沈 星,馬 良,鄭 劍,王 尚,劉成龍

(1.青島海洋科技中心,山東 青島 266100;2.中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司,廣東 深圳 518000)

1 引 言

海洋深水油氣資源以其高儲(chǔ)量、高勘探成功率、高效益而受到各國的重視[1]。因此,深水油氣資源的鉆探、開采、油田設(shè)施的建造和廢棄油田設(shè)施的拆除等對海洋石油工程技術(shù)的發(fā)展提出了更多的挑戰(zhàn)。海底油氣管道經(jīng)常因腐蝕、海流沖刷、海床運(yùn)動(dòng)、人為機(jī)械破壞等原因而造成失效,導(dǎo)致海上油氣田停產(chǎn)、原油污染海洋環(huán)境等一系列問題[2,3]。

上世紀(jì)七十年代,基于海軍的迫切需要,多波束測深系統(tǒng)在回聲測深儀基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生,帶來海底探測技術(shù)的一次革新[4,5]。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)、水下聲學(xué)定位技術(shù)、電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)的發(fā)展,各種水下聲學(xué)設(shè)備有了向深水油田設(shè)施應(yīng)用的能力,而水下機(jī)器人(ROV及AUV等)技術(shù)的發(fā)展,更是為各種水下聲學(xué)設(shè)備提供了良好的載體[6]。

2 作業(yè)基本流程及工作原理

海上油田設(shè)施的工程作業(yè)任務(wù)執(zhí)行一般可分為6個(gè)階段,根據(jù)任務(wù)執(zhí)行情況選擇作業(yè)船舶、作業(yè)人員及專業(yè)設(shè)備。作業(yè)前,進(jìn)行軟件系統(tǒng)及設(shè)備的調(diào)試、校準(zhǔn)及質(zhì)控工作;作業(yè)結(jié)束后,注意數(shù)據(jù)的處理及完工報(bào)告的編撰。ROV載多波束等系統(tǒng)在深水油氣管線懸跨及掩埋等檢測中的應(yīng)用,主要涉及船舶定位導(dǎo)航系統(tǒng)、ROV作業(yè)系統(tǒng)、多波束聲納剖面儀及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。其中,船舶定位導(dǎo)航系統(tǒng)包含水面定位導(dǎo)航系統(tǒng)及水下定位系統(tǒng),根據(jù)作業(yè)需要,ROV可搭載多波束系統(tǒng)及管道追蹤系統(tǒng)等。

船舶定位導(dǎo)航系統(tǒng)是整個(gè)水下工程作業(yè)中最基礎(chǔ)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)之一。在船舶海洋工程作業(yè)中,通常是在船舶的船體上焊接一個(gè)可伸縮進(jìn)入水體的支架,在支架上安裝一個(gè)換能器(Transducer),在可自由移動(dòng)的潛水器(如ROV)固定位置安裝一個(gè)應(yīng)答器(Responder),用于執(zhí)行換能器發(fā)出的指令,這樣就可以獲得應(yīng)答器相對于換能器的相對位置(x2,y2,b)(如圖1所示)。通過量取潛水器的高度值c及讀取其所安裝的高度計(jì)(Altimeter)相對固定點(diǎn)的高度h,就可以獲得結(jié)構(gòu)物固定點(diǎn)A相對于換能器的相對位置(x2,y2,b+c+h)。換能器相對于天線(Antenna)的相對位置也可通過測量卷尺獲得(x1,y1,a)。因此,只要知道天線的絕對位置,就可以計(jì)算出水下結(jié)構(gòu)物某一固定點(diǎn)(A點(diǎn))的絕對位置。

實(shí)際作業(yè)中,可以通過GPS接收機(jī)來獲取天線的大地坐標(biāo)(x,y,z)。假設(shè)船首方向?yàn)榇蟮刈鴺?biāo)的正北方向,船右舷方向?yàn)檎龞|方向,A點(diǎn)的絕對位置A(XA,YA,ZA)為:

(1)

3 水面設(shè)施系統(tǒng)

3.1 接收機(jī)

差分GNSS的基本工作原理主要是依據(jù)衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延時(shí)與對流層延時(shí)所具有的時(shí)間、空間相關(guān)性這一事實(shí),通過已知位置的基準(zhǔn)站來測算同時(shí)刻、同地域某一接收機(jī)GNSS測量誤差。在海上石油工程作業(yè)中,一般性的米級精度定位系統(tǒng)并不能完全滿足定位需求。因此,大多數(shù)公司在此基礎(chǔ)上,通過不同誤差校正、增加差分臺(tái)站或改進(jìn)定位接收機(jī)等方法,采取付費(fèi)方式來實(shí)現(xiàn)分米級及以內(nèi)精度的定位,精度可達(dá)0.1m(95%的可能性),且工作范圍可覆蓋全球。

3.2 羅經(jīng)

水面羅經(jīng)通常安裝在船舶上,使船舶能夠滿足海洋調(diào)查作業(yè)及工程作業(yè)的基本需求。羅經(jīng)的主要作用是給船舶及移動(dòng)平臺(tái)等提供準(zhǔn)確的艏向,根據(jù)工作原理的不同,主要分為磁羅經(jīng)、電羅經(jīng)及光纖羅經(jīng)。其中,電羅經(jīng)的造價(jià)相對較低且實(shí)際使用過程中優(yōu)勢明顯,因此得到廣泛應(yīng)用。在海洋工程作業(yè)中,移動(dòng)船舶(平臺(tái))的位移是船舶施工坐標(biāo)體系中的重要參數(shù),其包含測量點(diǎn)的方位角及測量距離,是目前所有海上工程作業(yè)中重要的參數(shù)[7]。

3.3 姿態(tài)傳感器

在海上工程作業(yè)中,作業(yè)船舶、鉆采平臺(tái)或水下結(jié)構(gòu)單元的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也很受關(guān)注。一般情況下,將海面船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)(姿勢和姿態(tài))進(jìn)行描述,即船舶的左舷右舷方向移動(dòng)(Sway)、船首船尾方向移動(dòng)(Surge)、船舶上下深沉(Heave)、船舶縱搖(Pitch)、船舶橫搖(Roll)及船舶偏轉(zhuǎn)(Yaw)。船舶的運(yùn)動(dòng)及船舶艏向的變化可通過GNSS及羅經(jīng)獲得,而姿態(tài)傳感器就是獲取船舶縱搖及橫搖的主要方式。

4 水下設(shè)施系統(tǒng)

4.1 超短基線定位系統(tǒng)

目前,水下定位及導(dǎo)航的手段主要是水下聲學(xué)定位系統(tǒng),根據(jù)定位系統(tǒng)原理,可按基線長短分為超短基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)和長基線定位系統(tǒng)3類。其中,長基線定位系統(tǒng)的定位精度與水深無關(guān),而短基線及超短基線定位的精度會(huì)隨著水深的增加而降低[8]。下面以超短基線(USBL)水下定位系統(tǒng)為例進(jìn)行簡單介紹。

超短基線基陣將水聲傳感器集成為一個(gè)圓柱狀換能器(φ=20cm～30cm),便于船舶安裝。通常情況下,水聲探頭中包含3個(gè)信號(hào)接收傳感器單元及1個(gè)信號(hào)發(fā)射傳感器單元,并按照固定方位和固定距離(b<30cm)集成在水聲探頭頂部(如圖2所示)。當(dāng)探頭工作時(shí),探頭信號(hào)發(fā)射單元發(fā)出一個(gè)正弦波脈沖信號(hào),海底聲信標(biāo)Beacon(transponder/Responder)在接收到此脈沖信號(hào)后,返回一個(gè)不同頻率的脈沖信號(hào),集成在探頭頂部的傳感器會(huì)依次接收到此脈沖信號(hào),并記錄接收到信號(hào)的時(shí)間t0及時(shí)間差Δt(如圖3所示,修改自文獻(xiàn)張亞利(1983)[9]、Huibert等(2006)[10])。

圖2 探頭安裝示意圖及頂部結(jié)構(gòu)略圖

圖3 水下探頭收發(fā)聲信號(hào)示意圖

因此,某一時(shí)刻,水下聲信標(biāo)相對于水聲探頭接收單元的位置可以表示為:

(2)

其中:

(3)

式(3)中,ν表示聲波在水中的傳播速度。

在獲得信標(biāo)相對于探頭的位置后,再利用姿態(tài)傳感器對探頭的姿態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn),最后可通過GNSS得到水下目標(biāo)(信標(biāo))的大地坐標(biāo)位置。

4.2 ROV作業(yè)系統(tǒng)

作業(yè)級水下機(jī)器人ROV是海洋工程作業(yè)的重要載體之一,通過其配備的多功能機(jī)械臂、搭載的多種傳感器及特種工具,可實(shí)現(xiàn)對水下石油設(shè)施結(jié)構(gòu)的檢查、電纜及油氣管道的檢測、地形地貌的調(diào)查及輔助飽和潛水等作業(yè)。ROV與水面船舶相似,為了達(dá)到更高精度的作業(yè)能力及實(shí)現(xiàn)某些特定功能(如導(dǎo)管架清洗、水下切割、管線路由調(diào)查等),通常會(huì)配備相應(yīng)的傳感器或工具來實(shí)現(xiàn)作業(yè)需求(如圖4所示):水聲信號(hào)應(yīng)答器/發(fā)射器、深度及高度傳感器、姿態(tài)傳感器、多波束聲納剖面儀、管道追蹤系統(tǒng)。

圖4 作業(yè)級ROV管線檢測時(shí)搭載的常用傳感器示意圖

4.3 多波束系統(tǒng)

在解決了ROV水下位置、深度高度及姿態(tài)后,要在ROV上安裝用于掃描海底地形及管線的多波束聲納剖面儀(MBE Profiling Sonar) 來獲取管線的鋪設(shè)狀態(tài)。如圖5所示, 工程作業(yè)中一般配有兩個(gè)聲納探頭,每個(gè)探頭都具有發(fā)射聲波及接收反射波的功能,并記錄接收到反射波的時(shí)間間隔Δtn。聲納探頭可在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射幾百束聲波(Bn),且每束聲波有固定的角度(θn)。當(dāng)Bn波束打到海底表面時(shí)(見圖5c),可以計(jì)算出反射點(diǎn)相對聲納探頭的位置:

圖5 多波束聲納剖面儀工作示意圖

(4)

式中,v表示聲波在水中的傳播速度。

當(dāng)波束反射點(diǎn)位于管線頂端及側(cè)面時(shí)(見圖5d),可近似地求出管線的懸跨高度Hp及管線相對聲納探頭的位置:

(5)

(6)

其中,Rp表示管線外半徑。

根據(jù)式(4)可知,當(dāng)波束垂直打到海底表面,即θn=0o時(shí),可求得此時(shí)聲納探頭相對海底的高度:

(7)

因此,多波束聲納剖面儀本身也可用來測量其相對海底的高度,在獲得水下某一點(diǎn)(移動(dòng)點(diǎn)或固定點(diǎn))的位置基礎(chǔ)上,通過測量聲納探頭相對應(yīng)答器的位置,再根據(jù)式(4)-式(6),就可以得出某一時(shí)刻管線及海床某點(diǎn)的絕對位置。

4.4 管道追蹤系統(tǒng)

當(dāng)檢測的管道(或電纜等)處于掩埋狀態(tài),通過多波束剖面儀及ROV視頻系統(tǒng)無法確定管道準(zhǔn)確走向,這時(shí)就需要配備管道追蹤設(shè)備(如圖6所示)來追蹤管線走向。管線追蹤設(shè)備主要利用電磁感應(yīng)原理,通過線圈在管道或電纜周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場,磁場的變化產(chǎn)生渦流,通過測量感應(yīng)渦流的電壓值,計(jì)算出掩埋管道與線圈之間的距離,得到位置及埋深,即埋深a=TOP-MSBL(其中d和r值可通過傳感器獲得)。根據(jù)工作需要,通過管線追蹤系統(tǒng)(Pipe Tracking System)可確定管道具體埋深值及絕對位置。

圖6 ROV管道掩埋檢測示意圖(后視圖)

上述涉及的傳感器或設(shè)備均是在實(shí)際工作中經(jīng)常需要配備使用的,根據(jù)作業(yè)任務(wù)及需求的差異,其間還可配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)、聲吶掃描成像系統(tǒng)、溢油檢查系統(tǒng)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。

5 數(shù)據(jù)處理及分析

海上工程作業(yè)采集的數(shù)據(jù)一般包括接收機(jī)采集的GNSS數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)(Pitch值、Roll值、Heave值等)、溫鹽深、高度值、三軸加速度值等(主要數(shù)據(jù)獲取途徑及流轉(zhuǎn)過程如圖7所示)。在這些數(shù)據(jù)中,部分?jǐn)?shù)據(jù)需區(qū)分船舶數(shù)據(jù)和ROV數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)往往在1s內(nèi)采集幾組或幾十組,而多波束等設(shè)備往往1s內(nèi)需采集幾十到上百組數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中,還需要控制傳感器數(shù)據(jù)的質(zhì)量,同時(shí)需要對校準(zhǔn)過的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算及輸出。因此,面對這種大批量數(shù)據(jù),如何高效快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析是十分重要的。

圖7 一般工程作業(yè)主要數(shù)據(jù)獲取途徑及流轉(zhuǎn)過程

數(shù)據(jù)處理結(jié)果直接用于輸出雇主需要的數(shù)據(jù)報(bào)告,如管道路由數(shù)據(jù)、管道懸跨長度及懸跨高度、管線埋深及埋深范圍、管道覆蓋剛性垃圾或障礙物的三維坐標(biāo)、管線周圍的地形地貌等。因此,需要通過視頻采集系統(tǒng),實(shí)時(shí)關(guān)注現(xiàn)場出現(xiàn)的情況,如魚群遮擋、水體渾濁以及沙包填埋等,并做好記錄。波束數(shù)據(jù)的處理主要包括噪點(diǎn)的剔除,將高度及深度傳感器和姿態(tài)傳感器采集的原始數(shù)據(jù)作二次運(yùn)算后校準(zhǔn)至波束數(shù)據(jù),刪除或挑選重復(fù)掃描數(shù)據(jù),對少量局部漏檢或未掃管線進(jìn)行可靠插值等。

6 結(jié)束語

在海上工程作業(yè)時(shí),獲取海底結(jié)構(gòu)物等物體的位置方位、水深值等數(shù)據(jù)至關(guān)重要。ROV作為水下結(jié)構(gòu)物外觀檢查、管線掩埋及管道泄漏檢查等工程作業(yè)中最重要的載體,更要求獲得準(zhǔn)確的背景數(shù)據(jù)信息,為ROV水下工程作業(yè)提供有力支撐和保障。通常情況下,在作業(yè)母船上配備差分信號(hào)接收機(jī)、羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器、水下高精度定位系統(tǒng)(如USBL系統(tǒng)、LBL系統(tǒng)等),在ROV載體上額外配備定位信標(biāo)、水下羅經(jīng)、水下姿態(tài)儀、高精度深度及高度系統(tǒng),以提高所獲取數(shù)據(jù)的精度。針對不同的工程作業(yè)類型,配備不同需求的傳感器或設(shè)備,如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多波束聲納剖面儀、管線追蹤系統(tǒng)等。采集數(shù)據(jù)后,需及時(shí)完成數(shù)據(jù)的基本處理工作,確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量,保證降低或消除所有可能出現(xiàn)的人為安裝或操作引起的誤差,提高數(shù)據(jù)處理結(jié)果的質(zhì)量。