上覆硬質(zhì)保護(hù)層海底管道檢測技術(shù)探討

楊肖迪,劉振紋,徐 爽,淳明浩,李 春

(1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院,天津300450;2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300450)

上覆硬質(zhì)保護(hù)層海底管道檢測技術(shù)探討

楊肖迪1,2,劉振紋1,2,徐 爽1,2,淳明浩1,2,李 春1,2

(1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院,天津300450;2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300450)

海底管道在油氣工業(yè)中發(fā)揮著重要作用,為保障其安全運(yùn)營必須定期進(jìn)行檢測掌握其在海底的狀態(tài)。有的海底管道在鋪設(shè)時為其安全考慮,在海底管道上方覆蓋了拋石等硬質(zhì)保護(hù)層,這樣就導(dǎo)致在海底管道定期檢測時一些檢測儀器難以探測到硬質(zhì)保護(hù)層下海底管道的位置和埋深,而淺地層剖面儀和磁力儀仍然可以不同程度地實(shí)現(xiàn)這種情況下的海底管道檢測。文中對淺地層剖面儀和磁力儀的原理進(jìn)行了介紹并對其在上覆拋石等硬質(zhì)保護(hù)層海底管道檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了分析探討。分析結(jié)果表明淺地層剖面儀和磁力儀組成的綜合檢測系統(tǒng)對上覆硬質(zhì)保護(hù)層的海底管道探測有一定效果,可查明海硬質(zhì)保護(hù)層下海底管道的位置和埋深,為海底管道的安全管理和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持,也可為其他類似海底管道檢測提供參考。

海底管道檢測;淺地層剖面儀;磁力儀;拋石保護(hù)層

海底管道是海上油氣資源開發(fā)的重要組成部分,把海上油氣田的油氣集輸與儲運(yùn)系統(tǒng)聯(lián)系起來,被稱為海洋油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中的“生命線”。由于海底管道具有油氣輸送效率高、成本低、輸送量大等優(yōu)點(diǎn),成為油氣運(yùn)輸最經(jīng)濟(jì)、快捷、可靠的方式。海底管道所處海洋環(huán)境復(fù)雜,為避免人為因素和環(huán)境因素對管道的破壞,幾乎所有的管道都要求進(jìn)行埋設(shè)保護(hù),埋設(shè)深度一般為1.5～2.0 m,在需要特殊防護(hù)段如穿越航道段、臨近錨地段等埋設(shè)深度要求4 m或更深,并且在回填土上覆蓋塊石層加強(qiáng)保護(hù)[1]。然而海底管道在風(fēng)暴潮、海流沖刷等作用下,上覆沉積物可能被沖刷而裸露、懸空或是由于土體液化而移位,成為管道運(yùn)營的不安全因素[2-3]。按照國內(nèi)外海底管道系統(tǒng)規(guī)范和法律法規(guī)[4-6],為保證管道運(yùn)輸安全,需定期對主干線油氣輸送管道進(jìn)行檢測。

目前國內(nèi)外常用的海底管道檢測手段有淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶、回聲測深儀、磁力儀等[7-9]。其中側(cè)掃聲吶和測深儀可用于檢測裸露管道,無法探測埋藏的管道;淺地層剖面儀可以檢測一定埋設(shè)深度的管道;磁力儀不受管道埋藏狀態(tài)的限制,可檢測海底管道的平面位置。但是對于上覆塊石等硬質(zhì)層保護(hù)的海底管道尚未形成有效的檢測方法。本文以深圳某海底管道檢測為例,探討了淺地層剖面儀和磁力儀綜合探測系統(tǒng)在上覆硬質(zhì)保護(hù)層海底管道檢測中的應(yīng)用。

1 海底管道檢測技術(shù)

1.1 淺地層剖面儀原理

淺地層剖面儀是一種二十世紀(jì)六七十年代問世的一種走航式聲學(xué)探測裝備,用來探測海底以下不同深度的海底沉積物的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征并識別各種地質(zhì)災(zāi)害因素,為海洋工程建設(shè)服務(wù)。淺地層剖面儀的發(fā)射換能器發(fā)射低頻聲波,聲波在地層中傳播過程中遇到波阻抗界面便會向上反射被換能器接收,接收的反射聲波依次以時間函數(shù)的形式記錄下來,形成連續(xù)的地層剖面記錄。反射聲波的強(qiáng)度與地層反射系數(shù)有關(guān):

(李 燕 編輯)

式中,ρ1,v1,ρ2,v2分別為界面上、下地層的密度和聲波速度。由于海底管道的密度和聲波速度大于周圍地層的密度和聲波速度,因此海底管道是一個強(qiáng)反射源,其反射特征在剖面圖中表現(xiàn)為向下的雙曲線(圖1),雙曲線頂點(diǎn)可是為管道的頂部[10]。不同埋狀態(tài)的海底管道其反射雙曲線頂點(diǎn)與海底反射的關(guān)系也不同,根據(jù)雙曲線頂點(diǎn)距海底反射的距離,可計(jì)算海底管道懸高度或埋藏深度。

圖1 管道反射特征Fig.1 The reflection features of the submarine pipeline

在管道檢測中,垂向和橫向分辨率是衡量淺地層剖面儀的重要參數(shù),表示為

式中,Δz和Δx分別為垂向分辨率和橫向分辨率;v為地層中聲速;t0為雙程反射時間;fm為聲波主頻。由此可知,淺地層剖面儀的分辨率主要與聲波主頻和目標(biāo)層深度有關(guān)。聲波主頻越高,垂向和橫向分辨率越高,反之則越低。在實(shí)際應(yīng)用中受淺地層剖面儀分辨率、管道上覆保護(hù)層類型、管道埋設(shè)深度等限制,對于上覆粒徑小于40 mm的碎石的管道較易識別,但是對于上覆粒徑200～300 mm的塊石的管道很難識別;對于直徑大于0.3 m的管道較易識別,對于直徑0.2～0.3 m的管道在水深較淺、海況較好剖面清晰時也可以識別,對于直徑小于0.2 m的管道,剖面圖上很難或無法識別[11]。

1.2 磁力儀原理

磁力儀是利用地下巖石或巖土介質(zhì)之間磁性差異所引起的磁場變化(磁異常)來尋找金屬礦產(chǎn)、查明地下構(gòu)造、尋找水下金屬物體或解決其他地質(zhì)問題[12]。大部分海底管道材質(zhì)為鋼,是鐵磁性物質(zhì),磁化強(qiáng)度較強(qiáng),引起的磁異常極強(qiáng)。相對于鐵磁性物體的磁場,源于地層深處和地表巖層的地磁場要平緩的多,基本可認(rèn)為海底管道周圍的地磁場背景是一個均勻場[13]。海底管道引起的磁場則是較為劇烈的突變場,磁力儀在經(jīng)過海底管道上方時可以探測到明顯的磁異常信號。

海底管道產(chǎn)生的磁異常符合無限長圓柱體產(chǎn)生的磁異常,計(jì)算公式為

式中,μ0為磁導(dǎo)率;ms為單位長度有效磁矩;I0為地磁傾角;Is為地磁場有效磁傾角;is為圓柱體有效磁化傾角;R為圓柱體中心埋深。磁異常信號如圖2所示,從圖中可以看出,海底管道的磁異常特征曲線為一個較寬的脈沖信號,在管道正上方磁異常值最大,向管道兩側(cè)逐漸減小。

圖2 無限長圓柱體產(chǎn)生的磁異常特征Fig.2 The magnetic anomaly produced by an infinite cylinder

由于各種儀器本身功能的局限性,無法全面探測管道在海底的狀況,同時為了對各項(xiàng)測量結(jié)果進(jìn)行相互校核,在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理時,需要將淺地層剖面數(shù)據(jù)、磁力異常數(shù)據(jù)等綜合分析,最終確定管道在海底的狀態(tài)。

2 測量實(shí)施

使用淺地層剖面儀和磁力儀組成的綜合調(diào)查系統(tǒng)對深圳某海底管道進(jìn)行調(diào)查,查明管道路由區(qū)海底管道的位置和埋深。

2.1 淺地層剖面儀

本次調(diào)查使用的淺地層剖面儀為Kongsberg公司生產(chǎn)的GeoPulse淺地層剖面儀,采用舷側(cè)固定安裝, DGPS天線位于換能器正上方,無需位置校正。換能器用金屬支架固定在船體中部右舷位置,入水深度1 m,避免因螺旋槳攪動水流的影響。設(shè)置換能器發(fā)射聲波頻率為3.5 k Hz,發(fā)射能量50 J,發(fā)射周期300 ms,垂向分辨率0.2 m,數(shù)據(jù)記錄格式為SEG-Y。調(diào)查船提前100 m對準(zhǔn)測線,在調(diào)查船經(jīng)過管道上方區(qū)域時調(diào)整船速為2～3 kn。

2.2 海洋磁力儀

本次調(diào)查使用的海洋磁力儀為加拿大Marine magnetics公司生產(chǎn)的SeaSPY海洋磁力儀,與淺地層剖面儀同船測量。由于本次調(diào)查使用的調(diào)查船是木質(zhì)船,船磁影響較弱,因此磁力儀拖體拖曳于調(diào)查船后20 m,并在拖魚前端加一個10 kg的非磁性重物,使拖魚位于水下2 m左右,避免海面波浪、水流等環(huán)境干擾,設(shè)置磁力儀采樣率為4 Hz。在拖曳時仔細(xì)記錄釋放纜繩長度和傾角以及相對DGPS天線的位置,以完成探測數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)的校正。

3 檢測結(jié)果

a處和b處是兩處典型的管道埋設(shè)情況,文中對a處和b處淺地層剖面儀檢測數(shù)據(jù)和磁力儀檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析來說明淺地層剖面儀和磁力儀綜合探測系統(tǒng)在上覆拋石保護(hù)層海底管道檢測中的應(yīng)用。

3.1 淺地層剖面儀探測結(jié)果

海底是強(qiáng)反射界面,從淺地層剖面記錄中可以識別追蹤海底反射,如圖3所示。從圖中可以看出,管道上方海底存在溝槽,在a處溝槽深約1 m,寬約70 m;在b處溝槽深約3 m,寬約80 m。根據(jù)管道竣工勘察資料,管道鋪設(shè)時挖溝寬度約為50～200 m,深度約為5～15 m,管道溝回填4 m左右。因此管道上方海底溝槽為未完全回填的管道溝。

圖3 a處和b處淺地層剖面圖像Fig.3 Sub-bottom profile images at the location a and b

由于管道上方覆蓋1～2 m的拋石層,并且拋石之間夾雜較軟的泥沙,這種軟硬相間的介質(zhì)對聲波吸收嚴(yán)重,聲波難以穿透查明拋石層下部的地層。在b處,海底以下反射比較雜亂,未見明顯管道反射,難以判斷管道的位置。在a處拋石層較薄處,淺地層剖面儀發(fā)射的聲波可以穿透拋石層,獲取拋石層以下地層信息,探測到管道。從淺地層剖面圖中可以看到海底管道反射,為向上凸的弧線,如圖3所示,弧線頂部距海底約4.4 m,即海底管道埋深4.4 m。

3.2 磁力儀探測結(jié)果

磁力探測不受管道上方覆蓋拋石的影響。在磁力儀經(jīng)過海底管道上方時,可以看到明顯的磁異常,磁場強(qiáng)度曲線如圖4所示。由式(4)可知,管道產(chǎn)生的磁異常信號強(qiáng)度與距管道的距離有關(guān),即距離管道越近,探測到的異常值越大,反之越小。在a處,水深約3.8 m,磁力異常曲線呈尖脈沖形狀,存在明顯的峰值,測得的磁場值為45 441.5 n T;在b處,水深約7 m,測得的磁場值約45 264.2 n T。而根據(jù)全球地磁場計(jì)算模型計(jì)算的調(diào)查區(qū)域的平均地磁背景值約為45 228.57 n T,磁力測量時段是在地磁日變相對穩(wěn)定的下午,并且測量時間約2 h,因此可忽略地磁日變的影響。在a處產(chǎn)生的磁異常值為213 n T,在b處產(chǎn)生的磁異常值為36 n T。由于周圍海底沒有其他鐵磁性物質(zhì),因此認(rèn)為此處的磁異常是由海底管道產(chǎn)生的,因此曲線峰值位置即為管道的中心位置。

圖4 a處和b處磁場強(qiáng)度曲線Fig.4 The magnetic strength curve at the location a and b

4 測量結(jié)果分析

海底管道在海底的狀態(tài)復(fù)雜,單靠一種方法檢測難以全面探測管道在海底的特征,因此將淺地層數(shù)據(jù)、磁力異常數(shù)據(jù)綜合分析。以往的綜合分析是分別對檢測數(shù)據(jù)單獨(dú)分析解釋,得到管道的位置,然后再將分析結(jié)果在CAD平臺上進(jìn)行比對[14],如果淺地層數(shù)據(jù)、磁異常數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)分析得到的管道的位置一致,說明探測結(jié)果準(zhǔn)確;如果分析得到的管道的位置不一致,一般遵循以定位精度高的儀器檢測結(jié)果為準(zhǔn)的原則,但是其檢測結(jié)果并不一定就是海底管道,還有可能是其他的物體,無法準(zhǔn)確判斷管道的位置。

本文著力于將淺地層數(shù)據(jù)、磁異常數(shù)據(jù)(進(jìn)行了縮放便于顯示)按照坐標(biāo)疊加在一起綜合分析(圖5),可以直觀地判斷每種數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在a處,海底存在未填平溝槽,在未填平溝槽下方存在管道反射,磁場強(qiáng)度曲線的峰值的平面位置在溝槽范圍內(nèi),并且位于管道反射的正上方,與淺地層剖面數(shù)據(jù)確定的管道位置一致,因此根據(jù)磁場強(qiáng)度曲線的峰值判斷的管道的位置是準(zhǔn)確的。在b處,海底存在未填平溝槽,由于管道上覆較厚的拋石層,海底下部反射雜亂,未見明顯的管道反射;而磁場強(qiáng)度曲線的峰值的平面位置在未填平溝槽中部,在其下方存在管道反射,盡管不如a處管道反射明顯,仍可大致判斷海底管道的位置和埋深。

圖5 a處和b處磁力異常數(shù)據(jù)和淺地層數(shù)據(jù)綜合顯示Fig.5 The synthesized display of magnetic data and sub-bottom profile data at the location a and b

5 結(jié) 語

目前為止,上覆硬質(zhì)保護(hù)層的海底管道探測仍是工程界的難題,尚未形成一種有效的方法來探測上覆保護(hù)層的海底管道的位置和埋深。本文對淺地層剖面儀和磁力儀組成的綜合探測系統(tǒng)檢測上覆保護(hù)層海底管道進(jìn)行了分析和探討,結(jié)果表明上述綜合探測系統(tǒng)可以在一定程度上探測上覆保護(hù)層海底管道的位置和埋深,可為海底管道安全管理和維護(hù)提供參考。在成熟的檢測上覆硬質(zhì)保護(hù)層海底管道的方法形成前,也希望本文的嘗試可以為類似的海底管道檢測起一定的啟示作用。

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Study on the Detection Technology of Submarine Pipelines Covered With a Hard Protective Layer

YANG Xiao-di1,2,LIU Zhen-wen1,2,XU Shuang1,2,CHUN Ming-hao1,2,LI Chun1,2
(1.CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300450,China; 2.CNPC Key Laboratory of Marine Engineering,Tianjin 300450,China)

Submarine pipelines play an important role in the oil and gas industry so that it is necessary to inspect them periodically in order to ensure their safe operation and know well their state under the seabed. For the purpose of safety,the submarine pipelines have been commonly covered with a hard protective layer like the riprap layer when they were laid.So,it is difficult to detect the position and buried depth of the pipelines buried below the hard protective layer during the periodical inspection.However,sub-marine profiler and magnetometer could partly tnsect sub-marine pipeline in this condition.For this reason,the principles of both sub-bottom profiler and magnetometer are introduced and the application of the two instruments in the detection of submarine pipelines covered with the hard layer is analyzed and discussed.The results show that the integrated detection system composed of sub-bottom profiler and magnetometer has a certain effect for detecting the submarine pipelines buried below the hard layer,and could be used to ascertain the position and buried depth of the submarine pipelines which were buried below the hard protective layer.This study would provide a datum support for the safety management and maintenance of the submarine pipelines and offers a reference for the detection of other similar submarine pipelines.

submarine pipeline detection;sub-bottom profiler;magnetometer;riprap protection layer

January 18,2017

TE973

A

1002-3682(2017)02-0029-07

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.02.004

2017-01-18

楊肖迪(1989-),男,助理工程師,碩士,主要從事海洋工程勘察方面研究.E-mail:yangxiaodi1989@126.com