海底管道在位状态调查实践

2020-12-30陈冠军郝高建刘在科冯湘子陈岱新

海岸工程 2020年4期

陈冠军,郝高建,刘在科,冯湘子,陈岱新

(1.中海油田服务股份有限公司,天津300459;2.中海油研究总院有限责任公司,北京100027)

在储运罐、管道等油气输送工具中,海底管道具有油气输送效率高、成本低、输送量大等优点,成为油气运输最经济、快捷、可靠的方式,所以海底管道是海上油气田的“生命线”。海底管道所处的海洋环境状况复杂,潮流、波浪、潮汐、风暴潮、海洋灾害地质等外营力作用都会对海底管道产生一定的影响[1-2],因此,有必要定期对海底管道在位状态进行调查。

海底管道在位状态的调查仪器有测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪(或管线仪)、磁力仪、水下摄像机和TSS440管线探测仪等,各类调查方法都有优缺点。例如,测深仪、侧扫声呐以及水下摄像机都只能调查裸露海底的管道;浅地层剖面仪和磁力仪可以调查掩埋的管道,但是需要布设和管道走向垂直的测线,工作量较大,水深较深的情况下,需要对进行水下定位;TSS440管线探测仪一般需要搭载于ROV 上,尽量靠近管道进行调查,作业费用较高。在调查过程中应该根据实际情况运用合适的调查方法,提高调查效率,保证调查效果[1-8]。

在充分考虑上述调查设备优缺点的基础上,本文结合调查区域内水深的不同,将调查设备与搭载平台进行合理匹配,提出了“(船载/AUV)+ROV”组合调查模式,值得一提的是,采用AUV 搭载进行海底管道在位状态调查在国内业界尚属首次。本文的调查实践为后期开展管道评估及维护工作奠定了基础,同时也进一步丰富了海底管道在位状态调查方法体系。

1 调查方法

根据调查设备搭载平台的不同,将海底管道在位状态调查方法归为船载、自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)搭载(简称AUV 搭载)和遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle,ROV)搭载(简称ROV 搭载)三类(图1)。本文选取位于南海的荔湾工区为调查区域(图2),根据调查区域水深的不同,在浅水段和深水段分别采取不同的调查方法,并针对其中的重点关注区域开展了ROV 搭载调查,取得了良好的调查效果。

图1 海底管道在位状态调查方法Fig.1 Methods for the survey of submarine pipeline in-position state

图2 海底管道调查位置Fig.2 Survey lotation map of the submarine pipeline

1.1 船载

船载可具体划分为船体安装和后拖两种方式,常用到的调查设备有测深仪、浅地层剖面仪(简称浅剖)和侧扫声呐等,在调查中常常需要多种调查设备相组合,以达到最佳调查效果[1,7-8]。

本文先使用“船体安装测深仪+后拖侧扫声呐”对调查区域浅水段海底管道进行全覆盖调查,再根据调查结果,对裸露、悬跨、人工跨越处理等重点关注区域,开展“船体安装浅剖”的组合调查(表1),这种多设备组合应用调查方法很好地满足了调查需求,也大大地提高了调查效率。

表1 船载调查所用设备特点及调查效果Table 1 The characteristics and surveying results of the equipment used in shipbore survey

1.2 AUV搭载

随着调查区域水深的增加,船载多波束测深仪的波束脚印变大、分辨率降低,对海底管道的准确识别存在一定的难度,因后拖设备的拖缆长度增加,拖体在水下的高度和位置不易控制,资料质量不易保证,这都极大地增加了作业难度,降低了作业效率,影响了作业效果,所以在深水段为了弥补这些不足,引入了AUV 搭载调查。

AUV 搭载调查段水深为300～500 m,AUV 搭载调查用到多种海洋调查设备,通过预编程模式下潜到预定工作深度,依靠AUV 系统自身的能源动力系统,在调查区域内维持海底以上一定的高度,按照预定测线全自动开展调查作业[9-10],待作业结束之后回收至母船,进行资料分析。

1.3 ROV搭载

ROV 搭载采用检测数据管理系统(Survey Information Management System,SIMS)可以集数据、事件、视频、数据处理和成果于一体,三维同步展示海底管道的在位状况,对海底管道周围的垃圾、受损、修复、阳极和悬空等情况可以做到细致调查,可快速查找和检查任意位置的细节,极大地方便了后期的资料处理。本次作业使用的ROV 搭载了多波束测深仪、TSS440管线探测仪、激光测量仪和高度计等多种设备,用以满足近平台、近岸段、登陆段以及不同水深条件下的调查需求[10-11]。

对船载和AUV 搭载调查成果进行综合分析,选取悬空、悬跨、珊瑚礁和沙波区等重点关注区域,操作ROV 搭载沿着海管中心慢速前行进行调查,获取准确的位置信息,测得水深、埋深、悬跨长度等基础数据,查清管道在位状态、管道悬跨人工支撑状况、海底障碍物分布状况、管道交叉跨越状况和光缆交叉跨越状况等。

2 调查结果

通过调查区域不同水深、不同调查目的的搭载设备选型和实际作业,分别获取了船载、AUV 搭载和ROV 搭载三种作业模式的基础数据和调查结果。

2.1 船载

通过在浅水段开展船载调查,并对多波束、浅剖和侧扫声呐资料进行综合分析,发现浅水段海底管道主要呈现裸露、悬空、碎石覆盖以及跨越等特征(图3和图4)。

图3 浅水段船载调查水深成果Fig.3 A bathymetric map obtained by using shipbore survey in the shallow waters

图4 浅水段船载调查地貌成果Fig.4 A geomorphic map obtained by using shipbore survey in the shallow waters

1)海底面呈现不规则起伏,管道贯穿该起伏区(图3a),在地貌图上表现为强反射(图4a),由浅地层剖面可看出其地层呈现因表层遮挡造成的空白反射(图5a),表明此处为硬质海底。由图3a和图4a可见明显的管道特征,浅剖上弧形反射的顶部高出海底,所以判断此处管道呈现裸露状态。

图5 浅水段船载调查浅地层剖面成果Fig.5 Sub-bottom profiles obtained by using shipbore survey in the shallow waters

2)海底面表现为一个较为明显的冲沟(图3b),三维立体图更清晰地呈现出冲沟的形态,由图4b可见管道与其阴影之间存在海底面透空反射[2],浅地层剖面上管道反射弧的顶部明显高于海底(图5b),综合判断此处管道呈悬空状态。

3)海底面表现为一些高低起伏变化(图3c),由图4c可见因起伏造成的声学阴影区,浅地层剖面上可看到明显的弧形反射(图5c),但与图5a和图5b 中清晰而单一的管道反射弧不同,此处的反射弧线成组出现,综合判断此处海底管道存在上覆碎石。

4)由图3d可见2条明显的海底管道(图3d),且海底管道02进行了跨越垫块处理,海底管道02在海底面投射的声学阴影区投射到了海底管道01之上(图4d),对管道01 造成了遮挡。根据此投射和遮挡关系可判断出海底管道01先铺设于海底面,海底管道02从其上跨越,且两侧进行了跨越垫块处理(图4d),浅地层剖面上可看到2 个邻近的弧形反射(图5d),左侧弧顶高度较低,弧线稍细的为海底管道01,右侧弧顶高度较高,反射弧线成组出现,同图5c类似,为部分垫块以及海底管道02,此反射弧更多地反映了垫块的特征。

2.2 AUV搭载

随着水深的增加,船载调查的效果已经难以满足要求,因此,在深水段(这里选择水深300～500 m)范围内,采用AUV 进行调查,结果显示,深水段地形地貌特征丰富,主要是沙波和裸露海床的珊瑚礁,地形起伏较大,局部坡度超过20°,其特殊的地形地貌特征包括:[12-13]

1)海底面较为平整,无明显的起伏,海底管道裸露海床之上,在位状态良好(图6a);

2)每条管道都可看到2处支撑垫块,支撑垫块地貌上反射清晰,易于辨识,海底管道裸露海床之上,在位状态良好(图6b);

3)成片分布的裸露海底的珊瑚礁,珊瑚礁硬度较大,对海底管道的状态存在一定的影响(图6c);

4)可以看到裸露海底的珊瑚礁和沙波区,沙波存在运移的可能,对管道的安全运营存在一定的影响(图6d);

5)高出海底的珊瑚礁,其中较大的几个珊瑚礁直径大约为26～27 m,高出海底约1.3～1.9 m,且有2处珊瑚礁距离海底管道较近,对管道存在一定的影响(图6e);

图6 深水段AUV 搭载调查成果Fig.6 Results from the AUV survey in deep water areas

6)有3处较大的珊瑚礁,直径大约为9～12 m,明显高出海底,高度可达4 m,且中间的1处距离海底管道03较近,对管道存在一定的影响,这些特殊的地形地貌特征对于海底管道的安全和维护存在着较大的威胁,都是需重点关注的区域。

在深水段,与船载调查方式相比,AUV 具有更接近海底、受调查船和水体噪音影响更小、姿态更稳定等优势,获得的调查资料具有高质量、高密度和高精度的特点。

2.3 ROV搭载

为了对船载和AUV 搭载调查过程中发现的悬空、悬跨、珊瑚礁以及人工支撑状况、管道交叉跨越状况等特征有更加直观而精确的认识,在这些特征点区域开展了ROV 搭载调查。调查结果其特征如下:

1)高出海底、呈强反射、圆形分布的珊瑚礁在ROV 搭载视频中可清晰地分辨出来(图7a),大珊瑚礁块附近零散分布着小珊瑚礁块,距离海底管道较近,但珊瑚礁并未对海底管道造成挤压等危害。

2)在ROV 搭载视频中可见人工放置的跨越段垫块(图7b),垫块状态仍然比较完好,未发生倾倒、移位等损坏情况。

3)AUV 搭载地貌上显示海底管道周围存在一定规模的沙波区,在ROV 搭载视频截图上可以清晰地看到起伏的沙波,部分海底管道被沙波掩埋或呈裸露状态(图7c),沙波可能产生运移,对管道的安全运营存在影响,防止出现因沙波运移造成的管道悬空等现象。

图7 重点关注区域侧扫声呐图像及ROV 调查视频截图Fig.7 Side scan sonar image and ROV survey video capture in the key areas

4)在ROV 搭载调查过程中还对海底管道的焊接点情况、管道埋设的人工处理情况以及管道周围的障碍物等进行了调查(图7d)。调查结果显示,管道的焊接点整体完好,少数位置处出现保护层破损;水泥压块、沙包支撑等状态完好;在管道旁边周围发现了多处杂物,包括渔网、金属垃圾和废弃钢丝绳等,经分析判断这些渔网、金属垃圾和废弃钢丝绳未对管道的运营安全造成威胁。

与船载和AUV 搭载相比,ROV 搭载调查结果更加直观,可进一步地验证和确认前两者的调查结果。但ROV 搭载调查需要动力定位船只的支持,作业费用高昂。

3 “(船载/AUV)+ROV”组合模式应用价值分析

本文根据各种调查方式的特点,将调查区域划分为浅水段和深水段,在浅水段采用船载调查,技术与设备成熟,作业效率高,在深水段采用AUV 搭载调查,调查数据密度大,精度高,受干扰小,在此基础上进行重点关注区域筛选,开展ROV 搭载调查,最后进行整体评价和分析对比。这种“(船载/AUV)+ROV”组合模式(图8),很好地实现了多种调查方法的优势互补,调查效率高、调查质量好。总结船载、AUV 搭载和ROV搭载在海底管道调查过程中的特点以及各自的适用范围如表2所示。

表2 “(船载/AUV)+ROV”组合调查方法特点Table 2 Characteristics of the survey method of shipbore/AUV+ROV combination mode

图8 “(船载/AUV)+ROV”组合模式Fig.8 The combination mode of shipbore/AUV+ROV

随着油气勘探开发不断向深水迈进,在未来将会铺设越来越多的深水海底管道,这些海底管道的运营和维护等环节都需要不断地进行在位状态调查,从本文分析可见,常规单一的调查手段和方法已经难以满足这些需求,“(船载/AUV)+ROV”组合模式却提供了很好的解决思路,相信海底管道在位状态调查方法会在未来的调查实践中不断更新、发展和完善。