陳冠軍,郝高建,劉在科,馮湘子,陳岱新

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津300459;2.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京100027)

在儲運罐、管道等油氣輸送工具中,海底管道具有油氣輸送效率高、成本低、輸送量大等優(yōu)點,成為油氣運輸最經(jīng)濟、快捷、可靠的方式,所以海底管道是海上油氣田的“生命線”。海底管道所處的海洋環(huán)境狀況復(fù)雜,潮流、波浪、潮汐、風(fēng)暴潮、海洋災(zāi)害地質(zhì)等外營力作用都會對海底管道產(chǎn)生一定的影響[1-2],因此,有必要定期對海底管道在位狀態(tài)進行調(diào)查。

海底管道在位狀態(tài)的調(diào)查儀器有測深儀、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀(或管線儀)、磁力儀、水下攝像機和TSS440管線探測儀等,各類調(diào)查方法都有優(yōu)缺點。例如,測深儀、側(cè)掃聲吶以及水下攝像機都只能調(diào)查裸露海底的管道;淺地層剖面儀和磁力儀可以調(diào)查掩埋的管道,但是需要布設(shè)和管道走向垂直的測線,工作量較大,水深較深的情況下,需要對進行水下定位;TSS440管線探測儀一般需要搭載于ROV 上,盡量靠近管道進行調(diào)查,作業(yè)費用較高。在調(diào)查過程中應(yīng)該根據(jù)實際情況運用合適的調(diào)查方法,提高調(diào)查效率,保證調(diào)查效果[1-8]。

在充分考慮上述調(diào)查設(shè)備優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,本文結(jié)合調(diào)查區(qū)域內(nèi)水深的不同,將調(diào)查設(shè)備與搭載平臺進行合理匹配,提出了“(船載/AUV)+ROV”組合調(diào)查模式,值得一提的是,采用AUV 搭載進行海底管道在位狀態(tài)調(diào)查在國內(nèi)業(yè)界尚屬首次。本文的調(diào)查實踐為后期開展管道評估及維護工作奠定了基礎(chǔ),同時也進一步豐富了海底管道在位狀態(tài)調(diào)查方法體系。

1 調(diào)查方法

根據(jù)調(diào)查設(shè)備搭載平臺的不同,將海底管道在位狀態(tài)調(diào)查方法歸為船載、自治水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)搭載(簡稱AUV 搭載)和遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle,ROV)搭載(簡稱ROV 搭載)三類(圖1)。本文選取位于南海的荔灣工區(qū)為調(diào)查區(qū)域(圖2),根據(jù)調(diào)查區(qū)域水深的不同,在淺水段和深水段分別采取不同的調(diào)查方法,并針對其中的重點關(guān)注區(qū)域開展了ROV 搭載調(diào)查,取得了良好的調(diào)查效果。

圖1 海底管道在位狀態(tài)調(diào)查方法Fig.1 Methods for the survey of submarine pipeline in-position state

圖2 海底管道調(diào)查位置Fig.2 Survey lotation map of the submarine pipeline

1.1 船載

船載可具體劃分為船體安裝和后拖兩種方式,常用到的調(diào)查設(shè)備有測深儀、淺地層剖面儀(簡稱淺剖)和側(cè)掃聲吶等,在調(diào)查中常常需要多種調(diào)查設(shè)備相組合,以達到最佳調(diào)查效果[1,7-8]。

本文先使用“船體安裝測深儀+后拖側(cè)掃聲吶”對調(diào)查區(qū)域淺水段海底管道進行全覆蓋調(diào)查,再根據(jù)調(diào)查結(jié)果,對裸露、懸跨、人工跨越處理等重點關(guān)注區(qū)域,開展“船體安裝淺剖”的組合調(diào)查(表1),這種多設(shè)備組合應(yīng)用調(diào)查方法很好地滿足了調(diào)查需求,也大大地提高了調(diào)查效率。

表1 船載調(diào)查所用設(shè)備特點及調(diào)查效果Table 1 The characteristics and surveying results of the equipment used in shipbore survey

1.2 AUV搭載

隨著調(diào)查區(qū)域水深的增加,船載多波束測深儀的波束腳印變大、分辨率降低,對海底管道的準確識別存在一定的難度,因后拖設(shè)備的拖纜長度增加,拖體在水下的高度和位置不易控制,資料質(zhì)量不易保證,這都極大地增加了作業(yè)難度,降低了作業(yè)效率,影響了作業(yè)效果,所以在深水段為了彌補這些不足,引入了AUV 搭載調(diào)查。

AUV 搭載調(diào)查段水深為300～500 m,AUV 搭載調(diào)查用到多種海洋調(diào)查設(shè)備,通過預(yù)編程模式下潛到預(yù)定工作深度,依靠AUV 系統(tǒng)自身的能源動力系統(tǒng),在調(diào)查區(qū)域內(nèi)維持海底以上一定的高度,按照預(yù)定測線全自動開展調(diào)查作業(yè)[9-10],待作業(yè)結(jié)束之后回收至母船,進行資料分析。

1.3 ROV搭載

ROV 搭載采用檢測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Survey Information Management System,SIMS)可以集數(shù)據(jù)、事件、視頻、數(shù)據(jù)處理和成果于一體,三維同步展示海底管道的在位狀況,對海底管道周圍的垃圾、受損、修復(fù)、陽極和懸空等情況可以做到細致調(diào)查,可快速查找和檢查任意位置的細節(jié),極大地方便了后期的資料處理。本次作業(yè)使用的ROV 搭載了多波束測深儀、TSS440管線探測儀、激光測量儀和高度計等多種設(shè)備,用以滿足近平臺、近岸段、登陸段以及不同水深條件下的調(diào)查需求[10-11]。

對船載和AUV 搭載調(diào)查成果進行綜合分析,選取懸空、懸跨、珊瑚礁和沙波區(qū)等重點關(guān)注區(qū)域,操作ROV 搭載沿著海管中心慢速前行進行調(diào)查,獲取準確的位置信息,測得水深、埋深、懸跨長度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),查清管道在位狀態(tài)、管道懸跨人工支撐狀況、海底障礙物分布狀況、管道交叉跨越狀況和光纜交叉跨越狀況等。

2 調(diào)查結(jié)果

通過調(diào)查區(qū)域不同水深、不同調(diào)查目的的搭載設(shè)備選型和實際作業(yè),分別獲取了船載、AUV 搭載和ROV 搭載三種作業(yè)模式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和調(diào)查結(jié)果。

2.1 船載

通過在淺水段開展船載調(diào)查,并對多波束、淺剖和側(cè)掃聲吶資料進行綜合分析,發(fā)現(xiàn)淺水段海底管道主要呈現(xiàn)裸露、懸空、碎石覆蓋以及跨越等特征(圖3和圖4)。

圖3 淺水段船載調(diào)查水深成果Fig.3 A bathymetric map obtained by using shipbore survey in the shallow waters

圖4 淺水段船載調(diào)查地貌成果Fig.4 A geomorphic map obtained by using shipbore survey in the shallow waters

1)海底面呈現(xiàn)不規(guī)則起伏,管道貫穿該起伏區(qū)(圖3a),在地貌圖上表現(xiàn)為強反射(圖4a),由淺地層剖面可看出其地層呈現(xiàn)因表層遮擋造成的空白反射(圖5a),表明此處為硬質(zhì)海底。由圖3a和圖4a可見明顯的管道特征,淺剖上弧形反射的頂部高出海底,所以判斷此處管道呈現(xiàn)裸露狀態(tài)。

圖5 淺水段船載調(diào)查淺地層剖面成果Fig.5 Sub-bottom profiles obtained by using shipbore survey in the shallow waters

2)海底面表現(xiàn)為一個較為明顯的沖溝(圖3b),三維立體圖更清晰地呈現(xiàn)出沖溝的形態(tài),由圖4b可見管道與其陰影之間存在海底面透空反射[2],淺地層剖面上管道反射弧的頂部明顯高于海底(圖5b),綜合判斷此處管道呈懸空狀態(tài)。

3)海底面表現(xiàn)為一些高低起伏變化(圖3c),由圖4c可見因起伏造成的聲學(xué)陰影區(qū),淺地層剖面上可看到明顯的弧形反射(圖5c),但與圖5a和圖5b 中清晰而單一的管道反射弧不同,此處的反射弧線成組出現(xiàn),綜合判斷此處海底管道存在上覆碎石。

4)由圖3d可見2條明顯的海底管道(圖3d),且海底管道02進行了跨越墊塊處理,海底管道02在海底面投射的聲學(xué)陰影區(qū)投射到了海底管道01之上(圖4d),對管道01 造成了遮擋。根據(jù)此投射和遮擋關(guān)系可判斷出海底管道01先鋪設(shè)于海底面,海底管道02從其上跨越,且兩側(cè)進行了跨越墊塊處理(圖4d),淺地層剖面上可看到2 個鄰近的弧形反射(圖5d),左側(cè)弧頂高度較低,弧線稍細的為海底管道01,右側(cè)弧頂高度較高,反射弧線成組出現(xiàn),同圖5c類似,為部分墊塊以及海底管道02,此反射弧更多地反映了墊塊的特征。

2.2 AUV搭載

隨著水深的增加,船載調(diào)查的效果已經(jīng)難以滿足要求,因此,在深水段(這里選擇水深300～500 m)范圍內(nèi),采用AUV 進行調(diào)查,結(jié)果顯示,深水段地形地貌特征豐富,主要是沙波和裸露海床的珊瑚礁,地形起伏較大,局部坡度超過20°,其特殊的地形地貌特征包括:[12-13]

1)海底面較為平整,無明顯的起伏,海底管道裸露海床之上,在位狀態(tài)良好(圖6a);

2)每條管道都可看到2處支撐墊塊,支撐墊塊地貌上反射清晰,易于辨識,海底管道裸露海床之上,在位狀態(tài)良好(圖6b);

3)成片分布的裸露海底的珊瑚礁,珊瑚礁硬度較大,對海底管道的狀態(tài)存在一定的影響(圖6c);

4)可以看到裸露海底的珊瑚礁和沙波區(qū),沙波存在運移的可能,對管道的安全運營存在一定的影響(圖6d);

5)高出海底的珊瑚礁,其中較大的幾個珊瑚礁直徑大約為26～27 m,高出海底約1.3～1.9 m,且有2處珊瑚礁距離海底管道較近,對管道存在一定的影響(圖6e);

圖6 深水段AUV 搭載調(diào)查成果Fig.6 Results from the AUV survey in deep water areas

6)有3處較大的珊瑚礁,直徑大約為9～12 m,明顯高出海底,高度可達4 m,且中間的1處距離海底管道03較近,對管道存在一定的影響,這些特殊的地形地貌特征對于海底管道的安全和維護存在著較大的威脅,都是需重點關(guān)注的區(qū)域。

在深水段,與船載調(diào)查方式相比,AUV 具有更接近海底、受調(diào)查船和水體噪音影響更小、姿態(tài)更穩(wěn)定等優(yōu)勢,獲得的調(diào)查資料具有高質(zhì)量、高密度和高精度的特點。

2.3 ROV搭載

為了對船載和AUV 搭載調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)的懸空、懸跨、珊瑚礁以及人工支撐狀況、管道交叉跨越狀況等特征有更加直觀而精確的認識,在這些特征點區(qū)域開展了ROV 搭載調(diào)查。調(diào)查結(jié)果其特征如下:

1)高出海底、呈強反射、圓形分布的珊瑚礁在ROV 搭載視頻中可清晰地分辨出來(圖7a),大珊瑚礁塊附近零散分布著小珊瑚礁塊,距離海底管道較近,但珊瑚礁并未對海底管道造成擠壓等危害。

2)在ROV 搭載視頻中可見人工放置的跨越段墊塊(圖7b),墊塊狀態(tài)仍然比較完好,未發(fā)生傾倒、移位等損壞情況。

3)AUV 搭載地貌上顯示海底管道周圍存在一定規(guī)模的沙波區(qū),在ROV 搭載視頻截圖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狀態(tài)(圖7c),沙波可能產(chǎn)生運移,對管道的安全運營存在影響,防止出現(xiàn)因沙波運移造成的管道懸空等現(xiàn)象。

圖7 重點關(guān)注區(qū)域側(cè)掃聲吶圖像及ROV 調(diào)查視頻截圖Fig.7 Side scan sonar image and ROV survey video capture in the key areas

4)在ROV 搭載調(diào)查過程中還對海底管道的焊接點情況、管道埋設(shè)的人工處理情況以及管道周圍的障礙物等進行了調(diào)查(圖7d)。調(diào)查結(jié)果顯示,管道的焊接點整體完好,少數(shù)位置處出現(xiàn)保護層破損;水泥壓塊、沙包支撐等狀態(tài)完好;在管道旁邊周圍發(fā)現(xiàn)了多處雜物,包括漁網(wǎng)、金屬垃圾和廢棄鋼絲繩等,經(jīng)分析判斷這些漁網(wǎng)、金屬垃圾和廢棄鋼絲繩未對管道的運營安全造成威脅。

與船載和AUV 搭載相比,ROV 搭載調(diào)查結(jié)果更加直觀,可進一步地驗證和確認前兩者的調(diào)查結(jié)果。但ROV 搭載調(diào)查需要動力定位船只的支持,作業(yè)費用高昂。

3 “(船載/AUV)+ROV”組合模式應(yīng)用價值分析

本文根據(jù)各種調(diào)查方式的特點,將調(diào)查區(qū)域劃分為淺水段和深水段,在淺水段采用船載調(diào)查,技術(shù)與設(shè)備成熟,作業(yè)效率高,在深水段采用AUV 搭載調(diào)查,調(diào)查數(shù)據(jù)密度大,精度高,受干擾小,在此基礎(chǔ)上進行重點關(guān)注區(qū)域篩選,開展ROV 搭載調(diào)查,最后進行整體評價和分析對比。這種“(船載/AUV)+ROV”組合模式(圖8),很好地實現(xiàn)了多種調(diào)查方法的優(yōu)勢互補,調(diào)查效率高、調(diào)查質(zhì)量好?？偨Y(jié)船載、AUV 搭載和ROV搭載在海底管道調(diào)查過程中的特點以及各自的適用范圍如表2所示。

表2 “(船載/AUV)+ROV”組合調(diào)查方法特點Table 2 Characteristics of the survey method of shipbore/AUV+ROV combination mode

圖8 “(船載/AUV)+ROV”組合模式Fig.8 The combination mode of shipbore/AUV+ROV

隨著油氣勘探開發(fā)不斷向深水邁進,在未來將會鋪設(shè)越來越多的深水海底管道,這些海底管道的運營和維護等環(huán)節(jié)都需要不斷地進行在位狀態(tài)調(diào)查,從本文分析可見,常規(guī)單一的調(diào)查手段和方法已經(jīng)難以滿足這些需求,“(船載/AUV)+ROV”組合模式卻提供了很好的解決思路,相信海底管道在位狀態(tài)調(diào)查方法會在未來的調(diào)查實踐中不斷更新、發(fā)展和完善。

4 結(jié) 論

本文通過分析各類海底管道調(diào)查設(shè)備的優(yōu)缺點,歸納總結(jié)了船載、AUV 搭載以及ROV 搭載的實際調(diào)查結(jié)果和各自優(yōu)勢,提出了“(船載/AUV)+ROV”組合調(diào)查模式,為海底管道評估及維護工作提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),進一步豐富了海底管道在位狀態(tài)調(diào)查方法體系。

1)海底管道在位狀態(tài)調(diào)查中,要充分基于調(diào)查區(qū)域水深情況和各類調(diào)查設(shè)備的優(yōu)缺點進行設(shè)備選型,更好的發(fā)揮多種調(diào)查方式和方法的互補優(yōu)勢。

2)伴隨著海洋深水油氣勘探開發(fā)進程的不斷加快,為了更好保障海底管道在位運營安全,精細獲取和評估海底管道的在位狀態(tài)顯得尤為重要,必須給予高度重視。同時,隨著調(diào)查設(shè)備、調(diào)查技術(shù)以及方法手段的不斷發(fā)展,也需要在未來的調(diào)查實踐中不斷摸索和創(chuàng)新。