淳明浩,姚志廣,楊肖迪,羅小橋,徐 爽

(1.中國(guó)石油集團(tuán) 工程技術(shù)研究有限公司,天津300451；2.中國(guó)石油集團(tuán) 海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300451)

海底管道是重要的海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施,埋設(shè)在海床之下的管道面臨腐蝕、波流沖刷、第三方活動(dòng)和海床運(yùn)動(dòng)等風(fēng)險(xiǎn)因素的影響[1-2],必須定期進(jìn)行維護(hù)性檢測(cè),了解掌握海底管道埋設(shè)狀態(tài),分析存在或潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素,評(píng)價(jià)管道安全穩(wěn)定性,制定針對(duì)性的維護(hù)方案,保障管道安全運(yùn)行[3-4]。當(dāng)前,國(guó)際上海底管道穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)多參考《海底管道系統(tǒng)完整性管理推薦作法》(DNV-RP-F116)[5]等規(guī)范,而海底管道的埋設(shè)狀態(tài)就屬于管道穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)之一。因?yàn)楹５坠艿蓝酁殇撡|(zhì),本身具有比掩埋巖土物和上覆水體大得多的磁化率,當(dāng)其被磁化后,會(huì)產(chǎn)生明顯的磁異常場(chǎng)[5-8],利用磁力儀可檢測(cè)到管道磁異常場(chǎng)的分布及強(qiáng)度,從而為管道埋設(shè)狀態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 海底管道磁異常探測(cè)原理

通常,海底管道多為鋼質(zhì),相比周圍路由區(qū)掩埋物具有大得多的磁化率,在海底埋設(shè)管道后產(chǎn)生磁異常[7-8],因而利用海洋磁力儀可探測(cè)埋設(shè)海底管道的平面坐標(biāo)位置[9-10],配合磁異常解譯手段就能確定管道的埋藏深度[11]。無外界磁場(chǎng)影響的理想情況下,海底管道符合無限長(zhǎng)圓柱體的磁性體產(chǎn)生的磁異常強(qiáng)度[12-13]表達(dá)式為

式中,ΔT為磁異場(chǎng)強(qiáng)度；μ0為真空中的磁導(dǎo)率；h為管道圓柱體中心到磁力儀拖體的垂直距離；ms為有效線磁化強(qiáng)度(磁矩)；is為有效磁化傾角；I0為磁性體的傾角。同時(shí),磁異常檢測(cè)坐標(biāo)系原點(diǎn)為GPS定位設(shè)備在水平面的垂直投影點(diǎn),坐標(biāo)系X軸為平行管道軸向方向,x為平行軸線方向距離；坐標(biāo)系Y軸為垂直管道軸向方向,y為垂直軸線方向距離；A′為X軸正方向與地磁場(chǎng)北方向的夾角。

在海底管道的磁異常檢測(cè)時(shí),已知磁異常強(qiáng)度計(jì)算的參數(shù)μ0,ms,is,I0,A′以及管道在測(cè)量坐標(biāo)系中的位置,可反算求得h值,再利用測(cè)得的水深值和磁力儀拖體入水深度,對(duì)h進(jìn)行校正,去除水體深度影響,可得到管道位置與埋深數(shù)據(jù)。

通常,當(dāng)海底管線埋深約5 m,無限長(zhǎng)圓柱體的有效磁化傾角is為90°,磁性體的傾角為45°時(shí),給定磁矩ms和區(qū)域解譯后得到的磁異常強(qiáng)度ΔT分布如圖1和圖2所示。

圖1 圓柱體海底管道模型的磁異常強(qiáng)度分布Fig.1 Distribution of magnetic ano malies of cylindrical sub marine pipeline model

圖2 垂直管道且位于管道正上方(Y=0)的磁異常強(qiáng)度曲線Fig.2 Magnetic ano malies of vertical and right above the pipeline(Y=0)

2 海底管道磁異常探測(cè)應(yīng)用

西氣東輸某支線海底管道于2012年底建成,其大陸段起點(diǎn)位于廣東省深圳市大鏟島,終點(diǎn)至深圳市銅鼓航道,長(zhǎng)度約14.5 k m(里程以起點(diǎn)為KP0,終點(diǎn)為KP14.5表示),海底之下設(shè)計(jì)及竣工埋深約7 m,管道上方有2～3 m厚的塊石覆蓋,服役至今定期開展管道維護(hù)性檢測(cè)。因上覆厚層拋石保護(hù)層,聲學(xué)探測(cè)方法容易導(dǎo)致信號(hào)減弱[14],因而在實(shí)際測(cè)量中除采用淺地層剖面儀確定管道埋設(shè)的大體范圍外,常需要采用海洋磁力儀進(jìn)行磁異常檢測(cè)[15],以實(shí)現(xiàn)海底管道埋藏狀態(tài)的埋深值(Δh)精確探測(cè)。海底管道埋藏結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 海底管道埋藏結(jié)構(gòu)Fig.3 Diagra m of sub marine pipeline burial

2.1 設(shè)備入水姿態(tài)校正

磁力儀測(cè)量過程中,設(shè)備拖體入水方位和狀態(tài),會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響[16]。本次測(cè)量以尾拖方式設(shè)置拖體位于GPS定位設(shè)備后方10 m和海面之下2 m,并控測(cè)量船以4 kn(1 kn=1.852 k m/h)的速度勻速行駛,以保持磁力儀測(cè)量姿態(tài)的穩(wěn)定。當(dāng)測(cè)量船速不穩(wěn)定和拖纜長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí),需對(duì)磁力儀拖體入水深度(H′)進(jìn)行校正[17-18],其校正表達(dá)式為

式中,H′為磁力儀拖體入水深度(m)；G為拖體重量(kg)；L為拖纜長(zhǎng)度(m)；V為船速(kn)。

根據(jù)拖體與GPS的相對(duì)位置關(guān)系、拖體入水深度(H′)、測(cè)得的水深值(H),建立測(cè)量設(shè)備之間的空間立體關(guān)系,為最終的管道埋深計(jì)算與校正提供依據(jù)。測(cè)量設(shè)備安裝如圖4。

圖4 磁力儀安裝示意圖Fig.4 A scheme of magneto meter installation

2.2 磁力異常探測(cè)過程

根據(jù)海底管道設(shè)計(jì)與竣工路由走向,垂直路由走向布設(shè)磁力儀檢測(cè)測(cè)線,在海底管道14.5 k m(海底管道的起點(diǎn)以KP0表示,以起點(diǎn)起算,在14.5 k m里程處的管道以KP14.5表示,整個(gè)管道表示為KP0～KP14.5)范圍內(nèi),每間隔20 m布設(shè)一條,每條測(cè)線長(zhǎng)度200 m,實(shí)現(xiàn)整個(gè)管道路由兩側(cè)200 m范圍的全覆蓋。海底管道磁力儀探測(cè)測(cè)線如圖5。

圖5 垂直管道軸線的磁力儀檢測(cè)測(cè)線(局部)Fig.5 Detection lines of magneto meter perpendicular to the pipeline axis(part)

本次采用Marinemagnetics SeaSPY海洋磁力儀設(shè)備開展管道檢測(cè),與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子磁力儀相比旋進(jìn)式磁力儀發(fā)展與延伸后具有更高的靈敏度、采樣頻率和數(shù)據(jù)帶寬[11],其采用全向Over hauser磁力儀傳感器,測(cè)量分辨率可達(dá)0.001 n T,量程為18 000～120 000 n T[19],因此測(cè)量方案與設(shè)備參數(shù)均滿足《海底電纜管道路由勘察規(guī)范》(GB/T 17502-2009)[20]和《海洋調(diào)查規(guī)范》第8部分(GB/T 12763.8-2007)[21]的要求。測(cè)量過程中,用美國(guó)Tri mble公司生產(chǎn)的星站差分GPS系統(tǒng)為測(cè)量船和測(cè)量設(shè)備提供定位信息,用美國(guó)RESON公司生產(chǎn)的T50P多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量管道路由區(qū)水深值,利用磁力儀配套的BOB數(shù)據(jù)采集和可視化軟件采集記錄磁異常測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 討 論

3.1 管道磁力異常數(shù)據(jù)的識(shí)別

將磁力儀探測(cè)獲取的海底管道磁異常數(shù)據(jù)利用專業(yè)軟件進(jìn)行處理并解譯。通過對(duì)采集的磁力數(shù)據(jù)進(jìn)行回放,識(shí)別海底管道引起的磁力異常信號(hào),在磁力異常峰值處添加Marker線,即為海底管道的位置。然后提取Mar ker線的經(jīng)緯度坐標(biāo),與對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)及竣工管道路由經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,分析測(cè)量的管道路由偏距,結(jié)合管道磁異常計(jì)算式(1),進(jìn)行管道埋深分析。海底管道正、負(fù)磁力異常強(qiáng)度特征如圖6所示。

圖6 海底管道正磁異常和負(fù)磁異常強(qiáng)度特征Fig.6 Positive and negative magnetic ano malies of the sub marine pipeline

在14.5 k m長(zhǎng)的管道范圍內(nèi),以1 k m間隔的管道區(qū)段(首尾區(qū)域加密樣本)為1個(gè)樣本,共設(shè)置20個(gè)樣本。提取每個(gè)樣本區(qū)段中的最大磁異常信號(hào)幅度,磁異常信號(hào)幅度在37.4～358.3 n T,表明該探測(cè)方法在海底管道處能檢出明顯磁異常信號(hào),實(shí)現(xiàn)埋設(shè)海底管道的有效探測(cè)。

通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),磁探儀在經(jīng)過管道正上方時(shí)探測(cè)到的磁信號(hào)異常強(qiáng)度幅度最高,為管道路由分析提供了較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。由表1可見海底管道磁異常值的里程位置與信號(hào)幅度。

表1 部分管道磁力異常點(diǎn)信號(hào)幅度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of the signal a mplitudes at part of the magnetic ano maly points of t he pipeline

3.2 設(shè)計(jì)竣工與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過對(duì)磁力信號(hào)異常點(diǎn)的識(shí)別,解譯計(jì)算出峰值異常處的坐標(biāo)位置,根據(jù)海底管道設(shè)計(jì)及竣工路由坐標(biāo)數(shù)據(jù),將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)資料對(duì)比,得出實(shí)測(cè)管道路由和設(shè)計(jì)竣工路由坐標(biāo)之間存在一定的偏離距離在0.85～1.92 m,該偏離距離滿足數(shù)據(jù)測(cè)量精度要求。管道磁異常點(diǎn)與設(shè)計(jì)竣工路由點(diǎn)之間偏距數(shù)據(jù)見表2。

表2 管道磁力異常點(diǎn)處偏距數(shù)據(jù)Table 2 Offset data at the magnetic ano maly points of the pipeline

根據(jù)磁力儀測(cè)量得到的管道磁異常數(shù)據(jù),利用管道磁異常計(jì)算公式(1),對(duì)海底管道埋深進(jìn)行解算[14,22-23],利用解算的管道埋深數(shù)據(jù)與管道設(shè)計(jì)竣工埋深數(shù)據(jù)對(duì)比分析管道埋設(shè)狀態(tài),得出海底管道埋深為7.2～8.1 m,與設(shè)計(jì)埋深7 m相近,埋深數(shù)據(jù)滿足測(cè)量精度要求。解算的與設(shè)計(jì)竣工的管道埋深數(shù)據(jù)見表3。

表3 管道磁力異常點(diǎn)處管道埋深數(shù)據(jù)Table 3 Buried depth at the magnetic ano maly points of the pipeline

3.3 偏距統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)成果,依據(jù)前述管道偏距分析方法,對(duì)整個(gè)管道路由探測(cè)段進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,分析海底管道偏離情況。結(jié)果表明:各管道路由區(qū)段偏離距離大小不一,其中偏離距離最大值點(diǎn)位于KP9+580區(qū)段,為1.92 m；偏離距離最小值點(diǎn)位于KP4+480區(qū)段,為0.85 m。各管道路由區(qū)段中,根據(jù)磁異常檢測(cè)出的平均偏離距離為1.47 m。數(shù)據(jù)顯示,海底管道在位埋設(shè)狀態(tài)良好,未發(fā)生嚴(yán)重位移,海底管道埋設(shè)狀態(tài)穩(wěn)定。沿管道軸向的探測(cè)埋深、偏距及磁異常信號(hào)幅度變化見圖7。

圖7 沿管道軸向的探測(cè)埋深、偏距及信號(hào)幅度變化Fig.7 The buried depth,offset and signal a mplitude detected along the pipeline axis

3.4 埋深統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的磁力數(shù)據(jù)成果,利用管道磁異常計(jì)算公式(1),計(jì)算海底管道埋深數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,各區(qū)域埋設(shè)深度不一,其中測(cè)得的管道埋深值(Δh)在7.2～7.3 m的管道較多,占總量的55%；埋深最大值為8.1 m,占總量的10%。該埋深數(shù)據(jù)符合《海底管道路由勘察規(guī)范》(GB/T 17502-2009)[24],管道埋設(shè)深度與設(shè)計(jì)埋深基本一致,沿管道軸向整體呈現(xiàn)穩(wěn)定的特征。管道偏距與埋深數(shù)據(jù)顯示,海底管道在位埋設(shè)狀態(tài)良好,不存在嚴(yán)重位移,海底管道埋設(shè)狀態(tài)穩(wěn)定。由圖8可見,管道磁異常信號(hào)幅度、偏距及探測(cè)埋深的相互關(guān)系。

圖8 海底管道磁異常幅度、偏距及探測(cè)埋深的相互關(guān)系Fig.8 Relationship among the magnetic ano maly amplitude,t he offset and the buried depth of t he pipeline

4 結(jié) 論

本研究基于埋設(shè)海底管道磁異常的檢測(cè)技術(shù)及其組成、應(yīng)用方法,通過優(yōu)化檢測(cè)設(shè)備入水狀態(tài)、數(shù)據(jù)處理解譯及數(shù)據(jù)應(yīng)用分析,在海底管道磁異常實(shí)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上,分析管道路由數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)竣工路由間的偏距、管道埋深等數(shù)據(jù)的關(guān)系,得出結(jié)論如下:

1)基于磁異常檢測(cè)的海底管道探測(cè)技術(shù)可有效探測(cè)出埋設(shè)管道的磁力異常特征,據(jù)此解譯出的管道路由偏距、管道埋深等數(shù)據(jù),可有效顯示出海底管道埋藏狀態(tài),探測(cè)數(shù)據(jù)符合管道路由勘察評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2)該技術(shù)優(yōu)化了設(shè)備布設(shè)及作業(yè)方案,可以實(shí)現(xiàn)深埋海底管道磁異常特征的良好檢測(cè),在實(shí)際海底管道探測(cè)與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)用中效果良好,對(duì)海底管道路由完整性評(píng)價(jià)具有很好的借鑒指導(dǎo)作用。