海底管道在位狀態(tài)調(diào)查實(shí)踐

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(chǔ)運(yùn)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(diǎn),成為油氣運(yùn)輸最經(jīng)濟(jì)、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(yíng)力作用都會(huì)對(duì)海底管道產(chǎn)生一定的影響[1-2],因此,有必要定期對(duì)海底管道在位狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查。

海底管道在位狀態(tài)的調(diào)查儀器有測(cè)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(jī)和TSS440管線探測(cè)儀等,各類調(diào)查方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。例如,測(cè)深儀、側(cè)掃聲吶以及水下攝像機(jī)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(cè)線,工作量較大,水深較深的情況下,需要對(duì)進(jìn)行水下定位;TSS440管線探測(cè)儀一般需要搭載于ROV 上,盡量靠近管道進(jìn)行調(diào)查,作業(yè)費(fèi)用較高。在調(diào)查過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況運(yùn)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(diǎn)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(tái)進(jìn)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(jìn)行海底管道在位狀態(tài)調(diào)查在國(guó)內(nèi)業(yè)界尚屬首次。本文的調(diào)查實(shí)踐為后期開(kāi)展管道評(píng)估及維護(hù)工作奠定了基礎(chǔ),同時(shí)也進(jìn)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(tái)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(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)搭載(簡(jiǎn)稱AUV 搭載)和遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle,ROV)搭載(簡(jiǎn)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(duì)其中的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域開(kāi)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(cè)深儀、淺地層剖面儀(簡(jiǎn)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(dá)到最佳調(diào)查效果[1,7-8]。

本文先使用“船體安裝測(cè)深儀+后拖側(cè)掃聲吶”對(duì)調(diào)查區(qū)域淺水段海底管道進(jìn)行全覆蓋調(diào)查,再根據(jù)調(diào)查結(jié)果,對(duì)裸露、懸跨、人工跨越處理等重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域,開(kāi)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(diǎn)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(cè)深儀的波束腳印變大、分辨率降低,對(duì)海底管道的準(zhǔn)確識(shí)別存在一定的難度,因后拖設(shè)備的拖纜長(zhǎng)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(bǔ)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(guò)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(dòng)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(cè)線全自動(dòng)開(kāi)展調(diào)查作業(yè)[9-10],待作業(yè)結(jié)束之后回收至母船,進(jìn)行資料分析。

1.3 ROV搭載

ROV 搭載采用檢測(cè)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(duì)海底管道周圍的垃圾、受損、修復(fù)、陽(yáng)極和懸空等情況可以做到細(xì)致調(diào)查,可快速查找和檢查任意位置的細(xì)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(cè)深儀、TSS440管線探測(cè)儀、激光測(cè)量?jī)x和高度計(jì)等多種設(shè)備,用以滿足近平臺(tái)、近岸段、登陸段以及不同水深條件下的調(diào)查需求[10-11]。

對(duì)船載和AUV 搭載調(diào)查成果進(jìn)行綜合分析,選取懸空、懸跨、珊瑚礁和沙波區(qū)等重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域,操作ROV 搭載沿著海管中心慢速前行進(jìn)行調(diào)查,獲取準(zhǔn)確的位置信息,測(cè)得水深、埋深、懸跨長(zhǎng)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(guò)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(shí)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(guò)在淺水段開(kāi)展船載調(diào)查,并對(duì)多波束、淺剖和側(cè)掃聲吶資料進(jìn)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(qiáng)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(jiàn)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(gè)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)2條明顯的海底管道(圖3d),且海底管道02進(jìn)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(duì)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(jìn)行了跨越墊塊處理(圖4d),淺地層剖面上可看到2 個(gè)鄰近的弧形反射(圖5d),左側(cè)弧頂高度較低,弧線稍細(xì)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(jìn)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(guò)20°,其特殊的地形地貌特征包括:[12-13]

1)海底面較為平整,無(wú)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(shí),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(duì)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(yùn)移的可能,對(duì)管道的安全運(yùn)營(yíng)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(gè)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(duì)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(dá)4 m,且中間的1處距離海底管道03較近,對(duì)管道存在一定的影響,這些特殊的地形地貌特征對(duì)于海底管道的安全和維護(hù)存在著較大的威脅,都是需重點(diǎn)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(shì),獲得的調(diào)查資料具有高質(zhì)量、高密度和高精度的特點(diǎn)。

2.3 ROV搭載

為了對(duì)船載和AUV 搭載調(diào)查過(guò)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(rèn)識(shí),在這些特征點(diǎn)區(qū)域開(kāi)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(qiáng)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(lái)(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(duì)海底管道造成擠壓等危害。

2)在ROV 搭載視頻中可見(jiàn)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(yùn)移,對(duì)管道的安全運(yùn)營(yíng)存在影響,防止出現(xiàn)因沙波運(yùn)移造成的管道懸空等現(xiàn)象。

圖7 重點(diǎn)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(guò)程中還對(duì)海底管道的焊接點(diǎn)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(jìn)行了調(diào)查(圖7d)。調(diào)查結(jié)果顯示,管道的焊接點(diǎn)整體完好,少數(shù)位置處出現(xiàn)保護(hù)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(duì)管道的運(yùn)營(yíng)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(jìn)一步地驗(yàn)證和確認(rèn)前兩者的調(diào)查結(jié)果。但ROV 搭載調(diào)查需要?jiǎng)恿Χㄎ淮坏闹С?作業(yè)費(fèi)用高昂。

3 “(船載/AUV)+ROV”組合模式應(yīng)用價(jià)值分析

本文根據(jù)各種調(diào)查方式的特點(diǎn),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(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域篩選,開(kāi)展ROV 搭載調(diào)查,最后進(jìn)行整體評(píng)價(jià)和分析對(duì)比。這種“(船載/AUV)+ROV”組合模式(圖8),很好地實(shí)現(xiàn)了多種調(diào)查方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),調(diào)查效率高、調(diào)查質(zhì)量好。總結(jié)船載、AUV 搭載和ROV搭載在海底管道調(diào)查過(guò)程中的特點(diǎn)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(diǎn)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(kāi)發(fā)不斷向深水邁進(jìn),在未來(lái)將會(huì)鋪設(shè)越來(lái)越多的深水海底管道,這些海底管道的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等環(huán)節(jié)都需要不斷地進(jìn)行在位狀態(tài)調(diào)查,從本文分析可見(jiàn),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(huì)在未來(lái)的調(diào)查實(shí)踐中不斷更新、發(fā)展和完善。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析各類海底管道調(diào)查設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn),歸納總結(jié)了船載、AUV 搭載以及ROV 搭載的實(shí)際調(diào)查結(jié)果和各自優(yōu)勢(shì),提出了“(船載/AUV)+ROV”組合調(diào)查模式,為海底管道評(píng)估及維護(hù)工作提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),進(jìn)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(diǎn)進(jìn)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(bǔ)優(yōu)勢(shì)。

2)伴隨著海洋深水油氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程的不斷加快,為了更好保障海底管道在位運(yùn)營(yíng)安全,精細(xì)獲取和評(píng)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(shí),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(lái)的調(diào)查實(shí)踐中不斷摸索和創(chuàng)新。