen from a practical application case that the scanning sonar technology can provide high accuracy, high efficiency and advantage of operation for the detailed geomorphological survey in the in-place area. The methods proposed in the paper can provide guidance and reference for detailed and accurate geomorphological survey in the area where the drilling ships will be in place nearby the platform.

Key words:scanning sonar; nearby the platform; drilling ship in place; seabed geomorphological survey

(王燕編輯)