崔雙民，張傳隆，王 瑜，金長(zhǎng)林，李敬恩

（中國(guó)石油冀東油田公司，河北唐山 063200）

多波束測(cè)深技術(shù)在海底管道懸空裸露檢測(cè)中的應(yīng)用研究

崔雙民，張傳隆，王 瑜，金長(zhǎng)林，李敬恩

（中國(guó)石油冀東油田公司，河北唐山 063200）

介紹了一種海底管道懸空裸露檢測(cè)的新方法，即多波束測(cè)深技術(shù)，該技術(shù)可精確獲得海底管道懸空裸露的長(zhǎng)度和高度，直接反映海底管道的三維空間狀態(tài)，從而確定海管水下運(yùn)行狀態(tài)和水下治理的準(zhǔn)確工程量，為下一步安全運(yùn)行管理和隱患治理提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，還能精確測(cè)出海管后挖溝的深度及海管在溝底中的空間位置，為后挖溝施工效果評(píng)價(jià)與施工方案調(diào)整提供依據(jù)。文章具體介紹了多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成、工作原理以及海管懸空裸露和后挖溝效果的檢測(cè)方法。多波束測(cè)深技術(shù)為海底管道的檢測(cè)工作提供了一條更快捷、直觀、精確的新方法。

海底管道；懸空裸露；測(cè)量；多波束測(cè)深

0 引言

隨著我國(guó)海洋石油開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大，海底油氣管道建設(shè)逐漸進(jìn)入高峰，中海油、中石油、中石化等大公司僅在渤海灣的海底管道已達(dá)數(shù)百千米。海底管道是投資高、風(fēng)險(xiǎn)大的海洋石油工程，它對(duì)海上油氣田的生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。海底管道所處的海洋環(huán)境極為復(fù)雜，受到風(fēng)浪、洋流、風(fēng)暴潮等自然因素作用，普遍存在裸露、懸空等安全隱患。海底管道長(zhǎng)期懸空裸露，遭受風(fēng)浪、海流沖擊極易產(chǎn)生疲勞斷裂；同時(shí)，由于近海工程施工、捕魚(yú)作業(yè)和船舶拋錨等人為因素的破壞，海底管道破損事故也時(shí)有發(fā)生。海底油氣管道一旦出現(xiàn)泄漏，將導(dǎo)致海上油氣田停產(chǎn)，污染海洋環(huán)境，造成生態(tài)災(zāi)害，不僅搶修費(fèi)用高昂，甚至引起海洋石油平臺(tái)爆炸，給企業(yè)和國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，對(duì)海底管道狀態(tài)的科學(xué)檢測(cè)是當(dāng)務(wù)之急，也是海洋石油安全運(yùn)行工作的重中之重。

目前海底管道裸露懸空隱患檢測(cè)的常規(guī)方法是應(yīng)用側(cè)掃系統(tǒng)、淺地層剖面儀結(jié)合GPS定位系統(tǒng)，但受測(cè)線密度的影響 （由于行船原因一般測(cè)線密度為20 m），得出的檢測(cè)結(jié)果不連續(xù)，不能直觀顯示在屏幕上；海管懸空高度需高水平潛水員通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷，由于渤海灣產(chǎn)油區(qū)水下能見(jiàn)度幾乎為零，海管懸空的測(cè)量精度嚴(yán)重受到影響，水下治理工程量無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算。

本項(xiàng)研究主要將多波束測(cè)深技術(shù)，配合聲速剖面儀、潮位儀及高精度GPS定位系統(tǒng)，應(yīng)用到海底管道懸空裸露的海上檢測(cè)以及海管后挖溝的檢測(cè)，獲得了精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，為海管在海底的運(yùn)行狀況及后期治理提供依據(jù)。

本文將以冀東南堡油田某海底管道懸空裸露的檢測(cè)為例，具體介紹條帶多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成、工作原理和海管懸空裸露、后挖溝效果的檢測(cè)方法。

1 條帶多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成

多波束系統(tǒng)基本上由三部分組成。第一部分是多波束主系統(tǒng)，主要包括換能器陣列、收發(fā)機(jī)和處理單元等；第二部分為輔助系統(tǒng)，包括定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感器、GPS羅經(jīng)和聲速剖面儀；第三部分是后處理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理軟件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。

2 條帶多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理

主要是通過(guò)聲波發(fā)射與接收換能器陣進(jìn)行聲波廣角度定向發(fā)射、接收，通過(guò)各種傳感器對(duì)各個(gè)波束測(cè)點(diǎn)的空間位置歸算，從而獲取與航向垂直的條帶式高密度水深數(shù)據(jù)。

多波束測(cè)深系統(tǒng)的換能器 （探頭）由接收陣和發(fā)射陣組成，工作過(guò)程中發(fā)射陣發(fā)射一個(gè)沿航跡方向上角度很窄 （1°）、垂直于航跡方向上角度很寬（最大160°）的聲學(xué)脈沖信號(hào)，如圖1所示。接收陣內(nèi)置多個(gè)水聽(tīng)器基元，每個(gè)基元朝向不同的方向，并限定各自的接收角度：沿航跡方向角度較大（15°）， 垂直于航向角度很小 （0.5°）， 見(jiàn)圖 2。

圖1 發(fā)射陣發(fā)射聲學(xué)脈沖信號(hào)

圖2 接受陣接受反射回來(lái)的聲學(xué)脈沖信號(hào)

發(fā)射波束與接收波束項(xiàng)目垂直交叉，形成256個(gè)0.5°×1°的波束，這些波束密集地排列在垂直于航跡方向的一條直線上，每個(gè)波束都在海底獲得1個(gè)水深數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 條帶多波束的掃描范圍 (側(cè)面)

3 條帶多波束測(cè)深系統(tǒng)在海管懸空裸露檢測(cè)中的

應(yīng)用實(shí)例

3.1 工作流程

由于條帶多波束測(cè)深系統(tǒng)除了本身的多波束測(cè)深主系統(tǒng)外，還包括各種輔助的傳感器設(shè)備，例如聲速剖面儀，用來(lái)測(cè)試當(dāng)時(shí)海水面以下?lián)Q能器位置的聲速；衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GPS羅經(jīng)用來(lái)導(dǎo)航和定位；潮位儀用來(lái)記錄每天的潮差，歸算到統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)面上，消除潮差影響；三維姿態(tài)儀記錄船只的位置姿態(tài) （橫搖、縱搖、升沉情況）。

多波束系統(tǒng)的工作流程主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)后處理兩大部分。

在數(shù)據(jù)采集階段，由于多波束系統(tǒng)是一個(gè)包含眾多輔助傳感器的復(fù)雜系統(tǒng)，所以它的數(shù)據(jù)采集流程比較復(fù)雜與規(guī)范。首先要連接儀器，在此階段，主要連接換能器的探頭、甲板處理單元、GPS系統(tǒng)、羅經(jīng)與計(jì)算機(jī)。此時(shí)，安放在碼頭附近的潮位儀處于啟動(dòng)狀態(tài)，記錄實(shí)時(shí)的潮位信息。然后開(kāi)始調(diào)試各個(gè)儀器，通過(guò)超級(jí)終端軟件，可以查看各個(gè)儀器之間是否連接正常并顯示正確的數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，則檢查各個(gè)數(shù)據(jù)線是否連接正確，接線頭是否連接牢固。當(dāng)各個(gè)儀器設(shè)備連接無(wú)誤后，最后啟動(dòng)軟件，記錄采集的多波束數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)后處理階段，我們主要采用的是CARIS HIPS軟件。

3.2 實(shí)例

利用條帶多波束測(cè)深系統(tǒng)，我們對(duì)冀東油田X號(hào)島至Y號(hào)島之間的海底管道進(jìn)行了檢測(cè)與研究，主要是為了探測(cè)其空間位置狀況，獲得其裸露、懸空的長(zhǎng)度和高度。用后處理軟件，我們可以近距離地拉近并360°全方位地觀察海底管道的3D圖像，并且可以得到任意一點(diǎn)的水深值與坐標(biāo)。

通過(guò)多波束系統(tǒng)的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該段海底管道多處出現(xiàn)裸露甚至懸空狀態(tài)，存在著較大的安全隱患。圖4是一段海底管道的三維圖像，從電腦上我們可以很直觀地看到海底管道的整體走勢(shì)與裸露情況，也可以觀察管道周圍的海底地貌與地質(zhì)特征。采用圖像上各點(diǎn)不同的水深值之間的差值，可以計(jì)算出具體海底管道的裸露與懸空狀況，以及后期治理的精確工程量。例如我們可以得到某處海底管道頂端的水深值A(chǔ)，然后再找到該處附近海底面的水深值B，那么 （A-B）的絕對(duì)值就是該處管道的裸露值，如果該值大于管徑，那么此處很有可能已經(jīng)處于懸空狀態(tài)。

圖4 管道多波束典型記錄一

圖5 管道多波束典型記錄二

圖5也是記錄的一段比較典型的海底管道多波束三維圖像，圖像形象逼真，直觀明了，像一個(gè)水下錄像機(jī)似的直接反映海底管道的三維空間狀態(tài)，從而克服了渤海灣渾濁水底能見(jiàn)度幾乎為零的難題。這一段管道的兩端是埋在海底面以下的，可是中間突然出現(xiàn)了一個(gè)深坑，造成該段管道處在懸空狀態(tài)；利用多波束后處理軟件可以知道，該段裸露管道頂端距離海水基準(zhǔn)面的水深為5.6 m，而其附近的深坑底部距離海水基準(zhǔn)面的水深為6.6 m，那它們之間的差值1.0 m就應(yīng)該是管道的裸露高度值，由于管道的直徑為0.56 m，所以，此處管道已經(jīng)懸空了0.44 m。管道周圍的自然海底面的水深值為5.0 m，那么該深坑的坑底高度為1.6 m，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，該深坑大體呈一個(gè)平行四邊形，利用其四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算出該平行四邊形的長(zhǎng)與寬分別為13.42 m與7.62 m，進(jìn)而得到其面積為102.26 m2，體積為163.62 m3。該計(jì)算成果給以后海底管道治理工作提供了較好的理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持，給懸空及裸露海底管道拋填砂石的土石方量提供了一個(gè)比較符合實(shí)際的測(cè)量值，防止了盲目治理導(dǎo)致用料過(guò)剩的問(wèn)題，節(jié)約了成本，提高了作業(yè)效率。

4 條帶多波束測(cè)深技術(shù)在海管后挖溝檢測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例

我們還利用該技術(shù)進(jìn)行了海管的后挖溝檢測(cè)，對(duì)海管后挖溝效果進(jìn)行了精確評(píng)價(jià)。海底輸油管道大多利用挖溝后海水的自然回淤功能讓管道埋至要求深度之內(nèi)，多波束測(cè)深系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)觀察海底管道的后挖溝狀況，利用水深的差值對(duì)比反映挖溝的深度并且掃描顯示管道后挖溝的形貌。例如，圖6與圖7就是我們針對(duì)海底管道后挖溝采集的多波束掃描圖像，可以看到后挖溝的溝底與邊緣，而海底管道被放置在溝底；利用后處理軟件可以得到后挖溝溝底的水深值以及附近自然海底面的水深值，它們之間的差值就是后挖溝的深度值，從而判斷挖溝的深度是否在要求范圍之內(nèi)，這樣我們就可以檢測(cè)出后挖溝的效果與狀態(tài)。

圖6 海底管道后挖溝典型記錄一

圖7 海底管道后挖溝典型記錄二

5 結(jié)束語(yǔ)

將多波束測(cè)深技術(shù)應(yīng)用在海底管道懸空裸露及后挖溝檢測(cè)實(shí)際工作中，可精確獲得海底管道懸空裸露的長(zhǎng)度和高度，精確測(cè)量得到海底管道在海床的三維狀態(tài)圖，從而確定海管水下運(yùn)行狀態(tài)和水下治理的準(zhǔn)確工程量，為下一步安全運(yùn)行管理和隱患治理提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，還可精確得出海管后挖溝的深度及海管在溝底中的空間位置，為后挖溝施工效果評(píng)價(jià)與施工方案調(diào)整提供了依據(jù)。

[1]胡銀豐，朱輝慶，夏鐵堅(jiān).現(xiàn)代深水多波束測(cè)深系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J].聲學(xué)與電子工程，2008，（1）：46-48.

Research and Application of Multi-beam Echo Sounding Technology in Inspecting Suspended and Exposed Sections of Subsea Pipeline

CUI Shuang-min（PetroChina Jidong Oilfield Co.,Tangshan 063200， China），ZHANG Chuan-long，WANG Yu，et al.

Applying multi-beam echo sounding technology can accurately obtain the length and height of suspended and exposed sections of subsea pipeline,and give pipeline 3D image,thus determine subsea pipeline operational status and exact treatment quantities needed.It offers the scientific basis for further pipeline safety management and hidden trouble treatment.In addition,multi-beam echo sounding technology can accurately measure the post trenching depth and the pipeline spatial position on the trench bottom for evaluating post trenching effect and regulating construction scheme.The composition and working principle of the multi-beam echo sounding system and the inspection method for suspended and exposed pipeline as well as the post trenching effect are concretely described.Multi-beam echo sounding technology provides a faster,more intuitive and more accurate method for subsea pipeline inspection.

subsea pipeline;suspension and exposal;measurement;multi-beam echo sounding

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.016

崔雙民 （1967-），男，河北昌黎人，高級(jí)工程師，1991年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，現(xiàn)從事工程管理工作。

2012-02-28