淺談MS1000在探測海底障礙物及管纜懸空中的應(yīng)用

尹繼紅

摘 要：海洋平臺在數(shù)十年的作業(yè)過程中，其周圍遺落了許多的雜物。這些海底障礙物的存在不僅影響后續(xù)的施工作業(yè)，而且可能造成底層海流的改變，影響平臺的基礎(chǔ)沖刷，掏空海底管纜，致使海管海纜懸空。MS1000掃描聲吶可以對海底障礙物及管纜高清成像，確定障礙物位置、大小、形態(tài)及管纜懸空的長度、高度，為后續(xù)作業(yè)提供強有力的支撐。

關(guān)鍵詞：海洋平臺;MS1000;海底障礙物;海管海纜懸空

中圖分類號：P756.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0139-02

0 引言

近年來海上平臺周圍廢棄的海底電纜、工程遺棄物越積越多，這些海底障礙物的存在對施工中鉆井船就位和日常運營維護(hù)帶來了不小的麻煩，而且可能造成底層海流的改變，影響平臺的基礎(chǔ)沖刷，掏空海底管纜，致使海管海纜懸空。考慮到常規(guī)的作業(yè)設(shè)備效率低、風(fēng)險大、成本高，本文結(jié)合渤海某些平臺附近已建海底管纜及障礙物的調(diào)查實例，介紹利用MS1000單波束機械式掃描聲吶探測平臺投影面積外延10米范圍內(nèi)海底障礙物位置、大小、形態(tài)及已建海底管纜懸空長度、高度等的原理和方法。探尋一種全覆蓋、高精度海洋平臺附近障礙物探測及海底管纜懸空治理的方法與應(yīng)用。

1 工作原理和性能參數(shù)

1.1 探測原理及系統(tǒng)組成

MS1000是挪威Kongsberg公司開發(fā)的一種高精度、高分辨率、小巧輕便的機械式掃描聲吶，該領(lǐng)域被公認(rèn)為世界領(lǐng)先。MS1000聲吶換能器以0.9°×30°波束角度發(fā)射聲脈沖，頻率為675kHz，當(dāng)聲波遇到物體或海底會反射回波，回波信號被聲吶接收后，根據(jù)信號時延和強度形成圖像。然后聲吶探頭以一定的角度步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，再次重復(fù)發(fā)射和接收過程。最后旋轉(zhuǎn)360°形成一幅完整的海底圖像[1]。見圖1、圖2所示。MS1000由水上水下兩部分組成。水上部分：操作軟件電腦，軟件狗，甲板單元，USB連接線。水下部分：聲吶探頭水下電纜、三腳架（保護(hù)探頭。）系統(tǒng)組成及連接見圖3所示。

1.2 功能應(yīng)用

（1）使用便捷，操作簡單，可實現(xiàn)人力施放或者ROV搭載;（2）在潛水員水下作業(yè)前，可以全面了解水下情況，避免潛在危險;可以協(xié)助潛水員水下作業(yè)，提高作業(yè)效率;（3）可以在掃測的圖像上進(jìn)行標(biāo)注，測量物體的大小、距離、方位;（4）掃測后的圖像可以進(jìn)行鑲嵌。

2 MS1000掃測作業(yè)

2.1 掃測站位布設(shè)

作業(yè)前，對平臺進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，選取合適的設(shè)備投放地點，主要掃測選點為平臺甲板的突出位置或空間寬敞的平臺角點、樓梯口、人行走道附近，選取合適的掃測半徑，需保證對測量區(qū)域全覆蓋。

2.2 掃測施放過程以及數(shù)據(jù)采集

掃描聲納的下放受潮流影響較大，因此，盡量選擇平流時間窗口進(jìn)行設(shè)備下放及測量工作。如圖4所示。待MS1000掃描聲納在海底穩(wěn)定后即進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，采集前先使用較快的速度進(jìn)行掃測，檢查圖像的重合度，當(dāng)重合度較好時表明儀器狀態(tài)較為穩(wěn)定。若重合度不佳，則需等待一段時間待其穩(wěn)定或通過適當(dāng)拉緊或放松受力繩使其穩(wěn)定，如若需要可適當(dāng)調(diào)整下放位置。

進(jìn)行重合度檢查且狀態(tài)良好后，即進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作，采集時將探頭轉(zhuǎn)速調(diào)至最低以獲得足夠且清晰的數(shù)據(jù)點。本次調(diào)查分別用三個掃測半徑進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集工作，分別為75m、50m及30m。采集記錄和存儲的圖片格式為TIFF，一個點位的數(shù)據(jù)采集結(jié)束后關(guān)閉設(shè)備，聲吶從海底回收至甲板。重復(fù)上述作業(yè)，逐點掃測，直至360。覆蓋整個平臺海床，調(diào)查結(jié)束[2]。

3 MS1000數(shù)據(jù)分析及處理

完成后需要進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，通過每一投放點采集數(shù)據(jù)的回放，判斷最優(yōu)質(zhì)量的數(shù)據(jù)，然后在CAD中進(jìn)行平臺的繪制作業(yè)，并確定平臺投影外延，一并繪制在CAD中。通過選取參考點，確定縮放比例，鑲嵌成圖，最終繪制海底障礙物分布圖。近平臺區(qū)域一般選取聲吶圖像中導(dǎo)管架平臺的樁腿作為參考點（圓臺沉箱組合式平臺以棧橋、靠船位置為參考點），以成像最清晰、特征最明顯的為佳。在CAD中通過每張聲納圖像中樁腿位置和平臺圖中樁腿位置，進(jìn)行圖像的旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，使圖像中樁腿與平臺樁腿完全吻合，至此鑲嵌成圖結(jié)束[3]。

在某平臺的實際掃測過程中，發(fā)現(xiàn)有線狀、塊狀障礙物、底質(zhì)異常區(qū)，線狀物可能包含的種類有：漁網(wǎng)、繩索、鋼絲纜、軟管、架子管、鋼管、鐵管、工字鋼、廢棄電纜、線纜托架、海管海纜等。塊狀物可能包含的種類有：鐵板、餐盤、鐵筐、水泥塊、沙袋、柜子、架子、架子板、梯子、廢料等。其中塊狀障礙物具有一定的高度（見圖5所示）。底質(zhì)異常區(qū)可能為：疑似水泥砂漿。（看起來像是散落的物料，有可能是鉆井船排出的水泥灰之類的東西。）

Y1障礙物實際高度（泥上部分）（見圖6所示），采用直角三角形等比例公式計算如：

得到h/H=L1/（L1+L2），L1投影長、L2探頭到障礙物距離可以在鑲嵌的成果圖直接量到;探頭距離海床的垂直高度H是已知的，近似等于探頭到地面的垂直高度（地面安裝時探頭位置已定）。

海管海纜懸空潛在危害大，油田運營方每年投入巨資治理懸空。傳統(tǒng)的船載地貌設(shè)備（雙頻旁掃聲吶、多波束、淺剖儀、磁力儀等）進(jìn)行物探調(diào)查，由于受已建平臺結(jié)構(gòu)的影響，作業(yè)無法全面覆蓋調(diào)查區(qū)域，尤其是近平臺段。MS1000在近平臺段的應(yīng)用，可以彌補船載地貌設(shè)備的不足，可以安全、高效、低成本的完成該區(qū)域海管海纜懸空探測。

4 結(jié)語

目前，渤海油田已建有150多座采油平臺、200多條海管。由于開發(fā)時間早，許多平臺已經(jīng)服役超過20年，其周圍（平臺投影外延10m）遺落的障礙物有的達(dá)10噸以上，因此及時對障礙物進(jìn)行處理，對油田生產(chǎn)經(jīng)營意義重大。海管海纜的懸空探測，為科學(xué)治理懸空提供了有效的影像、數(shù)據(jù)支持，有力的保證了海上油氣安全生產(chǎn)。運用MS1000聲吶掃描系統(tǒng)有效的解決了近平臺段海管海纜懸空調(diào)查、及平臺周圍海底地貌調(diào)查不能完全覆蓋的情況。為傳統(tǒng)船載物探調(diào)查之外，提供了一種全新的、安全的、有效的、低成本的調(diào)查方式。其應(yīng)用范圍會越來越廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 何萃干.淺談海洋平臺附近海底管纜及障礙物探測[J].中國科技信息，2014（15）：191-192.

[2] 李強，于汀，李家鋼，等.應(yīng)用MS1000掃描聲吶探測石油平臺附近海底管道位置的方法與實例分析[C].2013年中國海洋工程技術(shù)年會論文集，2013.

[3] 付傳寶，葉家瑋，劉愉強，鐘穗東.掃描聲吶探測橋墩水下結(jié)構(gòu)的方法與實例分析[J].廣東公路交通，2006（4）：43-45.