MS1000旋轉掃描聲納系統在近平臺區域海底管纜及地貌調查中的應用

李軍

(中海油田服務股份有限公司物探事業部,天津 300451)

MS1000旋轉掃描聲納系統
在近平臺區域海底管纜及地貌調查中的應用

李軍

(中海油田服務股份有限公司物探事業部,天津 300451)

利用MS1000高精度旋轉掃描聲納系統在渤海海域平臺上或近平臺區域進行海底管道電纜及地貌調查,可以有效的獲得近平臺區域的海底管道電纜精確位置、障礙物大小和分布情況以及周邊地貌情況。本文深入討論旋轉掃描聲納系統在近平臺區域海底管道電纜及地貌調查的方法、技術特點及技術優勢,有效的解決了海上近平臺區域海底管道電纜和地貌調查較難實現的困難。為以后近平臺區域海底管道電纜及地貌調查提供了指導、參考及借鑒。

旋轉掃描聲納系統 平臺位置復測 海底管道電纜及地貌調查

1 引言

近年來，海上平臺設施越來越多，油田開發及油田區綜合調整項目也愈演愈烈。但平臺周邊海底管纜分布密集、有的平臺附近海底管纜甚至錯綜復雜。所以準確地確定平臺周邊海底管纜的位置和海底地貌信息對油田綜合調整實施的設計、施工中鉆井船就位和日常運營維護具有重大意義[1]。

圖1 MS1000掃描聲吶系統組成及連接方式圖

近平臺區域海底管纜和地貌調查，因距平臺較近，用常規船舶拖曳式物探調查難以實現。以往較長用的方法為潛水探摸調查和水下機器人調查。主要工作形式為潛水員或水下機器人，結合水面差分定位系統和水下定位系統綜合定位方式，實現對平臺附近管纜位置狀態及地貌的調查。常規的平臺附近海底管纜及地貌潛水探摸或水下機器人調查方式，不僅成本高昂、風險系數高，且作業效率低、受海況、天氣影響很大，開發其他有效調查手段迫在眉睫。

考慮到近平臺區域常規的潛水探摸或水下機器人調查方式效率低、風險大、成本昂貴，許多科研機構、院所和勘察單位都在研究新的設備和技術應用以改進常規的近平臺區域管纜和地貌調查方法[2]。本文探尋了一種高精度適用于海上近平臺區域海底管纜和地貌調查的應用系統及解釋方案，可以替代常規的潛水探摸調查或大幅度減少潛水探摸調查范圍，大大減小了作業風險，有效的提高了工作效率，降低了生產成本，拓展了近平臺區域海底管纜和地貌調查的手段。

2 MS1000旋轉掃描聲納系統

2.1 MS1000旋轉掃描聲吶系統簡介

MS1000掃描聲吶為Kongsberg公司產品，其被公認為全球頂尖水平的水下成像聲吶。MS1000掃描聲吶產品以高精度、高分辨率處理系統著稱。

MS1000旋轉掃描聲吶軟件處理程序通過一個多功能的甲板處理單元直接傳輸給PC機，不需要任何其他的插件和硬件。甲板處理單元的設計符合ISO標準，確保其可靠性且符合相關法律、法規要求。MS1000系統是一個基于Windows的應用程序，它可以配置成通過標準遙測行業協議的完整數字通信產品，由掃描聲吶、高度計和深度傳感器組成。

圖2 MS1000旋轉掃描聲納調查原始圖片

表1 MS1000掃描聲吶系統工作參數

圖3 PL19-3WHPM平臺東北側影像(30米半徑)

圖4 PL19-3WHPM平臺西北側影像(50米半徑)

2.2 MS1000旋轉掃描聲吶系統組成

MS1000旋轉掃描聲吶系統由裝有MS1000操作軟件的電腦、軟件狗、甲板單元、聲吶探頭、USB連接線、通訊電纜和裝有高分辨率單波速掃描聲吶的三腳架組成。系統具體組成及連接方式見下圖1。

2.3 MS1000旋轉掃描聲吶系統參數及主要功能

2.3.1 MS1000旋轉掃描聲吶系統工作參數

MS1000旋轉掃描聲吶系統工作參數見表1。

2.3.2 MS1000旋轉掃描聲吶系統主要功能

MS1000旋轉掃描聲吶系統主要功能包括：所有的聲納和傳感器時間標記記錄可以存儲在電腦硬盤或外部存儲設備;先進的目標測量和注釋工具;航跡標繪模塊允許用戶進行目標和調查側線前繪，用于聲吶調查目標物參考;多探頭同步聲脈沖發射，數據融合展示雙重斷面;輸出掃描生成的Tiff格式圖像。

3 近平臺區域海底管纜及地貌調查工作方法實施

3.1 平臺復測

進行掃描聲納進行海底地貌調查前需對平臺的位置進行精確測量。為了獲得高精度的平臺位置數據，對平臺位置測量需使用DGPS定位系統。一般使用Starfix.DGPS定位系統和MultiFix 6處理系統。利用StarFix無線電數據連續所獲得的差分數據去修正GPS接收機獲取的原始GPS數據，差分數據由單獨的StarFix天線接收。原始的定位數據和差分改正數據傳輸到裝有Starfix.seis導航定位軟件工作站進行處理，從而得到高精度的定位數據。

定位人員在平臺上比較開闊無遮擋地方，選取3點以上分別架設DGPS接收機，采用靜態觀測方法，連續采集1小時的數據，剔除跳點，通過Starfix.DGPS和MultiFix 6處理系統獲取該點高精度定位數據。

平臺艏向可以通過觀測太陽高度角獲得。在上甲板的開闊地方架設全站儀，通過連續對太陽高度角的觀測，然后對原始觀測值進行一系列的后處理，最終獲得平臺方位或艏向。

基于DGPS觀測點的高精度觀測數據，實測的平臺艏向以及上甲板的實際尺寸，計算得出上甲板所有拐點點、樁腿及關鍵點的坐標。根據平臺導管架泥面層的的完工布置圖并結合歷史資料，我們可以計算出所有樁腿的入泥點坐標。此坐標作為掃描聲吶資料解釋的重要參考依據。

3.2 MS1000旋轉掃描聲納調查

根據提供的管纜分布圖或根據要求調查的地貌區域，選擇需要進行掃描聲納調查平臺的側面。并按照以下步驟進行掃描聲納調查。

(1)連接高分辨率的單波束掃描聲納探頭與甲板單元、控制單元之間通訊電纜;

(2)打開PC機里面的MS1000操作軟件，測試MS1000旋轉掃描聲納是否工作正常;

(3)安裝MS1000聲納探頭三角支架;

圖5 PL19-3WHPM平臺周圍海底地貌特征(75m半徑)

圖6 PL19-3WHPM平臺周圍海底地貌特征(50m半徑)

(4)在平流期間前后或流速較小時，將帶有鋼絲繩的電纜緩慢向下釋放支架，直到將支架釋放到海底，然后把甲板上的鋼絲繩和電纜固定好;

(5)開機對海底地貌進行數據采集，掃描半徑依次設置為10m、20m、30m、40m、50m、75m、100m，分別進行數據記錄和保存圖像資料;

(6)地貌資料采集完畢，關閉設備，作業人員將MS1000聲納探頭從海底收回;

(7)根據要求，轉換需要進行地貌調查的平臺側面，重復a-f，直至整個掃描聲納調查完成，調查保存的原始圖片見下圖2。

3.3 MS1000旋轉掃描聲納資料解釋

3.3.1 平臺位置確定

根據平臺復測的位置數據結合平臺各層甲板尺寸布置圖(包含水下導管架入泥部分)和平臺艏向，繪制出平臺平面位置圖。

3.3.2 掃描聲納資料參考點選取

通常選取掃描聲納影像較明顯的特征點，近平臺區域一般選取掃描聲納影像中導管架樁腿對應的影像特征點。根據所獲得聲納影像，找到2個以上的較明顯樁腿特征點作為參考點。

3.3.3 確定縮放比例尺

根據平臺復測的位置，量取導管架樁腿入泥處的兩樁腿點間的距離。將從MS1000保存的圖片導入AutoCAD中，從圖像上判讀出導管架位置，并量取導管架間距離R，通過圖像上選取導管架所對應的實際導管架間的距離R0，這樣就得到圖像的縮放比例因子：

3.3.4 資料判讀

根據圖像的成像特征，對影響進行解釋和判讀[3]。確定圖像物體特征，例如：裸露的海底管道、裸露海底電纜、管纜壓塊、海底障礙物等。

基于DGPS定位系統的使用和批準安裝后的平臺的布置圖，近平臺區域的解釋成果精度在1.0m以內(距平臺50m范圍內)。由于掃描聲納半徑的增大，分辨率相對較低些，遠平臺區域的解釋成果的精度在3.0m以內(距平臺50-100m范圍)。如插圖4。

4 工程應用實例

4.1 工程簡介

鉆井船需要在PL19-3WHPM平臺附近就位，需要探明PL19-3WHPM平臺附近的管道、電纜位置以及盡可能探明區域內的管纜壓塊、海底障礙物以及工業垃圾位置情況，為鉆井船就位及鉆井提供可靠的資料[4]。

4.2 MS1000旋轉掃描聲納調查

通過使用MS1000旋轉掃描聲納對PL19-3WHPM平臺的東北側和西北側進行掃描聲納調查，獲得了PL19-3WHPM平臺附近的管道電纜位置及障礙物分布情況，見圖3，PL19-3WHPM平臺東北側聲納影像資料和圖4，PL19-3WHPM平臺西北側掃描聲納影像資料。

4.3 MS1000旋轉掃描聲納資料解釋

從掃描聲納影像資料上看，可以較容易得到PL19-3WHPM平臺附近的管纜位置和地貌情況。資料解釋過程中可以清楚看出有一條部分被掩埋或有壓塊的海底電纜、兩條部分被埋藏或有壓塊的海底管道、及若干樁腿坑、線形障礙物等[5]。解釋資料見圖5，PL19-3WHPM平臺東北側海底地貌特征圖及圖6，PL19-3WHPM平臺西北側海底地貌特征圖。

5 結語

目前，海上平臺設施越來越多，其周邊海底管纜分布密集，有的平臺海底管纜甚至錯綜復雜。所以準確地確定平臺周圍海底管纜的位置、狀態和地貌等信息對油田綜合調整實施的設計、施工和日常運營維護具有重大意義[6]。特別是新鋪海底管纜、鉆井船就位時中需要查明近平臺區現役的海底管纜位置、海底地貌情況，以及海洋地質環境中可能的危害或工程作業中重要的影響因素[7]，例如海底障礙物、裸露的管道及電纜等。

運用MS1000旋轉掃描聲納系統有效的解決了近平臺區域海底管纜和地貌情況較難調查的情況。相對常規的潛水探摸和水下機器人調查，降低了作業風險，大大節約了作業成本，作業效率大大提高，為鉆井船就位節省了大量時間，并提供可靠的資料。

[1]李強,于汀.應用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[J].2013年中國海洋工程技術年會論文集,2013-11：77-80.

[2]付傳寶,葉家瑋,劉愉強,鐘穗東.掃描聲納探測橋墩水下結構的方法與實例分析[J].廣東公路交通,2006(04)：43-48.

[3]王彪.聲納圖像的處理及目標識別技術研究[D].西北師范大學,2005：18-22.

[4]劉極莉,王佐強,劉楚.海底管道沖刷及自由懸跨處理方法評估[A].第十五屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集(上)[C].2011：35-36[5]張小平.高分辨率多波速成像聲納關鍵技術研究.哈爾濱工程大學博士學位論文[J].2005.

[6]Nadim F.Challenges to Geo-scientists in Risk Assessment for Sub-marine Slides[J].Norwegian Journal of Geology.2006：24-33.

[7]Hawkins R A,Markus A.New Developments in Offshore Geotechnical Investigation[J].Offshore Site Investi-gation and Foundation Behaviour.1998：8-15.

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李軍(1985—),男,安徽蚌埠人,本科,工程師,主要從事海洋工程勘察方面工作。