测深仪在海上钻井平台上的应用

李苗苗

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

随着海洋能源开发的不断深入发展，海上钻井平台作业区域由浅水区不断向深水区延伸。测深仪可有效实现海上钻井平台的海域勘测和深度测量等功能。本文结合相关规范要求，对测深仪在海上钻井平台上的安装要求及应用情况进行介绍。

1 海上钻井平台

海上钻井平台是指在海上实施钻井作业的设施或装置，其钻井系统、辅助设备和生活设施均集中在作业平台上。由于不同区域的海水深度和海况差别很大，其使用的钻井平台的类型也各有不同。迄今为止，海上移动钻井平台主要包括自升式平台、半潜式平台、深海钻井船等类型，开采和勘探深度分别达到2 000 m和3 000 m。海上钻井平台需要特别重视安全因素，一方面是因为平台设备需要在恶劣海况下持续稳定运行；另一方面是因为作业过程中存在油气等易燃物扩散和爆炸的可能性。实时监控平台和所处环境的各项参数，对于保障海上钻井平台运行环境安全可控，提高作业人员的安全性非常重要。

2 声呐系统

声呐是利用声波在水中传播速度快、衰减小的物理特性对水中目标进行搜索、定位、识别和跟踪的技术装备。依据是否主动发出声波信号，可将声呐分为主动式声呐和被动式声呐。在船舶与海洋工程领域，声呐常用于回声测量系统、声音导航系统和声呐定位系统。声呐系统的应用和完善，为海上钻井平台在恶劣海洋环境中的作业提供安全保障。本文对回声测量系统及测深仪装置在海上钻井平台上的应用进行介绍。

3 回声测量系统

3.1 声波原理

发声体的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波借助各种介质向四面八方传播。声波是一种纵波，是弹性介质中传播着的压力振动，这种压力振动每秒钟完成振动的次数称为声波的频率，频率单位为赫兹（Hz）。次声波指频率低于 20 Hz的声波，此类声波无法通过人的听觉进行辨别；可闻声波指频率在20 Hz～20 kHz范围内的声波，人耳可以直接听到；超声波指频率高于20 Hz的声波，此类声波也无法通过人的听觉进行辨别，超声波在声呐系统中的应用最为广泛。通常情况下，回声测深仪的声波频率在20 kHz～200 kHz范围内。声波在水中的标准传播速度为1 500 m/s，水中声速会受到温度、介质、海底环境、噪声等外界因素的影响，在计算船舶或平台的高度时需要考虑计算偏差或进行计算参数补偿。

3.2 回声测深仪

回声测深仪是一种利用声波在水中反射进行深度测量的设备，也是目前应用最为广泛的一种测量水深的水声导航仪器。回声测深仪的换能器安装在船舶或钻井平台的底部，发射换能器垂直向下方海底发射声波，接收换能器接收海底反射的声波，经过信号处理、系统计算等操作完成对海底深度的测定。若发射换能器与接收换能器为同一单元时，声波发射与接收的时间差与声速乘积的一半即为船舶或钻井平台底部距离海底的大致高度，精确的测量数据需要通过处理单元计算得出。

回声测深仪系统原理图见图1，回声测深仪主要由以下6个部分组成：

图1 回声测深仪系统原理图

1）显示单元。作为测深仪系统的终端设备，显示单元可实时显示测量结果，还可作为操作站对整个系统发布指令。

2）发射系统。发射系统按照显示单元发出的指令要求输出电能脉冲信号至换能器，输出信号为模拟量的电信号。

3）发射换能器。发射换能器安装在船舶或钻井平台底部，可将模拟量电信号转换为声波信号，并将信号发射到海底。

4）接收换能器。接收换能器安装在船舶或钻井平台底部，可接收海底反射回来的声波信号，并将其转换为模拟量电信号传递至接收系统。

5）接收系统。接收系统负责处理来自接收换能器的模拟量信号，对其重新编码并转换为显示单元所需的数字量信号，最后将数字量信号发送至系统显示单元。此外，接收系统还可将信号发送至其他系统，如卫星导航系统、航行数据记录仪及电子海图系统等。

6）电源设备。电源设备为机器内部的电源模块，具有过载保护等必要的保护功能，用来连接外部电源。

回声测深仪需要满足以下5点主要技术指标：

1）设备生产标准要满足相关法规和规范的要求。

2）测深范围要满足项目作业水深的要求。

3）测深精度范围要满足项目作业的需求。

4）工作频率、最大发射功率等参数要满足使用要求。

5）回声测深仪要满足《关于回声测深设备性能标准的建议案》的相关要求。

4 测深仪在海上钻井平台上的应用

1）作业海域的海底地貌探测

在早期评估阶段，海洋工程油气勘探项目需要利用回声测深仪对作业区域的水深、海底地形与地貌等数据进行精确测量，并以此作为钻井平台主要设备选型的理论依据。钻井平台对工作海域的作业水深的要求非常严格，若不满足作业水深的要求，员工的生命安全和钻井平台的性能都会受到重大威胁。因此，通过测深仪对水深高度进行实时监测是必不可少的。

2）计算桩腿入泥深度

在将自升式钻井平台托运到预定井位后，下降桩腿，使其插入海底泥土中。当海底泥土对桩腿的阻力等于或超过压桩载荷时，桩腿静止。自升式钻井平台将桩腿末端的桩靴完整插入海底，以最大压载能力进行压载固定，进而实现平台的稳定定位。在此过程中，使用回声测深仪辅助计算钻井平台离开水面时的桩腿入泥深度。

在钻井船上安装测深仪可有效提高钻井船在航行或漂浮状态下的安全性。顶驱、隔水管、潜水泵、动力定位装置等重要的钻井设备对水深和波动具有严格要求。为保证平台的可靠运行，要实时精确掌握作业水深，并以此作为其他各项系统选型设计的依据。

5 相关法规和规范要求

测深仪在钻井平台应用需要满足以下要求：

1）需满足挂旗国法规的相关要求。

2）需满足船级社规范的相关要求。

3）需满足项目建造技术规格书的相关要求。

4）需满足《国际海上人命安全公约》（，SOLAS）的相关要求。

6 安装要求

换能器是精密的前端信号传感器。在运输和安装的过程中应注意小心处理，避免发生重压、跌落等事故。换能器应避免裸露在空气，且应做好表面防护，不能附有油漆或其他物质。换能器的安装、运输等作业需要在厂家工程师的指导下完成，或者严格按照厂家的安装指导文件进行操作。

换能器至主甲板之间的电缆应尽量敷设在不锈钢材质的电缆管内。测深仪机壳、连接电缆及电缆管均需要进行有效接地。根据IEC 61892-2: 2012标准的相关要求，任何可能带电的金属部件均需要接地。若使用铠装电缆，则电缆的铠装部分也需要进行有效接地。

换能器的安装位置会直接影响实际测量效果，需要根据项目实际情况来确定换能器的安装位置。换能器安装示意图见图2，换能器需要安装在钻井平台底部相对平坦的位置，并根据项目建造技术规格书来决定是否配置检修阀门。阀门的规格、材质、尺寸等参数不仅需要满足安装位置和安全操作的要求，还应方便操作。

图2 换能器安装示意图

某自升式钻井平台换能器的安装位置见图3。一般情况下，换能器安装在距离艏部1/3～1/2的位置。为将推进器工作时对换能器产生的干扰降到最低，通常将换能器的安装表面向艏部方向做适当倾斜。换能器轴线与船舶或钻井平台表面垂直线的夹角应限制在5°以内，以确保换能器轴线方向与水面保持垂直状态。

图3 某自升式钻井平台换能器安装位置

钻井平台底部通常为压载水舱，应设置独立舱室用于布置回声测深仪换能器，并提供必要的维修空间以满足检修的要求。此外，舱室内部需要提供必要的照明。

电源电缆的选型需要综合考虑钻井平台的电源配置。由于钻井平台的电站相对独立且容量相对较小，电缆选型时还要充分考虑电压降及电网波动可能产生的影响。

系统各部分的布置需要综合考虑钻井平台的环境参数。钻井平台对环境温度的要求为 45 ℃，换能器安装位置的防护等级要高于IP56，显示单元的安装位置和安装方式要便于监控和操作。

7 结论

测深仪的合理应用对保障海上钻井平台运行环境安全可控，提高作业人员的安全性非常重要，本文介绍了测深仪在海上钻井平台上的安装要求及应用情况，可为测深仪在海上钻井平台的安装和应用提供一定指导。