海洋油氣開發(fā)區(qū)在線監(jiān)測技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范

司念亭，李耀如，屈植，孫紅棟，張蒙蒙，尹維翰，陳生濤，顧艷鎮(zhèn)，宋鑫

[1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東青島 266033；3.浙江大學(xué)，杭州 310058；4.山東深海海洋科技有限公司，山東 煙臺 265500；5.自然資源部渤海生態(tài)預(yù)警與保護(hù)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266033]

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海上石油勘探開發(fā)規(guī)模急劇增加，海上交通運(yùn)輸日益繁忙，溢油事故也隨之頻繁發(fā)生。海洋溢油事故不但給海洋漁業(yè)、海水養(yǎng)殖業(yè)、濱海旅游業(yè)等海洋經(jīng)濟(jì)帶來負(fù)面影響，也造成海洋環(huán)境污染，使海洋生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)受到嚴(yán)重干擾，引起海洋生態(tài)系統(tǒng)異常變化，最終可能會影響到生態(tài)安全。同時(shí)，隨著公眾環(huán)保意識的增強(qiáng)，對海洋溢油等污染事件的關(guān)注度越來越高，這就對海洋溢油應(yīng)急監(jiān)測與處置提出了更高要求。

近年來發(fā)生的海洋溢油事故反映了我國在溢油預(yù)警監(jiān)測和應(yīng)急處置方面存在技術(shù)儲備不足、裝備落后、溢油預(yù)警監(jiān)測不及時(shí)、溢油點(diǎn)難以連續(xù)監(jiān)測、生態(tài)損害評估滯后等問題。因此，發(fā)展海洋油氣開發(fā)區(qū)在線監(jiān)測技術(shù)裝備是護(hù)航海洋油氣資源開發(fā)安全生產(chǎn)的迫切需求。中海石油（中國）有限公司天津分公司、國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心、浙江大學(xué)以及山東深海海洋科技有限公司組成了覆蓋海洋油氣區(qū)在線監(jiān)測技術(shù)研發(fā)及示范應(yīng)用全鏈條的產(chǎn)-學(xué)-研-用聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，圍繞海洋油氣開發(fā)區(qū)溢油預(yù)警監(jiān)測與事故應(yīng)急處置、海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的需求，通過建設(shè)一種海底有纜在線觀測系統(tǒng)，集成了視頻監(jiān)測、水質(zhì)多傳感器，研發(fā)了海底-海上平臺-陸地之間的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)/視頻穩(wěn)定傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)水下及海底溢油、環(huán)境要素的連續(xù)在線監(jiān)測，優(yōu)化了海洋生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估技術(shù)體系，綜合運(yùn)用溢油在線監(jiān)測和生態(tài)影響監(jiān)測數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)海洋溢油監(jiān)測技術(shù)存在的發(fā)現(xiàn)溢油不及時(shí)、溢油點(diǎn)難以連續(xù)監(jiān)測技術(shù)、生態(tài)損害評估滯后等問題。

1 研究背景

1.1 政策背景

為落實(shí)黨中央、國務(wù)院決策部署，系統(tǒng)科學(xué)推進(jìn)海洋生態(tài)保護(hù)工作，相關(guān)部委先后發(fā)布了多個(gè)重要文件，以推進(jìn)海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測能力和海洋重大突發(fā)事件應(yīng)急處置能力建設(shè)。

2016年1月，交通運(yùn)輸部會同國家發(fā)展改革委及相關(guān)單位編制了《國家重大海上溢油應(yīng)急能力建設(shè)規(guī)劃（2015—2020年）》（以下簡稱《規(guī)劃》），作為我國首個(gè)應(yīng)對重大海上溢油事故的國家級規(guī)劃，《規(guī)劃》首次將海洋石油勘探開發(fā)企業(yè)、社會清污公司等企業(yè)力量作為重大溢油應(yīng)急能力的重要組成部分納入國家統(tǒng)一規(guī)劃。2018年12月，生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委、自然資源部聯(lián)合印發(fā)的《渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》要求加強(qiáng)和提升環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急處置能力，在海洋生態(tài)災(zāi)害高發(fā)海域，建立災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、應(yīng)急處置及信息發(fā)布體系。2021年7月，自然資源部發(fā)布了《自然資源部辦公廳關(guān)于建立健全海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測體系的通知》和《全國海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測總體方案（2021—2025年）》，要求建立健全海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測體系，推進(jìn)海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效匯集和規(guī)范管理，全面提高監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)與共享效能。2022年2月，國務(wù)院印發(fā)的《“十四五”國家應(yīng)急體系規(guī)劃》指出，以防范化解重大安全風(fēng)險(xiǎn)為主線，深入推進(jìn)應(yīng)急管理體系和能力現(xiàn)代化，堅(jiān)決遏制重特大事故，最大限度降低災(zāi)害事故損失，全力保護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和維護(hù)社會穩(wěn)定，為建設(shè)更高水平的平安中國和全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國提供堅(jiān)實(shí)安全保障。

1.2 市場需求

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油氣資源需求持續(xù)增加。海洋溢油事故不但給海洋經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失，也嚴(yán)重威脅海洋生態(tài)安全。這就對管理部門的預(yù)警防控、污染處置、監(jiān)測評估等能力提出了更高要求。

傳統(tǒng)的海洋觀測主要是以調(diào)查船、潛標(biāo)和浮標(biāo)為主的海基觀測和以衛(wèi)星遙感、航空觀測為基礎(chǔ)的天基觀測。常規(guī)海面監(jiān)測措施無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)海面下幾十米甚至幾百米深的海底溢油，海面浮標(biāo)等傳統(tǒng)監(jiān)測手段難以確定海底溢油泄漏點(diǎn)；溢油發(fā)生后的傳統(tǒng)海洋調(diào)查只能評估某一狀態(tài)下的生態(tài)災(zāi)害受損程度，無法直觀展現(xiàn)整個(gè)溢油過程生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)情況，事故造成的海洋生態(tài)損害被顯著低估。

綜上所述，針對油氣開發(fā)區(qū)，研發(fā)易建設(shè)、易維護(hù)、經(jīng)濟(jì)適用，且能實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定、連續(xù)、實(shí)時(shí)、可視化在線監(jiān)測技術(shù)裝備，優(yōu)化海洋溢油環(huán)境損害鑒定評估技術(shù)體系，對海上溢油事故的預(yù)警監(jiān)測以及環(huán)境損害評估具有重要意義。

2 研究進(jìn)展

隨著海底觀測技術(shù)的發(fā)展，借助海底線纜為水下觀測儀器供電并傳輸觀測數(shù)據(jù)，海底有纜觀測真正實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境的原位、長期、連續(xù)、實(shí)時(shí)觀測，并繼地面/海面和天空之后成為地球觀測的第三個(gè)平臺。加拿大、日本、美國等國家均已建設(shè)大型有纜海底觀測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境的原位、長期、連續(xù)、實(shí)時(shí)觀測。我國海底觀測網(wǎng)起步較晚，已建成東海小衢山海底觀測系統(tǒng)、東海摘箬山海底觀測系統(tǒng)和南海海底觀測網(wǎng)。但目前的海底觀測網(wǎng)普遍存在建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用高昂、需要很多參與部門協(xié)調(diào)分工、管理復(fù)雜等問題[1，2]，無法滿足小區(qū)域、不同領(lǐng)域?qū)W科研究及海洋資源開發(fā)、污染防治、海洋災(zāi)害預(yù)警、海上突發(fā)事故應(yīng)急等社會服務(wù)的需求，觀測目標(biāo)較為單一，無法實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測，針對海洋溢油的在線監(jiān)測更是未成體系。

本項(xiàng)目立足于海洋油氣開發(fā)區(qū)溢油風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警防控能力提升工作需求，順應(yīng)立體化、多元化和實(shí)時(shí)化海洋科學(xué)觀測發(fā)展趨勢，研發(fā)了一種海底有纜在線觀測系統(tǒng)，攻克了實(shí)時(shí)在線觀測數(shù)據(jù)/視頻穩(wěn)定傳輸技術(shù)，構(gòu)建了海洋生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估技術(shù)體系，以解決當(dāng)前石油平臺溢油監(jiān)測存在的發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、泄漏點(diǎn)難定位、無法科學(xué)評估生態(tài)損害等問題，真正實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境及水下生物資源的“可視、可測、可控、可預(yù)警、可評估”。海底有纜在線觀測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

圖1 海底有纜在線觀測系統(tǒng)示意[3]

（1）海底觀測平臺框架采用316L 不銹鋼材料，設(shè)計(jì)不低于兩層結(jié)構(gòu)，具備防拖曳、防腐蝕、防傾斜、防淤泥、防生物附著、可改造處理等功能，具備傳感器獨(dú)立固定裝置、傳感器安裝擴(kuò)展空間，最大投放深度可達(dá)600m（該指標(biāo)值不包含觀測設(shè)備/傳感器）（見圖2）。

圖2 海底觀測子系統(tǒng)效果（a）和實(shí)物（b）[3]

（2）海底有纜觀測系統(tǒng)具備32 個(gè)儀器接口模塊，可接入國際通用流速剖面儀、多參數(shù)水質(zhì)傳感器、水下高清攝像頭和照明燈等儀器設(shè)備。

（3）岸基控制單元輸入電壓220V，可為海底觀測設(shè)備提供電壓300V、功率320W；電力信息傳輸線纜最大傳輸速率為6.3Mbps（3km 海纜），LTE 4G傳輸帶寬為10—200Mbps。

（4）創(chuàng)新集成模塊化機(jī)房、虛擬化服務(wù)器資源池和大屏幕投影系統(tǒng)，建成軟硬件集約集控的智能化數(shù)據(jù)中心，節(jié)約2/3 空間，節(jié)省30%系統(tǒng)總功耗。

3 主要技術(shù)創(chuàng)新

（1）基于坐底式海底觀測平臺，集成水下視頻、多水質(zhì)參數(shù)、縮微實(shí)驗(yàn)室等在線監(jiān)測技術(shù)，研發(fā)了水下防污損、防附著技術(shù)，綜合運(yùn)用海底電力信息傳輸、微波中繼、LTE4G 通信技術(shù)，解決水下-海上平臺-陸地之間多種環(huán)境下的遠(yuǎn)距離、高帶寬信息傳輸難題，實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境要素的海底原位在線觀測。

與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，系統(tǒng)在多元數(shù)據(jù)采集控制上采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線分布式集成、模塊化控制技術(shù)，可擴(kuò)展支持多達(dá)32 個(gè)水下儀器接口模塊，遠(yuǎn)多于國際觀測網(wǎng)以及我國東海、南海海底觀測網(wǎng)采用的接駁盒定制接口[4]。本項(xiàng)目依托海上油氣平臺放置岸基控制單元，將輸入電力轉(zhuǎn)化為300V 直流輸出，遠(yuǎn)低于美國MARS、加拿大NEPTUNE 等大型海底觀測網(wǎng)以及我國三亞海底觀測網(wǎng)的10kV 主干直流電壓[2，5，6]，極大降低了經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)施難度。

（2）基于水下視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)展了嵌入式水下溢油和生物識別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)溢油的早發(fā)現(xiàn)早識別和長期在線監(jiān)測，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)水下生物在線監(jiān)測。

與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，國際海底觀測網(wǎng)的水下主干線纜目前均為光電復(fù)合纜，存在電纜電力載波信號長距離傳輸衰減嚴(yán)重的問題。本項(xiàng)目優(yōu)化了電力載波信號調(diào)制處理算法，研制了通信調(diào)制模塊和電力信息混合傳輸模塊，有效抑制噪聲、降低誤碼率，從而提高信道傳輸效率及傳輸距離；采用的兩芯電纜同時(shí)承擔(dān)電力和觀測信息傳輸，在3km 距離上供電功率、信息傳輸帶寬速率分別可達(dá)320W、6.3Mbps，能有效滿足多元觀測數(shù)據(jù)及水下高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸需求。

（3）優(yōu)化了海洋溢油環(huán)境損害快速評估技術(shù)體系，綜合運(yùn)用溢油在線監(jiān)測和生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溢油影響范圍和損害程度的快速評估及生態(tài)損害量化。

與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，美國等發(fā)達(dá)國家用于司法索賠較多的溢油損害評估技術(shù)主要有自然資源損害評估和生境等價(jià)分析，較少使用溢油區(qū)域的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。很長時(shí)間以來，我國對溢油損害的評估主要集中在清污費(fèi)用、財(cái)產(chǎn)損失、漁業(yè)經(jīng)濟(jì)損失等方面。雖有學(xué)者提出了一種適用渤海海域的海洋溢油生態(tài)損害的快速預(yù)評估模式，但這種模式尚未形成完整的技術(shù)體系，難以實(shí)現(xiàn)對溢油環(huán)境損害的全面、客觀評估。

4 推廣應(yīng)用情況

項(xiàng)目成果成功應(yīng)用于中海油秦皇島32-6 等多個(gè)油田海洋生態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測工作，同時(shí)廣泛應(yīng)用于國家和地方自然資源/生態(tài)環(huán)境部門海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測業(yè)務(wù)化工作以及企業(yè)/社會團(tuán)體常態(tài)化環(huán)境保護(hù)管理工作等，顯著提高了我國海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測智能化、信息化水平。項(xiàng)目優(yōu)化的溢油環(huán)境損害鑒定評估技術(shù)先后在多起大型事故監(jiān)測評估中發(fā)揮了重要的技術(shù)支撐作用，為有關(guān)部門提供了智力支持和決策支撐。項(xiàng)目成果獲得發(fā)明專利3 項(xiàng)、實(shí)用新型專利11 項(xiàng)、軟件著作權(quán)2 項(xiàng)，發(fā)表SCI 論文1 篇、核心期刊論文8篇，形成技術(shù)規(guī)范3 項(xiàng)，獲得2013年度海洋科技成果二等獎(jiǎng)和2021年度山東省海洋與漁業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益總計(jì)超1 億元。