水下油氣泄漏聲學(xué)探測實(shí)驗(yàn)

李建偉，安偉，宋莎莎，靳衛(wèi)衛(wèi)，張慶范

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 安全環(huán)保分公司，天津 300452)

近年來隨著海上石油的勘探開發(fā)，海底管道腐蝕、沉船等導(dǎo)致的水下油氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)與日俱增，對海洋環(huán)境、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)造成長期影響[1]。針對小型水下溢油事故，如何探測識別水下油氣泄漏位置是目前亟需解決的難題[2]。但受到深水能見度低、流速快等不良作業(yè)環(huán)境影響，水下機(jī)器人或潛水員等探摸方法很難奏效。

水下油氣泄漏后，一部分會(huì)形成沉底油，另一部分形成油氣羽流上升至海表面。國外對沉底油的探測開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。在水池底部布置不同油品類型、面積和厚度的沉底油，并用多波束聲吶、側(cè)掃聲吶和前視聲吶等設(shè)備開展不同頻率和分辨率的實(shí)驗(yàn)研究，可根據(jù)環(huán)境條件和油斑的厚度面積選擇適宜的聲吶設(shè)備進(jìn)行探測沉底油，240～460 kHz的聲吶探測到的油斑和砂質(zhì)底面的反射強(qiáng)度值的差值在10～15 dB，側(cè)掃聲吶在垂向角為30°～80°時(shí)，探測到的油斑和砂質(zhì)底面的反射強(qiáng)度值的差值為15 dB左右[2-4]。USCG(U.S.Coast Guard)在 Ohmsett水池內(nèi)通過熒光偏振和多波束聲吶探測技術(shù)開展沉底油的識別實(shí)驗(yàn)研究，建立了分類識別算法對沉底油進(jìn)行識別，并設(shè)置4種底質(zhì)開展多組實(shí)驗(yàn)[5-6]。MPC(Marine Pollution Control)開展了沉底油的探測實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為沉底油的識別準(zhǔn)確度在80%以上，定位精度在5 m以內(nèi)[7]，對油氣泄漏后形成的羽流在深水地平線事故中有相關(guān)報(bào)道。目前國內(nèi)關(guān)于相關(guān)研究報(bào)道較少，主要針對海底沉積物的聲學(xué)特性研究[8-11]，針對國內(nèi)油氣泄漏的聲學(xué)特征尚不清晰。

因此，為探索海上油氣泄漏探測的有效方法，研究含油沉積物和水柱油氣的聲學(xué)特性，在水池底部設(shè)置不同含油量和面積的含油沉積物，基于無人船搭載多波束聲吶開展聲學(xué)探測試驗(yàn)，研究不同目標(biāo)物的散射強(qiáng)度，為油氣泄漏自動(dòng)識別算法提供支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)油樣和沉積物

在實(shí)驗(yàn)過程中，選取5種油樣，其中4種原油，1種燃料油。油品基本性質(zhì)見表1，其測定方法采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定。在實(shí)驗(yàn)過程中與2種沉積物進(jìn)行混合，混合比例30%、10%，并選取直徑為40、30、20和15 cm的4種面積大小的油斑，油樣設(shè)置見表2，油樣設(shè)置及油砂混合見圖1。在實(shí)驗(yàn)過程中，選取2種沉積物，包括建筑砂和海泥，建筑砂主要來源于當(dāng)?shù)厣皥?，海泥來源于膠州灣白沙河入?？谔?，沉積物見圖2。

表1 油樣基本物理性質(zhì)

圖1 油樣設(shè)置及油砂混合

圖2 實(shí)驗(yàn)過程中的沉積物

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

1.1.2 聲吶參數(shù)

多波束系統(tǒng)搭載到無人船上面，對無人船進(jìn)行改造，無人船的前端搭載多波束架子和聲吶頭，艙內(nèi)搭載多波束主機(jī)及電腦等，并對網(wǎng)絡(luò)和電源進(jìn)行改造，利用逆變器將船載直流110 V轉(zhuǎn)成交流220 V。在實(shí)驗(yàn)過程中使用多波束Kongsberg 2040P，其頻率為400 kHz，主要參數(shù)見表3。

表3 多波束聲吶設(shè)備主要參數(shù)

1.1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和噴射系統(tǒng)

水池為100 m×200 m，水深在3～5 m之間(滿足換能器至水底處大于1.5 m)，底質(zhì)為巖石或者黏土類型。在水池底部布設(shè)噴射系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)控制不同流量的氣體和原油噴出，便于開展水體中油氣的探測。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

利用水池底部布設(shè)含油沉積物，混合不同比例的油種，用多波束聲吶進(jìn)行觀測。具體觀測時(shí)，可以設(shè)置不同的觀測條件，包括聲吶工作頻率和海水條件，同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息。主要實(shí)驗(yàn)方法如下。

1)儀器安裝。把多波束系統(tǒng)、聲速儀器和定位系統(tǒng)組裝完畢，固定在測試船舶上面。提前備用好發(fā)電機(jī)用于系統(tǒng)供電。

2)聲速標(biāo)定。將聲吶固定在船邊位置，量出距離反射面的距離，根據(jù)收到的反射波時(shí)間計(jì)算聲速。

3)樣品準(zhǔn)備。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，配置好面積、含油量和含油沉積物類型等，布防在托盤中，利用塑料封閉樣品防治溢出污染環(huán)境。

4)放樣。利用長臂吊車吊著托盤緩慢放入水池底部。

5)測試。將聲吶在橫向和縱向上移動(dòng)探測含油原油的樣品，記錄數(shù)據(jù)。

6)數(shù)據(jù)處理。利用Fledermaus數(shù)據(jù)后處理軟件，多波束后向散射回波圖像處理，底質(zhì)分類，水深處理。提取原始數(shù)據(jù)中的聲波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，生成圖像，識別含油沉積物。

2 結(jié)果分析

2.1 含油沉積物探測分析

2.1.1 含油沉積物識別

在鐵盤中放入砂和含油沉積物，利用多波束聲吶進(jìn)行探測，通過聲吶圖像很難對圖像進(jìn)行識別。在油樣分析中，分析出較為相近的數(shù)據(jù)，從尺寸和形狀上初步判定含油沉積物的存在，含油沉積物的強(qiáng)度值在-12～-25 dB，周邊砂質(zhì)沉積物在-1～-9 dB，差值在10 dB左右，見圖3。

圖3 含油沉積物海底聲強(qiáng)圖像

2.1.2 沉積物識別分析

在鐵盤中放入砂和海泥后填平，利用多波束聲吶進(jìn)行探測，整個(gè)區(qū)域強(qiáng)度在-17～-21 dB之間，砂質(zhì)和淤泥質(zhì)沉積物的強(qiáng)度值相差不大(見圖4)，因此，在識別過程中需要建立相應(yīng)的特征值才能有效進(jìn)行識別。

圖4 泥和砂海底聲強(qiáng)圖像

2.2 油氣泄漏探測

2.2.1 氣體泄漏探測

在氣泡溢出噴口時(shí)在水柱圖像中可以清晰看出氣泡羽流的存在(見圖5)，同時(shí)羽流遮擋作用在散射強(qiáng)度圖像上存在拖尾。在水體中氣泡羽流的強(qiáng)度值在-2～-15 dB之間，水體的強(qiáng)度值一般小于-20 dB，因此，氣體和水體的強(qiáng)度差異性較大。

圖5 氣體泄漏探測結(jié)果

2.2.2 原油泄漏探測

在原油溢出噴口時(shí)在水柱圖像中(見圖6)可以清晰看出原油羽流的存在。在水體中原油羽流的強(qiáng)度值在-7.5～-22 dB之間，水體的強(qiáng)度值一般小于-25 dB，因此，原油和水體的強(qiáng)度存在差異性。

圖6 原油泄漏探測結(jié)果

3 結(jié)論

開展60組聲學(xué)探測實(shí)驗(yàn)和噴射實(shí)驗(yàn)，研究表明，含油沉積物的強(qiáng)度值在-12～-25 dB，周邊砂質(zhì)沉積物在-1～-9 dB，強(qiáng)度差值在10 dB左右。氣泡泄漏后羽流強(qiáng)度值在-2～-15 dB之間，原油泄漏后羽流強(qiáng)度值在-7.5～-22 dB之間，背景水體強(qiáng)度值一般小于-20 dB，因此，油氣羽流與水體強(qiáng)度值差異較大。進(jìn)一步建立油氣泄漏分類識別算法和數(shù)據(jù)庫，開發(fā)高效的油氣泄漏探測系統(tǒng)，可為水下原油泄漏點(diǎn)探測提供技術(shù)支撐。