王文龍,熊指南

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057; 2.天津市陸海測繪有限公司,天津 300191)

在海水中,光波和無線電波衰減較快,傳播距離有限; 與它們相比,聲波在海水中的傳播性能更好,水聲技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋水下目標(biāo)探測的工程實踐中,海底石油管線鋪設(shè)狀態(tài)后調(diào)查即是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。鋪設(shè)后裸露的海底石油管線會受到海水沖刷,加速管線的磨損; 管線懸空,會加速架空處的變形和材料疲勞,加速管線的斷裂和破損;管線路由不當(dāng),經(jīng)過了基巖區(qū)等不良地質(zhì)區(qū)域,同樣會加劇管線磨損[1]。因此,管線的裸露、懸空、不當(dāng)路由均是鋪設(shè)過程中需避免的。但海底石油管線在鋪設(shè)過程中受到復(fù)雜海洋環(huán)境的影響,布設(shè)后管線的實際路由與設(shè)計路由會有所偏差,其偏差可能會超出安全作業(yè)允許的范圍; 另一方面,海底管線周邊精確的海床狀況和海底管線的埋深及裸露情況,也是管線日后維護和運行方案制定的必要依據(jù)。因此在管線布設(shè)后,對其自身及周邊海底環(huán)境的真實狀態(tài)進行后調(diào)查是必要的工程環(huán)節(jié)。

目前,聲學(xué)探測技術(shù)憑其探測效率高、經(jīng)濟成本低等優(yōu)勢,仍是國際上常用的海底管道安全檢測的方法。為同時滿足準(zhǔn)確和高效率的要求,通常需配合使用多種探測儀器; 同時在探測資料后處理與解譯環(huán)節(jié),多解性和不確定性也是聲學(xué)探測設(shè)備獲取資料常遇到的問題,使得資料無法真實反映管道的在位信息?，F(xiàn)行的《海底電纜管道路由勘察規(guī)范》、《海洋工程海底地形測量規(guī)范》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),檢測技術(shù)、檢測成果各不相同,尚不能滿足當(dāng)前海底管道日常運維服務(wù)的需要。本文提出在海底管道檢測時將各種探測手段配合使用,使各手段“取長補短”; 在進行數(shù)據(jù)處理時,將多種聲學(xué)探測設(shè)備得到的數(shù)據(jù)進行綜合分析,對各項探測結(jié)果進行相互檢核,解決單一調(diào)查設(shè)備探測資料的多解性問題,可有效提高測量數(shù)據(jù)的精度。

本文分析了測深儀、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面測量儀、聲速剖面儀的技術(shù)實現(xiàn)方式,并分析各設(shè)備在海底石油管線鋪設(shè)狀態(tài)后調(diào)查的工程實踐中的長處與局限性,進而得出各設(shè)備配合使用,以充分滿足管線鋪設(shè)狀態(tài)后調(diào)查工作的方法[2-5]。

1 儀器原理與技術(shù)特點分析

1.1 測深儀

測深儀是利用超聲波遇到介質(zhì)會產(chǎn)生反射的原理來測量水深的儀器[6-7],測量時借助換能器發(fā)射超聲波,超聲波在水中傳播遇到海底后,發(fā)生反射、透射和散射,反射回來的回波被換能器接收,通過測量發(fā)射波及反射波的時差來完成測量。根據(jù)回聲發(fā)射技術(shù)特點,可分為單波束測設(shè)儀和多波束測深儀。其測量過程和原理可表示為:

其中,V代表聲波在水體中的平均傳播速度,t代表換能器發(fā)射和接收到回波的時間間隔,S代表聲波的單程旅行距離,即換能器到海底的距離[6-8]。換能器到水面的距離可通過探頭桿的刻度讀出,加上換能器到海底的距離,即為所測的水深[6-7],如圖1、圖2所示。該類設(shè)備既具有傳統(tǒng)的模擬記錄功能,又擁有先進的DSP(數(shù)字信號處理)技術(shù),同時能在水下對水底目標(biāo)進行跟蹤探測,并且受惡劣水文環(huán)境和復(fù)雜地貌的干擾小,探測精度高,得到的水聲數(shù)據(jù)真實穩(wěn)定可靠。通常采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口可方便地與計算機、涌浪補償器、GPS 等測量設(shè)備相連接,實現(xiàn)對水深的自動化實時精確涌浪改正。

圖1 測深儀Fig.1 Sounder

圖2 超聲波回深測深示意圖Fig.2 Schematic of supersonic echo sounding

采用測深系統(tǒng)進行管線裸露目標(biāo)探測,能對精確尋找管線,給出坐標(biāo)位置,并展示周邊的海底面狀況,可用于管線路由及其周邊底質(zhì)情況的勘測,可清晰分辨鋪設(shè)后懸空的管線目標(biāo),但裝備的探測能力受水深影響較大。

1.2 側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)利用回聲測深原理探測海底地貌和水下物體的設(shè)備,主要用于海底成像,如圖3。又稱旁側(cè)聲吶或海底地貌儀。側(cè)掃聲吶采用拖曳法測量,工作時由拖魚兩側(cè)的換能器基陣先發(fā)射一定頻率的電脈沖,然后轉(zhuǎn)換成聲脈沖向兩側(cè)海底發(fā)射,聲波在海底或水中物體傳播時會產(chǎn)生反射并按原傳播路線返回,換能器將接收到的回波信號轉(zhuǎn)換成一系列電脈沖,然后經(jīng)過處理顯示在顯示器的一條橫線上,每一次的回波數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成一條一條的橫線,有序排列后就形成了反映海底地貌的聲學(xué)圖像[9-13]。依據(jù)聲圖像的灰度變化,對海底地貌的起伏變化狀況進行清晰地判斷,并分析圖像不同紋理判讀底底質(zhì)類型,還可通過分析目標(biāo)陰影及尺度判讀海底管線的出露情況。該設(shè)備接收的是聲強信號,利用成像軟件可以給水下地物更好的視覺表現(xiàn)效果。

圖3 側(cè)掃聲吶Fig.3 Sidescan sonar

設(shè)備一般內(nèi)置的艏向設(shè)置、橫搖和縱搖校正保證拖體的準(zhǔn)確定位。下圖4為側(cè)掃聲吶測量目標(biāo)物高度的幾何關(guān)系圖,圖中A為拖魚深度,B為拖魚到海底的高度,C為拖魚到目標(biāo)物的斜距,D為聲圖陰影區(qū)長度,E為目標(biāo)物的高度。由相似三角形原理可得,目標(biāo)物的高度E=D/(C+D)×B[9-10]。

圖4 側(cè)掃聲吶幾何關(guān)系圖Fig.4 Geometry diagram of the sidescan sonar

該設(shè)備的優(yōu)點是可以利用影像方便準(zhǔn)確地進行地物判別,且設(shè)備的使用不受水深的影響。其局限性是獲得的是水下影像; 越向兩側(cè)延伸,影像變形會越明顯; 無法獲得水深數(shù)據(jù),且定位精度相比于多波束測深設(shè)備較差,無法獲取海底管線的準(zhǔn)確路由及其周邊的準(zhǔn)確地形位置信息。

1.3 淺地層剖面儀

當(dāng)前淺地層剖面測量設(shè)備主要借助于參量陣技術(shù)(又稱非線性技術(shù),差頻技術(shù))得以實現(xiàn)[14-15],由于在高聲壓下聲波傳播具有非線性特性,采用兩組頻率接近 100 kHz的高頻換能器作為主頻進行發(fā)射,兩組高頻聲波信號相互作用,會產(chǎn)生新的、頻率很低的聲波,稱為次頻[14-15],參量陣技術(shù)就是利用這種次頻來穿透地層,提供剖面數(shù)據(jù),如圖5所示。假設(shè)海底具有多層結(jié)構(gòu),將海底不同界面的巖石密度用ρ表示,聲波傳輸速度用c表示,當(dāng)聲波由換能器發(fā)射到海底及以下界面時,會產(chǎn)生反射和透射,聲波在海底不同界面形成的反射層次都會被換能器接收,其反射系數(shù)R可通過式(2)計算得出[14-16],如圖6所示。

圖5 淺地層剖面儀Fig.5 Sub-bottom profiler

圖6 淺地層剖面儀工作原理Fig.6 Sub-bottom profiler fundamental diagram

地表的反射強度與相應(yīng)的反射系數(shù)R呈正相關(guān)關(guān)系。淺地層剖面儀通過接收聲波在海水和沉積層傳播過程遇到聲阻抗界面產(chǎn)生的反射信號,得到海底淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等信息,通過聲學(xué)剖面圖可以反映海底地質(zhì)情況和管線賦存狀態(tài)[14-23]。主要用于探測管線的埋設(shè)深度和位置,也可探測管線的裸露和懸空情況,特別對于新埋設(shè)的管線探測效果更佳[23-27]。

相較于測深儀和側(cè)掃聲吶,淺地層剖面儀使用更低頻率且更強能量的聲信號,信號在各個聲速界面上形成反射,水聽器接收回波信號,對信號進行分析后即可獲得聲學(xué)地層圖像。

1.4 聲速剖面儀

此類設(shè)備一般采用環(huán)鳴法直接測量聲信號在固定的已知距離內(nèi)的傳播時間進而得到聲速[28],用于矯正測深儀、淺地層剖面設(shè)備的聲速剖面,如圖7所示。在管線后調(diào)查過程中,用于精確分析勘測海域的聲場環(huán)境,配合其他聲學(xué)設(shè)備使用。

圖7 聲速剖面儀Fig.7 Sound velocity profiler

2 設(shè)備應(yīng)用方法

管線后調(diào)查需查明管線區(qū)域海底環(huán)境,包括: 水深、地形、地貌。海底管線路由、埋深及裸露情況是后調(diào)查的重要內(nèi)容。調(diào)查結(jié)束后將調(diào)查結(jié)果歸納整理,評估海底管線的安全狀況,支撐海底管線的安全生產(chǎn)和后期維護等工作。根據(jù)前文所分析的4種水聲探測設(shè)備的技術(shù)特點,主要依據(jù)《海洋工程地形測量規(guī)范(GB 17501—2017)》、《海底電纜管線路由勘察規(guī)范GB/T 17502—2009》、《海道測量規(guī)范 GB 12327—1998》、《水運工程測量規(guī)范 JTS 131—2012》、《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范GB/T 18314—2009》、《海洋調(diào)查規(guī)范 GB/T 12763—2007》、《港口工程技術(shù)規(guī)范(1987)》、《海上平臺場址工程地質(zhì)勘查規(guī)范 GB/T 17503—2009》、《測繪作業(yè)人員安全規(guī)范 CH 1016—2008》、《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收 GB/T 24356—2009》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,設(shè)計如下設(shè)備應(yīng)用方法,以完成后調(diào)查工作,流程圖如圖8所示。

圖8 應(yīng)用方法流程圖Fig.8 Flowchart of the application method

第1步: 側(cè)掃聲吶海底地貌調(diào)查。查明管線路由區(qū)域的海底地貌、明顯障礙物情況; 查明管線裸露和懸空情況。以海底管道為中央線,平行于中央線共布設(shè) 2條聲吶測線,測線距路由中央線的距離需保證條帶間的覆蓋重疊率達到100%,實現(xiàn)海底管道全覆蓋掃測。選取合適的高低頻量程,測量中航速保持在4節(jié)左右,保證聲吶圖像清晰。

第2步: 測深儀每天作業(yè)前,使用聲速儀對海水聲速剖面進行測量,并計算得出平均聲速,精確量取換能器的吃水深度,在測深儀中輸入平均聲速和吃水深度。為保證測量精度,在整個測量過程中,根據(jù)水深變化實時調(diào)整儀器增益[29,41]。

第3步: 單波束測深儀和淺地層剖面儀同時進行海底水深測量和管線埋藏狀態(tài)檢測,以便查明管線路由區(qū)域的水深情況和獲得管線的精確位置及埋深數(shù)據(jù)。單波束測線以海底管線為中央線,垂直于中央線布設(shè)管線探測測線,其中間點在路由中心線上; 淺地層剖面儀以海底管線為中央線,垂直于中央線布設(shè)管線探測測線,其中間點在路由中心線上; 發(fā)現(xiàn)懸跨海管位置,進行淺地層剖面儀加密探測[30-34]。

第4步: 多波束測深儀進行海底水深和地貌調(diào)查。多波束測線以海底管線為中央線,平行于中央線布置多波束測線,測線間距按實際水深深度的 2.5倍布設(shè),立管兩端各向外延長; 檢查線測線: 垂直于主測線,檢查線總長度大于多波束主測線長度的5%[35-38]。

3 方法應(yīng)用實例

以我國南海某油氣田群中的一條輸油管線后調(diào)查為例,檢驗本文提出的水聲探測設(shè)備應(yīng)用方法在后調(diào)查中的應(yīng)用效果。工程實施海域海底地形平坦簡單,區(qū)內(nèi)水深約64～70 m; 海底表層沉積物主要為陸源碎屑堆積,顆粒較細(xì),主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂。本次作業(yè)于2018年10月啟動,4個測量人員、1條測量船同時作業(yè),歷時7 d。海底管線檢測工程中的物探調(diào)查作業(yè)使用WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng);采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?潮位改正采用預(yù)報潮位;使用導(dǎo)航定位軟件 Hypack 2008的導(dǎo)航處理模塊處理導(dǎo)航數(shù)據(jù); 地域圖由水深數(shù)據(jù)導(dǎo)入 CARIS HIPS and SIPS 7.0軟件,經(jīng)后處理后生成; 所有裸露及懸空狀態(tài)下的數(shù)據(jù)由側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀和多波束測深儀數(shù)據(jù)提供,作為管線狀態(tài)分析依據(jù); 在管線資料后處理與解譯前,首先識別淺地層剖面圖上的干擾波,去除影響管線判讀的假信號,然后根據(jù)聲波反射帶回的地層信息對海底地層進行層序劃分,結(jié)合測區(qū)資料判讀海管在位狀態(tài),計算海管埋藏深度[39-41]。

3.1 儀器設(shè)備選擇

本次調(diào)查使用的單波束測深儀為無錫海鷹加科公司生產(chǎn)的 HY1600精密淺水回聲測深儀; 多波束測深儀為美國生產(chǎn)的 ResonSeaBat T50P型多波束;地貌測量設(shè)備為美國EdgeTech公司生產(chǎn)的4200MP側(cè)掃聲吶系統(tǒng); 管線探測設(shè)備分別為德國 Inomar公司生產(chǎn)的 SES 2000淺地層剖面儀。同時,采用HY1200聲速剖面儀,以修正矯正測深儀、淺地層剖面設(shè)備的聲速剖面。

3.2 測線布設(shè)

3.2.1 水深測量計劃測線布設(shè)

單波束測線: 以海底管線為中央線,垂直于中央線布設(shè)管線探測測線,其中間點在路由中心線上,測線長度200 m,測線間隔為200 m。

多波束測線: 以海底管線為中央線,平行于中央線布置多波束測線,測線間距按實際水深深度的2.5倍布設(shè),立管兩端各向外延長50 m,測線整體覆蓋寬度為200 m。

檢查線測線: 垂直于主測線,檢查線總長度大于多波束主測線長度的5%。

3.2.2 側(cè)掃聲吶測量計劃測線布設(shè)

以海底管道為中央線,平行于中央線共布設(shè)2條聲吶測線,立管兩端各向外延長 50 m,測線距路由中央線的距離為100 m。

3.2.3 淺地層剖面儀測量計劃測線布設(shè)

以海底管線為中央線,垂直于中央線布設(shè)管線探測測線,其中間點在路由中心線上,測線長度200 m,測線間隔為200 m。

3.3 后調(diào)查結(jié)果及分析

3.3.1 多波束數(shù)據(jù)處理

多波束數(shù)據(jù)處理采用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件 CARIS HIPS and SIPS 7.0,數(shù)據(jù)處理前先進行項目建立與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、聲速剖面改正、潮位數(shù)據(jù)改正等預(yù)處理措施,然后對測線文件進行線模式編輯和SUBSET模式編輯,最后對采集到的水深數(shù)據(jù)進行壓縮,生成管線路由區(qū)域的地域圖[41-45]。地域圖中不同顏色代表不同的水深信息,顏色較深的區(qū)域海管沖刷比較嚴(yán)重。圖9顯示海底裸露管線多波束圖像; 圖10顯示懸空管線的判斷需要結(jié)合多波束側(cè)視圖進行判斷。對地域圖進行子區(qū)分析,可以直觀讀取裸露、懸空海管的管頂標(biāo)高、海底標(biāo)高。圖11為本次調(diào)查管道路由多波束圖像,可清晰地顯示本次調(diào)查的輸油管線與未知管纜相交,相交處管纜上方存在壓塊維護,相交處兩管纜均處于埋藏狀態(tài)。

圖9 裸露管道多波束圖像Fig.9 Multibeam image of exposed pipelines

圖10 懸空管道多波束圖像Fig.10 Multibeam image of suspended pipelines

圖11 海底管線路由多波束圖像Fig.11 Multibeam image of submarine pipeline routes

3.3.2 聲速改正

為提高測量數(shù)據(jù)的精度,每天進行水深測量作業(yè)前,使用聲速剖面儀測量海水不同深度的聲速,推算出該地區(qū)海水的平均聲速。聲速剖面儀處理程序可以顯示當(dāng)前的聲速剖面曲線,通過讀取聲速剖面曲線上每個點的聲速求和除以點數(shù)求取平均聲速。使用聲速儀直接測量各層水體的聲速,與測深儀的設(shè)計聲速進行比較后得出改正數(shù),從而進行測深儀聲速改正[28,46]。

表1 現(xiàn)場測量聲速表

3.3.3 聲吶數(shù)據(jù)處理

使用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件 Discover 4200 MP 2.00對聲吶數(shù)據(jù)處理,在進行聲吶圖像判讀前,先進行聲速、潮位校正,通過調(diào)節(jié)合適的增益使采集到的海底圖像達到最佳效果。對于檢測到的海底裸露管道,聲波傳播至此會形成較強的反射和散射,在聲吶記錄圖上為黑色的條帶目標(biāo)物,如圖12所示; 對于懸空管道,由于海管懸跨,管線下方距離海面有一定空隙,聲波可以穿過此空隙傳播至管道背面一定距離,在聲吶記錄圖上為黑色條帶后方間隔一段時間后形成管道遮擋的白色陰影[11,47],如圖13所示。

圖12 裸露管道聲吶圖像Fig.12 Sonar image of exposed pipelines

圖13 懸空管道聲吶圖像Fig.13 Sonar image of suspended pipelines

3.3.4 淺地層剖面儀數(shù)據(jù)處理

淺地層剖面儀在橫切海底管道進行測量時,可將海底管道看做一個繞射點,在淺地層剖面儀的波束角范圍內(nèi),接收到管頂?shù)睦@射波,最終會形成以拋物狀曲線為標(biāo)志的繞射圖像,如圖14所示。根據(jù)繞射曲線頂點至海底的高度(h)與海底管道的管徑(Φ)大小關(guān)系可判斷出管道埋藏(h＜0)、裸露(h＞0,h＜Φ)、懸空(h＞0,h＞Φ)的空間狀態(tài)。

圖14 淺剖繞射曲線示意圖Fig.14 Schematic of the sub-bottom profiling diffraction curve

使用淺地層剖面儀系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)后處理軟件ISE2.0對數(shù)據(jù)進行處理,由于受作業(yè)環(huán)境、采集設(shè)備以及地質(zhì)條件等因素的影響,反映淺地層聲學(xué)特征的記錄剖面圖上可能存在各種各樣的干擾信號。一方面可通過現(xiàn)場調(diào)節(jié)設(shè)備發(fā)射脈沖寬度、頻率、增益等參數(shù)進行優(yōu)化,另一方面可建立纜溝、電纜、地層圖像樣本庫進行比對分析,提高判讀的準(zhǔn)確性。圖15為管線在不同空間狀態(tài)下的淺地層剖面圖。將管道正上方位置記為管頂標(biāo)高,管道正上方/下方海底泥面位置記為海底標(biāo)高,海底標(biāo)高減去管頂標(biāo)高即為管線的埋藏深度。

圖15 海底管線不同空間狀態(tài)剖面Fig.15 Profile of submarine pipelines in different spatial states

3.3.5 管道綜合調(diào)查結(jié)果分析

將多波束、側(cè)掃聲吶、淺剖多種數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行綜合對比分析,可得出管線路由的平面位置及相應(yīng)的埋藏深度。為了方便查看管線路由信息,將平面位置坐標(biāo)距管線起點的距離以KP值表示,以KP值為橫坐標(biāo),管線各坐標(biāo)點對應(yīng)的管頂標(biāo)高為縱坐標(biāo),繪制了管線縱剖面圖,圖16。

圖16 輸油管道縱剖面圖Fig.16 Longitudinal profile of oil pipelines

經(jīng)查,該工程輸油管道存在7處埋藏,埋藏總長度為 268.8 m,占探測總長度的 1.30%,存在 2處懸空,懸空長度為 10.5 m,占探測總長度的0.05%,裸露總長度 20 432.9m,占探測總長度的98.65%。另外,可將調(diào)查數(shù)據(jù)分析生成詳細(xì)的管線埋深表。

4 結(jié)論

聲學(xué)探測技術(shù)在海洋調(diào)查,特別是海底的工程探測領(lǐng)域,一直發(fā)揮著不可或缺的作用。本文首先明確了要探討解決的海洋工程技術(shù)問題,進而以問題為導(dǎo)向,有針對性地從相關(guān)聲學(xué)探測裝備的工作原理出發(fā),分析了 4種裝備在解決本文所研究問題方面的優(yōu)勢與劣勢。在此基礎(chǔ)上給出了應(yīng)用 4種聲學(xué)探測技術(shù)裝備,滿足海底石油管線鋪設(shè)后調(diào)查工程技術(shù)需求的方法步驟,最后以我國南海某油氣田群中的一條輸油管線后調(diào)查為例對得出的方法進行驗證。經(jīng)實例驗證,本文提出的應(yīng)用水聲探測設(shè)備開展石油管線鋪設(shè)狀態(tài)后調(diào)查的方法是可行的,能夠有效滿足對管線裸露、懸空情況以及管線路由情況的后調(diào)查工程需求?？梢娭贫ü芫€的后調(diào)查方案,需要考慮調(diào)查海域的底質(zhì)、水深等多種情況,并綜合考慮選擇探測設(shè)備,發(fā)揮各種技術(shù)類型設(shè)備的優(yōu)勢,獲得理想的調(diào)查結(jié)果。

要獲得獲得準(zhǔn)確可靠的成果,需要技術(shù)人員在熟悉儀器原理和區(qū)域環(huán)境的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)運用各型設(shè)備,正確甄別信號、提取數(shù)據(jù),并有效解決探測數(shù)據(jù)的多解性等問題,也就是說技術(shù)人員的能力和水平是決定性因素之一。此外,除本文介紹的水聲探測設(shè)備外,電磁感應(yīng)法探測、海洋磁力測量等技術(shù)手段也是后調(diào)查的可選項,對于更為復(fù)雜的后調(diào)查工作需求,可將多類設(shè)備配合使用,以達到最佳的調(diào)查效果。