淺地層剖面儀在海底管道檢測中的應用

王繼立，黃潘陽，胡濤駿，來向華

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海200030;2.國家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，杭州310012)

海底管道的鋪設需要經歷鋪設前對路由區海床的詳細綜合調查，并且在鋪設后也需要定期進行檢測以確保管道可以持續安全運營。這些調查要用到包括單波束、多波束、側掃聲納、淺地層剖面儀等大量地球物理探測設備［1-3］。在檢測海底管道賦存狀況的過程中，裸露或者懸空的管道可以用單波束進行探測，該方法簡單高效、成本低廉。對于掩埋的海底管道，則須使用淺地層剖面儀才能確定其埋藏深度及位置。淺地層剖面探測是海洋工程野外勘察的重要手段。它在揭示地質結構和構造、研究第四紀地層層序、圈定工程地質單元、識別海底災害地質等方面，均有著其它調查方法和手段無法比擬的優越性［4］。在管道鋪設前的路由調查中，采用淺地層剖面儀可以進行走航式地層探測，且探測影像直觀、易于判讀;在后續的管道定期檢測中，淺地層剖面儀可以準確、高效地確定管道位置及掩埋狀況，十分便利。

1 淺地層剖面儀的工作原理

把海底看作一個層狀的模型，海水層作為第一種介質，它的密度為ρ1，聲波在其中傳播的速度為c1，海底下的沉積物存在多個界面，它們的密度和速度分別是ρ2，c2，…，ρn，cn。當聲波向下傳播時，一部分在分界面處發生反射，另一部分沿法線方向繼續傳播，在下一分界面處發生反射和透射，見圖1。

圖1 淺地層剖面儀工作原理

聲波反射強度和地層的反射系數R有關:

當兩種介質的反射系數大時，接收到的反射信號就比較強，反之則比較弱。因此，接收到的反射信號，攜帶了水下地層的大量有用地質信息。通過觀測記錄并分析海底沉積物對于聲波的反射，可以了解沉積物的地質屬性，并可以直觀地識別地層的地質構造。

淺地層剖面儀就是利用回聲測深原理設計的。在工作過程中，淺地層剖面儀主機和定位的GPS固定在改裝后的測量船上，利用GPS定位使航向按照預定的測線方向行駛。測量船按一定的速度行駛，發射基陣和接收基陣安置在水面下，根據工區實際地質情況，主機設定發射聲脈沖的頻率范圍和功率等參數，重復向下發射一脈沖，接收基陣接收到回波并轉換成電信號，主機對其進行初步增益和濾波處理后，就可以實時將探測到的水下地質情況利用紙質輸出或數字輸出。掩埋在海底的管道其屬性顯然與周邊的土體不同，反射特征也不同，因此回波信號經接收處理后，可以辨別海底管道在海床中的埋設位置。

2 影響因素分析

2.1 不同信號源對檢測結果的影響

圖2是三種不同信號源的淺地層剖面系統對水深約16 m時直徑711 mm(28 in)海底管道的檢測結果。圖2a)為參量陣淺剖的探測結果，頻率為12～15 kHz，其繞射曲線顯然不如圖2b)中使用Chirp技術獲取的顯著。并且，使用Chirp技術時其繞射曲線更接近于管道的外形，對管道的檢測具有較高的分辨率。圖2c)為PCW淺剖獲取的埋藏管道探測記錄，由于波束開角較大，可以看出聲波在管道頂端發生明顯的繞射，繞射波的寬度超過20 m，與管道的外形相差甚遠，但這也使其較容易檢測到管道的具體位置及埋深。

圖2 采用不同信號技術的淺剖對海底管道的探測記錄

2.2 航行速度對檢測結果的影響

圖3 不同航行速度對探測結果的影響

圖3 為不同航行速度下Chirp淺剖在相同水深(約16 m)時直徑711 mm海底管道的檢測結果。對于相同頻率的同一淺剖，水深相同的情況下，速度越慢探測到管道的頻數就越多，因此形成的繞射曲線越明顯，也就更容易從淺剖記錄上識別出管道的位置，反之則繞射曲線相對不夠明顯，繞射曲線的形狀也偏離海底管道真實形態。

2.3 水深對檢測結果的影響

圖4為航速約4 kn時Chirp淺剖對不同水深的711 mm海底管道的檢測結果。

圖4 水深對探測結果的影響

由圖4可以看出隨著水深的增加，管道產生的繞射波越來越明顯，圖4a)顯示水深為37 m時繞射波寬度僅10 m左右，而在圖4c)中，水深90 m時繞射波的寬度已經超過40 m。在這樣的水深條件下，已無法判斷管道的掩埋狀態，只能確定管道的位置。

3 檢測應用

東海某海底油氣管道將東海開采的油氣運輸到陸地，具有重要戰略意義。然而其近岸段由于各種原因，安全狀況并不理想。在2007年臺風季后的調查中，發現裸露、懸空、掩埋段都存在。而這些賦存狀況都可以在淺剖探測中得到較好體現。圖5為直徑711 mm海管空間狀態的淺剖探測圖，裸露管道的管頂與海底的反射特征明顯，結合海管尺寸，可以明確海管與兩側海床的相對位置。

圖5 裸露管道典型剖面

圖6 為懸空管道的典型淺地層剖面。

圖6 懸空管道典型剖面

可以看到，除了管頂反射特征明顯外，海底管道下方的海床形態也較為明確，被海底潮流沖刷而形成的“V”形溝清晰可見，從海底沖刷痕跡與管道出露高度可以判斷，該段底流的沖刷與侵蝕作用較強，并且管道兩側海床存在些許的高差。

圖7為掩埋管道的典型淺地層剖面。

圖7 掩埋管道典型剖面

顯然，管道的反射特征并沒有圖6明顯。然而仔細辨別，仍然可以發現管道的彎月形繞射特征，管道下方地層反射出現中斷不連續，向下彎曲呈繞射形態，以此可以確定管道的位置及埋藏情況。

4 結論

1)應用Chirp技術的淺地層剖面儀，其分辨率高、抗干擾力強、海底參透性能好，可以較好完成海底管道的檢測任務。

2)走航速度會影響淺地層剖面儀在海底管道檢測中的效果，一定范圍內，速度越低，效果越好(若不考慮經濟性)。

3)當水深超過一定范圍時，盡管淺地層剖面儀仍然可以探測到海底管道的位置，但其埋設狀況則無法準確確定。

［1］來向華，馬建林，潘國富，等.多波束測深技術在海底管道檢測中的應用［J］.海洋工程，2006，24(3):68-73.

［2］來向華，潘國富，傅曉明，等.單波束測深技術在海底管道檢測中的應用［J］.海洋工程，2007，25(4):66-72.

［3］來向華，潘國富，茍諍慷，等.側掃聲納系統在海底管道檢測中應用研究［J］.海洋工程，2011，29(3):118-121.

［4］王化仁，田春和，王 鵬，等.淺地層剖面儀在管線鋪設路由調查中的應用［J］.水道港口，2007，28(2):133-135.

［5］莊杰棗，王紹智，蘭志光.淺地層剖面記錄地質解釋的若干問題［J］.海洋測繪，1996(2):17-24.