楊 敏 , 宋 湦 王 芳, 宮文寧

(1.中國海洋大學(xué), 山東 青島; 2.國家海洋局 北海海洋技術(shù)保障中心, 山東 青島; 3.國家海洋局 煙臺(tái)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站, 山東 煙臺(tái); 4.國家海洋局 北海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心, 山東青島)

在海洋油氣資源開發(fā)中, 最常用和有效的油氣輸運(yùn)方法是使用海底管道進(jìn)行輸送, 因此, 隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā), 海域內(nèi)所鋪設(shè)的海底管道數(shù)量越來越多, 密度不斷增高, 種類越來越復(fù)雜。這些海底管線長(zhǎng)期在海洋復(fù)雜環(huán)境下工作, 出現(xiàn)懸空、平面位移、管體損傷等情況, 與原始設(shè)計(jì)狀態(tài)有很大差異, 但未得到精確探測(cè)與校核, 存在很多事故隱患, 對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)造成極大的威脅[1]。因此, 準(zhǔn)確探明海底管道的狀態(tài)和位置, 評(píng)價(jià)其安全風(fēng)險(xiǎn), 對(duì)于預(yù)防和排除安全隱患非常重要[2]。另一方面, 我國的海底管道鋪設(shè)歷史已有數(shù)十年, 目前早期的海底管道已經(jīng)或者即將超過其設(shè)計(jì)使用年限, 對(duì)于到期的海底管道處置提上議程, 擱置海底肯定不是辦法,最好的辦法還是將其撈起后集中處置, 為便于打撈,準(zhǔn)確探明其位置和狀態(tài)也非常必要。

目前國內(nèi)外探測(cè)海底管道的方法很多, 通常有人工潛水探摸、ROV技術(shù)、測(cè)深技術(shù)(包括多波束測(cè)深)、側(cè)掃聲吶、海洋磁力儀、淺地層剖面儀等[2]。這些方法和技術(shù), 大部分是對(duì)出露海底的管道有很好的探測(cè)效果, 而對(duì)于掩埋的海底管道探測(cè)手段相對(duì)單一而不系統(tǒng), 準(zhǔn)確探測(cè)掩埋海底管道的埋深和狀態(tài)仍然是世界性難題。針對(duì)這一問題, 本文將探討掩埋海底管道探測(cè)方法和新技術(shù)應(yīng)用, 提出綜合的探測(cè)建議。

1 掩埋海底管道探測(cè)方法

掩埋海底管道的探測(cè), 目前實(shí)際應(yīng)用的手段不多, 主要是磁力探測(cè)和淺地層剖面儀探測(cè), 以后者為主要手段。

1.1 磁力儀探測(cè)

海洋磁力儀是在磁法勘察基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是一種測(cè)量地球磁力場(chǎng)精度很高的磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備,是地球物理調(diào)查的重要內(nèi)容, 特別是在海洋地球物理調(diào)查中, 大面積地震調(diào)查比較困難, 所以磁法勘察就更為重要。世界各國對(duì)海洋調(diào)查越來越重視, 磁法勘察儀器也得以快速發(fā)展。經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 海洋磁力儀在靈敏度、分辨率和精度等方面有了很大提高, 并出現(xiàn)了多種類型的海洋磁力梯度儀。

磁力儀利用巖土介質(zhì)之間的磁性差異所引起的磁場(chǎng)變化來查明海底構(gòu)造或解決其他地質(zhì)問題[1]。海洋磁力儀的應(yīng)用范圍很廣, 除了包括科研方面的常規(guī)地球物理調(diào)查外, 在工程方面的應(yīng)用也越來越廣泛, 在諸如海底油氣管線、海底光纜及通訊電纜調(diào)查, 在海洋石油工業(yè)中的鉆探井場(chǎng)調(diào)查, 事故處理方面海底沉船、失事飛機(jī)的尋測(cè)等, 都廣泛使用海洋磁力儀。在環(huán)境保護(hù)方面, 對(duì)河流、湖泊、港口的污染沉積物探測(cè)等等。磁力儀在軍事上的作用也越來越受到重視, 如在反潛、搜尋海底軍火等方面的應(yīng)用。

海洋磁力儀應(yīng)用于海底管道探測(cè), 是因?yàn)楹５坠艿朗拐５拇艌?chǎng)分布發(fā)生了變化, 從而產(chǎn)生了磁異常, 就可以利用磁力儀探測(cè)出這些磁異常的分布。磁力儀可以探測(cè)各種不同直徑的海底管道, 但只能探測(cè)其平面位置, 不能探測(cè)其懸空或埋藏深度, 并且只能探測(cè)金屬物體, 對(duì)于非金屬材料管道無能為力。需結(jié)合聲吶、多波束和淺地層探測(cè)等資料進(jìn)行綜合分析[1]。

1.2 淺地層剖面儀探測(cè)

淺地層剖面儀是20世紀(jì)60~70年代問世的一種水下聲波探測(cè)系統(tǒng), 它所發(fā)射的低頻聲波對(duì)海底有一定的穿透深度, 是利用聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到不同聲學(xué)特性的分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反向散射, 接收反向散射聲波并按回波的時(shí)間先后、并用灰度等級(jí)或色彩來表征回波的強(qiáng)度在平面上繪制出好象瀑布一樣的剖面圖, 這種平面圖可以直觀的看到水底以下地質(zhì)構(gòu)造情況。地層剖面儀廣泛應(yīng)用于海洋地質(zhì)調(diào)查、港口建設(shè)、航道疏浚、海底管線布設(shè)以及海上石油平臺(tái)建設(shè)等方面。與鉆孔取樣相比, 利用剖面儀進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查具有操作方便, 探測(cè)速度快, 記錄圖像連續(xù)且經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[3]。

當(dāng)?shù)貙又杏泄艿罆r(shí), 由于地層與管道的界面兩側(cè)聲阻抗差異較大, 容易形成強(qiáng)烈的反射波, 同時(shí)在這一界面處常常產(chǎn)生繞射波, 而繞射波在時(shí)距剖面圖像上為雙曲線反映, 雙曲線頂部位置距航跡的直線距離最近, 在淺剖圖像中, 埋藏管道的雙曲線頂部位于海床面以下, 可以據(jù)此判斷管道埋藏深度;出露管道的雙曲線頂部位于海床面之上, 可以據(jù)此判斷管道的暴露高度(圖1)。由上面論述可知, 淺地層剖面可以探測(cè)埋藏海底管道, 通過時(shí)距剖面上的特征圖像就能確定管道的位置及其埋深[4]。

圖1 淺地層剖面記錄圖譜記錄的埋藏海底管道

淺地層剖面儀根據(jù)頻率和功率的不同, 分為深層、中層、淺層多種穿透能力的不同類型, 海底管道探測(cè)一般使用高頻、高分辨率、穿透較小的剖面儀,通常稱為管線探測(cè)儀, 主要有 SES-96、SES2000參量陣剖面儀、Chirp III淺地層剖面儀、EdgeTech 3100P便攜式淺地層剖面儀, 這些設(shè)備一般使用高頻高分辨技術(shù), 垂向分辨率可以達(dá)到幾厘米。因?yàn)楹５坠艿拦軓揭话阍?20~100cm, 埋深一般不大于 2m,高分辨剖面儀對(duì)其有很好的探測(cè)效果。

但是剖面儀有其固有的缺陷, 在探測(cè)作業(yè)時(shí)測(cè)線必須垂直于海底管道軸向才能探測(cè)到管道, 作業(yè)時(shí)測(cè)線布設(shè)基本原則是垂直管道走向布設(shè), 一般采用以管道的走向?yàn)檩S線, 按“Z”字形式走航測(cè)量的方式來進(jìn)行測(cè)量, 平行管道布設(shè)測(cè)線探測(cè)不出管道。這樣大大降低了探測(cè)效率和作業(yè)難度, 并且探測(cè)的僅僅是測(cè)線和管道相交時(shí)的一個(gè)點(diǎn), 不能連續(xù)探測(cè)管道。

2 新技術(shù)應(yīng)用

為解決埋藏海底管道的探測(cè)難題, 世界各國都在探索有效的探測(cè)技術(shù), 其中低頻合成孔徑聲吶技術(shù)是其中之一, 隨著不斷的技術(shù)進(jìn)步, 這項(xiàng)技術(shù)逐漸趨于成熟, 接近應(yīng)用的水平。同時(shí), 近一兩年國外出現(xiàn)了三維海底成像系統(tǒng)。

2.1 合成孔徑聲吶

合成孔徑聲吶是國內(nèi)外海洋探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿之一, 它通過二維或三維的成像結(jié)果, 使人們獲取對(duì)水底地形地貌直觀而準(zhǔn)確的資料。合成孔徑聲吶是一種高分辨率成像聲吶, 是成像聲吶新的發(fā)展趨勢(shì)。基本原理是利用小尺寸基陣沿空間的勻速直線運(yùn)動(dòng)來虛擬大孔徑的基陣, 從而獲得沿運(yùn)動(dòng)方向的高分辨率。做法是在運(yùn)動(dòng)軌跡上的順序位置發(fā)射并接收回波信號(hào), 根據(jù)空間位置和相位關(guān)系,對(duì)不同位置的回波信號(hào)進(jìn)行相干疊加處理進(jìn)而獲得運(yùn)動(dòng)方向的高分辨率。

合成孔徑技術(shù)主要有兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn), 一是對(duì)目標(biāo)的分辨能力與距離和采用的聲信號(hào)頻率無關(guān), 因此既可以采用高頻信號(hào)進(jìn)行高分辨率成像, 也可以采用低頻發(fā)射信號(hào)進(jìn)行掩埋目標(biāo)的探測(cè); 二是可以采用小尺度的聲吶基陣獲得高分辨率的目標(biāo)圖像,且方位向分辨率在全測(cè)繪帶上保持恒定高分辨率,不受作用距離影響。合成孔徑技術(shù)兼具高分辨率的特點(diǎn)和沉底、半掩埋、掩埋目標(biāo)的探測(cè)能力, 是掩埋目標(biāo)探測(cè)的理想技術(shù)。圖2為合成孔徑聲吶工作原理圖。

圖2 合成孔徑原理圖

隨著水下導(dǎo)航和高速數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)的快速發(fā)展以及多子陣成像和運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)等方面研究工作不斷取得新的進(jìn)展, 合成孔徑聲吶(Synthetic Aperture Sonar, SAS)研究取得快速發(fā)展。在水下拖曳平臺(tái)、水下無人移動(dòng)平臺(tái)(Underwater Unmanned Vehicle, UUV)等多種平臺(tái)應(yīng)用均取得重大成功; 在地貌成像、沉底小目標(biāo)成像、掩埋小目標(biāo)成像、海底管道探測(cè)、海底光纜探測(cè)等多種任務(wù)中均取得重要進(jìn)展。鑒于合成孔徑聲吶在國防領(lǐng)域和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景, 世界各主要海洋國家均在大力發(fā)展合成孔徑聲吶技術(shù)。目前, 法國、美國、英國、意大利、中國等國家在合成孔徑聲吶領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

國內(nèi)目前有高技術(shù)企業(yè)先后生產(chǎn)了高頻合成孔徑聲吶(110kHz), 低頻合成孔徑聲吶(12kHz), 中頻合成孔徑聲吶(20kHz)以及高低頻雙頻合成孔徑聲吶。完成了多型拖曳式合成孔徑聲吶設(shè)備生產(chǎn)的同時(shí), 還完成了UUV合成孔徑聲吶設(shè)備的研制。在雙頻合成孔徑成像技術(shù)方面居于國際領(lǐng)先地位, 生產(chǎn)的雙頻合成孔徑聲吶工程樣機(jī), 多次進(jìn)行海上試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下掩埋目標(biāo)的探測(cè)。

雙頻合成孔徑聲吶在進(jìn)行海底管道探測(cè)時(shí), 最大可探測(cè) 300m范圍, 探測(cè)深度可達(dá) 2m。在探測(cè)范圍內(nèi), 無論管道怎么走向, 都可以探測(cè)出連續(xù)的管道圖像(圖3), 并很方便的對(duì)海底管道進(jìn)行跟蹤探測(cè)。這很好的解決了淺地層剖面儀只能垂向交點(diǎn)探測(cè)的不足, 大大提升了探測(cè)精度和工作效率, 是掩埋海底管道探測(cè)的有效技術(shù)手段。

圖3 海底石油管線成像結(jié)果(a.低頻圖像, b.高頻圖像)

雙頻合成孔徑聲吶探測(cè)的不足是, 目前對(duì)掩埋深度只能進(jìn)行定性判斷, 尚不能定量的計(jì)算埋藏深度。在以后解決了埋深計(jì)算的問題后, 低頻合成孔徑聲吶是比較完美的掩埋海底管道探測(cè)技術(shù)。

2.2 三維海底成像系統(tǒng)

所謂三維海底成像系統(tǒng), 是通過對(duì)高低頻探測(cè)技術(shù)的組合設(shè)計(jì), 加上高效率的處理軟件, 形成對(duì)一定尺度和范圍海底的三維探測(cè)成像記錄, 在三維記錄圖中, 可以準(zhǔn)確判斷地層及其中的物體(包括掩埋海底管道)的尺度。目前正在國內(nèi)推廣的如Sub-Bottom Imager (SBI)海底成像器, 可以對(duì)海底以下 5m×5m(寬×深)的地層形成測(cè)繪帶, 可以達(dá)到10cm 的三維分辨率, 并且可以裝配到船舶、ROV、AUV等平臺(tái), 具有一定的靈活性(圖4, 圖5)。

圖4 三維海底成像系統(tǒng)工作示意圖

圖5 三維海底成像系統(tǒng)工作效果圖

應(yīng)用于掩埋管道探測(cè)雖然準(zhǔn)確性高, 缺點(diǎn)也比較明顯, 一是由于探測(cè)范圍小, 需要很好的定位能力, 很難準(zhǔn)確的定位在管道的位置上; 二是效率較低, 成本高。

3 結(jié)論

通過上面的分析, 掩埋海底管道探測(cè)技術(shù)有多種[5-6], 都有其優(yōu)點(diǎn), 也都有其局限性, 表1列出了各種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比。

表1 各種探測(cè)技術(shù)對(duì)比

準(zhǔn)確探測(cè)掩埋海底管道位置和狀態(tài)是一個(gè)世界性難題, 雖然有多種儀器設(shè)備可以進(jìn)行探測(cè), 但由于各種儀器本身功能的局限, 很難一種設(shè)備兼具準(zhǔn)確和高效率。在目前情況下, 最可行的辦法是綜合運(yùn)用多種手段[7-8], 進(jìn)行掩埋海底管道狀態(tài)的探測(cè)。在上面介紹的幾種方法中, 首先使用磁力儀和合成孔徑聲吶技術(shù), 初步確定掩埋海底管道的位置和粗略掩埋情況, 對(duì)于需要精確探測(cè)埋深的路由段, 使用淺地層剖面儀進(jìn)行探測(cè), 確定準(zhǔn)確埋深。這樣綜合運(yùn)用探測(cè)手段, 充分發(fā)揮各儀器設(shè)備的特長(zhǎng), 達(dá)到既提高探測(cè)效率, 又滿足準(zhǔn)確性的要求。同時(shí)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí), 將磁力儀、合成孔徑聲吶、淺剖等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析, 對(duì)各項(xiàng)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行相互檢核, 從而最終確定管道在海底的準(zhǔn)確位置和狀態(tài)。

[1] 徐繼尚, 李廣雪, 曹立華, 等.海底管道綜合探測(cè)技術(shù)及東方 1-1 管道不穩(wěn)定因素[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 2009, 29(5): 43-49.

[2] 徐國強(qiáng), 亓發(fā)慶, 闞長(zhǎng)賓, 等.淺海海底管道探測(cè)技術(shù)探討[J].海岸工程, 2013, 32(2): 20-29.

[3] 周興華, 姜小俊, 史永忠.側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀在杭州灣海底管線檢測(cè)中的應(yīng)用[J].海洋測(cè)繪, 2007,27(4 ): 64-67.

[4] 仲德林, 吳永亭, 劉建立.埕島海上石油平臺(tái)周邊海底管道與電纜的探測(cè)技術(shù)研究[J].海岸工程, 2004,23(4): 32-37.

[5] 王新怡, 連展, 李淑江, 等.海底纜線在海洋觀測(cè)中的應(yīng)用[J].海洋科學(xué), 2012, 11: 111-113.

[6] 郭常升, 李會(huì)銀, 成向陽, 等.海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].海洋科學(xué), 2009, 12: 73-78.

[7] 王海平, 張偉, 李春雷, 等.海底淺層地質(zhì)災(zāi)害的高分辨率地震識(shí)別技術(shù)[J].海洋科學(xué), 2014, 7: 103-109.

[8] 胡洪勤.埕島油田海底管道沖刷及工程治理[J].海洋科學(xué), 2005, 6: 13-16.