基于长基线声学定位系统的深水跨接管安装测量方法与流程

1.本发明涉及一种基于长基线声学定位系统的深水跨接管安装测量方法，适用于深海rov辅助下的安装作业，保障海上深水油气田顺利建成投产。


背景技术：

2.当前，海洋油气勘探开发已由浅海走向深海，水下生产系统以其在开发深水油气田中具有的明显综合经济优势，在世界上多数深海油气田的开发过程中得到了广泛应用。生产设施的深水水下连接是构建完整水下生产系统中不可或缺的重要环节，跨接管(jumper)常用于水下采油树(subsea tree)、水下管汇(manifold)、水下基盘(plet/plem)以及输油管线间的连接，是深水水下生产设施的重要组成部分。跨接管按材料可分为硬质钢管和软管，按连接布置形式可分为水平连接和立式连接。根据设计和使用目的的不同，跨接管的形状各异，大小和质量都各有不同，深水油田海底设施之间的连接通常采用刚性跨接管。基于安装精度及安装工艺考虑，跨接管的设计、建造、安装工作处于海上安装作业的最后一步，刚性跨接管的设计由现场测得的不同海底设施轮毂(hub)间的相对关系决定。刚性垂直跨接管设计之前需要进行水下测量，海底计量测量(subsea metrology)是为跨接管或膨胀弯等设施间互连管道的设计获取准确且可追溯的尺寸测量的过程。海底计量测量的目的是准确确定海底设施之间的相对水平和垂直距离、相对艏向和姿态以及相对于相邻海床的设计跳线(jumper)路线深度剖面。然后，管道工程师使用此信息设计连接件，以将设施连接在一起。测量结果与精度直接决定后期跨接管能否安装，高精度的测量工作对于节省工期及施工成本，保障开发工程顺利投产具有重要意义。
3.历史上，第一个水下metrology是潜水员使用卷尺从法兰到法兰进行测量，应用潜水员进行作业一直沿用至今，浅水作业时通常由潜水员应用张紧线和数字张紧线进行。当前，海上油气开发逐渐挺近深海，深水油田开发对于更高精度和更严格的施工公差的要求越来越高，同时潜水员作业存在作业深度限制，针对深水metrology，国际上已发展了多种替代性和更高精度的海底计量方式方法，主要有长基线(lbl)声学、摄影测量、惯性导航系统(ins)、同步定位和测绘(slam)技术和激光扫描。国内油气田水下metrology前期主要集中于浅水潜水员应用张紧线进行，深水油气田metrology技术起步较晚，主要以技术引进为主，同时受制于适用于水下工程作业的高端惯导技术“卡脖子”，国内摄影测量、惯性导航系统(ins)、slam技术和激光扫描的水下工程应用未有进一步发展。声学定位系统是目前主流的水下定位和导航手段，根据基线长度，声学定位系统可以分为长基线(lbl)、短基线(sbl)、超短基线(usbl)三种。超短基线、短基线定位系统的精度随着水深增加会逐渐降低，长基线定位系统其定位精度与水深无关，其通过时间测量得到距离从而解算目标位置的系统，因此在深水跨接管作业中有巨大优势。
4.海底metrology的目标是准确确定海底资产之间的相对水平和垂直距离，以及它们的相对航向和姿态。每种技术均存在优点和局限性，以深度1500米的南海某超深水油田开发项目工程应用为背景，综合研究常规声学长基线测量技术，以测量一体式长基线信标
国内首次应用于metrology前提，对声学长基线测量技术进行研究，并对工程精度控制手段及作业流程进行了研究。
5.本方法主要解决深水距离测量及精度控制，单个轮毂姿态及艏向测量及精度控制，不同设施间hub(轮毂)的相对艏向和姿态测量及控制，作业流程优化及施工保障。


技术实现要素：

6.为克服现有技术的缺陷，本发明本发明的目的在于提供一种作业效率和作业水平高、安全性好的海上油气田采油树、水下管汇、水下基盘等水下结构设施轮毂间相对关系作业方法的一种基于长基线声学定位系统的深水跨接管安装测量方法，本发明的技术方案是：
7.一种基于长基线声学定位系统的深水跨接管安装测量方法，包括以下步骤：
8.s1、根据设计的基阵位置，布设长基线声学定位系统信标进行海底长基线测量系统布阵，通过平差计算最终获得基阵绝对坐标和深度，作为水下定位的控制网点；
9.s2、在陆地进行测量中轴偏移量和压力帽顶部到轮毂面的高差；
10.s3、在两个结构物上安装测量传感器并量取相应的三维偏移距数据；两个测量传感器之间的斜距、高差、垂直倾角及倾斜方向，通过欧拉旋转矩阵计算轮毂间的水平距离、高差及倾角关系并提交最终跨接管测量测量成果；在结构物的下放过程中先后应用超短基线声学定位系统的超短基线和长基线声学定位系统的长基线对结构物位置及姿态进行跟踪；安装至海底后应用长基线声学定位系统采集结构物的最终位置，应用测量传感器采集结构物的艏向和姿态信息；
11.s4、测量过程中实时对步骤s3采集的数据进行预处理，出现粗差或者超限的情况，及时补测和复测，确保数据的可靠性。
12.所述的步骤s1具体为：在长基线声学定位系统布阵结束后，通过标准校准程序单点绝对位置校准和基线校准，获得水下基阵的绝对坐标，其中单点绝对位置校准用于锁定基阵绝对位置，基线校准用于计算阵内长基线信标的相对距离；通过平差计算最终获得基阵绝对坐标和深度，作为水下定位的控制网点，当基阵校准后点位绝对精度优于0.5m，相对精度优于0.02m时，满足结构物安装定位及跨接管测量相对定位要求。
13.所述的步骤s2具体为：
14.当进行所述的中轴偏移量进行测量时，具体为：由于中轴是空心的，测量中轴外围的多个点位数据，并使用bestfit软件进行拟合归算到圆心；
15.当进行压力帽顶部到轮毂面的高差进行测量时：使用全站仪测出压力帽顶部和轮毂面的三维坐标(x
top
,y
top
,z
top
)和(x
hub
,y
hub
,z
hub
)，最后通过z
top-z
hub
计算得出两者的高差；提前计算长基线跨接管测量工具偏移距。
16.所述的步骤s3具体为：
17.s3-1、两个结构物轮毂间斜距采集：
18.通过无人遥控水下机器人将测量传感器安装到轮毂上，两个测量传感器的a面分别为两个结构物的结构北，b面为两个结构物的结构东，c面为两个结构物的结构南，d面为两个结构物的结构西，然后分别在a-a、b-b、c-c以及d-d四个方向上采集两个结构物轮毂间的斜距；交换两个测量传感器的位置，分别在四个面上对测量传感器间的斜距进行再次采
集；
19.s3-2、两个结构物轮毂的垂直倾角及倾斜方向测定：
20.通过水下机器人将测量传感器安装到轮毂上，两个测量传感器的a面分别为两个结构物的北方向，分别在a、b、c、d四个面上采集艏向、纵倾和横倾，并对采集的数据进行计算，最终确定两个结构物的轮毂接口面的倾角和倾斜方向；
21.s3-3、两个结构物轮毂间的高差测定：
22.轮毂面深度测量：通过精确测定海面及海底轮毂面的大气压力值，解算出轮毂面的精确深度。计算公式如下：
[0023][0024]
式中：d为深度值，单位为m，ph为hub面的压力值，单位为pa；ps为海面压力值，单位为pa；g为重力加速度,单位为m/s^2，ρ为海水平均密度，单位为kg/m3；
[0025]
s3-4、两个结构物轮毂间的路由深度剖面测定：
[0026]
将参考站定在一个轮毂上，通过水下机器人每隔3m测定一个水深值，考虑到潮汐以及海水密度的影响，该操作需在平潮段进行测量，并在30-75分钟内完成，以确保测量精度。
[0027]
s3-5、两个结构物轮毂相对关系解算：
[0028]
测量传感器测量获得的数据均为间接数据，不能直接应用于建造涉及，轮毂倾斜姿态以及轮毂面的相对关系不能通过简单的加减运算获得，工程应用中通过欧拉旋转矩阵计算轮毂的水平距离、高差及倾角关系并提交最终跨接管测量测量成果，公式如下：
[0029][0030]
式中：h为艏向，单位为
°
；p为纵倾，单位为
°
；r为橫倾，单位为
°
[0031]
所述的步骤s4具体为：
[0032]
s4-1、工区声线传播距离分析：应用raytrace折射分析工具导入声速剖面以生成声波折射的图形，分析两个结构物之间的间距，并确定结构物上方的最佳支架高度；声线跟踪是以图形形式显示从阵列长基线声学定位系统信标传输的声波路径；由于声波向低速区弯曲，射线路径因穿过水柱的声速剖面的变化而发生弯曲；当工况环境下传输距离介于800至1900米，满足布阵需求。
[0033]
s4-2、长基线声学定位系统基阵声线通过性分析：
[0034]
考虑海床的实际地形，使用工区调查获得的数字地面模型进行分析，以确定基线视线和最大跟踪范围；分析过程中充分考虑了声线弯曲的影响，如存在声线遮挡，进而对基阵位置进行调整。
[0035]
s4-3、长基线声学定位系统基阵控制范围分析：
[0036]
目标工作区域内任意跟踪点的测量基线越多，位置解算就越可靠。基阵最大覆盖分析有助于优化阵列设计；将长基线信标设置在声线跟踪分析完成后选择的高度，通过分析显示，基阵范围内任意点均处于6个长基线信标基线范围内，高于至少4个的基本要求；
[0037]
s4-4、长基线声学定位系统基阵精度分析：
[0038]
在设定工况条件下，设计的基阵阵内相对精度为3-5cm时，满足水下工程测量需要。
[0039]
所述的步骤s3-3中，当测定轮毂间的高差，需考虑潮汐和海水密度的影响，该操作过程25分钟内完成，确保精度达到测量要求。通过水下机器人将压力深度传感器分别放置在两个轮毂面上，重复进行3次测量，最后取测量的平均值作为两个轮毂间的高差。
[0040]
在所述的步骤s3-4中，先用水下机器人上的数字测深仪检查海床地表深度，再用长基线跨接管测量辅助工具以水下机器人最大下插能力检测钻井泥浆厚度检测出节点的实际地表高度。
[0041]
本发明的优点是：本发明对影响作业精度的因素进行了分析，并提出了精度控制指标，优化了作业流程，并已成功应用于海上实际作业，表明水下机器人辅助下的基于长基线声学定位系统的深水跨接管安装测量方法是一种精确高效的方式。
[0042]
本发明的优点在于：
[0043]
1.针对性强，专门针对水下设施跨接管连接测量作业；
[0044]
2.应用场景广，可应用超过30米作业深度的所有海上建设需要，替代潜水员水下测量作业，并特别适用于300米以上饱和潜水无法到达的深水测量作业；
[0045]
3.精确度高，精度不受作业水深影响；
[0046]
4.效率高，作业采用沿管缆调查，而非横切管缆进行，作业效率大大提高，提高作业时效，节省工程费用；
[0047]
5.数据冗余度高，多传感器多数据校对保证数据绝对可靠；
[0048]
6.成果界面友好，提供跨接管建造所需要的所有相对关系，包括相对距离，相对高度，法兰倾斜角，法兰间相对姿态；
[0049]
7.作业流程可控，多环节质量控制，避免质量控制措施缺失造成无法安装，返工延误工期并造成重大经济损失。
具体实施方式
[0050]
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
[0051]
本发明涉及一种基于长基线声学定位系统的深水跨接管安装测量方法，包括以下步骤：
[0052]
s1、根据设计的基阵位置，布设长基线声学定位系统信标进行海底长基线测量系统布阵，通过平差计算最终获得基阵绝对坐标和深度，作为水下定位的控制网点；
[0053]
s2、在陆地进行测量中轴偏移量和压力帽顶部到轮毂面的高差；
[0054]
s3、在两个结构物上安装测量传感器并量取相应的三维偏移距数据；两个测量传感器之间的斜距、高差、垂直倾角及倾斜方向，通过欧拉旋转矩阵计算轮毂间的水平距离、高差及倾角关系并提交最终跨接管测量测量成果；在结构物的下放过程中先后应用超短基线声学定位系统的超短基线和长基线声学定位系统的长基线对结构物位置及姿态进行跟踪；安装至海底后应用长基线声学定位系统采集结构物的最终位置，应用测量传感器采集
结构物的艏向和姿态信息；
[0055]
s4、测量过程中实时对步骤s3采集的数据进行预处理，出现粗差或者超限的情况，及时补测和复测，确保数据的可靠性。
[0056]
所述的步骤s1具体为：在长基线声学定位系统布阵结束后，通过标准校准程序单点绝对位置校准和基线校准，获得水下基阵的绝对坐标，其中单点绝对位置校准用于锁定基阵绝对位置，基线校准用于计算阵内长基线信标的相对距离；通过平差计算最终获得基阵绝对坐标和深度，作为水下定位的控制网点，当基阵校准后点位绝对精度优于0.5m，相对精度优于0.02m时，满足结构物安装定位及跨接管测量相对定位要求。
[0057]
所述的步骤s2具体为：
[0058]
当进行所述的中轴偏移量进行测量时，具体为：由于中轴是空心的，测量中轴外围的多个点位数据，并使用bestfit软件进行拟合归算到圆心；
[0059]
当进行压力帽顶部到轮毂面的高差进行测量时：使用全站仪测出压力帽顶部和轮毂面的三维坐标(x
top
,y
top
,z
top
)和(x
hub
,y
hub
,z
hub
)，最后通过z
top-z
hub
计算得出两者的高差；提前计算长基线跨接管测量工具偏移距。
[0060]
所述的步骤s3具体为：
[0061]
s3-1、两个结构物轮毂间斜距采集：
[0062]
通过无人遥控水下机器人将测量传感器安装到轮毂上，两个测量传感器的a面分别为两个结构物的结构北，b面为两个结构物的结构东，c面为两个结构物的结构南，d面为两个结构物的结构西，然后分别在a-a、b-b、c-c以及d-d四个方向上采集两个结构物轮毂间的斜距；交换两个测量传感器的位置，分别在四个面上对测量传感器间的斜距进行再次采集；
[0063]
s3-2、两个结构物轮毂的垂直倾角及倾斜方向测定：
[0064]
通过水下机器人将测量传感器安装到轮毂上，两个测量传感器的a面分别为两个结构物的北方向，分别在a、b、c、d四个面上采集艏向、纵倾和横倾，并对采集的数据进行计算，最终确定两个结构物的轮毂接口面的倾角和倾斜方向；
[0065]
s3-3、两个结构物hub间的高差测定：
[0066]
轮毂面深度测量：通过精确测定海面及海底轮毂面的大气压力值，解算出轮毂面的精确深度。计算公式如下：
[0067][0068]
式中：d为深度值，单位为m，ph为轮毂面的压力值，单位为pa；ps为海面压力值，单位为pa；g为重力加速度,单位为m/s^2，ρ为海水平均密度，单位为kg/m3；
[0069]
s3-4、两个结构物轮毂间的路由深度剖面测定：
[0070]
将参考站定在一个轮毂上，通过水下机器人每隔3m测定一个水深值，考虑到潮汐以及海水密度的影响，该操作需在平潮段进行测量，并在30-75分钟内完成，以确保测量精度。
[0071]
s3-5、两个结构物轮毂相对关系解算：
[0072]
测量传感器测量获得的数据均为间接数据，不能直接应用于建造涉及，轮毂倾斜姿态以及轮毂面的相对关系不能通过简单的加减运算获得，工程应用中通过欧拉旋转矩阵
计算轮毂的水平距离、高差及倾角关系并提交最终跨接管测量测量成果，公式如下：
[0073][0074]
式中：h为艏向，单位为
°
；p为纵倾，单位为
°
；r为橫倾，单位为
°
[0075]
所述的步骤s4具体为：
[0076]
s4-1、工区声线传播距离分析：应用raytrace折射分析工具导入声速剖面以生成声波折射的图形，分析两个结构物之间的间距，并确定结构物上方的最佳支架高度；声线跟踪是以图形形式显示从阵列长基线声学定位系统信标传输的声波路径；由于声波向低速区弯曲，射线路径因穿过水柱的声速剖面的变化而发生弯曲；当工况环境下传输距离介于800至1900米，满足布阵需求。
[0077]
s4-2、长基线声学定位系统基阵声线通过性分析：
[0078]
考虑海床的实际地形，使用工区调查获得的数字地面模型进行分析，以确定基线视线和最大跟踪范围；分析过程中充分考虑了声线弯曲的影响，如存在声线遮挡，进而对基阵位置进行调整。
[0079]
s4-3、长基线声学定位系统基阵控制范围分析：
[0080]
目标工作区域内任意跟踪点的测量基线越多，位置解算就越可靠。基阵最大覆盖分析有助于优化阵列设计；将长基线信标设置在声线跟踪分析完成后选择的高度，通过分析显示，基阵范围内任意点均处于6个长基线信标基线范围内，高于至少4个的基本要求；
[0081]
s4-4、长基线声学定位系统基阵精度分析：
[0082]
在设定工况条件下，设计的基阵阵内相对精度为3-5cm时，满足水下工程测量需要。
[0083]
所述的步骤s3-3中，当测定轮毂间的高差，需考虑潮汐和海水密度的影响，该操作过程25分钟内完成，确保精度达到测量要求。通过水下机器人将压力深度传感器分别放置在两个轮毂面上，重复进行3次测量，最后取测量的平均值作为两个轮毂间的高差。
[0084]
在所述的步骤s3-4中，先用水下机器人上的数字测深仪检查海床地表深度，再用长基线跨接管测量辅助工具以水下机器人最大下插能力检测钻井泥浆厚度检测出节点的实际地表高度。
[0085]
本发明根据跨接管设计、建造与安装需要，深水测量需要获得的要素有：水平距离；深度差；轮毂姿态；海床间隙；轮毂间相对夹角等。水下作业环境复杂，不同于水面设施相对关系通过光学设备直接测得，水下轮毂间的相对关系必须通过不同仪器设备综合应用获得相应参数，并通过严格的计算间接获得。
[0086]
工程建造实施过程中，通常在轮毂面上装有压力保护帽，用于测量仪器的安装并防止轮毂接口的损坏，轮毂间相对关系不能直接获得，为通过传感器获取数据后通过计算间接获得，测量之前，传感器及其专用附属工具进行精准的结构控制测量。采用长基线声学定位系统信标分别放置于待安装跨接管两端的轮毂的压力帽上，应用声学测量，可精确测量信号在两个测量传感器之间的传输时间，通过声速测量设备采集该深度层的实时声速，最终确定两个测量传感器间的斜距；通过测量传感器精确测定轮毂面的橫倾和纵倾值，计算出该面倾斜角度及方向。
[0087]
由于深水测量环境复杂，水下距离的测量采用声学测量的方式，海水温度、盐度、密度等参数的实时变化都会对声速产生影响，进而影响距离的测量精度。由于跨接管测量精度要求较高，可通过以下三个方面减小误差：
[0088]
1)多个方向测量，取平均值；
[0089]
2)水深剖面声速短时间内可认为不变，加快测量速度达到提高精度的目的；
[0090]
3)每次测量前对该水深层的深度进行采集，确保每次基线距离采集时为最新声速。
[0091]
对于轮毂高差和路由深度测量，潮汐对其精度的影响至关重要，可从以下三个方面减小测量误差：
[0092]
1)提前对作业点位的潮汐进行预测，选择平潮时间段进行测量；
[0093]
2)按照测量的时间间隔进行加权平差，将潮汐影响导致的闭合差归算到每个测站；
[0094]
3)提前培训rov操作人员对操作流程进行熟悉，提升测量速度，减少潮汐影响。
[0095]
深水跨接管lbl metrology是多学科多设备的综合应用，精度要求高，任何环节的失误都将造成测量成果的不可靠，直接导致后期无法安装或安装后应力过大，从而使用寿命会大大缩减。因此，整个作业环节都需要严格的qc质量控制，结合某深水油气田建造，对作业流程进行了优化。
[0096]
当数据采集完成后，数据处理尤为关键，需在处理过程中剔除质量较差的数据，确保轮毂间8次测量(两次四个面的测量，合计八次)的距离满足限差，取平均值作为最终斜距；轮毂间的高差取三次测量结果的平均值，参考站的轮毂受潮汐影响，取单次测量的平均深度值用于消除潮汐的影响，从而精确确定两个轮毂间的高差，若采集耗时过长则需考虑潮汐改正；轮毂间的路由深度测量，由于耗时较长和潮汐影响，往往会导致闭合差超限，需要通过潮汐预测，选取平潮段进行测量，并在处理数据时将闭合差值按照时间间隔加权平差分配到各个测站点；应用欧拉矩阵分别计算轮毂间的水平长度轮毂间的倾斜角度及方向，计算包含轮毂间的水平长度、高差、路由水深以及轮毂面的倾角及倾斜方向在内的测量成果。
[0097]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。