LBL聲學(xué)定位技術(shù)在深水膨脹彎測(cè)量中的應(yīng)用

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

LBL聲學(xué)定位技術(shù)在深水膨脹彎測(cè)量中的應(yīng)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(wù)分公司，廣東 湛江 5240572.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

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

深水；長(zhǎng)基線；聲學(xué)定位；膨脹彎；精確測(cè)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(gè)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(yīng)力和應(yīng)變。膨脹彎和跨接管的水下精確測(cè)量、陸地準(zhǔn)確預(yù)制和水下法蘭對(duì)接安裝質(zhì)量是清管試壓順利進(jìn)行的基礎(chǔ)[1]。然而，對(duì)于300 m以深的海上油氣田來(lái)說(shuō)，采用傳統(tǒng)的飽和潛水員外加法蘭測(cè)量?jī)x的方式已經(jīng)無(wú)法得到預(yù)制膨脹彎和跨接管所需的數(shù)據(jù)，同時(shí)，由于海上施工船隊(duì)日費(fèi)率極高，如何在最短的時(shí)間內(nèi)完成2個(gè)對(duì)接法蘭之間相對(duì)空間位置和方位角的精確測(cè)量就顯得非常關(guān)鍵[2]。聲學(xué)定位系統(tǒng)是目前水下導(dǎo)航和定位的主要手段，根據(jù)聲學(xué)定位系統(tǒng)定位基線的長(zhǎng)度可以分為3種：長(zhǎng)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(huì)隨著深度的增加而降低，長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)由于其基線長(zhǎng)度是與水深相比擬的定位系統(tǒng)，定位原理可理解為通過(guò)時(shí)間測(cè)量得到距離而從解算目標(biāo)位置的定位系統(tǒng)[3]，因而其定位精度與水深無(wú)關(guān)，因此被廣泛應(yīng)用于深海作業(yè)中的很多領(lǐng)域[4]。

1 長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)定位原理

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)主要由導(dǎo)航控制單元、海底基陣(信標(biāo))、問(wèn)答傳感器和應(yīng)答器等組成[5]，并與高精度差分系統(tǒng)、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)和水下機(jī)器人等進(jìn)行配合工作。其中，導(dǎo)航控制單元用于傳輸控制信號(hào)并實(shí)時(shí)對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理；海底基陣需預(yù)先布置在海底，是坐標(biāo)推算的基點(diǎn)；問(wèn)答傳感器發(fā)送控制單元的命令并接收信息的反饋；應(yīng)答器對(duì)問(wèn)答傳感器發(fā)送的命令作出響應(yīng)[6]。

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)需要在海底布設(shè)3個(gè)以上的基點(diǎn)，以一定的幾何圖形組成的海底定位基陣，通過(guò)基陣校準(zhǔn)來(lái)確定基陣的幾何形狀及海底基陣各個(gè)基點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，被測(cè)目標(biāo)一般位于基陣之內(nèi)，然后通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物和基點(diǎn)之間的相對(duì)位置，進(jìn)而來(lái)確定目標(biāo)物的位置[7-8]。

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的測(cè)量精度主要由測(cè)距誤差和位置誤差引起。對(duì)于測(cè)距誤差，一是由系統(tǒng)測(cè)時(shí)誤差引起，屬于硬件系統(tǒng)誤差無(wú)法消除，此外就是多路徑效應(yīng)對(duì)時(shí)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(shí)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(cè)量聲速。對(duì)于位置誤差，實(shí)踐表明，其相對(duì)定位精度可以控制在5 cm以?xún)?nèi)，即間距誤差在10 cm以?xún)?nèi)，較傳統(tǒng)的法蘭測(cè)量?jī)x測(cè)量間距誤差20 cm有較大改善。

2 應(yīng)用

南海某氣田項(xiàng)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(zhǎng)基線水下定位和測(cè)量系統(tǒng)對(duì)2個(gè)法蘭之間的距離、方位角、豎向傾角和高差等進(jìn)行測(cè)量。

2.1 智能信標(biāo)的水下布設(shè)

由于應(yīng)答器的數(shù)量越多，目標(biāo)跟蹤解算的速度越快，精度越高，因此本項(xiàng)目在水下設(shè)計(jì)布設(shè)5個(gè)應(yīng)答器。需要注意的是，基陣的布設(shè)要完全包圍目標(biāo)物所在區(qū)域，同時(shí)，要保證所有應(yīng)答器之間可以相互通訊，基線長(zhǎng)度大致相等。作業(yè)前將5個(gè)智能信標(biāo)安裝在特制的架子上，將其布置在海底設(shè)計(jì)位置，見(jiàn)圖1?？紤]水流影響，在吊機(jī)鋼纜頭上安裝超短基線USBL信標(biāo)來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤信標(biāo)架子的位置。

圖1 智能信標(biāo)及其海底布設(shè)示意

2.2 智能信標(biāo)在法蘭側(cè)的安裝固定

在完成海管直管段的鋪設(shè)和水下管匯橇PLET的水下安裝后，為了精確測(cè)量出2個(gè)法蘭之間的相對(duì)空間位置和方位角，利用水下機(jī)器人ROV在海管和PLET法蘭上分別安裝和固定一個(gè)智能信標(biāo)固定支架，見(jiàn)圖2。

圖2 ROV水下安裝智能信標(biāo)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(gè)智能信標(biāo)都加載上艏向、姿態(tài)、深度和聲速感器等。信標(biāo)底座需使用牛眼水平儀保證底座水平。同時(shí)，需提前精確測(cè)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(zhǔn)和法蘭之間數(shù)據(jù)測(cè)量

為了給目標(biāo)物進(jìn)行定位作業(yè)，在布設(shè)完成海底基陣信標(biāo)后通常利用Sonardyne Fusion軟件對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，通常分3個(gè)步驟[10]：基線校準(zhǔn)、位置校準(zhǔn)和綜合解算?；€校準(zhǔn)和位置校準(zhǔn)，即確定信標(biāo)之間的相對(duì)位置和在大地坐標(biāo)中的絕對(duì)位置。相對(duì)位置的校準(zhǔn)是采集陣列中的所有基線長(zhǎng)度，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的條件方程法，并對(duì)其進(jìn)行平差解算。絕對(duì)位置的校準(zhǔn)是利用DGPS水面定位系統(tǒng)將大地坐標(biāo)傳遞到水下基陣，決定基陣的絕對(duì)位置，采用的數(shù)學(xué)模型為坐標(biāo)變動(dòng)法。結(jié)合位置校準(zhǔn)和基線校準(zhǔn)的結(jié)果，應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型為坐標(biāo)變動(dòng)法進(jìn)行綜合解算[11]，最終解算出各海底基陣信標(biāo)的絕對(duì)位置[12]。

為了能夠精確預(yù)制膨脹彎，利用長(zhǎng)基線聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量海管端和PLET端2個(gè)法蘭面的高差、斜距、姿態(tài)以及2個(gè)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(fù)多次精測(cè)，若有一次誤差超過(guò)一定范圍都需要重新測(cè)量。

圖3 2端法蘭相對(duì)關(guān)系示意

根據(jù)各個(gè)信標(biāo)之間的相對(duì)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(gè)法蘭的姿態(tài)，2個(gè)法蘭之間的方位角、高差、水平距離、斜距等參數(shù)，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1和圖4所示。

表1 2端法蘭測(cè)得的數(shù)據(jù) (°)

圖4 膨脹彎測(cè)量數(shù)據(jù)

3 膨脹彎的預(yù)制和水下安裝

根據(jù)膨脹彎的測(cè)量數(shù)量，對(duì)膨脹彎的路由和走向進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)膨脹彎的精確預(yù)制，除了降低長(zhǎng)基線水下測(cè)量的誤差外，還需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(yán)格控制膨脹彎各個(gè)焊口的焊接精度。

膨脹彎預(yù)制完成之后，利用吊索具將其下放入水，見(jiàn)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(duì)螺栓進(jìn)行均勻加力直至達(dá)到設(shè)計(jì)扭矩值。

4 結(jié)論

在南海某氣田項(xiàng)目所在淺水區(qū)域采用長(zhǎng)基線聲學(xué)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(xiàng)技術(shù)測(cè)得海管直管段和水下管匯橇法蘭之間的相對(duì)空間位置和方位角等數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)8 in膨脹彎的精確預(yù)制并實(shí)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(zhǎng)基線定位技術(shù)在深水膨脹彎和跨接管測(cè)量和安裝中的作用，結(jié)合本項(xiàng)目在實(shí)踐當(dāng)中的技術(shù)摸索和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，建議在今后的工作中重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)。

1)與傳統(tǒng)潛水員采用法蘭測(cè)量?jī)x進(jìn)行水下測(cè)量相比，雖然長(zhǎng)基線定位技術(shù)克服了水深的限制，測(cè)量精度也更高，但其測(cè)量精度同樣受到測(cè)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(diǎn)。

2)為了獲得更準(zhǔn)確的膨脹彎預(yù)制數(shù)據(jù)，海管和水下結(jié)構(gòu)物法蘭側(cè)智能信標(biāo)固定支架的設(shè)計(jì)和相對(duì)位置的測(cè)量精度尤為關(guān)鍵。

3)由于存在多種基陣信標(biāo)校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，建議選擇不同校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比分析，從而選擇最優(yōu)的校準(zhǔn)方法。

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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(xiàng)目管理