LBL聲學定位技術(shù)在深水膨脹彎測量中的應用

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(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司，廣東 湛江 5240572.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

LBL聲學定位技術(shù)在深水膨脹彎測量中的應用

戚蒿1，李一凡2，鄧冠華1

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司，廣東 湛江 5240572.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

針對深海油氣田由于飽和潛水員的下潛深度通常在300 m以內(nèi)，無法依靠潛水員完成海底管線膨脹彎和跨接管的測量的問題，介紹長基線水下定位技術(shù)，利用該技術(shù)，南海某氣田項目成功測量和安裝了多條膨脹彎和跨接管。

深水；長基線；聲學定位；膨脹彎；精確測量

膨脹彎和跨接管主要由彎頭、直管段、法蘭三部分組成，是整個海管系統(tǒng)的重要組成部分，用于吸收海底管線因熱脹冷縮而產(chǎn)生的應力和應變。膨脹彎和跨接管的水下精確測量、陸地準確預制和水下法蘭對接安裝質(zhì)量是清管試壓順利進行的基礎(chǔ)[1]。然而，對于300 m以深的海上油氣田來說，采用傳統(tǒng)的飽和潛水員外加法蘭測量儀的方式已經(jīng)無法得到預制膨脹彎和跨接管所需的數(shù)據(jù)，同時，由于海上施工船隊日費率極高，如何在最短的時間內(nèi)完成2個對接法蘭之間相對空間位置和方位角的精確測量就顯得非常關(guān)鍵[2]。聲學定位系統(tǒng)是目前水下導航和定位的主要手段，根據(jù)聲學定位系統(tǒng)定位基線的長度可以分為3種：長基線定位系統(tǒng)(LBL)、短基線定位系統(tǒng)(SBL)和超短基線定位系統(tǒng)(USBL)，其中短基線及超短基線定位的精度會隨著深度的增加而降低，長基線定位系統(tǒng)由于其基線長度是與水深相比擬的定位系統(tǒng)，定位原理可理解為通過時間測量得到距離而從解算目標位置的定位系統(tǒng)[3]，因而其定位精度與水深無關(guān)，因此被廣泛應用于深海作業(yè)中的很多領(lǐng)域[4]。

1 長基線定位系統(tǒng)定位原理

長基線定位系統(tǒng)主要由導航控制單元、海底基陣(信標)、問答傳感器和應答器等組成[5]，并與高精度差分系統(tǒng)、綜合導航系統(tǒng)和水下機器人等進行配合工作。其中，導航控制單元用于傳輸控制信號并實時對接收到的信息進行處理；海底基陣需預先布置在海底，是坐標推算的基點；問答傳感器發(fā)送控制單元的命令并接收信息的反饋；應答器對問答傳感器發(fā)送的命令作出響應[6]。

長基線定位系統(tǒng)需要在海底布設3個以上的基點，以一定的幾何圖形組成的海底定位基陣，通過基陣校準來確定基陣的幾何形狀及海底基陣各個基點的絕對坐標，被測目標一般位于基陣之內(nèi)，然后通過測量目標物和基點之間的相對位置，進而來確定目標物的位置[7-8]。

長基線定位系統(tǒng)的測量精度主要由測距誤差和位置誤差引起。對于測距誤差，一是由系統(tǒng)測時誤差引起，屬于硬件系統(tǒng)誤差無法消除，此外就是多路徑效應對時間的影響；二是聲速引起的誤差，因其受海水的鹽度、溫度和密度的影響，不同時刻這些參數(shù)都是不同的，因此要提到精度就要定期使用聲速剖面儀測量聲速。對于位置誤差，實踐表明，其相對定位精度可以控制在5 cm以內(nèi)，即間距誤差在10 cm以內(nèi)，較傳統(tǒng)的法蘭測量儀測量間距誤差20 cm有較大改善。

2 應用

南海某氣田項目所在海域水深接近100 m，需安裝4條膨脹彎和3條跨接管，本文以其中1條8 in海管直管段法蘭與水下管匯橇PLET法蘭之間的膨脹彎為例，采用基于長基線水下定位和測量系統(tǒng)對2個法蘭之間的距離、方位角、豎向傾角和高差等進行測量。

2.1 智能信標的水下布設

由于應答器的數(shù)量越多，目標跟蹤解算的速度越快，精度越高，因此本項目在水下設計布設5個應答器。需要注意的是，基陣的布設要完全包圍目標物所在區(qū)域，同時，要保證所有應答器之間可以相互通訊，基線長度大致相等。作業(yè)前將5個智能信標安裝在特制的架子上，將其布置在海底設計位置，見圖1?？紤]水流影響，在吊機鋼纜頭上安裝超短基線USBL信標來實時跟蹤信標架子的位置。

圖1 智能信標及其海底布設示意

2.2 智能信標在法蘭側(cè)的安裝固定

在完成海管直管段的鋪設和水下管匯橇PLET的水下安裝后，為了精確測量出2個法蘭之間的相對空間位置和方位角，利用水下機器人ROV在海管和PLET法蘭上分別安裝和固定一個智能信標固定支架，見圖2。

圖2 ROV水下安裝智能信標固定示意

由于LBL水聲定位系統(tǒng)具有傳感器搭載功能[9]，因此在每個智能信標都加載上艏向、姿態(tài)、深度和聲速感器等。信標底座需使用牛眼水平儀保證底座水平。同時，需提前精確測量出支架以及支架與法蘭之間的相互位置尺寸。

2.3 基陣的校準和法蘭之間數(shù)據(jù)測量

為了給目標物進行定位作業(yè)，在布設完成海底基陣信標后通常利用Sonardyne Fusion軟件對其進行校準，通常分3個步驟[10]：基線校準、位置校準和綜合解算?；€校準和位置校準，即確定信標之間的相對位置和在大地坐標中的絕對位置。相對位置的校準是采集陣列中的所有基線長度，應用數(shù)學模型的條件方程法，并對其進行平差解算。絕對位置的校準是利用DGPS水面定位系統(tǒng)將大地坐標傳遞到水下基陣，決定基陣的絕對位置，采用的數(shù)學模型為坐標變動法。結(jié)合位置校準和基線校準的結(jié)果，應用的數(shù)學模型為坐標變動法進行綜合解算[11]，最終解算出各海底基陣信標的絕對位置[12]。

為了能夠精確預制膨脹彎，利用長基線聲學測量系統(tǒng)測量海管端和PLET端2個法蘭面的高差、斜距、姿態(tài)以及2個法蘭距離海底的深度等參數(shù)，如圖3所示，這些數(shù)據(jù)需要反復多次精測，若有一次誤差超過一定范圍都需要重新測量。

圖3 2端法蘭相對關(guān)系示意

根據(jù)各個信標之間的相對關(guān)系，結(jié)合固定支架分別與法蘭之間的距離，可以精確得到單個法蘭的姿態(tài)，2個法蘭之間的方位角、高差、水平距離、斜距等參數(shù)，測得的數(shù)據(jù)如表1和圖4所示。

表1 2端法蘭測得的數(shù)據(jù) (°)

圖4 膨脹彎測量數(shù)據(jù)

3 膨脹彎的預制和水下安裝

根據(jù)膨脹彎的測量數(shù)量，對膨脹彎的路由和走向進行設計。為了實現(xiàn)膨脹彎的精確預制，除了降低長基線水下測量的誤差外，還需要從以下幾個方面進行產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控。

1)材料方面：提高膨脹彎彎頭、法蘭的制造精度。

2)焊接方面：嚴格控制膨脹彎各個焊口的焊接精度。

膨脹彎預制完成之后，利用吊索具將其下放入水，見圖5。

圖5 膨脹彎吊裝入水

在ROV的輔助下控制膨脹彎在水中的姿態(tài)，將其放置在海管和PLET之間，待其法蘭面位置合適后，由潛水員完成法蘭螺栓和密封鋼圈的安裝作業(yè)，最后利用法蘭螺栓液壓拉伸器，分步對螺栓進行均勻加力直至達到設計扭矩值。

4 結(jié)論

在南海某氣田項目所在淺水區(qū)域采用長基線聲學定位及其搭載的傳感器系統(tǒng)安裝膨脹彎是一次大膽的創(chuàng)新與嘗試。利用該項技術(shù)測得海管直管段和水下管匯橇法蘭之間的相對空間位置和方位角等數(shù)據(jù)，通過對8 in膨脹彎的精確預制并實現(xiàn)該段膨脹彎水下順利安裝，最終海管一次性試壓合格。為了更好地發(fā)揮長基線定位技術(shù)在深水膨脹彎和跨接管測量和安裝中的作用，結(jié)合本項目在實踐當中的技術(shù)摸索和應用經(jīng)驗，建議在今后的工作中重點關(guān)注以下幾點。

1)與傳統(tǒng)潛水員采用法蘭測量儀進行水下測量相比，雖然長基線定位技術(shù)克服了水深的限制，測量精度也更高，但其測量精度同樣受到測距誤差、位置誤差等多種因素的影響和制約，如何減小誤差是重點。

2)為了獲得更準確的膨脹彎預制數(shù)據(jù)，海管和水下結(jié)構(gòu)物法蘭側(cè)智能信標固定支架的設計和相對位置的測量精度尤為關(guān)鍵。

3)由于存在多種基陣信標校準數(shù)學模型，建議選擇不同校準數(shù)學模型進行對比分析，從而選擇最優(yōu)的校準方法。

[1] 馬超.膨脹彎精確預制的探討[J].中國造船，2008(2):305-309.

[2] 朱紹華,魏行超,劉勃.使用法蘭測量儀進行海底管線膨脹彎測量技術(shù)研究與應用[J].中國海上油氣，2008(5):342-344.

[3] 孫微,王方勇,喬鋼,等.基于長基線水聲定位系統(tǒng)誤差分析以及定位精度研究[J].聲學與電子工程，2016(2):14-24.

[4] 高國青,葉湘濱,喬純捷,等.水下聲學定位系統(tǒng)原理與誤差分析[J].四川兵工學報,2010(6):95-97，108.

[5] 狄冰,高輝,徐亞國.長基線定位系統(tǒng)在海洋油氣開發(fā)中的應用[J].北京石油化工學院學報,2015(4):35-39.

[6] 吳永亭,周興華,楊龍.水下聲學定位系統(tǒng)及應用[J].海洋測繪,2003(4):18-21.

[7] 張建喜.基于長基線定位系統(tǒng)的水聲定位技術(shù)研究[D].南昌:東華理工大學,2012.

[8] 楊方瓊,譚青,彭高明.基于長基線系統(tǒng)深海采礦ROV精確定位[J].海洋工程,2006(3):95-99.

[9] 寧津生,吳永亭,孫大軍.長基線水聲定位系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其應用[J].海洋測繪,2014(1):72-75.

[10] 那麗麗.長基線水下定位導航系統(tǒng)顯控軟件的設計與實現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[11] 付進.長基線定位信號處理若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2007.

[12] 劉俊.長基線水下導航定位技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2007.

The Application of LBL Acoustic Positioning Technique in the Measurement of Deep-water Spool Piece

QIHao1,LIYi-fan2,DENGGuan-hua1

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Zhanjiang Guangdong 524057, China; 2.Zhanjiang Company of CNOOC Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

With regards of conventional method for subsea pipeline spool piece and jumper distance measuring by means of using saturation diving equipment and flange gauge, deep-water oil and gas fields is not applicable due to the saturating diver generally is not able to reach 300 meters depth or more. A new and advanced measurement technique of spool piece and jumper, the long baseline (LBL) underwater positioning technique was introduced. This technique is already used and successfully installed several spool pieces and jumpers in Yacheng13-4 project.

deep-water; LBL; acoustic positioning; spool piece; accurate measurement

P754

A

1671-7953(2017)05-0164-04

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

戚蒿(1982—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋石油工程項目管理