AUV在深水海底管道在位狀態(tài)調(diào)查中的應(yīng)用

陳冠軍，郝高建，馮湘子，朱友生

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300459)

0 引言

海底管道是海上油氣輸送的大動脈，是海上油氣田的重要組成部分。海底管道經(jīng)常面臨諸如漁業(yè)活動和各類災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象的影響[1-6]。有統(tǒng)計表明中國海油近30年來鋪設(shè)的約6202km海底管道共發(fā)生了51起大大小小的事故，輕的可造成管道變形和穿孔小漏，嚴(yán)重的會使管道出現(xiàn)裂縫大漏和斷裂等[4]。因此，為了保障海底管道的安全運營，需要及時有效地查明海底管道的在位狀態(tài)，評價其安全風(fēng)險，做好防護措施，更好地預(yù)防事故發(fā)生。

海底管道在位狀態(tài)指的是管道在海床上的埋設(shè)狀態(tài)，通常包含管道的掩埋、裸露、懸空等信息，搖控?zé)o人潛水器(ROV)在這些數(shù)據(jù)的獲取方面有著絕對的優(yōu)勢[7]，如果要了解管道周圍地形地貌的話，通常需要進行船載多波束和側(cè)掃聲吶的調(diào)查[1,2,5]，但由于受到水深的限制，船載調(diào)查在深水區(qū)時便無能為力。這時我們引入了自主水下航行器(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)來進行深水區(qū)的海底管道在位狀態(tài)調(diào)查。查明海管周圍地形地貌特征有著非常重要的意義，我們可以根據(jù)調(diào)查結(jié)果來分析判斷海管周圍地形地貌，特別是硬質(zhì)海底、珊瑚礁和沙波區(qū)等特殊地形地貌對海管是否存在不利影響、影響程度如何、如何保護這些區(qū)域內(nèi)的海管和哪些保護措施最為有效[3-4,6,8]，這都可以為以后在類似區(qū)域的海管鋪設(shè)和運營維護提供參考借鑒。

中海油田服務(wù)股份有限公司一直在跟蹤AUV深水工程物探調(diào)查技術(shù)及其裝備的發(fā)展和應(yīng)用。經(jīng)過近10年來的引進、消化和吸收，我們已經(jīng)成功將AUV先后應(yīng)用在荔灣、陵水、流花等海區(qū)的深水場址和路由調(diào)查項目中，中海油服現(xiàn)已具備了國內(nèi)領(lǐng)先的AUV深水工程物探調(diào)查技術(shù)能力，獲得了用戶的充分認(rèn)可[9-11]。本次受國家科技重大專項專題“荔灣3-1氣田海底管道狀態(tài)調(diào)查和后評估”的資助，我們首 次成功地將AUV應(yīng)用于深水海底管道在位狀態(tài)調(diào)查中。

1 AUV調(diào)查

1.1 AUV系統(tǒng)

AUV可搭載多種海洋調(diào)查儀器，因為脫離了跟母船之間的物理連接，它可以在程序指引下下潛到預(yù)定的工作深度，并維持在海底以上一定高度(定高)或海面以下一定深度(定深)位置，最大作業(yè)水深3000m，依靠自身的能源動力系統(tǒng)按照先前設(shè)計測線實現(xiàn)全自動海洋工程測量(圖1a)。與傳統(tǒng)的船載或者拖曳調(diào)查手段相比，AUV具有水下高度自治、機動性好、受調(diào)查船噪音影響小、姿態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)勢，可獲得高分辨率、高密度、高精度的調(diào)查數(shù)據(jù)，在成果資料精細(xì)度方面擁有明顯的優(yōu)勢，正在逐漸變?yōu)樯钏畢^(qū)域海洋工程勘察的主要手段。

本次調(diào)查所用的AUV(圖1b)長度為5.66m，直徑0.68m，重量1500kg，采用鋰電池供電，轉(zhuǎn)彎半徑約15m，最大下潛速度＞1m/s，最大航速為4.86kn， 在3.0kn航速下可連續(xù)作業(yè)24h，采用滑道式收放裝置。AUV采用PHINS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，集成的傳感器主要包括避碰聲吶、深度傳感器、姿態(tài)傳感器、應(yīng)急自救系統(tǒng)、水上水下通信設(shè)備和甲板控制系統(tǒng)。

AUV可搭載多種專業(yè)調(diào)查設(shè)備，本次調(diào)查用到的主要是多波束測深儀和側(cè)掃聲吶(表1)。

表1 AUV搭載設(shè)備參數(shù)及相應(yīng)的調(diào)查成果Tab.1 AUV equipment parameters and corresponding investigation results

1.2 作業(yè)實施

在本次調(diào)查中，選取了水深介于300～500m的一段長度約為25km的海底管道，采用AUV進行調(diào)查。AUV測線布設(shè)在北側(cè)2條海底管道之間的位置，僅布設(shè)1條25km的測線就可以同時對3條海底管道實施調(diào)查，提高了作業(yè)效率(圖2)。

圖2 AUV作業(yè)測線布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of surveying line layout for AUV operation

2 調(diào)查成果

本次將AUV用于深水海底管道在位狀態(tài)調(diào)查是AUV在該領(lǐng)域內(nèi)的首次嘗試。在調(diào)查區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)有3條已建海底管道(圖3)，出于數(shù)據(jù)保密考慮，此處將已建海底管道分別命名為海管01、海管02和海管03(非真實海管名稱)，3條已建管道均為近東西方向延伸，水深值在300～500m之間，整體上由西向東逐漸變深。從區(qū)域地質(zhì)背景上來看，調(diào)查區(qū)屬于南海北部陸坡區(qū)的珊瑚礁-沙波斜坡帶亞區(qū)，區(qū)內(nèi)珊瑚礁和沙波交替分布[3]。調(diào)查區(qū)域西段地形地貌特征較為豐富，發(fā)現(xiàn)了硬質(zhì)海底、異常反射區(qū)、珊瑚礁、沙波區(qū)等，地形起伏較大，局部坡度＞20°，這些地形地貌特征都容易造成海管的沖刷、懸空等，對海管的安全運營存在較大的威脅，需要重點關(guān)注；東段相對而言水深變化較為平緩，除管道附近外，坡度均＜3°，地形地貌特征相對簡單，存在1處管道跨越，詳細(xì)特征如下：

① 地貌圖上發(fā)現(xiàn)了3條已建海底管道，且地貌資料上反射較為均勻，海管狀態(tài)良好(圖3a)，1處管道跨越，3條海管均進行了跨越處理(圖3b)；

② 1處片狀展布的異常反射區(qū)，在地貌資料上呈強反射，在水深資料上體現(xiàn)為局部的凸起，推測可能與半掩埋珊瑚礁有關(guān)(圖3c、3d)；

③ 1處帶狀分布的異常反射區(qū)，呈東北—西南方向延伸，在地貌資料上呈強反射，在水深資料上表現(xiàn)為局部的凸起(圖3e、3f)，推測與半掩埋的珊瑚礁有關(guān)；

④ 3處近似圓形的異常反射區(qū)，在地貌資料上呈強反射，在水深資料上體現(xiàn)為局部的凸起，推測為出露海底的珊瑚礁，這些珊瑚礁直徑介于26～27m，高出海底1.3～2.2m，其中2處異常反射位于已建管道旁(圖3g、3h)，需重點關(guān)注其不利影響；

⑤ 1處呈片狀展布的異常反射區(qū)，在地貌資料上呈強反射，在水深資料上體現(xiàn)為局部的凸起(圖3i、3j)，推測為硬質(zhì)海底區(qū)，可能與半掩埋的珊瑚礁有關(guān)；

⑥ 1處單個呈點狀的、整體呈串狀分布的珊瑚礁和幾個距離管道較近的珊瑚礁直徑介于9～12m，明顯高出海底，突出可達4.4m(圖3i、3j)；

⑦2處沙波區(qū)，分別命名為沙波區(qū)1和沙波區(qū)2，沙波區(qū)1分布范圍呈帶狀，沿西北—東南方向展布，波長15～20m，波高0.5～0.8m(圖3k、3l)，沙波區(qū)2內(nèi)部沙波形態(tài)大小不一，較小的沙波波長約20～25m，波高0.8～1.2m，較大的沙波波長40～50m，波高1.5～3.0m(圖3m、3n)。

圖3 AUV調(diào)查地貌和水深地形成果圖Fig.3 AUV survey topography and bathymetric topography results

3 討論

本次調(diào)查中，在深水段發(fā)現(xiàn)了多種可能影響到海底管道正常運營的地形地貌，概括起來可以大致分成4類：異常反射區(qū)、珊瑚礁、沙波區(qū)和管道跨越處理(圖4)，這些環(huán)境因素對海底管道的安全運營存在很大的威脅，需重點關(guān)注。

圖4 AUV調(diào)查成果示意圖Fig.4 Schematic diagram of AUV survey results

珊瑚礁質(zhì)地較堅硬，礁面起伏不平，常會導(dǎo)致管道被磨損或懸空，危害海底管道的正常運營。淺掩埋的珊瑚礁對海底管道的破壞主要是磨損作用，與出露的古珊瑚礁相比，其危害性較弱。出露的或高出海底的珊瑚礁較易形成海底陡坎和珊瑚礁脊等，地形變化大，對海底管道的正常運營構(gòu)成了很大的障礙。

海床運動、地質(zhì)不穩(wěn)定等因素可能會造成海底管道出現(xiàn)裂縫甚至斷裂[4]，在水動力的長期作用下，沙波具有很強的活動性，可造成管道的懸跨、懸空等[5]，這些非常不利于海底管道的正常運營。

此外，先前較為完好的人工跨越處理也很容易在底流或其他因素影響下出現(xiàn)損毀現(xiàn)象，這些都可能造成海管出露、懸空或更嚴(yán)重的出現(xiàn)彎折等。因此，在關(guān)注海管本身狀態(tài)的同時還需要對其周邊地形地貌特征加以持續(xù)關(guān)注，以最大限度降低風(fēng)險。

在深水海洋工程物探調(diào)查中，AUV開始扮演著越來越重要的角色，本文中AUV的首次成功實踐更加證明了這一點，其可以作為深水海底管道在位狀態(tài)調(diào)查的一個重要手段，也為深水海底管道調(diào)查增加了更多選擇性。隨著油氣勘探開發(fā)不斷向深水邁進，今后將會鋪設(shè)越來越多的深水海底管道，深水海底管道的鋪設(shè)、運營等都離不開這些調(diào)查工作，相信未來AUV將會在這個領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

4 總 結(jié)

①本次是將AUV應(yīng)用于深水海底管道在位狀態(tài)調(diào)查的首次成功實踐。

②AUV具有水下高度自治、機動性好、更接近海底、受調(diào)查船噪音影響小、姿態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)勢，可獲得高質(zhì)量、高數(shù)據(jù)密度、高精度的調(diào)查數(shù)據(jù)資料，在成果資料精細(xì)度方面擁有明顯的優(yōu)勢，是深水區(qū)域進行海洋工程勘察的重要手段。

③本次調(diào)查中，在深水段發(fā)現(xiàn)了豐富多樣的可能影響到海底管道正常運營的地形地貌，概括起來可以大致分成4類：異常反射區(qū)、珊瑚礁、沙波區(qū)和管道跨越處理，這些都對海底管道的安全運營存在很大的威脅，需重點關(guān)注。