MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納系統(tǒng)在近平臺(tái)區(qū)域海底管纜及地貌調(diào)查中的應(yīng)用

李軍

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津 300451)

MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納系統(tǒng)
在近平臺(tái)區(qū)域海底管纜及地貌調(diào)查中的應(yīng)用

李軍

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津 300451)

利用MS1000高精度旋轉(zhuǎn)掃描聲納系統(tǒng)在渤海海域平臺(tái)上或近平臺(tái)區(qū)域進(jìn)行海底管道電纜及地貌調(diào)查,可以有效的獲得近平臺(tái)區(qū)域的海底管道電纜精確位置、障礙物大小和分布情況以及周邊地貌情況。本文深入討論旋轉(zhuǎn)掃描聲納系統(tǒng)在近平臺(tái)區(qū)域海底管道電纜及地貌調(diào)查的方法、技術(shù)特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢(shì),有效的解決了海上近平臺(tái)區(qū)域海底管道電纜和地貌調(diào)查較難實(shí)現(xiàn)的困難。為以后近平臺(tái)區(qū)域海底管道電纜及地貌調(diào)查提供了指導(dǎo)、參考及借鑒。

旋轉(zhuǎn)掃描聲納系統(tǒng) 平臺(tái)位置復(fù)測(cè) 海底管道電纜及地貌調(diào)查

1 引言

近年來(lái)，海上平臺(tái)設(shè)施越來(lái)越多，油田開(kāi)發(fā)及油田區(qū)綜合調(diào)整項(xiàng)目也愈演愈烈。但平臺(tái)周邊海底管纜分布密集、有的平臺(tái)附近海底管纜甚至錯(cuò)綜復(fù)雜。所以準(zhǔn)確地確定平臺(tái)周邊海底管纜的位置和海底地貌信息對(duì)油田綜合調(diào)整實(shí)施的設(shè)計(jì)、施工中鉆井船就位和日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)具有重大意義[1]。

圖1 MS1000掃描聲吶系統(tǒng)組成及連接方式圖

近平臺(tái)區(qū)域海底管纜和地貌調(diào)查，因距平臺(tái)較近，用常規(guī)船舶拖曳式物探調(diào)查難以實(shí)現(xiàn)。以往較長(zhǎng)用的方法為潛水探摸調(diào)查和水下機(jī)器人調(diào)查。主要工作形式為潛水員或水下機(jī)器人，結(jié)合水面差分定位系統(tǒng)和水下定位系統(tǒng)綜合定位方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)附近管纜位置狀態(tài)及地貌的調(diào)查。常規(guī)的平臺(tái)附近海底管纜及地貌潛水探摸或水下機(jī)器人調(diào)查方式，不僅成本高昂、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，且作業(yè)效率低、受海況、天氣影響很大，開(kāi)發(fā)其他有效調(diào)查手段迫在眉睫。

考慮到近平臺(tái)區(qū)域常規(guī)的潛水探摸或水下機(jī)器人調(diào)查方式效率低、風(fēng)險(xiǎn)大、成本昂貴，許多科研機(jī)構(gòu)、院所和勘察單位都在研究新的設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用以改進(jìn)常規(guī)的近平臺(tái)區(qū)域管纜和地貌調(diào)查方法[2]。本文探尋了一種高精度適用于海上近平臺(tái)區(qū)域海底管纜和地貌調(diào)查的應(yīng)用系統(tǒng)及解釋方案，可以替代常規(guī)的潛水探摸調(diào)查或大幅度減少潛水探摸調(diào)查范圍，大大減小了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，有效的提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，拓展了近平臺(tái)區(qū)域海底管纜和地貌調(diào)查的手段。

2 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納系統(tǒng)

2.1 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)簡(jiǎn)介

MS1000掃描聲吶為Kongsberg公司產(chǎn)品，其被公認(rèn)為全球頂尖水平的水下成像聲吶。MS1000掃描聲吶產(chǎn)品以高精度、高分辨率處理系統(tǒng)著稱。

MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶軟件處理程序通過(guò)一個(gè)多功能的甲板處理單元直接傳輸給PC機(jī)，不需要任何其他的插件和硬件。甲板處理單元的設(shè)計(jì)符合ISO標(biāo)準(zhǔn)，確保其可靠性且符合相關(guān)法律、法規(guī)要求。MS1000系統(tǒng)是一個(gè)基于Windows的應(yīng)用程序，它可以配置成通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)遙測(cè)行業(yè)協(xié)議的完整數(shù)字通信產(chǎn)品，由掃描聲吶、高度計(jì)和深度傳感器組成。

圖2 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納調(diào)查原始圖片

表1 MS1000掃描聲吶系統(tǒng)工作參數(shù)

圖3 PL19-3WHPM平臺(tái)東北側(cè)影像(30米半徑)

圖4 PL19-3WHPM平臺(tái)西北側(cè)影像(50米半徑)

2.2 MS1000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操作軟件的電腦、軟件狗、甲板單元、聲吶探頭、USB連接線、通訊電纜和裝有高分辨率單波速掃描聲吶的三腳架組成。系統(tǒng)具體組成及連接方式見(jiàn)下圖1。

2.3 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)參數(shù)及主要功能

2.3.1 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)工作參數(shù)

MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)工作參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3.2 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)主要功能

MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲吶系統(tǒng)主要功能包括：所有的聲納和傳感器時(shí)間標(biāo)記記錄可以存儲(chǔ)在電腦硬盤(pán)或外部存儲(chǔ)設(shè)備;先進(jìn)的目標(biāo)測(cè)量和注釋工具;航跡標(biāo)繪模塊允許用戶進(jìn)行目標(biāo)和調(diào)查側(cè)線前繪，用于聲吶調(diào)查目標(biāo)物參考;多探頭同步聲脈沖發(fā)射，數(shù)據(jù)融合展示雙重?cái)嗝?輸出掃描生成的Tiff格式圖像。

3 近平臺(tái)區(qū)域海底管纜及地貌調(diào)查工作方法實(shí)施

3.1 平臺(tái)復(fù)測(cè)

進(jìn)行掃描聲納進(jìn)行海底地貌調(diào)查前需對(duì)平臺(tái)的位置進(jìn)行精確測(cè)量。為了獲得高精度的平臺(tái)位置數(shù)據(jù)，對(duì)平臺(tái)位置測(cè)量需使用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(wú)線電數(shù)據(jù)連續(xù)所獲得的差分?jǐn)?shù)據(jù)去修正GPS接收機(jī)獲取的原始GPS數(shù)據(jù)，差分?jǐn)?shù)據(jù)由單獨(dú)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(dǎo)航定位軟件工作站進(jìn)行處理，從而得到高精度的定位數(shù)據(jù)。

定位人員在平臺(tái)上比較開(kāi)闊無(wú)遮擋地方，選取3點(diǎn)以上分別架設(shè)DGPS接收機(jī)，采用靜態(tài)觀測(cè)方法，連續(xù)采集1小時(shí)的數(shù)據(jù)，剔除跳點(diǎn)，通過(guò)Starfix.DGPS和MultiFix 6處理系統(tǒng)獲取該點(diǎn)高精度定位數(shù)據(jù)。

平臺(tái)艏向可以通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)高度角獲得。在上甲板的開(kāi)闊地方架設(shè)全站儀，通過(guò)連續(xù)對(duì)太陽(yáng)高度角的觀測(cè)，然后對(duì)原始觀測(cè)值進(jìn)行一系列的后處理，最終獲得平臺(tái)方位或艏向。

基于DGPS觀測(cè)點(diǎn)的高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)的平臺(tái)艏向以及上甲板的實(shí)際尺寸，計(jì)算得出上甲板所有拐點(diǎn)點(diǎn)、樁腿及關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)平臺(tái)導(dǎo)管架泥面層的的完工布置圖并結(jié)合歷史資料，我們可以計(jì)算出所有樁腿的入泥點(diǎn)坐標(biāo)。此坐標(biāo)作為掃描聲吶資料解釋的重要參考依據(jù)。

3.2 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納調(diào)查

根據(jù)提供的管纜分布圖或根據(jù)要求調(diào)查的地貌區(qū)域，選擇需要進(jìn)行掃描聲納調(diào)查平臺(tái)的側(cè)面。并按照以下步驟進(jìn)行掃描聲納調(diào)查。

(1)連接高分辨率的單波束掃描聲納探頭與甲板單元、控制單元之間通訊電纜;

(2)打開(kāi)PC機(jī)里面的MS1000操作軟件，測(cè)試MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納是否工作正常;

(3)安裝MS1000聲納探頭三角支架;

圖5 PL19-3WHPM平臺(tái)周?chē)５椎孛蔡卣?75m半徑)

圖6 PL19-3WHPM平臺(tái)周?chē)５椎孛蔡卣?50m半徑)

(4)在平流期間前后或流速較小時(shí)，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(kāi)機(jī)對(duì)海底地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃描半徑依次設(shè)置為10m、20m、30m、40m、50m、75m、100m，分別進(jìn)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聲納探頭從海底收回;

(7)根據(jù)要求，轉(zhuǎn)換需要進(jìn)行地貌調(diào)查的平臺(tái)側(cè)面，重復(fù)a-f，直至整個(gè)掃描聲納調(diào)查完成，調(diào)查保存的原始圖片見(jiàn)下圖2。

3.3 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納資料解釋

3.3.1 平臺(tái)位置確定

根據(jù)平臺(tái)復(fù)測(cè)的位置數(shù)據(jù)結(jié)合平臺(tái)各層甲板尺寸布置圖(包含水下導(dǎo)管架入泥部分)和平臺(tái)艏向，繪制出平臺(tái)平面位置圖。

3.3.2 掃描聲納資料參考點(diǎn)選取

通常選取掃描聲納影像較明顯的特征點(diǎn)，近平臺(tái)區(qū)域一般選取掃描聲納影像中導(dǎo)管架樁腿對(duì)應(yīng)的影像特征點(diǎn)。根據(jù)所獲得聲納影像，找到2個(gè)以上的較明顯樁腿特征點(diǎn)作為參考點(diǎn)。

3.3.3 確定縮放比例尺

根據(jù)平臺(tái)復(fù)測(cè)的位置，量取導(dǎo)管架樁腿入泥處的兩樁腿點(diǎn)間的距離。將從MS1000保存的圖片導(dǎo)入AutoCAD中，從圖像上判讀出導(dǎo)管架位置，并量取導(dǎo)管架間距離R，通過(guò)圖像上選取導(dǎo)管架所對(duì)應(yīng)的實(shí)際導(dǎo)管架間的距離R0，這樣就得到圖像的縮放比例因子：

3.3.4 資料判讀

根據(jù)圖像的成像特征，對(duì)影響進(jìn)行解釋和判讀[3]。確定圖像物體特征，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。

基于DGPS定位系統(tǒng)的使用和批準(zhǔn)安裝后的平臺(tái)的布置圖，近平臺(tái)區(qū)域的解釋成果精度在1.0m以內(nèi)(距平臺(tái)50m范圍內(nèi))。由于掃描聲納半徑的增大，分辨率相對(duì)較低些，遠(yuǎn)平臺(tái)區(qū)域的解釋成果的精度在3.0m以內(nèi)(距平臺(tái)50-100m范圍)。如插圖4。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程簡(jiǎn)介

鉆井船需要在PL19-3WHPM平臺(tái)附近就位，需要探明PL19-3WHPM平臺(tái)附近的管道、電纜位置以及盡可能探明區(qū)域內(nèi)的管纜壓塊、海底障礙物以及工業(yè)垃圾位置情況，為鉆井船就位及鉆井提供可靠的資料[4]。

4.2 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納調(diào)查

通過(guò)使用MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納對(duì)PL19-3WHPM平臺(tái)的東北側(cè)和西北側(cè)進(jìn)行掃描聲納調(diào)查，獲得了PL19-3WHPM平臺(tái)附近的管道電纜位置及障礙物分布情況，見(jiàn)圖3，PL19-3WHPM平臺(tái)東北側(cè)聲納影像資料和圖4，PL19-3WHPM平臺(tái)西北側(cè)掃描聲納影像資料。

4.3 MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納資料解釋

從掃描聲納影像資料上看，可以較容易得到PL19-3WHPM平臺(tái)附近的管纜位置和地貌情況。資料解釋過(guò)程中可以清楚看出有一條部分被掩埋或有壓塊的海底電纜、兩條部分被埋藏或有壓塊的海底管道、及若干樁腿坑、線形障礙物等[5]。解釋資料見(jiàn)圖5，PL19-3WHPM平臺(tái)東北側(cè)海底地貌特征圖及圖6，PL19-3WHPM平臺(tái)西北側(cè)海底地貌特征圖。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，海上平臺(tái)設(shè)施越來(lái)越多，其周邊海底管纜分布密集，有的平臺(tái)海底管纜甚至錯(cuò)綜復(fù)雜。所以準(zhǔn)確地確定平臺(tái)周?chē)５坠芾|的位置、狀態(tài)和地貌等信息對(duì)油田綜合調(diào)整實(shí)施的設(shè)計(jì)、施工和日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)具有重大意義[6]。特別是新鋪海底管纜、鉆井船就位時(shí)中需要查明近平臺(tái)區(qū)現(xiàn)役的海底管纜位置、海底地貌情況，以及海洋地質(zhì)環(huán)境中可能的危害或工程作業(yè)中重要的影響因素[7]，例如海底障礙物、裸露的管道及電纜等。

運(yùn)用MS1000旋轉(zhuǎn)掃描聲納系統(tǒng)有效的解決了近平臺(tái)區(qū)域海底管纜和地貌情況較難調(diào)查的情況。相對(duì)常規(guī)的潛水探摸和水下機(jī)器人調(diào)查，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，大大節(jié)約了作業(yè)成本，作業(yè)效率大大提高，為鉆井船就位節(jié)省了大量時(shí)間，并提供可靠的資料。

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MS1000 rotary scanning sonar system can provide accurate position of pipeline and cable, size and distribution of obstacle and nearby seabed geomorphology effectively in the survey of pipeline, cable, and seabed geomorphology near platform. This article goes deep into specific methods of survey with this system and features and advantages of this system which has solved the problem that it is difficult to conduct survey near platform using normal methods. And this article can also provide instruction and reference.

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李軍(1985—),男,安徽蚌埠人,本科,工程師,主要從事海洋工程勘察方面工作。