海底電纜外部調查檢測方法的探討

趙 槊(中海油田服務股份有限公司 物探事業部 水下工程技術中心，天津300451）

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海底電纜外部調查檢測方法的探討

趙 槊
(中海油田服務股份有限公司 物探事業部 水下工程技術中心，天津300451）

摘 要：針對海底管纜外部檢測以及路由調查中，調查方法應用出現的問題，分析了海底電纜探測調查的技術方法。目前主要有磁力儀、水上電法探測設備及淺剖儀的水上電纜檢測及潛水員扦插探摸結合超短基線定位設備的水下電纜組合探測兩種。根據水上電纜檢測的特點，研究在一定水深情況下各系統的優化配置方案，克服設備之間相互影響及干擾，確保系統測量精度。根據水下電纜檢測的特點，研究結合超短基線定位設備的潛水員潛水扦插探摸的水上組合式電纜探測方式，分析該檢測系統的應用范圍及優缺點。

關鍵詞：海底電纜 探測 優化配置 磁力儀

0 引言

隨著我國對海洋石油的開發，海域使用開發活動日益頻繁，海底輸送管道及海底電纜的數量以驚人的速度在不斷增加。同時，隨著海島資源開發和海洋資源開發進程的加快，海底電纜的應用越來越廣泛，特別是在海洋工程、跨海通信和新能源開發等領域海底電纜在電力傳輸、跨海通訊和海洋油氣田的開發等領域具有其他手段無法替代的優勢、然而海底電纜鋪設后由于沖刷、腐蝕、海底地質災害等原因，會出現不同程度的位移、裸露、破壞。因此，必須定期對海底電纜及管道進行檢測和維修；同時，隨著海洋經濟活動及開發活動的日益頻繁，人為損壞的事故正急劇增加，海底電纜發生故障后，往往不能立即修復，不僅修復費用昂貴、維修周期長，還會造成嚴重的經濟損失和難以預料的影響。因此，無論是海底電纜定期檢測還是應急搶險維護，準確、快速找到海底電纜的路由走向及位置是必要前提，本文主要對我國目前較集中的近海海底電纜外部調查的檢測方法及優化組合方法進行一下探討。

1 現有海底電纜探測方法及其優缺點

1.1 聲納探測

早期埋設的海底電纜受當時施工技術水平的限制，裸露于海底情況較多；已鋪設的海底電纜在鋪設后由于沖刷、腐蝕、海底地質災害等原因，也會出現不同程度的裸露。裸露于海底的電纜是非常危險的，極容易受到外力的影響而受到損傷，因此，如何快速準確的獲取裸露的海底電纜路由及位置是非常重要的，目前，采用聲納探測來獲取的方法是行之有效的。聲納調查設備的原理是利用波束與其海底投射點的相互作用產生聲能的變化，反映海底及裸露物體的狀態。在海底管道/電纜的外部檢測中，目前常用的設備有側掃聲納、掃描聲納等。當前的高頻數字聲納分辨率是非常高的，從理論上講，聲納能夠在正常調查中顯示出直徑小于1cm的合成纖維繩。

聲納探測的優勢是設備便攜，安裝調試簡單，走航式調查效率高，單條測線掃測范圍寬；缺點是只能探測裸露電纜和電纜埋設溝痕來確定海纜狀況，要獲取清晰的聲納影像資料還需選擇良好的海況情況下作業，在水深較深情況下要獲取精確地裸露海底電纜影像資料和位置還需要深拖聲納拖魚并進行USBL定位[1]。

1.2 磁力探測

海洋磁力測量主要通過測量區域磁場的異常變化，判定區域是否存在磁性障礙物，具有分辨率高，不受海底管纜以及障礙物是否漏出或掩埋的局限。海洋磁力測量對探測磁性物體尤其是掩理的物體有其它測量手段無法比擬的優勢，因此在數據采集和磁力異常數據處理上受到越來越多的重視和研究。目前測量的方式已經由基于單個磁力測量拖體發展為多探頭的海洋梯度儀，它可以實施準確三維梯度向量測量，測量目標的確切位置，并且立即顯示在地圖上。在應用上消除了日變改正的需要，減少了設備和操作的成本。

在理藏的海底電纜的調查上，普通的聲學設備如管線儀等精度難以達到，海底電纜含有鐵磁性材料，當通電時，將產生附加磁場。因此，通過磁力測量方法可以對埋藏的海底電纜進行有效探測，獲得海底電纜的磁異常特征以及特征變化規律，確定其存在狀態[6]。

磁力探測的優勢是設備便攜、操作簡單、走航式作業，可以探測理藏的海底電纜；缺點是磁力儀拖魚尾拖需達到3倍以上測量船船長，一般要求拖魚具海底深度3m以內才能獲取有效海底電纜磁力異常信號，為保證定位精度及拖魚姿態穩定性，測量船應盡量在海流速度較小的平流期作業，船速一般不大于3節，作業區域及周邊要求干凈（無鋼管樁及導管架等大的強磁性水上建筑物如海上平臺等存在）[2]。

1.3 電法探測

電法探測設備的原理是根據海底電纜與巖土之間電磁性質的差異，探測人工產生的或自然界本身存在的電場與電磁場。隨著科技發展，海上電法勘察在海底電纜外部檢測中得到的應用越來越廣（如武漢海軍工程大學自主研發的SCD-08是一款海纜探測儀），尤其是在海纜出現故障進行搶修、快速尋找其斷點應用方面上，在海纜中注入低頻電流信號，發信機一般可以對25Hz、50Hz、133Hz三個頻率的信號進行激勵，較低的25Hz可以在大水深或電磁環境比較復雜的場合使用，50Hz可以用于大水深無工頻干擾的情況下使用，133Hz頻率在水深較淺、電磁環境較好的場合能獲得更好的效果；導體通過交變電流，其周圍產生電磁場，并向空中傳播；海底電纜發生故障后，其芯線（或金屬保護層）與大地（海水）構成回路，當在海底電纜與大地之間傳送一定功率的交流信號時，便在電纜周圍產生電磁場，并通過海水（衰減）向海面傳播。用海纜探測接收機把此信號接收下來，根據接收信號的強弱，即可判斷出海纜的位置。當探測點越過故障點后信號不會通過，接收機就收不到信號，以此可確定故障點的位置。

在海底電纜出現故障并進行搶修、快速尋找其斷點應用方面，SCD-08型海纜探測系統有其優勢，在海底電纜外部檢測中的復雜區域（如平臺等海上構筑物附近），不適用于尾拖式的磁力探測，在這些區域安裝方便、不需要采用長距離尾托式測量的電法勘察方法，如SCD-08型海纜探測系統將發揮獨特優勢；其缺點是在海底電纜正常外部檢測中需在海纜一端加載信號，這在海洋石油平臺油氣生產過程中是通常比較難于實現。

另外，還有結合ROV的電法探測代表產品TSS管線電纜探測系統，優點是：采用脈沖感應技術可以在不考慮測量載體艏向的情況下提供高精度的測量結果；DSP數字信號處理技術的應用可提供質量控制信息；大量程的海底埋藏目標物探測等，其一般應用在深水管道/電纜調查區域內，本文在此不做詳述。

1.4 潛水員潛水扦插探摸

潛水員潛水扦插探摸電纜結合超短基線水下定位是海底電纜探測最直接的方式，也是定位精度最高的方式。其優點是既能探測海底電纜位置又能確定其埋深情況，定位精度高，近平臺以及管道/電纜分布復雜區域適用性強；缺點是作業效率低，在路由區域需要支持船舶拋錨固定好作業船舶后潛水員方能下水作業，作業時間短，一般僅限于平流期，作業海況條件要求高，作業成本高，安全風險性高。

2 海底電纜探測方法優化組合

近幾年來，隨著油氣資源的深度開發，在原有石油平臺群區域加設平臺以增加油氣產量逐漸提到議程上來。為平臺施工設計提供準確的海底管道/電纜資料是保證作業安全的關鍵，現有的海管調查技術己經成熟，而海底電纜探測方法并不是獨立使用的，而是根據調查區域內水深條件、管道/電纜分布情況、作業成本、作業效率及周邊水下建筑物情況優化組合來進行海底管道/電纜調查作業，我們以某油田現役海底電纜調查工程為例來介紹一下海底電纜探測方法的優化組合。

某油田群是我國渤海灣內最大的海上石油平臺群，其擁有近10余座平臺及單點，平臺群密集，海底管道/電纜密集分布。調查區路由中管線與電纜、電纜與電纜交叉較多，近平臺區域內管道/電纜更加密集，管道/電纜路由長度短，調查區內作業船舶多。海底管道/電纜調查作業難度大。針對以上情況，為保證作業成果的高質量、作業的高效率、作業的安全性及作業成本的有效控制，我們進行了調查的優化組合。

2.1 管道/電纜路由區

管道/電纜路由區內管道/電纜分布存在三類情況，第一類是只存在海底管道；第二類是海底管道與海底電纜并存；第三類是只存在海底電纜。

針對第一類僅有海底管道存在的情況，目前調查方法已經很成熟，采用側掃聲納和管線儀結合的調查方法即可實現有效探測。

針對第二類海底管道/電纜存及第三類僅存海底電纜的情況，要考慮到采用海底電纜探測儀的探測方法需在平臺上加載信號，這在平臺生產過程中是很難實現的，采用ROV搭載TSS管道/電纜探測儀作業成本太高，業主單位很難接受。所以針對管道/電纜并存的情況只能采用磁力儀、側掃聲納及管線儀的組合探測方法，為保證對路由區裸露管纜及障礙物的有效探測，需至少平行于路由中心線間距50m布設3條縱測線[3]，為保證磁力儀探測管道/電纜位置的定位精度，需首先采用管線儀對海底管道進行有效探測及高精度定位，之后采用磁力儀進行一系列校準、測試后對海底管纜進行有效探測，最后利用海底管道位置差分定位至探測到的海底電纜位置，而針對僅存在的海底電纜路由區，目前采用磁力儀和側掃聲納優化結合的探測方法來解決，側掃聲納一般只需平行于路由中心線間距50m布設2條縱測線即可對裸露電纜及障礙物進行有效探測[4]，為保證磁力儀探測的海底電纜位置的高精度，盡量選擇平流期時作業，并進行往返測量后取其海底電纜平均位置，經過潛水員結合USBL抽檢探摸并計算后，采用此種方法海底電纜探測精度達到了±1.92m，完全可以滿足海洋工程設計及施工精度要求。

2.2 近平臺區

近平臺區域內一般指以平臺為中心半徑為250m的作業區域內，此區域內海底管道/電纜密集，交叉現象較多，要求管道/電纜調查位置精度高，是管道/電纜調查的難點，考慮到作業效率、成本及安全性，目前采用的是物探結合潛水探摸組合方法。物探方法即是采用磁力儀、側掃聲納和管線儀的組合方法，平臺具有強磁性，磁力儀目前只能探測到距平臺75m以外的管道/電纜磁異常信號，75m以內的管纜磁異

常信號均被平臺的強磁異常信號覆蓋，無法進行有效探測；管線儀僅能獲取海底管道的位置及狀態，由于是搭載在測量船上，考慮到作業安全性，一般最近僅能探測到距平臺50m的距離；近平臺區域內管纜裸露情況較多，側掃聲納又可以實現條帶區域覆蓋，所以側掃聲納是近平臺區域管道/電纜探測的必要手段。而針對近平臺區域內物探方法無法探測到的管道/電纜，即距平臺75m內的埋藏電纜和距離平臺50m內埋藏的海底管道就需采用潛水扦插探摸電纜結合超短基線水下定位的方法解決[5]。

3 結語

本文根據我國目前較集中的近海海底電纜外部調查的檢測方法的實踐和資料解釋方面的經驗，對海底電纜的探測方法進行了簡要的統計和描述，并簡述了現有各種海底電纜探測方法的優缺點。最后以較為復雜的某油田群現役海底電纜調查過程為例來介紹不同條件下的海底電纜探測方法的優化組合。但是，海底電纜在工作狀態下的埋深探測是一個難點，是一個亟待攻克解決的問題。

參考文獻

[1] GB/T18314-2009 全球定位系統（GPS）測量規范 中國標準出版社2009-5-1

[2]鐘獻盛、裴彥良.應用磁力儀探測海底電纜方法的探討《海洋科學》2001年9期

[3] GB/T17502-2009 中國標準出版社2009.10.30

[4]李家彪、何長志、康壽玲、于曉果、王小波等 GB/T12763.8-2007海洋調查規范第8部分：海洋地質地球物理調查 中國標準出版社 2007.12.01

[5]馮強強，溫明明，王功祥.側掃聲納和磁力測量在海底光纜探測中的應用《中國科技信息》2014年11期

[6]李鈴，郭忠順，國外隨鉆隨測技術的發展概況[J] 石油礦場機械1982年01期 P49-P60

中圖分類號：TM614

文獻標識碼：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.012.03

作者簡介：趙槊（1975-），男，河北秦皇島人、工程師，本科，研究方向：海洋結構物檢測、維護及完整性管理。

Discussion of Subsea Cable Detection Methods of External Investigation

ZHAO Shuo
(China Offshore Oilfield Services Ltd.Geophysics Division, Tianjin 300451, China)

Abstract：In view of the problems in the external detection and routing survey of submarine pipeline and cable, this thesis analyzed the technical method of submarine cable survey.At present, there are mainly magnetometer, underwater electrical prospecting equipment with shallow anatomy instrument surface cable detection with divers manually positioning detective by carrying ultra-short baseline beacon.According to the characteristics of the surface cable detection, the optimal allocation scheme of each system is studied in a certain water depth, which can overcome the mutual influence and interference between the equipment, and ensure the measurement accuracy of the system.According to the characteristics of the underwater cable detection.The research combined diver carrying with ultra-short baseline positioning beacon device manually positioning detective work with cable detection mode, the application field of the detection system and its advantages and disadvantages.

Keywords:subsea cable; detection; optimization; magnetometer