水下油氣泄漏聲學探測實驗

李建偉，安偉，宋莎莎，靳衛衛，張慶范

(中海油能源發展股份有限公司 安全環保分公司，天津 300452)

近年來隨著海上石油的勘探開發，海底管道腐蝕、沉船等導致的水下油氣泄漏風險與日俱增，對海洋環境、生態和經濟造成長期影響[1]。針對小型水下溢油事故，如何探測識別水下油氣泄漏位置是目前亟需解決的難題[2]。但受到深水能見度低、流速快等不良作業環境影響，水下機器人或潛水員等探摸方法很難奏效。

水下油氣泄漏后，一部分會形成沉底油，另一部分形成油氣羽流上升至海表面。國外對沉底油的探測開展了一系列的實驗研究。在水池底部布置不同油品類型、面積和厚度的沉底油，并用多波束聲吶、側掃聲吶和前視聲吶等設備開展不同頻率和分辨率的實驗研究，可根據環境條件和油斑的厚度面積選擇適宜的聲吶設備進行探測沉底油，240～460 kHz的聲吶探測到的油斑和砂質底面的反射強度值的差值在10～15 dB，側掃聲吶在垂向角為30°～80°時，探測到的油斑和砂質底面的反射強度值的差值為15 dB左右[2-4]。USCG(U.S.Coast Guard)在 Ohmsett水池內通過熒光偏振和多波束聲吶探測技術開展沉底油的識別實驗研究，建立了分類識別算法對沉底油進行識別，并設置4種底質開展多組實驗[5-6]。MPC(Marine Pollution Control)開展了沉底油的探測實驗，認為沉底油的識別準確度在80%以上，定位精度在5 m以內[7]，對油氣泄漏后形成的羽流在深水地平線事故中有相關報道。目前國內關于相關研究報道較少，主要針對海底沉積物的聲學特性研究[8-11]，針對國內油氣泄漏的聲學特征尚不清晰。

因此，為探索海上油氣泄漏探測的有效方法，研究含油沉積物和水柱油氣的聲學特性，在水池底部設置不同含油量和面積的含油沉積物，基于無人船搭載多波束聲吶開展聲學探測試驗，研究不同目標物的散射強度，為油氣泄漏自動識別算法提供支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗油樣和沉積物

在實驗過程中，選取5種油樣，其中4種原油，1種燃料油。油品基本性質見表1，其測定方法采用標準方法測定。在實驗過程中與2種沉積物進行混合，混合比例30%、10%，并選取直徑為40、30、20和15 cm的4種面積大小的油斑，油樣設置見表2，油樣設置及油砂混合見圖1。在實驗過程中，選取2種沉積物，包括建筑砂和海泥，建筑砂主要來源于當地砂場，海泥來源于膠州灣白沙河入海口處，沉積物見圖2。

表1 油樣基本物理性質

圖1 油樣設置及油砂混合

圖2 實驗過程中的沉積物

表2 實驗參數設置

1.1.2 聲吶參數

多波束系統搭載到無人船上面，對無人船進行改造，無人船的前端搭載多波束架子和聲吶頭，艙內搭載多波束主機及電腦等，并對網絡和電源進行改造，利用逆變器將船載直流110 V轉成交流220 V。在實驗過程中使用多波束Kongsberg 2040P，其頻率為400 kHz，主要參數見表3。

表3 多波束聲吶設備主要參數

1.1.3 實驗環境和噴射系統

水池為100 m×200 m，水深在3～5 m之間(滿足換能器至水底處大于1.5 m)，底質為巖石或者黏土類型。在水池底部布設噴射系統，可實現控制不同流量的氣體和原油噴出，便于開展水體中油氣的探測。

1.2 實驗步驟

利用水池底部布設含油沉積物，混合不同比例的油種，用多波束聲吶進行觀測。具體觀測時，可以設置不同的觀測條件，包括聲吶工作頻率和海水條件，同時記錄實驗相關信息。主要實驗方法如下。

1)儀器安裝。把多波束系統、聲速儀器和定位系統組裝完畢，固定在測試船舶上面。提前備用好發電機用于系統供電。

2)聲速標定。將聲吶固定在船邊位置，量出距離反射面的距離，根據收到的反射波時間計算聲速。

3)樣品準備。根據實驗要求，配置好面積、含油量和含油沉積物類型等，布防在托盤中，利用塑料封閉樣品防治溢出污染環境。

4)放樣。利用長臂吊車吊著托盤緩慢放入水池底部。

5)測試。將聲吶在橫向和縱向上移動探測含油原油的樣品，記錄數據。

6)數據處理。利用Fledermaus數據后處理軟件，多波束后向散射回波圖像處理，底質分類，水深處理。提取原始數據中的聲波強度數據，生成圖像，識別含油沉積物。

2 結果分析

2.1 含油沉積物探測分析

2.1.1 含油沉積物識別

在鐵盤中放入砂和含油沉積物，利用多波束聲吶進行探測，通過聲吶圖像很難對圖像進行識別。在油樣分析中，分析出較為相近的數據，從尺寸和形狀上初步判定含油沉積物的存在，含油沉積物的強度值在-12～-25 dB，周邊砂質沉積物在-1～-9 dB，差值在10 dB左右，見圖3。

圖3 含油沉積物海底聲強圖像

2.1.2 沉積物識別分析

在鐵盤中放入砂和海泥后填平，利用多波束聲吶進行探測，整個區域強度在-17～-21 dB之間，砂質和淤泥質沉積物的強度值相差不大(見圖4)，因此，在識別過程中需要建立相應的特征值才能有效進行識別。

圖4 泥和砂海底聲強圖像

2.2 油氣泄漏探測

2.2.1 氣體泄漏探測

在氣泡溢出噴口時在水柱圖像中可以清晰看出氣泡羽流的存在(見圖5)，同時羽流遮擋作用在散射強度圖像上存在拖尾。在水體中氣泡羽流的強度值在-2～-15 dB之間，水體的強度值一般小于-20 dB，因此，氣體和水體的強度差異性較大。

圖5 氣體泄漏探測結果

2.2.2 原油泄漏探測

在原油溢出噴口時在水柱圖像中(見圖6)可以清晰看出原油羽流的存在。在水體中原油羽流的強度值在-7.5～-22 dB之間，水體的強度值一般小于-25 dB，因此，原油和水體的強度存在差異性。

圖6 原油泄漏探測結果

3 結論

開展60組聲學探測實驗和噴射實驗，研究表明，含油沉積物的強度值在-12～-25 dB，周邊砂質沉積物在-1～-9 dB，強度差值在10 dB左右。氣泡泄漏后羽流強度值在-2～-15 dB之間，原油泄漏后羽流強度值在-7.5～-22 dB之間，背景水體強度值一般小于-20 dB，因此，油氣羽流與水體強度值差異較大。進一步建立油氣泄漏分類識別算法和數據庫，開發高效的油氣泄漏探測系統，可為水下原油泄漏點探測提供技術支撐。