海洋石油管道在海底賦存狀態(tài)的分析

楊 陽(yáng),狄 冰,劉鑫馨

(中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司,廣東 深圳 518067)

海洋石油管道是海洋石油工業(yè)生產(chǎn)的生命線,其安全穩(wěn)定的運(yùn)行對(duì)石油企業(yè)至關(guān)重要,同時(shí)也對(duì)海洋環(huán)境影響較大。 海洋石油管道在海底的賦存狀態(tài)主要有埋藏、裸露、懸空這三種類型。 由于海水的沖刷作用,埋藏的石油管道會(huì)出現(xiàn)裸露,管道暴露于海床后,引起周圍海水流場(chǎng)的變化,加快了對(duì)裸露管道周圍海床的沖刷,管道會(huì)出現(xiàn)懸空[1]。 利用聲學(xué)探測(cè)設(shè)備對(duì)海底石油管道的定期探測(cè)和維保,是海洋石油企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的部分。 本文介紹了三種聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的工作原理,總結(jié)了17 種海洋石油管道的賦存狀態(tài)。 為海洋石油管道的后期運(yùn)維提供重要的參考意義。

1 地球物理探測(cè)設(shè)備

1.1 淺地層剖面儀

淺地層剖面儀主要由處理主機(jī)、數(shù)據(jù)采集軟件和水下?lián)Q能器組成(見圖1)[2]。 通過水下?lián)Q能器產(chǎn)生聲脈沖,脈沖通過水體傳播并穿透海底,根據(jù)聲波在不同介質(zhì)中傳播性質(zhì)的差異,不同介質(zhì)接觸的界面處因產(chǎn)生的聲阻抗不同,聲波會(huì)發(fā)生反射與透射現(xiàn)象,透射波傳播到下一個(gè)界面時(shí)會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生反射波與透射波,通過分析接收反射波的返回時(shí)間、振幅、頻率等信息,獲得聲波有效穿透地層的特征與性質(zhì)。海洋石油管道的探測(cè)聲波頻率在4 kHz ~30 kHz[3],根據(jù)海底底質(zhì)選擇合適的探測(cè)頻率,使得采集圖像清晰明了。 海洋石油管道其屬性顯然與周邊的海床及水體不同,反射特征也不同,因此回波信號(hào)經(jīng)接收處理后,可以非常直觀地辨別海底管道在海床中處于埋藏、裸露和懸空等的賦存狀態(tài)。

在工作過程中,淺地層剖面儀各組成部分、定位的DGNSS 和外輔姿態(tài)傳感器等設(shè)備固定在測(cè)量船上,利用DGNSS 定位技術(shù)使航向按照垂直于管道的測(cè)線方向行駛。 測(cè)量船按一定的速度行駛,換能器安裝在水面以下,根據(jù)探測(cè)海域?qū)嶋H底質(zhì)情況,處理主機(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,接收聲脈沖,并在數(shù)據(jù)采集軟件中形成海底管道的探測(cè)圖像(見圖2)。

1.2 側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶主要由甲板處理單元、數(shù)據(jù)采集軟件及水下拖魚換能器組成(見圖3)[3]。 側(cè)掃聲吶屬于主動(dòng)探測(cè)聲吶,主要通過水下拖魚兩側(cè)的換能器向下方發(fā)射扇形波束的聲脈沖,聲波在水體中以球面波的形式向下方傳播,接觸海底界面后,聲波形成散射波或反射波,散射或反射的聲波返回到換能器中,接收到的聲波信號(hào),經(jīng)放大、處理后在采集軟件中顯示出二維的海底圖像特征。 接收到聲波信號(hào)越強(qiáng)的目標(biāo)圖像越黑,聲波照射不到的影區(qū)圖像色調(diào)很淡。 側(cè)掃聲吶的工作頻率,通常為400 kHz ~900 kHz[4]。側(cè)掃聲吶因其工作原理,可以探測(cè)裸露和懸空的海洋石油管道及其周邊海床特征。

在工作過程中,側(cè)掃聲吶甲板單元和定位的DGNSS 等設(shè)備固定在測(cè)量船上,水下拖魚換能器以側(cè)拖的方式,丟放在水體中。 利用DGNSS 定位技術(shù)使航向按照平行于管道的測(cè)線方向行駛。 測(cè)量船按一定的速度行駛,根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間完成接收、發(fā)射等操作,將每次接收的數(shù)據(jù)傳輸至甲板單元處理,在數(shù)據(jù)采集軟件中形成海底管道二維的探測(cè)圖像(見圖4)。

1.3 多波束測(cè)深儀

多波束測(cè)深儀主要由控制盒、多波束換能器、顯控軟件和多波束采集軟件組成(見圖5)[5]。 多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用安裝在水下的換能器向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波,反射回波信號(hào)通過接收換能器進(jìn)行窄波束接收,根據(jù)接收聲波在水體的傳播時(shí)間來探測(cè)水深。 通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印,對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?一次探測(cè)就能探測(cè)出與航向垂直的垂面內(nèi)幾百個(gè)海底被測(cè)點(diǎn)的水深值,從而能夠精確、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化,比較可靠地描繪出海底三維特征。 多波束測(cè)深儀的工作頻率,通常為200 kHz ~400 kHz[6]。 多波束測(cè)深儀因其工作原理,可以探測(cè)裸露和懸空的海洋石油管道及其周邊海床特征。

在工作過程中,多波束測(cè)深儀控制盒、多波束換能器、定位的DGNSS 及外輔光纖羅經(jīng)等設(shè)備固定在測(cè)量船上,利用DGNSS 定位技術(shù)使船舶在管道正上方,沿管道走向的測(cè)線方向行駛。 測(cè)量船按一定的速度行駛,根據(jù)設(shè)定好的發(fā)射頻率和工作模式,將每次接收的數(shù)據(jù)傳輸至控制盒和顯控軟件,在數(shù)據(jù)采集軟件中形成海底管道三維的水深探測(cè)圖像(見圖6)。

2 管道賦存狀態(tài)

海洋石油管道鋪設(shè)在海床上,為避免受波浪、潮流等沖刷作用的影響,會(huì)將石油管道埋置于海床以下一定深度。 因海床是一個(gè)不平整的界面,埋置的管道也會(huì)因波浪和潮流的長(zhǎng)時(shí)間沖刷而出現(xiàn)裸露、懸空等賦存狀態(tài)。 在示意圖7、圖8 和圖9 中,A 表示真實(shí)海床,B 表示自然海床,C 表示管道頂部到真實(shí)海床的距離,D 表示管道頂部到自然海床的距離,F 表示管道底部到真實(shí)海床的距離(懸空高度),H 表示真實(shí)海床到自然海床的距離。

2.1 平整海床

當(dāng)海洋石油管道附近的海床處于平整的狀態(tài)時(shí),真實(shí)海床A 與自然海床B 重合,管道頂部到真實(shí)海床的距離C 等于管道頂部到自然海床的距離D。 在淺地層剖面探測(cè)圖像上管道呈現(xiàn)出反射弧,海床會(huì)呈現(xiàn)出平整的直線圖像,如圖2 中a 和b 所示。 在側(cè)掃聲吶的探測(cè)圖上管道會(huì)呈現(xiàn)出黑色細(xì)直線條和其產(chǎn)生的聲影白色細(xì)線條,如圖4(a)所示;呈現(xiàn)出黑色細(xì)直線條和彎曲的白色聲影線條,說明管道出現(xiàn)懸空狀態(tài),彎曲度越大,懸空高度越大,如圖4(b)所示。 埋藏于海床以下的石油管道,在長(zhǎng)時(shí)間的波浪、潮流作用下,管道由埋藏于海床以下逐漸出現(xiàn)裸露臨界狀態(tài)、裸露狀態(tài)、懸空臨界狀態(tài)和懸空狀態(tài)(見圖7)。 管道埋藏時(shí),其埋藏深度即為管道頂部到真實(shí)海床的距離;管道臨界裸露時(shí),管道頂部到真實(shí)海床的距離為零;管道裸露時(shí),其裸露高度即為管道頂部到真實(shí)海床的距離;管道臨界懸空時(shí),管道底部到真實(shí)海床的距離為零,管道頂部到真實(shí)海床的距離為管道直徑;管道懸空時(shí),其懸空高度即為管道底部到真實(shí)海床的距離。

2.2 對(duì)稱沖刷海床

當(dāng)海洋石油管道附近的海床處于對(duì)稱沖刷溝時(shí),真實(shí)海床A 與自然海床B 不重合,管道頂部到真實(shí)海床的距離C 不等于管道頂部到自然海床的距離D。 在多波束測(cè)深儀探測(cè)圖像上裸露、懸空的管道頂部出現(xiàn)零星水深探測(cè)點(diǎn),海床會(huì)呈現(xiàn)出密集水深點(diǎn)云,如圖6 所示。 對(duì)稱沖刷管道附近的海床在多波束測(cè)深儀探測(cè)圖像上,呈現(xiàn)密集的對(duì)稱的水深探測(cè)點(diǎn)(見圖6(b))。 海洋石油管道附近對(duì)稱沖刷海床是在波浪、潮流與海底不同底質(zhì)屬性的作用,與裸露、懸空管道之間的相互作用或者是波浪、潮流的規(guī)律沖刷條件下形成如圖8 所示的石油管道賦存狀態(tài)。 管道埋藏時(shí),其埋藏深度即為管道頂部到真實(shí)海床的距離;管道臨界裸露時(shí),管道頂?shù)秸鎸?shí)海床的距離為零,管道裸露時(shí),其裸露高度即為管道頂部到真實(shí)海床的距離;管道臨界懸空時(shí),管道頂部到真實(shí)海床的距離為管道的直徑;管道懸空時(shí),其懸空高度即為管道底部到真實(shí)海床的距離;管道懸空至自然海床時(shí),管道頂部到自然海床的距離為管道直徑;真實(shí)海床與自然海床之間的最大距離。

2.3 不對(duì)稱沖刷海床

當(dāng)海洋石油管道附近的海床處于不對(duì)稱沖刷溝時(shí),真實(shí)海床A 與自然海床B 不重合,管道頂部到真實(shí)海床的距離C 不等于管道頂部到自然海床的距離D。 在淺地層剖面儀探測(cè)圖像上管道呈現(xiàn)出反射弧,海床會(huì)呈現(xiàn)出不對(duì)稱的海槽形狀,如圖2(c)所示。 不對(duì)稱沖刷管道附近的海床在多波束測(cè)深儀探測(cè)圖像上,呈現(xiàn)密集的不對(duì)稱水深探測(cè)點(diǎn)(見圖6(a))。 海洋石油管道附近不對(duì)稱沖刷海床是在波浪、潮流與海底不同底質(zhì)屬性的作用,與裸露、懸空管道之間的相互作用或波浪、潮流的不規(guī)律沖刷條件下形成如圖9 所示的石油管道賦存狀態(tài)。 管道埋藏時(shí),其埋藏深度即為管道頂部到真實(shí)海床的距離;管道臨界裸露時(shí),管道頂?shù)秸鎸?shí)海床的距離為零,管道裸露時(shí),其裸露高度即為管道頂部到真實(shí)海床的距離;管道臨界懸空時(shí),管道頂部到真實(shí)海床的距離為管道的直徑;管道懸空時(shí),其懸空高度即為管道底部到真實(shí)海床的距離;管道懸空至自然海床時(shí),管道頂部到自然海床的距離為管道直徑;真實(shí)海床與自然海床之間的最大距離。

3 分析

海洋石油管道鋪設(shè)后,賦存于海洋底部,受波浪、潮流等自然因素以及人為因素的影響,會(huì)出現(xiàn)多種賦存狀態(tài)。 在我國(guó)渤海因水深較淺[7],管道鋪設(shè)后,會(huì)及時(shí)進(jìn)行挖溝掩埋。 在南海深海海域管道鋪設(shè)后,不需要挖溝掩埋,管道裸露于海床即可。 渤海海域的海洋石油管道,出現(xiàn)裸露、懸空的管道是非常值得關(guān)注的,根據(jù)管道探測(cè)到的不同賦存狀態(tài),對(duì)其采用不一樣的治理措施。 當(dāng)平整海床出現(xiàn)裸露時(shí),采用水泥壓塊的方式進(jìn)行覆蓋保護(hù);出現(xiàn)懸空時(shí),采用拋沙治理的方式維護(hù)。 當(dāng)對(duì)稱沖刷和不對(duì)稱沖刷海床出現(xiàn)管道裸露時(shí),采用拋沙的方式維護(hù)[8];出現(xiàn)管道懸空時(shí),可采用拋沙維護(hù),也可根據(jù)海床地形特征及懸空高度和范圍,以建設(shè)水下水泥支樁的方式維護(hù)[9]。 南海海域的深海石油管道,出現(xiàn)裸露和短懸空時(shí),是其管道賦存的正常狀態(tài)。 但是,當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)懸空時(shí),就需要對(duì)其進(jìn)行治理維護(hù)。 因?yàn)槭巧詈：Ｓ?故多采用深水挖溝機(jī)進(jìn)行管道旁挖溝充填的方式治理維護(hù)[10]。

4 結(jié)論

通過分析淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶及多波束測(cè)深儀三種海洋探測(cè)設(shè)備在海洋石油管道運(yùn)維中的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)海洋石油管道全方位的測(cè)量。 綜合三種不同類型的聲學(xué)設(shè)備,更加了解了海洋石油管道賦存狀態(tài),管道周圍地形地貌特征以及海底管道淺地層底質(zhì)特征,可以得出海洋石油管道路由區(qū)域底質(zhì)地貌的綜合工程評(píng)價(jià)。 在三種聲吶探測(cè)設(shè)備中的管道測(cè)量現(xiàn)象,總結(jié)出了17 種海洋石油管道在海床中的賦存特征,結(jié)合海洋復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境,對(duì)海洋石油管道后期維護(hù)治理提供參考價(jià)值。