MS1000旋转扫描声纳系统在近平台区域海底管缆及地貌调查中的应用

李军

(中海油田服务股份有限公司物探事业部,天津 300451)

MS1000旋转扫描声纳系统
在近平台区域海底管缆及地貌调查中的应用

李军

(中海油田服务股份有限公司物探事业部,天津 300451)

利用MS1000高精度旋转扫描声纳系统在渤海海域平台上或近平台区域进行海底管道电缆及地貌调查,可以有效的获得近平台区域的海底管道电缆精确位置、障碍物大小和分布情况以及周边地貌情况。本文深入讨论旋转扫描声纳系统在近平台区域海底管道电缆及地貌调查的方法、技术特点及技术优势,有效的解决了海上近平台区域海底管道电缆和地貌调查较难实现的困难。为以后近平台区域海底管道电缆及地貌调查提供了指导、参考及借鉴。

旋转扫描声纳系统 平台位置复测 海底管道电缆及地貌调查

1 引言

近年来，海上平台设施越来越多，油田开发及油田区综合调整项目也愈演愈烈。但平台周边海底管缆分布密集、有的平台附近海底管缆甚至错综复杂。所以准确地确定平台周边海底管缆的位置和海底地貌信息对油田综合调整实施的设计、施工中钻井船就位和日常运营维护具有重大意义[1]。

图1 MS1000扫描声呐系统组成及连接方式图

近平台区域海底管缆和地貌调查，因距平台较近，用常规船舶拖曳式物探调查难以实现。以往较长用的方法为潜水探摸调查和水下机器人调查。主要工作形式为潜水员或水下机器人，结合水面差分定位系统和水下定位系统综合定位方式，实现对平台附近管缆位置状态及地貌的调查。常规的平台附近海底管缆及地貌潜水探摸或水下机器人调查方式，不仅成本高昂、风险系数高，且作业效率低、受海况、天气影响很大，开发其他有效调查手段迫在眉睫。

考虑到近平台区域常规的潜水探摸或水下机器人调查方式效率低、风险大、成本昂贵，许多科研机构、院所和勘察单位都在研究新的设备和技术应用以改进常规的近平台区域管缆和地貌调查方法[2]。本文探寻了一种高精度适用于海上近平台区域海底管缆和地貌调查的应用系统及解释方案，可以替代常规的潜水探摸调查或大幅度减少潜水探摸调查范围，大大减小了作业风险，有效的提高了工作效率，降低了生产成本，拓展了近平台区域海底管缆和地貌调查的手段。

2 MS1000旋转扫描声纳系统

2.1 MS1000旋转扫描声呐系统简介

MS1000扫描声呐为Kongsberg公司产品，其被公认为全球顶尖水平的水下成像声呐。MS1000扫描声呐产品以高精度、高分辨率处理系统著称。

MS1000旋转扫描声呐软件处理程序通过一个多功能的甲板处理单元直接传输给PC机，不需要任何其他的插件和硬件。甲板处理单元的设计符合ISO标准，确保其可靠性且符合相关法律、法规要求。MS1000系统是一个基于Windows的应用程序，它可以配置成通过标准遥测行业协议的完整数字通信产品，由扫描声呐、高度计和深度传感器组成。

图2 MS1000旋转扫描声纳调查原始图片

表1 MS1000扫描声呐系统工作参数

图3 PL19-3WHPM平台东北侧影像(30米半径)

图4 PL19-3WHPM平台西北侧影像(50米半径)

2.2 MS1000旋转扫描声呐系统组成

MS1000旋转扫描声呐系统由装有MS1000操作软件的电脑、软件狗、甲板单元、声呐探头、USB连接线、通讯电缆和装有高分辨率单波速扫描声呐的三脚架组成。系统具体组成及连接方式见下图1。

2.3 MS1000旋转扫描声呐系统参数及主要功能

2.3.1 MS1000旋转扫描声呐系统工作参数

MS1000旋转扫描声呐系统工作参数见表1。

2.3.2 MS1000旋转扫描声呐系统主要功能

MS1000旋转扫描声呐系统主要功能包括：所有的声纳和传感器时间标记记录可以存储在电脑硬盘或外部存储设备;先进的目标测量和注释工具;航迹标绘模块允许用户进行目标和调查侧线前绘，用于声呐调查目标物参考;多探头同步声脉冲发射，数据融合展示双重断面;输出扫描生成的Tiff格式图像。

3 近平台区域海底管缆及地貌调查工作方法实施

3.1 平台复测

进行扫描声纳进行海底地貌调查前需对平台的位置进行精确测量。为了获得高精度的平台位置数据，对平台位置测量需使用DGPS定位系统。一般使用Starfix.DGPS定位系统和MultiFix 6处理系统。利用StarFix无线电数据连续所获得的差分数据去修正GPS接收机获取的原始GPS数据，差分数据由单独的StarFix天线接收。原始的定位数据和差分改正数据传输到装有Starfix.seis导航定位软件工作站进行处理，从而得到高精度的定位数据。

定位人员在平台上比较开阔无遮挡地方，选取3点以上分别架设DGPS接收机，采用静态观测方法，连续采集1小时的数据，剔除跳点，通过Starfix.DGPS和MultiFix 6处理系统获取该点高精度定位数据。

平台艏向可以通过观测太阳高度角获得。在上甲板的开阔地方架设全站仪，通过连续对太阳高度角的观测，然后对原始观测值进行一系列的后处理，最终获得平台方位或艏向。

基于DGPS观测点的高精度观测数据，实测的平台艏向以及上甲板的实际尺寸，计算得出上甲板所有拐点点、桩腿及关键点的坐标。根据平台导管架泥面层的的完工布置图并结合历史资料，我们可以计算出所有桩腿的入泥点坐标。此坐标作为扫描声呐资料解释的重要参考依据。

3.2 MS1000旋转扫描声纳调查

根据提供的管缆分布图或根据要求调查的地貌区域，选择需要进行扫描声纳调查平台的侧面。并按照以下步骤进行扫描声纳调查。

(1)连接高分辨率的单波束扫描声纳探头与甲板单元、控制单元之间通讯电缆;

(2)打开PC机里面的MS1000操作软件，测试MS1000旋转扫描声纳是否工作正常;

(3)安装MS1000声纳探头三角支架;

图5 PL19-3WHPM平台周围海底地貌特征(75m半径)

图6 PL19-3WHPM平台周围海底地貌特征(50m半径)

(4)在平流期间前后或流速较小时，将带有钢丝绳的电缆缓慢向下释放支架，直到将支架释放到海底，然后把甲板上的钢丝绳和电缆固定好;

(5)开机对海底地貌进行数据采集，扫描半径依次设置为10m、20m、30m、40m、50m、75m、100m，分别进行数据记录和保存图像资料;

(6)地貌资料采集完毕，关闭设备，作业人员将MS1000声纳探头从海底收回;

(7)根据要求，转换需要进行地貌调查的平台侧面，重复a-f，直至整个扫描声纳调查完成，调查保存的原始图片见下图2。

3.3 MS1000旋转扫描声纳资料解释

3.3.1 平台位置确定

根据平台复测的位置数据结合平台各层甲板尺寸布置图(包含水下导管架入泥部分)和平台艏向，绘制出平台平面位置图。

3.3.2 扫描声纳资料参考点选取

通常选取扫描声纳影像较明显的特征点，近平台区域一般选取扫描声纳影像中导管架桩腿对应的影像特征点。根据所获得声纳影像，找到2个以上的较明显桩腿特征点作为参考点。

3.3.3 确定缩放比例尺

根据平台复测的位置，量取导管架桩腿入泥处的两桩腿点间的距离。将从MS1000保存的图片导入AutoCAD中，从图像上判读出导管架位置，并量取导管架间距离R，通过图像上选取导管架所对应的实际导管架间的距离R0，这样就得到图像的缩放比例因子：

3.3.4 资料判读

根据图像的成像特征，对影响进行解释和判读[3]。确定图像物体特征，例如：裸露的海底管道、裸露海底电缆、管缆压块、海底障碍物等。

基于DGPS定位系统的使用和批准安装后的平台的布置图，近平台区域的解释成果精度在1.0m以内(距平台50m范围内)。由于扫描声纳半径的增大，分辨率相对较低些，远平台区域的解释成果的精度在3.0m以内(距平台50-100m范围)。如插图4。

4 工程应用实例

4.1 工程简介

钻井船需要在PL19-3WHPM平台附近就位，需要探明PL19-3WHPM平台附近的管道、电缆位置以及尽可能探明区域内的管缆压块、海底障碍物以及工业垃圾位置情况，为钻井船就位及钻井提供可靠的资料[4]。

4.2 MS1000旋转扫描声纳调查

通过使用MS1000旋转扫描声纳对PL19-3WHPM平台的东北侧和西北侧进行扫描声纳调查，获得了PL19-3WHPM平台附近的管道电缆位置及障碍物分布情况，见图3，PL19-3WHPM平台东北侧声纳影像资料和图4，PL19-3WHPM平台西北侧扫描声纳影像资料。

4.3 MS1000旋转扫描声纳资料解释

从扫描声纳影像资料上看，可以较容易得到PL19-3WHPM平台附近的管缆位置和地貌情况。资料解释过程中可以清楚看出有一条部分被掩埋或有压块的海底电缆、两条部分被埋藏或有压块的海底管道、及若干桩腿坑、线形障碍物等[5]。解释资料见图5，PL19-3WHPM平台东北侧海底地貌特征图及图6，PL19-3WHPM平台西北侧海底地貌特征图。

5 结语

目前，海上平台设施越来越多，其周边海底管缆分布密集，有的平台海底管缆甚至错综复杂。所以准确地确定平台周围海底管缆的位置、状态和地貌等信息对油田综合调整实施的设计、施工和日常运营维护具有重大意义[6]。特别是新铺海底管缆、钻井船就位时中需要查明近平台区现役的海底管缆位置、海底地貌情况，以及海洋地质环境中可能的危害或工程作业中重要的影响因素[7]，例如海底障碍物、裸露的管道及电缆等。

运用MS1000旋转扫描声纳系统有效的解决了近平台区域海底管缆和地貌情况较难调查的情况。相对常规的潜水探摸和水下机器人调查，降低了作业风险，大大节约了作业成本，作业效率大大提高，为钻井船就位节省了大量时间，并提供可靠的资料。

[1]李强,于汀.应用MS1000扫描声呐探测石油平台附近海底管道位置的方法与实例分析[J].2013年中国海洋工程技术年会论文集,2013-11：77-80.

[2]付传宝,叶家玮,刘愉强,钟穗东.扫描声纳探测桥墩水下结构的方法与实例分析[J].广东公路交通,2006(04)：43-48.

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[4]刘极莉,王佐强,刘楚.海底管道冲刷及自由悬跨处理方法评估[A].第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上)[C].2011：35-36[5]张小平.高分辨率多波速成像声纳关键技术研究.哈尔滨工程大学博士学位论文[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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李军(1985—),男,安徽蚌埠人,本科,工程师,主要从事海洋工程勘察方面工作。