多波束測深技術(shù)在海底管道懸空裸露檢測中的應(yīng)用研究

崔雙民，張傳隆，王 瑜，金長林，李敬恩

（中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200）

多波束測深技術(shù)在海底管道懸空裸露檢測中的應(yīng)用研究

崔雙民，張傳隆，王 瑜，金長林，李敬恩

（中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200）

介紹了一種海底管道懸空裸露檢測的新方法，即多波束測深技術(shù)，該技術(shù)可精確獲得海底管道懸空裸露的長度和高度，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行狀態(tài)和水下治理的準(zhǔn)確工程量，為下一步安全運行管理和隱患治理提供科學(xué)依據(jù)。同時，還能精確測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價與施工方案調(diào)整提供依據(jù)。文章具體介紹了多波束測深系統(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方法。多波束測深技術(shù)為海底管道的檢測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；測量；多波束測深

0 引言

隨著我國海洋石油開采規(guī)模的擴大，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)險大的海洋石油工程，它對海上油氣田的生產(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，由于近海工程施工、捕魚作業(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，不僅搶修費用高昂，甚至引起海洋石油平臺爆炸，給企業(yè)和國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。所以，對海底管道狀態(tài)的科學(xué)檢測是當(dāng)務(wù)之急，也是海洋石油安全運行工作的重中之重。

目前海底管道裸露懸空隱患檢測的常規(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)，但受測線密度的影響 （由于行船原因一般測線密度為20 m），得出的檢測結(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經(jīng)驗判斷，由于渤海灣產(chǎn)油區(qū)水下能見度幾乎為零，海管懸空的測量精度嚴(yán)重受到影響，水下治理工程量無法準(zhǔn)確計算。

本項研究主要將多波束測深技術(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以及海管后挖溝的檢測，獲得了精確的測量數(shù)據(jù)，為海管在海底的運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為例，具體介紹條帶多波束測深系統(tǒng)的組成、工作原理和海管懸空裸露、后挖溝效果的檢測方法。

1 條帶多波束測深系統(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)機和處理單元等；第二部分為輔助系統(tǒng)，包括定位系統(tǒng)、運動傳感器、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)存儲設(shè)備。

2 條帶多波束測深系統(tǒng)的工作原理

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

多波束測深系統(tǒng)的換能器 （探頭）由接收陣和發(fā)射陣組成，工作過程中發(fā)射陣發(fā)射一個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，如圖1所示。接收陣內(nèi)置多個水聽器基元，每個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°）， 見圖 2。

圖1 發(fā)射陣發(fā)射聲學(xué)脈沖信號

圖2 接受陣接受反射回來的聲學(xué)脈沖信號

發(fā)射波束與接收波束項目垂直交叉，形成256個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，每個波束都在海底獲得1個水深數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 條帶多波束的掃描范圍 (側(cè)面)

3 條帶多波束測深系統(tǒng)在海管懸空裸露檢測中的

應(yīng)用實例

3.1 工作流程

由于條帶多波束測深系統(tǒng)除了本身的多波束測深主系統(tǒng)外，還包括各種輔助的傳感器設(shè)備，例如聲速剖面儀，用來測試當(dāng)時海水面以下?lián)Q能器位置的聲速；衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GPS羅經(jīng)用來導(dǎo)航和定位；潮位儀用來記錄每天的潮差，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)與計算機。此時，安放在碼頭附近的潮位儀處于啟動狀態(tài)，記錄實時的潮位信息。然后開始調(diào)試各個儀器，通過超級終端軟件，可以查看各個儀器之間是否連接正常并顯示正確的數(shù)據(jù)。如果沒有數(shù)據(jù)，則檢查各個數(shù)據(jù)線是否連接正確，接線頭是否連接牢固。當(dāng)各個儀器設(shè)備連接無誤后，最后啟動軟件，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 實例

利用條帶多波束測深系統(tǒng)，我們對冀東油田X號島至Y號島之間的海底管道進(jìn)行了檢測與研究，主要是為了探測其空間位置狀況，獲得其裸露、懸空的長度和高度。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的水深值與坐標(biāo)。

通過多波束系統(tǒng)的檢測，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。采用圖像上各點不同的水深值之間的差值，可以計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，像一個水下錄像機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)，該深坑大體呈一個平行四邊形，利用其四個頂點的坐標(biāo)值計算出該平行四邊形的長與寬分別為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比較符合實際的測量值，防止了盲目治理導(dǎo)致用料過剩的問題，節(jié)約了成本，提高了作業(yè)效率。

4 條帶多波束測深技術(shù)在海管后挖溝檢測中的應(yīng)用實例

我們還利用該技術(shù)進(jìn)行了海管的后挖溝檢測，對海管后挖溝效果進(jìn)行了精確評價。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)，多波束測深系統(tǒng)能實時檢測觀察海底管道的后挖溝狀況，利用水深的差值對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

將多波束測深技術(shù)應(yīng)用在海底管道懸空裸露及后挖溝檢測實際工作中，可精確獲得海底管道懸空裸露的長度和高度，精確測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行狀態(tài)和水下治理的準(zhǔn)確工程量，為下一步安全運行管理和隱患治理提供科學(xué)依據(jù)。同時，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價與施工方案調(diào)整提供了依據(jù)。

[1]胡銀豐，朱輝慶，夏鐵堅.現(xiàn)代深水多波束測深系統(tǒng)簡介[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