2021, Vol. 45
文章信息
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- 声学探测技术在海底石油管线铺设后调查中的应用
- Application of acoustic detection technology in investigation after laying submarine oil pipelines
- 海洋科学, 45(7): 110-120
- Marine Sciences, 45(7): 110-120.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20210302002
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文章历史
- 收稿日期：2020-07-27
- 修回日期：2021-04-08
2. 天津市陆海测绘有限公司, 天津 300191
2. Tianjin Surveying and Hydrography Co., Ltd., Tianjin 300191, China
在海水中, 光波和无线电波衰减较快, 传播距离有限; 与它们相比, 声波在海水中的传播性能更好, 水声技术被广泛应用于海洋水下目标探测的工程实践中, 海底石油管线铺设状态后调查即是其重要的应用领域之一。铺设后裸露的海底石油管线会受到海水冲刷, 加速管线的磨损; 管线悬空, 会加速架空处的变形和材料疲劳, 加速管线的断裂和破损; 管线路由不当, 经过了基岩区等不良地质区域, 同样会加剧管线磨损[1]。因此, 管线的裸露、悬空、不当路由均是铺设过程中需避免的。但海底石油管线在铺设过程中受到复杂海洋环境的影响, 布设后管线的实际路由与设计路由会有所偏差, 其偏差可能会超出安全作业允许的范围; 另一方面, 海底管线周边精确的海床状况和海底管线的埋深及裸露情况, 也是管线日后维护和运行方案制定的必要依据。因此在管线布设后, 对其自身及周边海底环境的真实状态进行后调查是必要的工程环节。
目前, 声学探测技术凭其探测效率高、经济成本低等优势, 仍是国际上常用的海底管道安全检测的方法。为同时满足准确和高效率的要求, 通常需配合使用多种探测仪器; 同时在探测资料后处理与解译环节, 多解性和不确定性也是声学探测设备获取资料常遇到的问题, 使得资料无法真实反映管道的在位信息。现行的《海底电缆管道路由勘察规范》、《海洋工程海底地形测量规范》等规范标准, 检测技术、检测成果各不相同, 尚不能满足当前海底管道日常运维服务的需要。本文提出在海底管道检测时将各种探测手段配合使用, 使各手段“取长补短”; 在进行数据处理时, 将多种声学探测设备得到的数据进行综合分析, 对各项探测结果进行相互检核, 解决单一调查设备探测资料的多解性问题, 可有效提高测量数据的精度。
本文分析了测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面测量仪、声速剖面仪的技术实现方式, 并分析各设备在海底石油管线铺设状态后调查的工程实践中的长处与局限性, 进而得出各设备配合使用, 以充分满足管线铺设状态后调查工作的方法[2-5]。
1 仪器原理与技术特点分析 1.1 测深仪测深仪是利用超声波遇到介质会产生反射的原理来测量水深的仪器[6-7], 测量时借助换能器发射超声波, 超声波在水中传播遇到海底后, 发生反射、透射和散射, 反射回来的回波被换能器接收, 通过测量发射波及反射波的时差来完成测量。根据回声发射技术特点, 可分为单波束测设仪和多波束测深仪。其测量过程和原理可表示为:
| $S=V \times t / 2, $ | (1) |
其中, V代表声波在水体中的平均传播速度, t代表换能器发射和接收到回波的时间间隔, S代表声波的单程旅行距离, 即换能器到海底的距离[6-8]。换能器到水面的距离可通过探头杆的刻度读出, 加上换能器到海底的距离, 即为所测的水深[6-7], 如图 1、图 2所示。该类设备既具有传统的模拟记录功能, 又拥有先进的DSP(数字信号处理)技术, 同时能在水下对水底目标进行跟踪探测, 并且受恶劣水文环境和复杂地貌的干扰小, 探测精度高, 得到的水声数据真实稳定可靠。通常采用标准的RS232接口可方便地与计算机、涌浪补偿器、GPS等测量设备相连接, 实现对水深的自动化实时精确涌浪改正。
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| 图 1 测深仪 Fig. 1 Sounder |
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| 图 2 超声波回深测深示意图 Fig. 2 Schematic of supersonic echo sounding |
采用测深系统进行管线裸露目标探测, 能对精确寻找管线, 给出坐标位置, 并展示周边的海底面状况, 可用于管线路由及其周边底质情况的勘测, 可清晰分辨铺设后悬空的管线目标, 但装备的探测能力受水深影响较大。
1.2 侧扫声呐侧扫声呐系统利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备, 主要用于海底成像, 如图 3。又称旁侧声呐或海底地貌仪。侧扫声呐采用拖曳法测量, 工作时由拖鱼两侧的换能器基阵先发射一定频率的电脉冲, 然后转换成声脉冲向两侧海底发射, 声波在海底或水中物体传播时会产生反射并按原传播路线返回, 换能器将接收到的回波信号转换成一系列电脉冲, 然后经过处理显示在显示器的一条横线上, 每一次的回波数据都转换成一条一条的横线, 有序排列后就形成了反映海底地貌的声学图像[9-13]。依据声图像的灰度变化, 对海底地貌的起伏变化状况进行清晰地判断, 并分析图像不同纹理判读底底质类型, 还可通过分析目标阴影及尺度判读海底管线的出露情况。该设备接收的是声强信号, 利用成像软件可以给水下地物更好的视觉表现效果。
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| 图 3 侧扫声呐 Fig. 3 Sidescan sonar |
设备一般内置的艏向设置、横摇和纵摇校正保证拖体的准确定位。下图 4为侧扫声呐测量目标物高度的几何关系图, 图中A为拖鱼深度, B为拖鱼到海底的高度, C为拖鱼到目标物的斜距, D为声图阴影区长度, E为目标物的高度。由相似三角形原理可得, 目标物的高度E=D/(C+D)×B[9-10]。
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| 图 4 侧扫声呐几何关系图 Fig. 4 Geometry diagram of the sidescan sonar |
该设备的优点是可以利用影像方便准确地进行地物判别, 且设备的使用不受水深的影响。其局限性是获得的是水下影像; 越向两侧延伸, 影像变形会越明显; 无法获得水深数据, 且定位精度相比于多波束测深设备较差, 无法获取海底管线的准确路由及其周边的准确地形位置信息。
1.3 浅地层剖面仪当前浅地层剖面测量设备主要借助于参量阵技术(又称非线性技术, 差频技术)得以实现[14-15], 由于在高声压下声波传播具有非线性特性, 采用两组频率接近100 kHz的高频换能器作为主频进行发射, 两组高频声波信号相互作用, 会产生新的、频率很低的声波, 称为次频[14-15], 参量阵技术就是利用这种次频来穿透地层, 提供剖面数据, 如图 5所示。假设海底具有多层结构, 将海底不同界面的岩石密度用ρ表示, 声波传输速度用c表示, 当声波由换能器发射到海底及以下界面时, 会产生反射和透射, 声波在海底不同界面形成的反射层次都会被换能器接收, 其反射系数R可通过式(2)计算得出 [14-16], 如图 6所示。
| $R = \frac{{{\rho _2}{C_2} - {\rho _2}{C_2}}}{{{\rho _2}{C_2} + {\rho _2}{C_2}}}.$ | (2) |
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| 图 5 浅地层剖面仪 Fig. 5 Sub-bottom profiler |
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| 图 6 浅地层剖面仪工作原理 Fig. 6 Sub-bottom profiler fundamental diagram |
地表的反射强度与相应的反射系数R呈正相关关系。浅地层剖面仪通过接收声波在海水和沉积层传播过程遇到声阻抗界面产生的反射信号, 得到海底浅部地层结构和构造等信息, 通过声学剖面图可以反映海底地质情况和管线赋存状态[14-23]。主要用于探测管线的埋设深度和位置, 也可探测管线的裸露和悬空情况, 特别对于新埋设的管线探测效果更佳[23-27]。
相较于测深仪和侧扫声呐, 浅地层剖面仪使用更低频率且更强能量的声信号, 信号在各个声速界面上形成反射, 水听器接收回波信号, 对信号进行分析后即可获得声学地层图像。
1.4 声速剖面仪此类设备一般采用环鸣法直接测量声信号在固定的已知距离内的传播时间进而得到声速[28], 用于矫正测深仪、浅地层剖面设备的声速剖面, 如图 7所示。在管线后调查过程中, 用于精确分析勘测海域的声场环境, 配合其他声学设备使用。
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| 图 7 声速剖面仪 Fig. 7 Sound velocity profiler |
管线后调查需查明管线区域海底环境, 包括: 水深、地形、地貌。海底管线路由、埋深及裸露情况是后调查的重要内容。调查结束后将调查结果归纳整理, 评估海底管线的安全状况, 支撑海底管线的安全生产和后期维护等工作。根据前文所分析的4种水声探测设备的技术特点, 主要依据《海洋工程地形测量规范(GB 17501—2017)》、《海底电缆管线路由勘察规范GB/T 17502—2009》、《海道测量规范GB 12327—1998》、《水运工程测量规范JTS 131—2012》、《全球定位系统(GPS)测量规范GB/T 18314—2009》、《海洋调查规范GB/T 12763—2007》、《港口工程技术规范(1987)》、《海上平台场址工程地质勘查规范GB/T 17503—2009》、《测绘作业人员安全规范CH 1016—2008》、《测绘成果质量检查与验收GB/T 24356—2009》等标准规范, 设计如下设备应用方法, 以完成后调查工作, 流程图如图 8所示。
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| 图 8 应用方法流程图 Fig. 8 Flowchart of the application method |
第1步: 侧扫声呐海底地貌调查。查明管线路由区域的海底地貌、明显障碍物情况; 查明管线裸露和悬空情况。以海底管道为中央线, 平行于中央线共布设2条声呐测线, 测线距路由中央线的距离需保证条带间的覆盖重叠率达到100%, 实现海底管道全覆盖扫测。选取合适的高低频量程, 测量中航速保持在4节左右, 保证声呐图像清晰。
第2步: 测深仪每天作业前, 使用声速仪对海水声速剖面进行测量, 并计算得出平均声速, 精确量取换能器的吃水深度, 在测深仪中输入平均声速和吃水深度。为保证测量精度, 在整个测量过程中, 根据水深变化实时调整仪器增益[29, 41]。
第3步: 单波束测深仪和浅地层剖面仪同时进行海底水深测量和管线埋藏状态检测, 以便查明管线路由区域的水深情况和获得管线的精确位置及埋深数据。单波束测线以海底管线为中央线, 垂直于中央线布设管线探测测线, 其中间点在路由中心线上; 浅地层剖面仪以海底管线为中央线, 垂直于中央线布设管线探测测线, 其中间点在路由中心线上; 发现悬跨海管位置, 进行浅地层剖面仪加密探测[30-34]。
第4步: 多波束测深仪进行海底水深和地貌调查。多波束测线以海底管线为中央线, 平行于中央线布置多波束测线, 测线间距按实际水深深度的2.5倍布设, 立管两端各向外延长; 检查线测线: 垂直于主测线, 检查线总长度大于多波束主测线长度的5%[35-38]。
3 方法应用实例以我国南海某油气田群中的一条输油管线后调查为例, 检验本文提出的水声探测设备应用方法在后调查中的应用效果。工程实施海域海底地形平坦简单, 区内水深约64~70 m; 海底表层沉积物主要为陆源碎屑堆积, 颗粒较细, 主要为淤泥质粉质黏土、粉砂和细砂。本次作业于2018年10月启动, 4个测量人员、1条测量船同时作业, 历时7 d。海底管线检测工程中的物探调查作业使用WGS-84坐标系统; 采用当地理论最低潮面, 潮位改正采用预报潮位; 使用导航定位软件Hypack 2008的导航处理模块处理导航数据; 地域图由水深数据导入CARIS HIPS and SIPS 7.0软件, 经后处理后生成; 所有裸露及悬空状态下的数据由侧扫声呐、浅地层剖面仪和多波束测深仪数据提供, 作为管线状态分析依据; 在管线资料后处理与解译前, 首先识别浅地层剖面图上的干扰波, 去除影响管线判读的假信号, 然后根据声波反射带回的地层信息对海底地层进行层序划分, 结合测区资料判读海管在位状态, 计算海管埋藏深度[39-41]。
3.1 仪器设备选择本次调查使用的单波束测深仪为无锡海鹰加科公司生产的HY1600精密浅水回声测深仪; 多波束测深仪为美国生产的ResonSeaBat T50P型多波束; 地貌测量设备为美国EdgeTech公司生产的4200MP侧扫声呐系统; 管线探测设备分别为德国Inomar公司生产的SES 2000浅地层剖面仪。同时, 采用HY1200声速剖面仪, 以修正矫正测深仪、浅地层剖面设备的声速剖面。
3.2 测线布设 3.2.1 水深测量计划测线布设单波束测线: 以海底管线为中央线, 垂直于中央线布设管线探测测线, 其中间点在路由中心线上, 测线长度200 m, 测线间隔为200 m。
多波束测线: 以海底管线为中央线, 平行于中央线布置多波束测线, 测线间距按实际水深深度的2.5倍布设, 立管两端各向外延长50 m, 测线整体覆盖宽度为200 m。
检查线测线: 垂直于主测线, 检查线总长度大于多波束主测线长度的5%。
3.2.2 侧扫声呐测量计划测线布设以海底管道为中央线, 平行于中央线共布设2条声呐测线, 立管两端各向外延长50 m, 测线距路由中央线的距离为100 m。
3.2.3 浅地层剖面仪测量计划测线布设以海底管线为中央线, 垂直于中央线布设管线探测测线, 其中间点在路由中心线上, 测线长度200 m, 测线间隔为200 m。
3.3 后调查结果及分析 3.3.1 多波束数据处理多波束数据处理采用专业的数据处理软件CARIS HIPS and SIPS 7.0, 数据处理前先进行项目建立与数据格式转换、声速剖面改正、潮位数据改正等预处理措施, 然后对测线文件进行线模式编辑和SUBSET模式编辑, 最后对采集到的水深数据进行压缩, 生成管线路由区域的地域图[41-45]。地域图中不同颜色代表不同的水深信息, 颜色较深的区域海管冲刷比较严重。图 9显示海底裸露管线多波束图像; 图 10显示悬空管线的判断需要结合多波束侧视图进行判断。对地域图进行子区分析, 可以直观读取裸露、悬空海管的管顶标高、海底标高。图 11为本次调查管道路由多波束图像, 可清晰地显示本次调查的输油管线与未知管缆相交, 相交处管缆上方存在压块维护, 相交处两管缆均处于埋藏状态。
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| 图 9 裸露管道多波束图像 Fig. 9 Multibeam image of exposed pipelines |
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| 图 10 悬空管道多波束图像 Fig. 10 Multibeam image of suspended pipelines |
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| 图 11 海底管线路由多波束图像 Fig. 11 Multibeam image of submarine pipeline routes |
为提高测量数据的精度, 每天进行水深测量作业前, 使用声速剖面仪测量海水不同深度的声速, 推算出该地区海水的平均声速。声速剖面仪处理程序可以显示当前的声速剖面曲线, 通过读取声速剖面曲线上每个点的声速求和除以点数求取平均声速。使用声速仪直接测量各层水体的声速, 与测深仪的设计声速进行比较后得出改正数, 从而进行测深仪声速改正[28, 46]。
| 作业日 | 平均声速/(m∙s-1) |
| 第1天 | 1 541.78 |
| 第2天 | 1 541.09 |
| 第3天 | 1 540.45 |
| 第4天 | 1 540.46 |
| 第5天 | 1 540.11 |
| 第6天 | 1 540.12 |
| 第7天 | 1 540.14 |
使用专业的数据处理软件Discover 4200 MP 2.00对声呐数据处理, 在进行声呐图像判读前, 先进行声速、潮位校正, 通过调节合适的增益使采集到的海底图像达到最佳效果。对于检测到的海底裸露管道, 声波传播至此会形成较强的反射和散射, 在声呐记录图上为黑色的条带目标物, 如图 12所示; 对于悬空管道, 由于海管悬跨, 管线下方距离海面有一定空隙, 声波可以穿过此空隙传播至管道背面一定距离, 在声呐记录图上为黑色条带后方间隔一段时间后形成管道遮挡的白色阴影[11, 47], 如图 13所示。
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| 图 12 裸露管道声呐图像 Fig. 12 Sonar image of exposed pipelines |
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| 图 13 悬空管道声呐图像 Fig. 13 Sonar image of suspended pipelines |
浅地层剖面仪在横切海底管道进行测量时, 可将海底管道看做一个绕射点, 在浅地层剖面仪的波束角范围内, 接收到管顶的绕射波, 最终会形成以抛物状曲线为标志的绕射图像, 如图 14所示。根据绕射曲线顶点至海底的高度(h)与海底管道的管径(Φ)大小关系可判断出管道埋藏(h < 0)、裸露(h > 0, h < Φ)、悬空(h > 0, h > Φ)的空间状态。
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| 图 14 浅剖绕射曲线示意图 Fig. 14 Schematic of the sub-bottom profiling diffraction curve |
使用浅地层剖面仪系统自带的数据后处理软件ISE2.0对数据进行处理, 由于受作业环境、采集设备以及地质条件等因素的影响, 反映浅地层声学特征的记录剖面图上可能存在各种各样的干扰信号。一方面可通过现场调节设备发射脉冲宽度、频率、增益等参数进行优化, 另一方面可建立缆沟、电缆、地层图像样本库进行比对分析, 提高判读的准确性。图 15为管线在不同空间状态下的浅地层剖面图。将管道正上方位置记为管顶标高, 管道正上方/下方海底泥面位置记为海底标高, 海底标高减去管顶标高即为管线的埋藏深度。
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| 图 15 海底管线不同空间状态剖面 Fig. 15 Profile of submarine pipelines in different spatial states |
将多波束、侧扫声呐、浅剖多种数据处理结果进行综合对比分析, 可得出管线路由的平面位置及相应的埋藏深度。为了方便查看管线路由信息, 将平面位置坐标距管线起点的距离以KP值表示, 以KP值为横坐标, 管线各坐标点对应的管顶标高为纵坐标, 绘制了管线纵剖面图, 图 16。
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| 图 16 输油管道纵剖面图 Fig. 16 Longitudinal profile of oil pipelines |
经查, 该工程输油管道存在7处埋藏, 埋藏总长度为268.8 m, 占探测总长度的1.30%, 存在2处悬空, 悬空长度为10.5 m, 占探测总长度的0.05%, 裸露总长度20 432.9m, 占探测总长度的98.65%。另外, 可将调查数据分析生成详细的管线埋深表。
4 结论声学探测技术在海洋调查, 特别是海底的工程探测领域, 一直发挥着不可或缺的作用。本文首先明确了要探讨解决的海洋工程技术问题, 进而以问题为导向, 有针对性地从相关声学探测装备的工作原理出发, 分析了4种装备在解决本文所研究问题方面的优势与劣势。在此基础上给出了应用4种声学探测技术装备, 满足海底石油管线铺设后调查工程技术需求的方法步骤, 最后以我国南海某油气田群中的一条输油管线后调查为例对得出的方法进行验证。经实例验证, 本文提出的应用水声探测设备开展石油管线铺设状态后调查的方法是可行的, 能够有效满足对管线裸露、悬空情况以及管线路由情况的后调查工程需求。可见制定管线的后调查方案, 需要考虑调查海域的底质、水深等多种情况, 并综合考虑选择探测设备, 发挥各种技术类型设备的优势, 获得理想的调查结果。
要获得获得准确可靠的成果, 需要技术人员在熟悉仪器原理和区域环境的基础上, 系统运用各型设备, 正确甄别信号、提取数据, 并有效解决探测数据的多解性等问题, 也就是说技术人员的能力和水平是决定性因素之一。此外, 除本文介绍的水声探测设备外, 电磁感应法探测、海洋磁力测量等技术手段也是后调查的可选项, 对于更为复杂的后调查工作需求, 可将多类设备配合使用, 以达到最佳的调查效果。
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