測深儀在海上鉆井平臺上的應用

李苗苗

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著海洋能源開發(fā)的不斷深入發(fā)展，海上鉆井平臺作業(yè)區(qū)域由淺水區(qū)不斷向深水區(qū)延伸。測深儀可有效實現海上鉆井平臺的海域勘測和深度測量等功能。本文結合相關規(guī)范要求，對測深儀在海上鉆井平臺上的安裝要求及應用情況進行介紹。

1 海上鉆井平臺

海上鉆井平臺是指在海上實施鉆井作業(yè)的設施或裝置，其鉆井系統、輔助設備和生活設施均集中在作業(yè)平臺上。由于不同區(qū)域的海水深度和海況差別很大，其使用的鉆井平臺的類型也各有不同。迄今為止，海上移動鉆井平臺主要包括自升式平臺、半潛式平臺、深海鉆井船等類型，開采和勘探深度分別達到2 000 m和3 000 m。海上鉆井平臺需要特別重視安全因素，一方面是因為平臺設備需要在惡劣海況下持續(xù)穩(wěn)定運行；另一方面是因為作業(yè)過程中存在油氣等易燃物擴散和爆炸的可能性。實時監(jiān)控平臺和所處環(huán)境的各項參數，對于保障海上鉆井平臺運行環(huán)境安全可控，提高作業(yè)人員的安全性非常重要。

2 聲吶系統

聲吶是利用聲波在水中傳播速度快、衰減小的物理特性對水中目標進行搜索、定位、識別和跟蹤的技術裝備。依據是否主動發(fā)出聲波信號，可將聲吶分為主動式聲吶和被動式聲吶。在船舶與海洋工程領域，聲吶常用于回聲測量系統、聲音導航系統和聲吶定位系統。聲吶系統的應用和完善，為海上鉆井平臺在惡劣海洋環(huán)境中的作業(yè)提供安全保障。本文對回聲測量系統及測深儀裝置在海上鉆井平臺上的應用進行介紹。

3 回聲測量系統

3.1 聲波原理

發(fā)聲體的振動在空氣或其他物質中的傳播叫做聲波。聲波借助各種介質向四面八方傳播。聲波是一種縱波，是彈性介質中傳播著的壓力振動，這種壓力振動每秒鐘完成振動的次數稱為聲波的頻率，頻率單位為赫茲（Hz）。次聲波指頻率低于 20 Hz的聲波，此類聲波無法通過人的聽覺進行辨別；可聞聲波指頻率在20 Hz～20 kHz范圍內的聲波，人耳可以直接聽到；超聲波指頻率高于20 Hz的聲波，此類聲波也無法通過人的聽覺進行辨別，超聲波在聲吶系統中的應用最為廣泛。通常情況下，回聲測深儀的聲波頻率在20 kHz～200 kHz范圍內。聲波在水中的標準傳播速度為1 500 m/s，水中聲速會受到溫度、介質、海底環(huán)境、噪聲等外界因素的影響，在計算船舶或平臺的高度時需要考慮計算偏差或進行計算參數補償。

3.2 回聲測深儀

回聲測深儀是一種利用聲波在水中反射進行深度測量的設備，也是目前應用最為廣泛的一種測量水深的水聲導航儀器?；芈暅y深儀的換能器安裝在船舶或鉆井平臺的底部，發(fā)射換能器垂直向下方海底發(fā)射聲波，接收換能器接收海底反射的聲波，經過信號處理、系統計算等操作完成對海底深度的測定。若發(fā)射換能器與接收換能器為同一單元時，聲波發(fā)射與接收的時間差與聲速乘積的一半即為船舶或鉆井平臺底部距離海底的大致高度，精確的測量數據需要通過處理單元計算得出。

回聲測深儀系統原理圖見圖1，回聲測深儀主要由以下6個部分組成：

圖1 回聲測深儀系統原理圖

1）顯示單元。作為測深儀系統的終端設備，顯示單元可實時顯示測量結果，還可作為操作站對整個系統發(fā)布指令。

2）發(fā)射系統。發(fā)射系統按照顯示單元發(fā)出的指令要求輸出電能脈沖信號至換能器，輸出信號為模擬量的電信號。

3）發(fā)射換能器。發(fā)射換能器安裝在船舶或鉆井平臺底部，可將模擬量電信號轉換為聲波信號，并將信號發(fā)射到海底。

4）接收換能器。接收換能器安裝在船舶或鉆井平臺底部，可接收海底反射回來的聲波信號，并將其轉換為模擬量電信號傳遞至接收系統。

5）接收系統。接收系統負責處理來自接收換能器的模擬量信號，對其重新編碼并轉換為顯示單元所需的數字量信號，最后將數字量信號發(fā)送至系統顯示單元。此外，接收系統還可將信號發(fā)送至其他系統，如衛(wèi)星導航系統、航行數據記錄儀及電子海圖系統等。

6）電源設備。電源設備為機器內部的電源模塊，具有過載保護等必要的保護功能，用來連接外部電源。

回聲測深儀需要滿足以下5點主要技術指標：

1）設備生產標準要滿足相關法規(guī)和規(guī)范的要求。

2）測深范圍要滿足項目作業(yè)水深的要求。

3）測深精度范圍要滿足項目作業(yè)的需求。

4）工作頻率、最大發(fā)射功率等參數要滿足使用要求。

5）回聲測深儀要滿足《關于回聲測深設備性能標準的建議案》的相關要求。

4 測深儀在海上鉆井平臺上的應用

1）作業(yè)海域的海底地貌探測

在早期評估階段，海洋工程油氣勘探項目需要利用回聲測深儀對作業(yè)區(qū)域的水深、海底地形與地貌等數據進行精確測量，并以此作為鉆井平臺主要設備選型的理論依據。鉆井平臺對工作海域的作業(yè)水深的要求非常嚴格，若不滿足作業(yè)水深的要求，員工的生命安全和鉆井平臺的性能都會受到重大威脅。因此，通過測深儀對水深高度進行實時監(jiān)測是必不可少的。

2）計算樁腿入泥深度

在將自升式鉆井平臺托運到預定井位后，下降樁腿，使其插入海底泥土中。當海底泥土對樁腿的阻力等于或超過壓樁載荷時，樁腿靜止。自升式鉆井平臺將樁腿末端的樁靴完整插入海底，以最大壓載能力進行壓載固定，進而實現平臺的穩(wěn)定定位。在此過程中，使用回聲測深儀輔助計算鉆井平臺離開水面時的樁腿入泥深度。

在鉆井船上安裝測深儀可有效提高鉆井船在航行或漂浮狀態(tài)下的安全性。頂驅、隔水管、潛水泵、動力定位裝置等重要的鉆井設備對水深和波動具有嚴格要求。為保證平臺的可靠運行，要實時精確掌握作業(yè)水深，并以此作為其他各項系統選型設計的依據。

5 相關法規(guī)和規(guī)范要求

測深儀在鉆井平臺應用需要滿足以下要求：

1）需滿足掛旗國法規(guī)的相關要求。

2）需滿足船級社規(guī)范的相關要求。

3）需滿足項目建造技術規(guī)格書的相關要求。

4）需滿足《國際海上人命安全公約》（，SOLAS）的相關要求。

6 安裝要求

換能器是精密的前端信號傳感器。在運輸和安裝的過程中應注意小心處理，避免發(fā)生重壓、跌落等事故。換能器應避免裸露在空氣，且應做好表面防護，不能附有油漆或其他物質。換能器的安裝、運輸等作業(yè)需要在廠家工程師的指導下完成，或者嚴格按照廠家的安裝指導文件進行操作。

換能器至主甲板之間的電纜應盡量敷設在不銹鋼材質的電纜管內。測深儀機殼、連接電纜及電纜管均需要進行有效接地。根據IEC 61892-2: 2012標準的相關要求，任何可能帶電的金屬部件均需要接地。若使用鎧裝電纜，則電纜的鎧裝部分也需要進行有效接地。

換能器的安裝位置會直接影響實際測量效果，需要根據項目實際情況來確定換能器的安裝位置。換能器安裝示意圖見圖2，換能器需要安裝在鉆井平臺底部相對平坦的位置，并根據項目建造技術規(guī)格書來決定是否配置檢修閥門。閥門的規(guī)格、材質、尺寸等參數不僅需要滿足安裝位置和安全操作的要求，還應方便操作。

圖2 換能器安裝示意圖

某自升式鉆井平臺換能器的安裝位置見圖3。一般情況下，換能器安裝在距離艏部1/3～1/2的位置。為將推進器工作時對換能器產生的干擾降到最低，通常將換能器的安裝表面向艏部方向做適當傾斜。換能器軸線與船舶或鉆井平臺表面垂直線的夾角應限制在5°以內，以確保換能器軸線方向與水面保持垂直狀態(tài)。

圖3 某自升式鉆井平臺換能器安裝位置

鉆井平臺底部通常為壓載水艙，應設置獨立艙室用于布置回聲測深儀換能器，并提供必要的維修空間以滿足檢修的要求。此外，艙室內部需要提供必要的照明。

電源電纜的選型需要綜合考慮鉆井平臺的電源配置。由于鉆井平臺的電站相對獨立且容量相對較小，電纜選型時還要充分考慮電壓降及電網波動可能產生的影響。

系統各部分的布置需要綜合考慮鉆井平臺的環(huán)境參數。鉆井平臺對環(huán)境溫度的要求為 45 ℃，換能器安裝位置的防護等級要高于IP56，顯示單元的安裝位置和安裝方式要便于監(jiān)控和操作。

7 結論

測深儀的合理應用對保障海上鉆井平臺運行環(huán)境安全可控，提高作業(yè)人員的安全性非常重要，本文介紹了測深儀在海上鉆井平臺上的安裝要求及應用情況，可為測深儀在海上鉆井平臺的安裝和應用提供一定指導。