淺地層剖面儀在海底管道檢測(cè)中的應(yīng)用

王繼立，黃潘陽(yáng)，胡濤駿，來(lái)向華

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海200030;2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310012)

海底管道的鋪設(shè)需要經(jīng)歷鋪設(shè)前對(duì)路由區(qū)海床的詳細(xì)綜合調(diào)查，并且在鋪設(shè)后也需要定期進(jìn)行檢測(cè)以確保管道可以持續(xù)安全運(yùn)營(yíng)。這些調(diào)查要用到包括單波束、多波束、側(cè)掃聲納、淺地層剖面儀等大量地球物理探測(cè)設(shè)備［1-3］。在檢測(cè)海底管道賦存狀況的過(guò)程中，裸露或者懸空的管道可以用單波束進(jìn)行探測(cè)，該方法簡(jiǎn)單高效、成本低廉。對(duì)于掩埋的海底管道，則須使用淺地層剖面儀才能確定其埋藏深度及位置。淺地層剖面探測(cè)是海洋工程野外勘察的重要手段。它在揭示地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、研究第四紀(jì)地層層序、圈定工程地質(zhì)單元、識(shí)別海底災(zāi)害地質(zhì)等方面，均有著其它調(diào)查方法和手段無(wú)法比擬的優(yōu)越性［4］。在管道鋪設(shè)前的路由調(diào)查中，采用淺地層剖面儀可以進(jìn)行走航式地層探測(cè)，且探測(cè)影像直觀、易于判讀;在后續(xù)的管道定期檢測(cè)中，淺地層剖面儀可以準(zhǔn)確、高效地確定管道位置及掩埋狀況，十分便利。

1 淺地層剖面儀的工作原理

把海底看作一個(gè)層狀的模型，海水層作為第一種介質(zhì)，它的密度為ρ1，聲波在其中傳播的速度為c1，海底下的沉積物存在多個(gè)界面，它們的密度和速度分別是ρ2，c2，…，ρn，cn。當(dāng)聲波向下傳播時(shí)，一部分在分界面處發(fā)生反射，另一部分沿法線方向繼續(xù)傳播，在下一分界面處發(fā)生反射和透射，見(jiàn)圖1。

圖1 淺地層剖面儀工作原理

聲波反射強(qiáng)度和地層的反射系數(shù)R有關(guān):

當(dāng)兩種介質(zhì)的反射系數(shù)大時(shí)，接收到的反射信號(hào)就比較強(qiáng)，反之則比較弱。因此，接收到的反射信號(hào)，攜帶了水下地層的大量有用地質(zhì)信息。通過(guò)觀測(cè)記錄并分析海底沉積物對(duì)于聲波的反射，可以了解沉積物的地質(zhì)屬性，并可以直觀地識(shí)別地層的地質(zhì)構(gòu)造。

淺地層剖面儀就是利用回聲測(cè)深原理設(shè)計(jì)的。在工作過(guò)程中，淺地層剖面儀主機(jī)和定位的GPS固定在改裝后的測(cè)量船上，利用GPS定位使航向按照預(yù)定的測(cè)線方向行駛。測(cè)量船按一定的速度行駛，發(fā)射基陣和接收基陣安置在水面下，根據(jù)工區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況，主機(jī)設(shè)定發(fā)射聲脈沖的頻率范圍和功率等參數(shù)，重復(fù)向下發(fā)射一脈沖，接收基陣接收到回波并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，主機(jī)對(duì)其進(jìn)行初步增益和濾波處理后，就可以實(shí)時(shí)將探測(cè)到的水下地質(zhì)情況利用紙質(zhì)輸出或數(shù)字輸出。掩埋在海底的管道其屬性顯然與周邊的土體不同，反射特征也不同，因此回波信號(hào)經(jīng)接收處理后，可以辨別海底管道在海床中的埋設(shè)位置。

2 影響因素分析

2.1 不同信號(hào)源對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

圖2是三種不同信號(hào)源的淺地層剖面系統(tǒng)對(duì)水深約16 m時(shí)直徑711 mm(28 in)海底管道的檢測(cè)結(jié)果。圖2a)為參量陣淺剖的探測(cè)結(jié)果，頻率為12～15 kHz，其繞射曲線顯然不如圖2b)中使用Chirp技術(shù)獲取的顯著。并且，使用Chirp技術(shù)時(shí)其繞射曲線更接近于管道的外形，對(duì)管道的檢測(cè)具有較高的分辨率。圖2c)為PCW淺剖獲取的埋藏管道探測(cè)記錄，由于波束開(kāi)角較大，可以看出聲波在管道頂端發(fā)生明顯的繞射，繞射波的寬度超過(guò)20 m，與管道的外形相差甚遠(yuǎn)，但這也使其較容易檢測(cè)到管道的具體位置及埋深。

圖2 采用不同信號(hào)技術(shù)的淺剖對(duì)海底管道的探測(cè)記錄

2.2 航行速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

圖3 不同航行速度對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響

圖3 為不同航行速度下Chirp淺剖在相同水深(約16 m)時(shí)直徑711 mm海底管道的檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于相同頻率的同一淺剖，水深相同的情況下，速度越慢探測(cè)到管道的頻數(shù)就越多，因此形成的繞射曲線越明顯，也就更容易從淺剖記錄上識(shí)別出管道的位置，反之則繞射曲線相對(duì)不夠明顯，繞射曲線的形狀也偏離海底管道真實(shí)形態(tài)。

2.3 水深對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

圖4為航速約4 kn時(shí)Chirp淺剖對(duì)不同水深的711 mm海底管道的檢測(cè)結(jié)果。

圖4 水深對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響

由圖4可以看出隨著水深的增加，管道產(chǎn)生的繞射波越來(lái)越明顯，圖4a)顯示水深為37 m時(shí)繞射波寬度僅10 m左右，而在圖4c)中，水深90 m時(shí)繞射波的寬度已經(jīng)超過(guò)40 m。在這樣的水深條件下，已無(wú)法判斷管道的掩埋狀態(tài)，只能確定管道的位置。

3 檢測(cè)應(yīng)用

東海某海底油氣管道將東海開(kāi)采的油氣運(yùn)輸?shù)疥懙?，具有重要?zhàn)略意義。然而其近岸段由于各種原因，安全狀況并不理想。在2007年臺(tái)風(fēng)季后的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)裸露、懸空、掩埋段都存在。而這些賦存狀況都可以在淺剖探測(cè)中得到較好體現(xiàn)。圖5為直徑711 mm海管空間狀態(tài)的淺剖探測(cè)圖，裸露管道的管頂與海底的反射特征明顯，結(jié)合海管尺寸，可以明確海管與兩側(cè)海床的相對(duì)位置。

圖5 裸露管道典型剖面

圖6 為懸空管道的典型淺地層剖面。

圖6 懸空管道典型剖面

可以看到，除了管頂反射特征明顯外，海底管道下方的海床形態(tài)也較為明確，被海底潮流沖刷而形成的“V”形溝清晰可見(jiàn)，從海底沖刷痕跡與管道出露高度可以判斷，該段底流的沖刷與侵蝕作用較強(qiáng)，并且管道兩側(cè)海床存在些許的高差。

圖7為掩埋管道的典型淺地層剖面。

圖7 掩埋管道典型剖面

顯然，管道的反射特征并沒(méi)有圖6明顯。然而仔細(xì)辨別，仍然可以發(fā)現(xiàn)管道的彎月形繞射特征，管道下方地層反射出現(xiàn)中斷不連續(xù)，向下彎曲呈繞射形態(tài)，以此可以確定管道的位置及埋藏情況。

4 結(jié)論

1)應(yīng)用Chirp技術(shù)的淺地層剖面儀，其分辨率高、抗干擾力強(qiáng)、海底參透性能好，可以較好完成海底管道的檢測(cè)任務(wù)。

2)走航速度會(huì)影響淺地層剖面儀在海底管道檢測(cè)中的效果，一定范圍內(nèi)，速度越低，效果越好(若不考慮經(jīng)濟(jì)性)。

3)當(dāng)水深超過(guò)一定范圍時(shí)，盡管淺地層剖面儀仍然可以探測(cè)到海底管道的位置，但其埋設(shè)狀況則無(wú)法準(zhǔn)確確定。

［1］來(lái)向華，馬建林，潘國(guó)富，等.多波束測(cè)深技術(shù)在海底管道檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.海洋工程，2006，24(3):68-73.

［2］來(lái)向華，潘國(guó)富，傅曉明，等.單波束測(cè)深技術(shù)在海底管道檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.海洋工程，2007，25(4):66-72.

［3］來(lái)向華，潘國(guó)富，茍諍慷，等.側(cè)掃聲納系統(tǒng)在海底管道檢測(cè)中應(yīng)用研究［J］.海洋工程，2011，29(3):118-121.

［4］王化仁，田春和，王 鵬，等.淺地層剖面儀在管線鋪設(shè)路由調(diào)查中的應(yīng)用［J］.水道港口，2007，28(2):133-135.

［5］莊杰棗，王紹智，蘭志光.淺地層剖面記錄地質(zhì)解釋的若干問(wèn)題［J］.海洋測(cè)繪，1996(2):17-24.