陳小虎 安興芳

1. 中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300451

2. 中海華洋（天津）企業(yè)管理服務(wù)有限公司 天津 300452

近年來，渤海海域經(jīng)常出現(xiàn)海底電纜被錨掛斷的案例，給油田造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。為了保障海底電纜安全有效的運行，開展海底電纜外調(diào)查活動，及時掌握其位置及狀態(tài)，對有裸露隱患的電纜進(jìn)行針對性的管理和維護(hù)有著十分現(xiàn)實的意義。本文以渤海某油田海底電纜探測為例，對海底電纜埋深的探測技術(shù)手段進(jìn)行研究。

1 探測電纜埋深的技術(shù)手段

TSS350電纜探測儀：帶有交變電流的電纜必然會在其周圍產(chǎn)生相同頻率的交變磁場，當(dāng)交變磁場通過感應(yīng)線圈時，就會在探測線圈上產(chǎn)生交變的電壓。當(dāng)使用兩組線圈進(jìn)行探測時，利用幾何關(guān)系可以計算得到電纜相對于線圈的水平距離和垂直距離，再計算出電纜的路由和埋深。但TSS350電纜探測儀需要ROV搭載，傳感器必須接近電纜，由于渤海海域水淺、渾濁度高、漁業(yè)活動密集，作業(yè)受到極大限制。三維合成孔徑聲吶：采用合成孔徑技術(shù)，基元較多，形成三維強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可同時給出掩埋目標(biāo)電纜的連續(xù)路由和連續(xù)埋深信息[1]。但設(shè)備對海況和船速的要求極高，作業(yè)效率低，很難分辨出電纜位置及埋深。EdgeTech系列淺剖儀：采用的是CHIRP技術(shù)，其穿透能力要優(yōu)于參量陣淺剖，但探測分辨率遠(yuǎn)不如參量陣，可以探測大管徑海管，無法探測海底電纜。海底電纜追蹤系統(tǒng)搭載重錘：用探測船只搭載探測設(shè)備以S型航線不斷橫穿海纜估計路由前進(jìn)，每次橫穿海纜正上方時都可以測到明確的磁場異變點，將這些探測到的異變點連接起來就可以得到海纜路由數(shù)據(jù)。對于適宜作業(yè)的區(qū)域，使用水下懸垂重物搭載重錘式海纜埋深探測設(shè)備，能對0～5m埋深的海底電纜實施高精度探測。SES2000淺地層剖面儀：標(biāo)準(zhǔn)型探頭較小，發(fā)射的能量較弱，如電纜太細(xì)，難以滿足探測深度及相應(yīng)分辨率。中剖可發(fā)射非常短的脈沖，脈沖無響聲干擾，最高垂直分辨率5cm，穿深大于70m，極窄的波束角使設(shè)備十分適應(yīng)渾濁水域。

2 確定探測電纜埋深的方法

以海底電纜外徑及底質(zhì)為前提條件，確定參量陣淺剖儀型號；以高精度要求為基本原則，選用導(dǎo)航定位及輔助設(shè)備；以海上現(xiàn)場的具體環(huán)境，確定作業(yè)工序和作業(yè)方法；以不同地質(zhì)的特征庫為依據(jù)，準(zhǔn)確判讀影像，做到數(shù)據(jù)可靠。

采用高分辨率中剖（SES2000-Medium）：設(shè)計優(yōu)化，采用高脈沖頻率和高寬帶設(shè)計；最小波束角+高分辨率+深穿透，使設(shè)備適應(yīng)渾濁水域；系統(tǒng)可發(fā)射非常短的脈沖，脈沖無響聲干擾。采用高精度慣導(dǎo)POSMV系統(tǒng)：當(dāng)衛(wèi)星數(shù)＜4顆時，系統(tǒng)短時內(nèi)保持穩(wěn)定，定位更穩(wěn)定；時間同步精度達(dá)到微秒級，而常規(guī)姿態(tài)儀的同步精度只能達(dá)到毫秒級，數(shù)據(jù)更連續(xù)；GNSS定向+陀螺儀定向+加速度計定向技術(shù)，姿態(tài)補(bǔ)償更優(yōu)。建立電纜特征數(shù)據(jù)庫：保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、較好的海況有利于獲取好的數(shù)據(jù)影像；增加采樣率、控制船速＜4節(jié)，增加橫切時間，利于成像清晰；加密探測，按正常斷面間距的2倍加密探測；準(zhǔn)確記錄，過纜頂時做好打標(biāo)記錄。

3 工程項目實例

3.1 測線布設(shè)

使用新型淺地層剖面儀時，以海底電纜為中央線，垂直于中央線設(shè)置橫測線，重點調(diào)查電纜后挖溝埋深情況。調(diào)查中，若發(fā)現(xiàn)電纜懸跨區(qū)及可疑區(qū)，應(yīng)做詳細(xì)調(diào)查。垂直電纜路由方向布設(shè)加密測線進(jìn)行淺剖和水深測量。控制現(xiàn)場調(diào)查船速4節(jié)左右，增加采樣率，延長橫切時間。

3.2 設(shè)備布場

室外安裝設(shè)備時，為避開遮擋物，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）天線安裝在淺地層剖面儀頂部；測深儀和淺地層剖面儀通過支架豎直固定在測量船的左舷，選擇測量船重心附近的船舷位置固定儀器支架，在此位置安裝儀器能遠(yuǎn)離船主機(jī)、泵和螺旋槳，并能有效避免測量船搖擺及噪音干擾；側(cè)掃聲吶拖魚安裝于右舷，通過支撐桿伸出船舷側(cè)向拖曳，以避開船體對聲吶掃寬的干擾；電纜探測儀采用船舷安裝；磁力儀采用尾拖法測量。

3.3 探測方式

對海底掩埋的電纜來說，淺剖儀發(fā)射的探頭換能器在未達(dá)到目標(biāo)物正上方時，由于側(cè)邊波束先抵達(dá)目標(biāo)物并反射回接收器，此時目標(biāo)物與換能器距離較遠(yuǎn)，目標(biāo)物特征將呈現(xiàn)在目標(biāo)物實際位置的正下方。當(dāng)淺剖儀在目標(biāo)物正上方時，所呈現(xiàn)的位置為剖面中最高點；當(dāng)淺剖儀離開時，與目標(biāo)物距離逐漸增加，其影像特征將漸漸顯示在目標(biāo)物實際位置的下方。依據(jù)上述說明，淺剖儀在搜尋、辨識與定位電纜時，基本上能得到弧線圖像[2]。

高精度慣導(dǎo)POSMV系統(tǒng)姿態(tài)補(bǔ)償更優(yōu)，GNSS定向與陀螺儀定向與加速度計定向技術(shù)三者結(jié)合；衛(wèi)星顆數(shù)小于4顆時，系統(tǒng)短時間內(nèi)保持穩(wěn)定；時間同步精度達(dá)到微妙級，數(shù)據(jù)也更連續(xù)。因而能在GPS信號不穩(wěn)定、海況欠佳的條件下作業(yè)。

3.4 數(shù)據(jù)判讀

3.4.1 數(shù)據(jù)處理

導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理：首先對導(dǎo)航數(shù)據(jù)資料對照計劃線進(jìn)行全面的檢查，剔除定位誤差較大測點。然后根據(jù)各個儀器不同的位置偏移量及航向，推算各自相應(yīng)的平面位置。水深數(shù)據(jù)處理：首先將對照模擬記錄測深卷對電子數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，剔除錯誤的數(shù)值。然后進(jìn)行潮位、聲速改正，按照50m點間距對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序抽稀。 地貌數(shù)據(jù)處理：首先對側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行水體移除、偏移量改正、傾斜改正、TVG調(diào)節(jié)等必要的處理，再提取海底特征地貌和可疑目標(biāo)坐標(biāo)和尺寸。處理過程中著重參考了水聲學(xué)中聲波在海底不同介質(zhì)中的反射、散射原理，結(jié)合該海區(qū)海洋動力因素，力求仔細(xì)分辨出樁穴、海底沖刷以及明顯的障礙物[3]。電纜數(shù)據(jù)處理：首先識別剖面記錄上的干擾波，去除地質(zhì)假象，初步分析各層面的空間形態(tài)及層間的接觸關(guān)系。根據(jù)測區(qū)資料進(jìn)行時－深轉(zhuǎn)換，計算電纜埋藏深度。磁力儀數(shù)據(jù)處理：調(diào)查過程時當(dāng)磁力儀經(jīng)過管線和電纜上方時會出現(xiàn)磁力異常反應(yīng)，此時打標(biāo)記錄磁力異常的位置。電纜探測儀數(shù)據(jù)處理：探棒垂直海平面、垂直電纜走向穿越電纜可精測電纜位置。接收機(jī)收到的信號有一個弱、漸強(qiáng)、強(qiáng)、零、強(qiáng)、漸弱、弱的過程。其中信號突然變零時，探棒的正下方即為電纜位置。

3.4.2 格式轉(zhuǎn)化修正

結(jié)合原始數(shù)據(jù)與高分辨率SES3數(shù)據(jù)對比分析；數(shù)據(jù)檢核校正，修正姿態(tài)及位置誤差。

3.4.3 建立特征數(shù)據(jù)庫

建立電纜埋深探測的聲學(xué)影像特征數(shù)據(jù)庫，包括渤海各作業(yè)區(qū)不同地質(zhì)類別的聲學(xué)反射特征、各種電纜直徑的聲學(xué)反射特征、各種埋藏深度的聲學(xué)反射特征等。

3.4.4 數(shù)據(jù)判讀

電纜直徑一般為10～15cm之間，對設(shè)備分辨率要求高；海水渾濁，對聲學(xué)信號干擾大；當(dāng)海底為致密的砂質(zhì)時，海底反射能量強(qiáng)于電纜能量不好分辨；當(dāng)電纜埋深很淺，電纜繞射與海底反射會產(chǎn)生疊加亦不好分辨。因此，裸露海底電纜平面位置和埋深通過側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)和淺層剖面儀數(shù)據(jù)綜合分析得出；埋藏海底電纜平面位置和埋深通過淺地層剖面儀數(shù)據(jù)、磁力儀數(shù)據(jù)和電纜探測儀數(shù)據(jù)綜合分析得出。

3.5 數(shù)據(jù)驗證

3.5.1 吸泥開挖驗證

通過潛水作業(yè)吸泥開挖將埋藏的電纜露出纜頂2m長，潛水員在纜頂用溫深儀測3個點的值，取纜頂水深平均值；吸泥前在開挖點的半徑2.5m的圓周上選4個海床基準(zhǔn)點，取平均值為海床水深；兩數(shù)據(jù)的差為電纜潛水開挖復(fù)測埋深。經(jīng)現(xiàn)場驗證，潛水開挖復(fù)測埋深數(shù)據(jù)與探測埋深數(shù)據(jù)基本一致。

3.5.2 數(shù)據(jù)復(fù)測驗證

通過第三方使用中科探海公司的三維合成孔徑聲吶進(jìn)行掃側(cè)，結(jié)果顯示平面位置基本一致，大部分剖面反應(yīng)的深度基本一致，局部由差異，據(jù)溝通，中科探海解釋為潮汐引起，后續(xù)將優(yōu)化解釋模塊。

4 結(jié)論及建議

通過項目應(yīng)用、現(xiàn)場的吸泥開挖及數(shù)據(jù)復(fù)測，均驗證了SES2000-Medium型淺剖儀結(jié)合高精度慣導(dǎo)POSMV系統(tǒng)，對海底電纜埋深探測精度的準(zhǔn)確性和可靠性。

在現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)條件下，深度挖掘聲學(xué)設(shè)備SES2000-Medium型淺剖儀的最佳探索參數(shù)以及改進(jìn)調(diào)查時船舶航速等對圖像的影響。

儲備并完善電纜特征數(shù)據(jù)庫，為深水區(qū)海纜埋深探測技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

對特殊地質(zhì)區(qū)域（致密含砂黏土層、碎石和壓塊覆蓋的航道區(qū)）進(jìn)行新技術(shù)手段測試，進(jìn)一步提高勘測技術(shù)。