海底電纜埋深探測研究

陳小虎 安興芳

1. 中海油田服務股份有限公司物探事業部 天津 300451

2. 中海華洋（天津）企業管理服務有限公司 天津 300452

近年來，渤海海域經常出現海底電纜被錨掛斷的案例，給油田造成了很大的經濟損失。為了保障海底電纜安全有效的運行，開展海底電纜外調查活動，及時掌握其位置及狀態，對有裸露隱患的電纜進行針對性的管理和維護有著十分現實的意義。本文以渤海某油田海底電纜探測為例，對海底電纜埋深的探測技術手段進行研究。

1 探測電纜埋深的技術手段

TSS350電纜探測儀：帶有交變電流的電纜必然會在其周圍產生相同頻率的交變磁場，當交變磁場通過感應線圈時，就會在探測線圈上產生交變的電壓。當使用兩組線圈進行探測時，利用幾何關系可以計算得到電纜相對于線圈的水平距離和垂直距離，再計算出電纜的路由和埋深。但TSS350電纜探測儀需要ROV搭載，傳感器必須接近電纜，由于渤海海域水淺、渾濁度高、漁業活動密集，作業受到極大限制。三維合成孔徑聲吶：采用合成孔徑技術，基元較多，形成三維強度數據，可同時給出掩埋目標電纜的連續路由和連續埋深信息[1]。但設備對海況和船速的要求極高，作業效率低，很難分辨出電纜位置及埋深。EdgeTech系列淺剖儀：采用的是CHIRP技術，其穿透能力要優于參量陣淺剖，但探測分辨率遠不如參量陣，可以探測大管徑海管，無法探測海底電纜。海底電纜追蹤系統搭載重錘：用探測船只搭載探測設備以S型航線不斷橫穿海纜估計路由前進，每次橫穿海纜正上方時都可以測到明確的磁場異變點，將這些探測到的異變點連接起來就可以得到海纜路由數據。對于適宜作業的區域，使用水下懸垂重物搭載重錘式海纜埋深探測設備，能對0～5m埋深的海底電纜實施高精度探測。SES2000淺地層剖面儀：標準型探頭較小，發射的能量較弱，如電纜太細，難以滿足探測深度及相應分辨率。中剖可發射非常短的脈沖，脈沖無響聲干擾，最高垂直分辨率5cm，穿深大于70m，極窄的波束角使設備十分適應渾濁水域。

2 確定探測電纜埋深的方法

以海底電纜外徑及底質為前提條件，確定參量陣淺剖儀型號；以高精度要求為基本原則，選用導航定位及輔助設備；以海上現場的具體環境，確定作業工序和作業方法；以不同地質的特征庫為依據，準確判讀影像，做到數據可靠。

采用高分辨率中剖（SES2000-Medium）：設計優化，采用高脈沖頻率和高寬帶設計；最小波束角+高分辨率+深穿透，使設備適應渾濁水域；系統可發射非常短的脈沖，脈沖無響聲干擾。采用高精度慣導POSMV系統：當衛星數＜4顆時，系統短時內保持穩定，定位更穩定；時間同步精度達到微秒級，而常規姿態儀的同步精度只能達到毫秒級，數據更連續；GNSS定向+陀螺儀定向+加速度計定向技術，姿態補償更優。建立電纜特征數據庫：保證數據采集質量、較好的海況有利于獲取好的數據影像；增加采樣率、控制船速＜4節，增加橫切時間，利于成像清晰；加密探測，按正常斷面間距的2倍加密探測；準確記錄，過纜頂時做好打標記錄。

3 工程項目實例

3.1 測線布設

使用新型淺地層剖面儀時，以海底電纜為中央線，垂直于中央線設置橫測線，重點調查電纜后挖溝埋深情況。調查中，若發現電纜懸跨區及可疑區，應做詳細調查。垂直電纜路由方向布設加密測線進行淺剖和水深測量。控制現場調查船速4節左右，增加采樣率，延長橫切時間。

3.2 設備布場

室外安裝設備時，為避開遮擋物，全球衛星定位系統（GPS）天線安裝在淺地層剖面儀頂部；測深儀和淺地層剖面儀通過支架豎直固定在測量船的左舷，選擇測量船重心附近的船舷位置固定儀器支架，在此位置安裝儀器能遠離船主機、泵和螺旋槳，并能有效避免測量船搖擺及噪音干擾；側掃聲吶拖魚安裝于右舷，通過支撐桿伸出船舷側向拖曳，以避開船體對聲吶掃寬的干擾；電纜探測儀采用船舷安裝；磁力儀采用尾拖法測量。

3.3 探測方式

對海底掩埋的電纜來說，淺剖儀發射的探頭換能器在未達到目標物正上方時，由于側邊波束先抵達目標物并反射回接收器，此時目標物與換能器距離較遠，目標物特征將呈現在目標物實際位置的正下方。當淺剖儀在目標物正上方時，所呈現的位置為剖面中最高點；當淺剖儀離開時，與目標物距離逐漸增加，其影像特征將漸漸顯示在目標物實際位置的下方。依據上述說明，淺剖儀在搜尋、辨識與定位電纜時，基本上能得到弧線圖像[2]。

高精度慣導POSMV系統姿態補償更優，GNSS定向與陀螺儀定向與加速度計定向技術三者結合；衛星顆數小于4顆時，系統短時間內保持穩定；時間同步精度達到微妙級，數據也更連續。因而能在GPS信號不穩定、海況欠佳的條件下作業。

3.4 數據判讀

3.4.1 數據處理

導航數據處理：首先對導航數據資料對照計劃線進行全面的檢查，剔除定位誤差較大測點。然后根據各個儀器不同的位置偏移量及航向，推算各自相應的平面位置。水深數據處理：首先將對照模擬記錄測深卷對電子數據進行檢查，剔除錯誤的數值。然后進行潮位、聲速改正，按照50m點間距對數據進行排序抽稀。 地貌數據處理：首先對側掃聲吶數據進行水體移除、偏移量改正、傾斜改正、TVG調節等必要的處理，再提取海底特征地貌和可疑目標坐標和尺寸。處理過程中著重參考了水聲學中聲波在海底不同介質中的反射、散射原理，結合該海區海洋動力因素，力求仔細分辨出樁穴、海底沖刷以及明顯的障礙物[3]。電纜數據處理：首先識別剖面記錄上的干擾波，去除地質假象，初步分析各層面的空間形態及層間的接觸關系。根據測區資料進行時－深轉換，計算電纜埋藏深度。磁力儀數據處理：調查過程時當磁力儀經過管線和電纜上方時會出現磁力異常反應，此時打標記錄磁力異常的位置。電纜探測儀數據處理：探棒垂直海平面、垂直電纜走向穿越電纜可精測電纜位置。接收機收到的信號有一個弱、漸強、強、零、強、漸弱、弱的過程。其中信號突然變零時，探棒的正下方即為電纜位置。

3.4.2 格式轉化修正

結合原始數據與高分辨率SES3數據對比分析；數據檢核校正，修正姿態及位置誤差。

3.4.3 建立特征數據庫

建立電纜埋深探測的聲學影像特征數據庫，包括渤海各作業區不同地質類別的聲學反射特征、各種電纜直徑的聲學反射特征、各種埋藏深度的聲學反射特征等。

3.4.4 數據判讀

電纜直徑一般為10～15cm之間，對設備分辨率要求高；海水渾濁，對聲學信號干擾大；當海底為致密的砂質時，海底反射能量強于電纜能量不好分辨；當電纜埋深很淺，電纜繞射與海底反射會產生疊加亦不好分辨。因此，裸露海底電纜平面位置和埋深通過側掃聲吶數據和淺層剖面儀數據綜合分析得出；埋藏海底電纜平面位置和埋深通過淺地層剖面儀數據、磁力儀數據和電纜探測儀數據綜合分析得出。

3.5 數據驗證

3.5.1 吸泥開挖驗證

通過潛水作業吸泥開挖將埋藏的電纜露出纜頂2m長，潛水員在纜頂用溫深儀測3個點的值，取纜頂水深平均值；吸泥前在開挖點的半徑2.5m的圓周上選4個海床基準點，取平均值為海床水深；兩數據的差為電纜潛水開挖復測埋深。經現場驗證，潛水開挖復測埋深數據與探測埋深數據基本一致。

3.5.2 數據復測驗證

通過第三方使用中科探海公司的三維合成孔徑聲吶進行掃側，結果顯示平面位置基本一致，大部分剖面反應的深度基本一致，局部由差異，據溝通，中科探海解釋為潮汐引起，后續將優化解釋模塊。

4 結論及建議

通過項目應用、現場的吸泥開挖及數據復測，均驗證了SES2000-Medium型淺剖儀結合高精度慣導POSMV系統，對海底電纜埋深探測精度的準確性和可靠性。

在現有設備和技術條件下，深度挖掘聲學設備SES2000-Medium型淺剖儀的最佳探索參數以及改進調查時船舶航速等對圖像的影響。

儲備并完善電纜特征數據庫，為深水區海纜埋深探測技術開發與應用打好基礎。

對特殊地質區域（致密含砂黏土層、碎石和壓塊覆蓋的航道區）進行新技術手段測試，進一步提高勘測技術。