浅地层剖面仪在海底管道检测中的应用

王继立，黄潘阳，胡涛骏，来向华

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海200030;2.国家海洋局第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，杭州310012)

海底管道的铺设需要经历铺设前对路由区海床的详细综合调查，并且在铺设后也需要定期进行检测以确保管道可以持续安全运营。这些调查要用到包括单波束、多波束、侧扫声纳、浅地层剖面仪等大量地球物理探测设备［1-3］。在检测海底管道赋存状况的过程中，裸露或者悬空的管道可以用单波束进行探测，该方法简单高效、成本低廉。对于掩埋的海底管道，则须使用浅地层剖面仪才能确定其埋藏深度及位置。浅地层剖面探测是海洋工程野外勘察的重要手段。它在揭示地质结构和构造、研究第四纪地层层序、圈定工程地质单元、识别海底灾害地质等方面，均有着其它调查方法和手段无法比拟的优越性［4］。在管道铺设前的路由调查中，采用浅地层剖面仪可以进行走航式地层探测，且探测影像直观、易于判读;在后续的管道定期检测中，浅地层剖面仪可以准确、高效地确定管道位置及掩埋状况，十分便利。

1 浅地层剖面仪的工作原理

把海底看作一个层状的模型，海水层作为第一种介质，它的密度为ρ1，声波在其中传播的速度为c1，海底下的沉积物存在多个界面，它们的密度和速度分别是ρ2，c2，…，ρn，cn。当声波向下传播时，一部分在分界面处发生反射，另一部分沿法线方向继续传播，在下一分界面处发生反射和透射，见图1。

图1 浅地层剖面仪工作原理

声波反射强度和地层的反射系数R有关:

当两种介质的反射系数大时，接收到的反射信号就比较强，反之则比较弱。因此，接收到的反射信号，携带了水下地层的大量有用地质信息。通过观测记录并分析海底沉积物对于声波的反射，可以了解沉积物的地质属性，并可以直观地识别地层的地质构造。

浅地层剖面仪就是利用回声测深原理设计的。在工作过程中，浅地层剖面仪主机和定位的GPS固定在改装后的测量船上，利用GPS定位使航向按照预定的测线方向行驶。测量船按一定的速度行驶，发射基阵和接收基阵安置在水面下，根据工区实际地质情况，主机设定发射声脉冲的频率范围和功率等参数，重复向下发射一脉冲，接收基阵接收到回波并转换成电信号，主机对其进行初步增益和滤波处理后，就可以实时将探测到的水下地质情况利用纸质输出或数字输出。掩埋在海底的管道其属性显然与周边的土体不同，反射特征也不同，因此回波信号经接收处理后，可以辨别海底管道在海床中的埋设位置。

2 影响因素分析

2.1 不同信号源对检测结果的影响

图2是三种不同信号源的浅地层剖面系统对水深约16 m时直径711 mm(28 in)海底管道的检测结果。图2a)为参量阵浅剖的探测结果，频率为12～15 kHz，其绕射曲线显然不如图2b)中使用Chirp技术获取的显著。并且，使用Chirp技术时其绕射曲线更接近于管道的外形，对管道的检测具有较高的分辨率。图2c)为PCW浅剖获取的埋藏管道探测记录，由于波束开角较大，可以看出声波在管道顶端发生明显的绕射，绕射波的宽度超过20 m，与管道的外形相差甚远，但这也使其较容易检测到管道的具体位置及埋深。

图2 采用不同信号技术的浅剖对海底管道的探测记录

2.2 航行速度对检测结果的影响

图3 不同航行速度对探测结果的影响

图3 为不同航行速度下Chirp浅剖在相同水深(约16 m)时直径711 mm海底管道的检测结果。对于相同频率的同一浅剖，水深相同的情况下，速度越慢探测到管道的频数就越多，因此形成的绕射曲线越明显，也就更容易从浅剖记录上识别出管道的位置，反之则绕射曲线相对不够明显，绕射曲线的形状也偏离海底管道真实形态。

2.3 水深对检测结果的影响

图4为航速约4 kn时Chirp浅剖对不同水深的711 mm海底管道的检测结果。

图4 水深对探测结果的影响

由图4可以看出随着水深的增加，管道产生的绕射波越来越明显，图4a)显示水深为37 m时绕射波宽度仅10 m左右，而在图4c)中，水深90 m时绕射波的宽度已经超过40 m。在这样的水深条件下，已无法判断管道的掩埋状态，只能确定管道的位置。

3 检测应用

东海某海底油气管道将东海开采的油气运输到陆地，具有重要战略意义。然而其近岸段由于各种原因，安全状况并不理想。在2007年台风季后的调查中，发现裸露、悬空、掩埋段都存在。而这些赋存状况都可以在浅剖探测中得到较好体现。图5为直径711 mm海管空间状态的浅剖探测图，裸露管道的管顶与海底的反射特征明显，结合海管尺寸，可以明确海管与两侧海床的相对位置。

图5 裸露管道典型剖面

图6 为悬空管道的典型浅地层剖面。

图6 悬空管道典型剖面

可以看到，除了管顶反射特征明显外，海底管道下方的海床形态也较为明确，被海底潮流冲刷而形成的“V”形沟清晰可见，从海底冲刷痕迹与管道出露高度可以判断，该段底流的冲刷与侵蚀作用较强，并且管道两侧海床存在些许的高差。

图7为掩埋管道的典型浅地层剖面。

图7 掩埋管道典型剖面

显然，管道的反射特征并没有图6明显。然而仔细辨别，仍然可以发现管道的弯月形绕射特征，管道下方地层反射出现中断不连续，向下弯曲呈绕射形态，以此可以确定管道的位置及埋藏情况。

4 结论

1)应用Chirp技术的浅地层剖面仪，其分辨率高、抗干扰力强、海底参透性能好，可以较好完成海底管道的检测任务。

2)走航速度会影响浅地层剖面仪在海底管道检测中的效果，一定范围内，速度越低，效果越好(若不考虑经济性)。

3)当水深超过一定范围时，尽管浅地层剖面仪仍然可以探测到海底管道的位置，但其埋设状况则无法准确确定。

［1］来向华，马建林，潘国富，等.多波束测深技术在海底管道检测中的应用［J］.海洋工程，2006，24(3):68-73.

［2］来向华，潘国富，傅晓明，等.单波束测深技术在海底管道检测中的应用［J］.海洋工程，2007，25(4):66-72.

［3］来向华，潘国富，苟诤慷，等.侧扫声纳系统在海底管道检测中应用研究［J］.海洋工程，2011，29(3):118-121.

［4］王化仁，田春和，王 鹏，等.浅地层剖面仪在管线铺设路由调查中的应用［J］.水道港口，2007，28(2):133-135.

［5］庄杰枣，王绍智，兰志光.浅地层剖面记录地质解释的若干问题［J］.海洋测绘，1996(2):17-24.