参量阵浅地层剖面技术在海底管道检测中的应用_蔡春麟.doc

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1、参量阵浅地层剖面技术在海底管道检测中的应用 蔡春麟 i， 张异彪 i， 顾兆峰 2 (1 上海海洋石油局第一海洋地质调查大队 .上海 201208; 2 青岛海洋地质研究所 .青岛 266003) 摘要：简要介绍了参量阵浅地层剖面技术 SES 2000 型浅剖仪的原理及其在海底管 道路由检测中的应用。对掩埋管道赋存的空间状态进行了综合分析研宄，并对悬空管道 沙包回填后的状态进行了有效辨识，为下一步的管道维护提供了科学依据。 关键词：参量阵浅剖技术 ;海底油气管道检测 ;油气田 中图分类号： TE973.6 文献标识码 : A 现今，上海使用的天然气大部分来自东海 的油气田，通过铺设海底管道的方

2、式输送。由 于管道在海底中穿越的特殊性，有些区段受到 海流和潮流的交替冲刷，对海底底质的侵蚀作 用加大，逐渐形成了灾害性危害。原本深埋于 海底一定深度之下的天然气管道因上覆沉积物 的流失而暴露于海底，有的甚至呈悬空状态。 这种危害如果不及时发现并得到迅速的维护， 将严重威胁整条路由管线的安全，因此，有必要 采取行之有效的检测方法来查明海底天然气管 道赋存的空间状态。 本文依据近年来在海底天然气管道检测项 目中应用 参量阵浅地层剖面技术所获得的资 料，简要阐述了这一技术的原理和检测方法过 程，并对油气管道赋存的空间状态及回填后特 征进行综合分析，以期为今后的管线检测起到 一点启示作用。 1 调查

3、仪器的选择 在历次检测任务中，一般应用多种海洋物 探手段相结合的方法，来获取水深、海底地形地 收稿日期 :2007-0 卜 19 作者简介：蔡春麟 （ 1970 )，男，硕士，工程师，从事海洋 地质调查研宄工作 . 貌和海底管道状态数据，这些方法包括 :多波束 测深、单波束测深、旁侧声纳扫描和高频浅地层 剖面测量等。其中，高频浅地层剖面测量是以 路由管线为轴，布置较大密度、垂直管线走向的 测线，对管线两侧形成一定覆盖范围的区域进 行调查，因此，浅地层剖面仪器的选择关系到掩 埋管道的检测效果和后期资料的解释质量。 在海水中发射的声波在水体和底质中传 播，当通过不同介质时，由于介质的声阻抗差异 性

4、，产生强弱不同的回波信号，因而在输出记录 上形成不同层次的地层结构图。浅地层剖面仪 含有两个关键的参数：发射功率和发射频率。 发射功率的大小决定了声波对介质的穿透深 度，而发射频率决定了层组特征的分辨率。发 射功率越大 ，穿透深度越大。低频穿透深度大 , 但分辨率低 ;高频穿透深度小，而分辨率高。以 往使用的浅地层剖面仪主要采用线性调频脉冲 (CHIRP )技术，为了兼顾足够的穿透深度和较 大的分辨率，其换能器往往大而笨重，而且发射 的波束角大，影响了对地层的分辨率。在近年 的管道路由检测中，引进了一种以非线性调频 (参量阵）为原理的新型浅剖仪 SES-2000 参量阵测深 /浅地层剖面仪，即

5、参量阵声纳在高 压下可同时向水下发射两个频率接近的主频高 频声波信号 (Fi、 F2 )，当穿过水体时，产生一系 第 23 卷第 4 期 蔡春麟，等 :参量阵浅地层剖面技术在海底管道检测中的应用 39 列二次频率，其中一个高频主频 (Fi )用于探测 海底深度，而两个主频之差 （ Fi F2 )则用来揀 测海底浅地层剖面。其最大特点就是换能器体 积小重量轻，可选择高频和低频，且低频发射波 的波束角小，从而具有较大的穿透深度和较高 的分辨率 ;信号采集具有自动和手动两种门限 设置，对介于不同门限之间的信号强度进行彩 色编码、记录1。系统由主机、换能器和涌浪滤 波器组成，操作系统为 Windows

6、 XP， 主机上有 显示屏，有利于现场观察和参数调节。 2 仪器安装与资料处理 SES-2000 参量阵测深 /浅地层剖面仪一般 安装在小船上。检测时，主机与导航定位系统 位于同一位置。 GPS 定位天线、换能器和涌浪 滤波器在同一铅垂线下。换能器则用金属架固 定在船舷的一侧，以避免由螺旋浆搅动水流生 产的影响，入水深度在 1 m 左右。由于发射频 率的大小决定了穿透深度和图像的分辨率，因 此，在正式检测之前先进行仪器试验，以确定适 合本海域海底地层的最佳参数。如调查区海底 底质以泥质和砂质沉积物为主，而且管道在海 底的掩埋深度多数不超过 2 m， 经过多次试验， 选用频率为 12 15 kH

7、z,增益约 22,作业时船 速不大于 5 kn。 专门的后处理软件用来解释现场作业所获 得的资料，通过设置阀值、压缩比和平滑等参 数，在高频和低频下，可以分别获得水深和管道 掩埋深度数据。结合潮位资料还可以作出检测 海区的水深图。 3 检测方法 考虑到检测区海域潮流和海底地形特点， 横测线的布置在各区段密度不同，分别以 15 m、 25 m、 50 m 作为重点区段、 次重点段、一般 区段的测线间距。对于灾害现象较集中等重点 段，如果发现悬空点，则加密检测线，以提供具 体的悬空长度数据。通过测线与管线相交，由 点到线，来查明海底管道的空间赋存状态。 检测导航定位采用法国 SERCEL 公司生

8、产的 高 精 度 差 分 NR-103DGPS 导 航 仪 和 THALES3011DGPS 罗 经 仪 组 成 ， 高 斯 投 影 ， WGS-84 坐标系。卫星颗数多大于 6,质量指 标大于 7。测线偏航小于 10 m， 定位精度优于 2 m 4 检测成果解释 处理资料应充分对比高频和低频下海底信 号特征，以准确获取海底天然气管道的埋深数 据。在海况较差时所检测的外业资料，有可能 出现许多管道的假信号，这为识别管道増加了 困难。另外，管道悬空与沙包回填之后信号的 变化，也要结合以往的检测经验和历次检测成 果，才能一一作出甄别。图 1 图 8 分别是检 测区内海底天然气管道的几种空间状态图示

9、。 4.1 深埋状态 图 1 是深埋管道在海底下的典型剖面，弧 状的管道信号清晰，海底界线明显。连续的地 层沉积层组结构中断，为当时开挖掩埋的痕迹 ; 管道信号下具屏蔽现象。反映该处海流冲刷作 用很小，管道处于稳定状态。 图 1 埋深近 1 m 的天然气管道 Fig. 1 The pipeline 1 m below seabed 40 Marine Geology Letters 海洋地质动态 2007 年 4 月 4.2 浅埋状态 图 2 所示管道掩埋深度离海底约 10 cm, 位于冲刷沟之下，表明该段海底受到海流冲刷 作用强，随时间推移将有加大趋势。管道的反 射信号依然很清晰，圆弧状、地

10、层沉积层组结构 中断和信号 屏蔽现象等特征明显。 图 2 位于冲刷沟下的管道，离海底仅 10 cm Fig.2 The pipeline below a groove and only 10 cm from seabed 4.3 出露状态 图 3 和图 4 所示管道分别出露海底，出露 高度分别为 35 cm 和 23 cm。 整个剖面处于强 冲刷作用的区域内。在低频下管道信号清晰圆 滑，而在高频图像中，只有管道顶部信号得到了 反映，真实的海底线也有所变化 ,初步可以确定 管道真正的出露高度。 4.4 悬空状态 图 5 为悬空管道的剖面，图 6 为单侧悬空 的管道剖面图。悬空管道的最大特点就是信

11、号 圆滑清晰，屏蔽现象明显，弧状信号之中无绕射 现象。在高频显示图像中，真正海底线往往呈 凹型。这是判别出露与悬空的重要依据。 4.5 回填沙包状态 检测之后的管道维护，就是依据由资料后 图 3 出露管道 Fig. 3 Exposed pipeline 图 4 出露管道 Fig. 4 Exposed pipeline 图 5 悬空管道 Fig. 5 The impending pipeline 处理所提供的管道空间数据，对己经处于悬空 状态或临界悬空的管道及时进行沙包回填，以防 止悬空态势进一步扩大。回填的方法就是把沙 包充填于悬空管道的两侧，至与管道顶部持平， 剖面上呈一梯形状。在检测中，相

12、当一部分的横 测线剖面显示天然气管道信号图像与管道悬 空或出露时的图像信号类似。经仔细对比，结 第 23 卷第 4 期 蔡春麟，等 :参量阵浅地层剖面技术在海底管道检测中的应用 41 合以往的探摸和回填资料，最终确认为沙包与 管道混合反射后的结果。如图 7 和 8,在低频 下管道与沙包图像呈尖锥状，信号不清晰，边界 模糊；管道信号下的屏蔽区域较大，多点绕射现 象明显。在尚频（图 7 与 8 的右图 ） 下，可见沙 包与海底呈连续图像，说明回填沙包对于管道 的保护作用良好 ;但是，也可能发生沙包坍塌的 现象（图 9)，由于冲刷作用的增强，形成了冲 沟，引起了一侧沙包的坍塌，这是值得关注的危 害。

13、 图 7 呈尖锥状的回填沙包形态 (右图为高频时的海底线 ) Fig. 7 The subulate sandbag 图 8 呈堆状的回填沙包形态 (右图为高频时的海底线 ) Fig. 8 The subulate sandbag 图 6 单侧掏空状态下的管道 Fig. 6 The lateral hollowed pipeline 的管道清晰可见，这与浅地层剖面结果相当吻 5合。而后者更揭示出管道的空间状态和管道所 处的灾害环境，为及时发现灾害现象及危害趋 旁侧声纳扫描测量资料显示，出露于海底 势提供了有力的依据。通过多次的检测作业实 42 Marine Geology Letters 海洋

14、地质动态 2007 年 4 月 图 9 回填沙包坍塌 (右图为高频下的图像 ) Fig. 9 The collapsed sandbag 践和探摸回填结果，充分证明参量阵浅地层剖 参考又献： 面仪技术在海底路由管道检测中的良好效果； 反过来，通过对大量的 资料综 合研宄和对比，又 1张兆富 .SES-%参量阵测深 /浅地层剖面仪的特点及其 进一步提高了浅地层剖面资料分析、解释的质 量，为下一步的管道维护提供了科学依据。 (上接第 35 页） 6 结论 本文介绍了根据威尼斯泻湖所建立的有效 水动力模式的几种应用情况，实验数据证实该 模式有效。 第 1 个应用是根据模式模拟的物理性质的 空间分布分

15、析对威尼斯泻湖进行划分。研宄结 果表明，可以沿南北轴将泻湖分为 4 个盆地，也 可以纵向上与泻湖主轴相交划分出 3个条带 : 主要受河流影响的内部带、中间带和海洋影响 带。 与人们通常的想法相反，我们认为中部盆 地的面积最大，即使北部盆地的两个亚盆地合 而为一，仍然是这个结果。横、纵向划分重合后 确定出 12 个小区域，后减少到 10 个。 第 2 个应用是对不同自然条 件下的总环流 和残余环流进行分析。无风条件下的稳定状态 环流，持续流出的河水和理想化的 M2 分潮给 出了南向流的净流量，也表明了北部泻湖盆地 大量涌入的淡水主要受到流出 Chioggia 入潮 口水体的补偿。入潮口处残余流量

16、较小，表明 潮汐、地形条件、惯性和淡水输入之间非线性交 互作用的重要性，它们是残余环流的主要决定 因素。水流通量的一个重要部分在威尼斯周围 沿一个顺时针方向的漩涡环状滚动并通过 Gi- udecca 水道（该水道在环流模式中起着重要的 作用）。有风时，这个状态会发生明显的改变。 热风有引发北向残流 流动的趋势，使水流流出 Lido 入潮口进入Chioggia 入潮口，当亚德里亚 海沿岸的干冷东北风推动着水流向泻湖的南部 流动时，水流在 Lido入潮口流入，在其他的两 个口流出。两种风都会加强入潮口和泻湖内的 水量变化，因此有助于泻湖的水体流通。 1999 年的一个实例分析提供了与本文接近的情况。 李延兵，庄振业编译自 Journal of Marine Systems), 2004,51:147-160.