多波束貼近探測在海管懸空病害治理中的應用

楊 陽

（中海輝固地學服務（深圳）有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

作為海洋石油生產的生命線，輸送油、氣、水等的海底管道具有效率高，輸送量大，成本低等特點。由于海底管道所處的環境惡劣，受到海洋波浪、海流沖刷、潮流和海床沉積物等因素影響，海底管道出現裸露甚至懸空的賦存狀態，不同程度地威脅著海洋油氣的安全生產［1］。因此，對懸空海底管道的治理顯得尤為重要。目前，在淺海海底管道懸空、裸露病害探測方面，船載側掃聲吶系統、淺地層剖面系統以及多波束系統應用較為廣泛［2-5］。其中，船載側掃聲吶系統具有探測范圍大的特點，多用于海底大范圍二維地貌測繪；船載多波束系統，通過大量波束點，測量水深點云，形成三維水深點云，能夠完成海床地形地貌的探測，以上兩種方法受海浪、潮涌、船舶噪音等因素影響，存在精細化程度不足的弊端。船載淺地層剖面系統，通過低頻聲波穿透海床，能夠完成淺地層結構構造探測和海底管道探測，在海底管道探測時，以一定間隔垂直于管道走向探測，存在效率低下和探測不完整的弊端。采用水下機器人（remotely operated vehicle，ROV）裝載多波束測深儀探測裝備，能夠近距離貼近海底管道，不受海面環境影響，在探測管道方面具有探測精度高、數據質量好、作業效率高、成本低等特點［6-7］。多波束測深儀的三維測深圖能夠直觀展示管道賦存狀態。在海底管道治理探測方面能夠量化真實地反映管道賦存狀態，懸空管道治理后拋石范圍的大小、拋石增厚值等指標，完整展示管道懸空治理的拋石效果。

1 系統構成及原理

1.1 探測系統

基于水下機器人搭載的多波束探測系統，主要包括水下機器人操作系統，多波束測深儀探測系統以及多種輔助設備。水下機器人操作系統包括：水下潛器、釋放A 架和控制柜。多波束測深儀系統包括：多波束換能器、控制單元和多波束采集軟件。輔助設備主要有差分全球導航衛星系統（differential global navigation satellite system，DGNSS）、深度計、高度計、聲速剖面儀、表面聲速儀以及超短基線水下定位系統（ultra short base line，USBL）（圖1）。

圖1 ROV懸空管道探測系統示意圖

1.2 技術原理

采用重型工作級水下機器人作為運動載體，搭載多波束探測設備及相關輔助設備，進行探測作業。水下潛器上安裝USBL 信標，信標通過聲學定位技術，測量水下潛器信標與船載USBL 換能器的相對位置關系；安裝深度計，測量海水面至深度計的水壓，計算深度；安裝高度計，通過聲學單波束，測量海床與高度計的距離；安裝聲速剖面儀，聲速剖面儀上設計有固定距離的發射聲源和反射器，海水中聲源發射聲波經反射器反射后被接收，由往返程時間，計算海水中聲波的傳輸速度；安裝多波束換能器，通過聲學多波束，測量每個波束反射回來的聲波，計算水深數據，形成三維水深點云。多波束測深儀系統采用Norbit iWBMS 多波束，該款多波束采用內置姿態慣導傳感器和表面聲速儀，滿足多波束換能器的免校準。

2 作業過程及數據處理

2.1 作業過程

根據前期完成的管道檢測資料，40 m 以上懸空有3 處，管道直徑559 mm。作業船舶要求具有動力定位2級（dynamic positioning-2，DP-2），且擁有大面積的甲板，滿足存放拋石石塊和安裝吊機。探測測線，以實際管道路由為原則布設，為船舶和水下機器人提供運動路徑。作業所采用的坐標系為CGCS2000國家大地坐標系，以ITRF-97 參考框架為基準，參考歷元為2 000.0。投影方式為UTM 投影，中央子午線111°E，比例因子為0.999 6，原點緯度0°（赤道），假東500 000 m，假北0 m。高精度定位為船舶提供坐標位置進行導航，超短基線水下定位系統為水下機器人提供相對位置，通過位置Offsets，計算出水下機器人參考點的坐標位置進行導航。

測量過程中，多波束參數設置為波束開角120°，等角512 波束，工作頻率400 kHz，輸出頻率5 Hz。以實際管道路由為作業測線，水下機器人在測線正上方飛行。保持定高，以0.5 節勻速直線飛行。探測調查時，根據波束開角和水下機器人飛行高度，依據直角三角形函數計算波束的大致掃寬。當水下機器人飛行高度距離海床2 m時，平坦海床掃寬約7 m，計算公式為

式中，D為多波束掃寬；H為水下機器人飛行高度；θ為波束開角作業前，完成超短基線以及水下機器人羅經的校準，并將校準值輸入到系統。根據管道檢測資料，對懸空段進行拋石治理前的多波束探測，選取拋石治理點坐標位置。采用拋石袋進行拋石，水下機器人前視掃描聲吶指導拋石袋拋石［8］。拋石結束后，懸空段再進行拋石治理后多波束探測。量化拋石效果是否滿足拋石點基線范圍5 m×5 m，石堆頂距管頂距離取0.2 m，且寬滿足2 m。

2.2 數據處理

完成數據采集，采集的主要數據有深度數據、位置數據和多波束探測的水深數據等采用專業數據處理軟件進行處理，數據處理流程如圖2所示。量取各傳感器以及多波束換能器相對于水下機器人潛器某參考點（0，0，0）的三維相對距離補償值。測量得到的水面高精度位置數據，通過水下定位系統，定位出潛器上參考點的大地坐標，結合水下潛器的姿態補償及相對距離補償值反算各傳感器及多波束換能器的大地坐標。航跡編輯的目的是剔除水下定位導航時位置跳點或及測量時因位置丟失而進行重復測量的航跡。水下機器人以0.5 節的速度，定高飛行2 m，探測50 m 的距離需要約3.3 min，完全覆蓋該段懸空長度。水深數據的處理，因為測量時間較短，選取測量時刻的潮汐值作為水深值補償，潮汐值是以平均海平面為參考基準面獲取。利用深度數據結合水下機器人潛器的姿態變化及升沉補償反算海床至平均海平面的水深數據。波束篩選，0.5 m 為間隔篩選波束。水下機器人搭載多波束測量時會受到水流噪聲、波束散射等的影響，編輯剔除不規則噪點。以0.5 m的距離篩選波束，在數據處理軟件上進行海管編輯。以波束橫截面為視圖，處理海管周邊海床以及海管懸空起算高度。

圖2 多波束數據處理流程

3 懸空病害探測實例

本文以南海某氣田中心平臺至登陸端海管治理中的一個治理點為例，闡述多波束探測技術在海底管道懸空治理中的應用。該氣田中心平臺至登陸端水深變化較大，變化范圍約為0～70 m，治理點水深約42 m。海管外包裹水泥配重，直徑為559 mm。懸跨長度40 m 以上的管道為危險懸跨，必須進行懸空治理［8］。采用非連續性拋石治理海底管道懸空，治理點為該懸空段中心位置［9］。首先采用3 英寸的石塊進行拋石，拋石至懸空管道頂端，再用1英寸石塊充填拋石。

3.1 治理前管道的懸空探測

在拋石治理前，實施懸空段海底管道多波束探測。海底管道由中心平臺至登陸段走向約63°，治理懸空段水深約43 m，水流較大，海水渾濁，水下機器人視頻無法看清懸空管道。治理懸空起止點為Kp0+50.333 6～Kp0+50.374 9 km（Kp0 為登陸端管道起點），懸空長度為0.041 3 km，海管底端至海管正下方自然海床的最大高度為0.60 m，平均高度為0.47 m（圖3）。懸空管道沿走向方向，管道支撐起點，管道裸露部位較少，僅裸露了管道頂端位置，自然海床對該處的管道支撐很充足（Kp0+50.333 1）；管道支撐終點，管道裸露較多，管道周長1/4 裸露在海床上，該處的管道也為支撐狀態，支撐效果良好（Kp0+50.374 9）。該懸空段中間部位，探測波束呈不連續3段，圓形海管頂部，遮擋了探測聲波，使得管道下方沒有水深波束點（Kp0+50.354 3）。因為海流的沖刷作用，使得懸空管道下方出現了沖刷溝的現象［10-13］。在橫截面多波束中可以看出管道附近兩側波束向管道下方傾斜，管道正下方海床與海管不接觸，形成了U 形的海管管溝。管溝寬約2.55 m，深約0.69 m（圖4）。管溝的大小決定了拋石方量的多少以及拋3 英寸石塊和拋1 英寸石塊的比例。選取懸空段中間位置作為拋石治理點［14-15］，即Kp0+50.354 3。

圖3 治理前懸空管道縱剖面圖及管道橫截面圖

圖4 懸空海管正下方沖刷管溝（Kp0+50.3543）

3.2 治理后管道的懸空探測

拋石完成后，實施懸空段海底管道治理效果的多波束探測。多波束數據處理后，直觀量化治理效果見圖5～圖6，治理點為Kp0+50.353 0～Kp0+50.358 5，治理長度約7 m，寬約6 m。治理后，管道頂至拋石頂高等于0.2 m的地方有長5.398 m，最高0.346 m，平均0.223 m。治理段懸空管道存在的管溝完全被拋石充填，波束完全覆蓋在管道上方，因拋石棱角明顯，多波束探測波束出現不連續現象（Kp0+50.353 0），見圖6。結合橫截面波束量化的拋石寬度及拋石高度和縱截面海床與管道的相對關系，可以看出，治理效果完全滿足拋石要求。

圖5 治理后懸空管道橫截面圖（Kp0+50.3562）

圖6 治理后懸空管道縱截面圖及拋石起止橫截面圖

4 結束語

在海水能見度較低的海域，非連續性拋石治理懸空管道具有很大的隨機性，對懸空管道治理后的探測技術有很高的要求。既要滿足拋石治理要求，又要有治理后具有說服力的成果。采用水下機器人搭載多波束的方式，進行非連續性拋石懸空治理的探測技術，能夠使多波束探測系統近距離探測海底管道，作業時間短，效率高，免受海面海況的影響。具有精細化探測，高精度量化海底管道的懸空位置、高度及長度等特點。真實反映了拋石范圍、拋石距管頂高度及寬度等指標，完成懸空管道拋石治理作業。