渤海海域某海底管道探測技術(shù)研究

韓天培 王鵬飛

摘 ? 要：本文以海洋多波束測深技術(shù)在海底管道探測中的應用為研究對象，首先分析了多波束測深系統(tǒng)及其校準方法，進而探討了其在渤海地區(qū)海底輸油管道探測中的應用思路，全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：多波束測深技術(shù) ?管道探測 ?校正

中圖分類號：P631 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（b）-0038-02

多波束測深系統(tǒng)通過聲波發(fā)射與接收換能器陣進行聲波廣角度定向發(fā)射、接收，在與航向垂直的垂面內(nèi)形成條幅式高密度水深數(shù)據(jù)，能精確、快速地測出沿航線一定寬度條帶內(nèi)水下目標的大小、形狀和高低變化，從而精確可靠地描繪出海底地形地貌的精細特征。

采用多波束測深儀對海底管道路由區(qū)進行水深測量，水深數(shù)據(jù)是分析海底管道沉降變化的基本信息之一，也是分析路由區(qū)地形沖刷變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過技術(shù)處理，可以直觀看到海底管線彎曲走向、狀態(tài)、管線拋沙維護以及插樁擾動等信息，科學準確地為海底管道維護提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

1 ?多波束測量系統(tǒng)及其校準

完整的多波束系統(tǒng)除了具有復雜的多陣列發(fā)射接收換能器和用于信號控制、處理的電子柜外，還需要高精度的運動傳感器、定位系統(tǒng)、聲速剖面儀和計算機軟、硬件及其顯示輸出設(shè)備。典型多波束系統(tǒng)應包括 3 個子系統(tǒng)： （1）多波束聲學子系統(tǒng)，包括多波束發(fā)射接收換能器陣和多波束信號控制處理電子柜。（2）波束空間位置傳感器子系統(tǒng)，包括電羅經(jīng)等運動傳感器、DGPS 差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)和 SVP 聲速剖面儀。運動傳感器將船只測量時的搖擺等姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給多波束信號處理系統(tǒng)，進行誤差補償。衛(wèi)星定位系統(tǒng)為多波束系統(tǒng)提供精確的位置信息。聲速剖面儀為準確計算水深提供精確的現(xiàn)場水中聲速剖面數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)采集、處理子系統(tǒng)，包括多波束實時采集、后處理計算機及相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)顯示、輸出、儲存設(shè)備。

多波束換能器陣在安裝時應嚴格垂直，如果發(fā)生橫向偏移，縱向俯仰或者左右旋轉(zhuǎn)，會使同一位置在不同航向測量時造成測量誤差，所以在多波束系統(tǒng)安裝后應進行橫搖（Roll）、縱搖（Pitch）和航向（Yawing）校正。

1.1 橫搖偏差校正

橫搖（Roll）校正和航向（Yawing）校正應選擇在海底平坦區(qū)，確定一條較短的試驗測線往返測量。選擇符合要求（主要是航跡較直、重復性好）的記錄經(jīng)后處理進行對比，確定橫搖校正參數(shù)。

1.2 縱搖偏差校正

縱搖（Pitch）校正應選擇在一個斜坡上進行，試驗測線垂直斜坡布設(shè)，往返測量。選擇符合要求的記錄經(jīng)后處理進行對比，確定縱搖校正參數(shù)。

1.3 電羅經(jīng)偏差校正

電羅經(jīng)安裝后應進行電羅經(jīng)指向與船首向的一致性校正。因多波束測深系統(tǒng)發(fā)射的扇形聲波及接收陣的排列是與船首向垂直的，如果電羅經(jīng)與船首向不一致，將影響換能器陣的發(fā)射、接收角度，導致覆蓋寬度減少。電羅經(jīng)校正應在船只靠泊碼頭或船塢上進行，精確測定船首向與電羅經(jīng)進行對比，確定電羅經(jīng)的校正值。

1.4 導航延遲校正

導航延遲與船只航行速度有關(guān)，它引起測點位置沿航跡方向的前后位移。因此，進行導航延遲校正的合適目標是突起巖石、疏浚海穴、管道線、尖角等。以相同的測線來回穿過目標幾次，選擇最高的可能船速（要求船速不變），以減小電羅經(jīng)和縱搖偏差效應。測量結(jié)束后，疊加2個方向的所有測線，標出2個不同方向測線測得的目標。如果多波束系統(tǒng)存在導航延遲，則兩個方向測線測得的同一目標是分離，確定延遲值。

2 ?多波束測深在海底管道探測中的應用

通過先進多波束測深調(diào)查手段來檢測海底管線運行狀態(tài)，評估風險，勢在必行。2018年5月，在某油田海區(qū)進行了多波束勘測，希望通過測量，準確地確定海底管道的位置及狀態(tài)，為以后海油安全運輸?shù)裙ぷ魈峁┛煽康幕A(chǔ)資料。

2.1 測線布設(shè)

因多波束屬于全覆蓋測量，與單波束相比可以有效地提高測量效率。在進行海底管道探測時，單波束測線一般沿著垂直管道的方向布設(shè)，測線的間距通常為20～100m，測線數(shù)量巨大。如在勝利油田某管線探測過程中，就以基本間距20m布設(shè)單波束測線，工作量很大。多波束測線只需要沿管線兩側(cè)一定距離平行布設(shè)兩條測線。有時甚至是沿管道路由布設(shè)一條測線就足夠了，這樣就大大提高了測量效率，而且完全滿足要求。

2.2 聲速控制

聲速剖面導致的聲傳播路徑的彎曲，如圖1所示，由于聲速隨深度的改變，多波束換能器發(fā)射的聲束將不會按原定角度以直線路徑傳播，而是走一條曲線。這在多波束測深系統(tǒng)聲速校正時已作校正。產(chǎn)生了設(shè)計覆蓋區(qū)與實際覆蓋區(qū)的差別，容易造成漏測。因此在測線設(shè)計前應收集測區(qū)的聲速資料，大致計算由于聲傳播路徑的彎曲導致的覆蓋范圍的改變，提供設(shè)計測線時參考。

2.3 多波束施測及成果分析

傳統(tǒng)的海上油田調(diào)查一般使用單波束測深儀靠近平臺測量，測量過程中受平臺及井架的遮擋，GPS 定位精度大大降低，甚至不能定位。另外平臺樁柱附近的水深及平臺下方的水深很難測到，而且靠近平臺測量很不安全，但利用多波束系統(tǒng)寬覆蓋、高分辨率的特點對油田進行調(diào)查，在距離平臺一定范圍就可以準確測出平臺的位置以及平臺下方和周圍的地形，再通過對多波束數(shù)據(jù)的精細處理，可以確定管道的位置和掩埋狀態(tài)。圖2是利用多波束系統(tǒng)在海上油田采油平臺調(diào)查中測繪的地形圖，該圖清晰地顯示了平臺周圍及平臺下方的地形特征、管道走向及狀態(tài)，并且可以明顯看出平臺樁柱的位置以及平臺安置后形成的地形擾動。

多波束測深系統(tǒng)不僅為我們提供水深地形數(shù)據(jù)，而且還能提供聲照射區(qū)的反向影像圖。多波束海底聲像圖的形成及應用研究，通過數(shù)據(jù)處理和圖像鑲嵌，輸出類似側(cè)掃聲吶的海底聲像圖，懸空和裸露段的多波束海底聲像圖和聲吶影像互相鑲嵌拼接，能夠立體反映出整條海底管道的懸空、裸露及埋藏狀況，對已經(jīng)出現(xiàn)懸空和出露的管道及時提出風險預警和解決方案，避免事故發(fā)生，降低了風險，為安全采油和海洋環(huán)境保護提供了科學保障。

3 ?結(jié)語

因多波束的波束角的存在，對管道的探測能力會隨著水深的增加而線性降低，解決水深因素限制的方法之一就是使測量系統(tǒng)盡量貼近海底，如將多波束系統(tǒng)安裝在 ROV 中施測。多波束測深技術(shù)是通過測量管道與海底面的相對高差來檢測海底管道掩埋狀況的，對尚未完全掩埋的海底管道，可以使用多波束測深技術(shù)確定管線位置和掩埋狀況，對完全掩飾埋的海底管道無效。全面分析海底管道的狀況，要配合淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶等物探設(shè)備進行綜合檢測，才能獲得較好的效果。

隨著多波束技術(shù)的發(fā)展，淺水多波束系統(tǒng)在海洋工程項目中的應用會越來越廣泛。目前的實踐主要是多波束系統(tǒng)在海底地形上的應用，多波束測量系統(tǒng)可以準確地得出某點的水深，精確得到海底管道的高度和位置，具有高效、直觀和高分辨率等特點，通過 DTM 網(wǎng)格插值可以獲得較為直觀的彩色暈渲圖。這些技術(shù)在我國還有深入研究和普遍應用的空間，隨著多波束技術(shù)更廣泛的發(fā)展和應用，它在海底管道探測中所占的地位會越來越明顯。

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