多種物探儀器在海底路由管線檢測中的綜合運用

趙占寧ZHAO Zhan-ning

（中海油田服務股份有限公司物探事業部工程勘察作業公司，天津 300450）

0 引言

海底路由管線檢測旨在確定管道、輸電線路的位置、走向以及埋深等情況，在具體檢測過程中，可采用綜合物探技術，使用多種探測設備，從地形地貌、管線埋設狀態、海底地質結構三個方面進行全方位的判斷，因此對各類物探技術進行探究。

1 不同物探儀器在海底路由管線檢測中的應用原理

1.1 多波束聲吶探測技術應用原理

1.1.1 應用場景分析

對于新建項目，海底路由管線檢測的目的是為管道、電纜、光纜等選擇適宜的施工線路。對于已經投入使用的管線工程，路由管線檢測目的是調查管線是否發生偏距、沉降、抬升等情況，從而預防或者消除隱患。多波束聲吶探測系統可用于建立海底的三維模型，輔助工程技術人員從海底地形地貌層面出發，合理設計管線路由。

1.1.2 應用原理

多波束聲吶探測系統具有四大子系統，分別用于發射和接收聲學信號、采集數據、處理數據、完成外圍的輔助性任務，核心設備組件為換能器、船體姿態傳感器、定位傳感器以及聲速剖面儀。其中，換能器用于發射和接收聲吶信號[1]。從測量原理來看，多聲吶探測系統通常安裝在船體上，聲波信號以海水為介質，經過一定時長到達海底，信號經反射之后被接收。聲波在海水中的傳播速度較為穩定，根據信號發出與接收的時間差，即可計算出被測點的深度。在獲得大量測點深度數據之后，即可借助軟件工具渲染出海底的三維模型。測點處的海水深度按照式（1）來計算。

式中：D 為被測點處的水深值；c 為聲波在海水中的平均傳播速度；t 為聲波從發射到接收的總耗時；θ 為聲波在海水中的入射角；ΔDd為船體吃水的修正量；ΔDt為潮位的修正量。在獲得大量測點水深數據之后，可利用網格插值法、網格生成算法建立海底地形的三維高程數字化模型。

1.2 磁力探測技術應用原理

1.2.1 應用場景分析

海底地形環境較為復雜，同時存在海水運動、地震以及其他類型的地質活動，海底管線具有一定的埋深，以海洋油氣管道為例，其埋深通常為7.0m 左右。受到海水和海洋地質活動的影響，海底路由管線有可能發生水平或垂直位移，偏離相應的竣工設計方案。如果位移量過大，容易造成管線受損、破壞，并且增加了老化、腐蝕的風險[2]。磁力探測技術可用于檢測既有海底管線（主要為金屬管道、電力電纜）的水平偏距和垂直位移。

1.2.2 應用原理

磁力探測技術多用于海底金屬管道和電力電纜探測，電纜的芯線由金屬銅制作而成，海底油氣管道、給水管道多為鋼管，與施工用的砂礫、碎石、塊石以及自然形成的海床存在顯著的差異，金屬材料的磁化率明顯高于其他材料。使用拖曳式磁力儀檢測海床，能夠獲得磁力信號強度在測線上的變化趨勢，金屬管線雖然埋在海床下，依然能夠產生顯著的磁異常信號，可根據磁異常在坐標系中的坐標值判斷管線的位置[3]。隨著技術的發展，磁陣列成為新的磁力探測設備，可布置在水下航行器上，其優點為精度高、成本低。以拖曳式磁力儀為例，其安裝方式如圖1 所示，其中H 為海水深度的測量值，H′為磁力儀拖體的入水深度，拖體通過托纜連接在船體后方，與船體上的GPS 定位系統沿水平方向保持10m 的距離。將磁異常信號的強度記為ΔT，被探測金屬管線的中心軸線與磁力儀拖體之間的距離記為h，則ΔT 和h 之間的關系式如下：

式中：ms為拖體產生的磁矩；μ0為真空中的磁導率；I0、is分別為磁性體傾角和有效磁化傾角；A′為地磁場正北方向與X 軸正方向的夾角；X 軸與被測管線的中心軸線平行，x 為兩條平行線之間的距離。由于ms、μ0、is、A′、I0、x 以及ΔT 均為可測值，因而可求出磁力儀拖體和金屬管線中心軸線之間的距離，h+H′即為金屬管線的實際埋深。在金屬管線偏心距測量中，可通過磁異常信號在坐標軸上的位置來進行判斷。

圖1拖曳式磁力儀探測系統

1.3 淺剖探測應用原理

1.3.1 應用場景分析

在海底路由管線測量中，可利用淺地層剖面探測設備掌握海床的地質結構特征。埋設在海床中的管線在材質上與其他自然形成的沉積物存在顯著的差異，當聲波在淺地層中傳播時，一旦遇到管線，信號會發生突變[4]。對于既有管線，可據此判斷海底路由管線的埋設狀態。對于擬建的海底管線工程，淺地層探測能夠掌握海底礁石等不利因素，促進合理選線。

1.3.2 應用原理

淺地層剖面探測屬于重要的聲吶技術，聲波在不同介質中的傳播特點存在較大的差異，當聲波從一種介質傳遞到另一種介質時，會發生反射作用，淺地層剖面探測儀正是基于這種反射作用完成管線檢測[5]。反射作用的強弱程度與反射系數呈正相關，該參數的計算方法見式（3）。

式中：Z1為界面上層的聲阻抗；Z2為界面下層的聲阻抗；R 為界面處的反射系數。

2 多物探儀器綜合應用實例分析

2.1 工程概況

某海域擬建設一個海上風力發電場，需要在海底建造風力機組的基礎設施。在前期準備階段，采用綜合物探方法掌握海床的地質結構、地下管道和線纜的埋設情況以及海底的地形地貌，一方面為風電機組基礎建設選擇適宜的作業點，另一方面則是避免破壞海底既有管線設施[6]。

2.2 物探儀器選型

2.2.1 磁力儀選型

該項目管線探測采用SeaSPY 海洋磁力探測儀，該型儀器的絕對精度為0.25nT，分辨率和計數精密度均為0.001nT，傳感器的靈敏度為0.02nT，測量范圍在1.8×104～1.2×105nT 之間，采樣頻率在0.1～4.0Hz 之間，拖體長度和直徑分別為0.86m、0.06m。在測量過程中，磁力儀掛靠在床尾后方，GPS 的定位精度為0.5m。

2.2.2 淺地層剖面探測儀選型

淺層地面剖析儀的型號為ChirpⅢ型，拖體可采用TTV-170、TTV-292，對應的入水深度分別為600m、1750m。該儀器的信號發射速率為15 次/s，脈沖長度為5～50ms，每個通道的最大輸出能量為4kW，可顯示測深、海底反射率、信噪比、電壓等數據[7]。在進行海洋探測工作過程中，為了確保探測結果的準確性，工作人員將探測儀器安裝在船舷中部，盡量靠近船體外側，這樣的布置有利于減小船體本身對聲波傳播的干擾，提高探測數據的質量。在探測過程中，工作人員使用了兩款不同的數據處理軟件，即Triton 和Sonarwiz5。這兩款軟件能夠高效處理水下聲波數據，為海洋探測提供精確的深度、地形等信息。其中，Triton軟件能有效地處理復雜的水下聲波信號，提取出有價值的信息。在此次探測活動中，Triton 軟件主要負責對聲納數據進行實時處理，為研究人員提供實時的水深、地形等信息。而Sonarwiz5 軟件主要負責對聲波數據進行去噪、增益、濾波等操作。通過這些處理，工作人員可以得到更加清晰、準確的聲波圖像，為海洋地質研究、水下目標探測等提供有力支持。

2.2.3 聲吶探測儀器選型

該項目采用Sonic2024 聲吶探測系統探測擬建區域的地形地貌和水深，其主要性能指標包括工作頻率、覆蓋角度、量程分辨率、波束數量、波束大小等，主要性能指標的設計參數見表1。

表1 Sonic2024 聲吶探測系統設計參數

2.3 物探結果分析

2.3.1 擬建區域海底地形地貌探測結果

擬建區域占地面積約為4600m2，經過測量，作業區域的水深在37.9m～48.6m 之間。海床整體較為平坦，最大高差僅為10.7m[8]。多波束聲吶系統能夠生成數字高程模型，通過色彩區分不同區域的水深。檢測結果顯示，作業區域并未出現海溝、陡坡等不利地形，地勢從海岸邊向海洋方向逐步降低，有利于風電基礎施工。

2.3.2 海底管線探測結果

根據前期掌握的資料，在擬建區域東北側方向建設有一根海底輸氣管道，總長度大約為15.1km。為了避免風電施工破壞管道周邊的地質結構，在作業之前利用磁力儀探測管道的具體位置和埋深。探測人員根據該輸氣管道的竣工圖確定了管道的起點、終點以及走向。該輸氣管道較長，靠近管道起點約2～5km 節段距離擬建區域最近，將該節段劃分為20 個子節段，每個節段開展一次磁力檢測，作為一個采樣點，主要獲取管道偏距和埋深兩類數據。表2 為一個采樣點的磁異常檢測結果[9]。磁力儀在探測領域中發揮著重要的作用，特別是在管道埋設點的定位上。根據表3 所展示的數據，我們可以明顯看出，磁力儀對于檢測磁異常強度區域的靈敏度極高，而這些區域恰恰就是管道的埋設點。

表2 海底管道磁異常檢測結果

表3 既有輸氣管道偏距探測數據

進一步分析數據，研究人員發現，基于磁力探測的管道偏距數據在0.66～1.45 之間，說明該輸氣管道與竣工路由的偏距在正常范圍內，沒有發生嚴重的偏移，避免了因位置偏移而導致的施工問題。此外，數據中還顯示，管道與擬建區域的最近距離超過了4.5km。這個距離有效保證了管道的安全性，避免了在擬建區域內的潛在風險，該距離也符合我國的相關規定，確保了項目的合規性。

2.3.3 淺剖面探測聯合磁力探測

磁力儀作為一種測量地球磁場強度的設備，能靈敏地捕捉到地質結構中的細微變化。本次探測任務中，磁力儀探測到的磁力信號強度在145.6～205.7nT 之間，這個數值范圍明顯高于周邊其他部位的磁力信號強度，其余部分均低于30nT。這種現象引起了勘探人員的注意，他們推測這些異常點可能與地質結構中的某些物質或現象有關。通過對這些異常點的詳細分析，相關工作人員嘗試找引發磁力信號增強的原因，并圍繞這些異常點展開更深入的地質調查，以便為區域發展規劃提供科學依據[10]。

2.4 綜合討論

通過多種物探儀器對擬建區域及周邊管線的綜合探測，可得出以下三個基本結論。

①采用多波束聲吶系統檢測海底的地形地貌，發現該項目擬建區域海床地勢較為平坦，從一側向另一側逐步走低，高程差僅為10.7m，不存在陡坡、海溝等地形，為風電機組基礎建設提供了良好的條件。

②采用磁力探測儀檢測擬建區域周邊的輸氣管線，發現該管線符合竣工圖紙，僅有微小的水平偏移，但距離風電場施工區域較遠（4.5km），滿足安全條件。

③采用淺地層剖面探測儀探測擬建區域的地質結構，僅發現7 個異常點，在此基礎上使用磁力儀進行聯合檢測，確定異常點為海底金屬落物，并非管道或線纜，滿足施工要求。

3 結語

綜合全文，研究過程先是分析了磁力探測、多波束聲吶探測、淺地層剖面探測的實現原理。再結合具體的工程項目，根據以上三種原理，使用多種物探儀器，對擬建區域的地形地貌、地下管線、周邊既有輸氣管線進行探測，結果顯示，該作業區域地形平坦，海床下不存在管線設施，東北側管道遠離作業區，滿足安全施工的條件。