多波束测深技术在海底管道悬空裸露检测中的应用研究

5 8 石 油I t, 程 建 设 多波束测深技术在海底管道悬空裸露 佥 测弗构磨蔫磅究 崔双民，张传隆，王 瑜 ，金长林，李敬恩 (中国石油冀东油田公司，河北唐山0 6 3 2 0 0 ) 摘 要 ：介绍 了一种 海底 管道 悬空裸 露检 测的新方法 ，即 多波束测深技 术 ，该技术 可精 确获得海底 管 道 悬空裸 露 的长度 和 高度 直接 反映海底 管道 的三维 空间状 态 从 而确 定海管水下运行状 态和水 下治 理的准确工程量为下一步安全运行管理和隐患治理提供科学依据 同时还能精确测出海管后挖沟 的深度及海管在沟底中的空间位置为后挖沟施工效果评价与施工方案调整提供依据 文章具体介绍 了多波束测深 系统 的组成 、工作 原理 以及海管 悬空裸露和后挖 沟效果 的检测 方法 多波束测深技术 为 海底管道 的检 测工作提供 了一条更快捷 、直观 、精确的新方法 关键 词 ：海底 管道 ；悬 空裸 露 ；测量 ；多波 束测深 d o i ： 1 0 3 9 6 9 4 i s s n 1 0 0 1 - 2 2 0 6 2 0 1 2 0 5 0 1 6 O 引 言 随着 我 国海 洋石 油开采 规模 的扩 大 海底 油气 管道建设逐渐进入高峰 ，中海油、中石油 、中石化 等大公司仅在渤海湾的海底管道 已达数百千米 海 底管道是投资高 、风险大的海洋石油工程 它对海 上油气 田的生产 起着 至关 重要 的作用 海 底管 道所 处的海洋环境极为复杂 ，受到风浪 、洋流、风暴潮 等 自然 因素作用 ，普遍存在裸露 、悬空等安全 隐 患 海底管道长期悬空裸露 遭受风浪 、海流 冲击 极易产生疲劳断裂：同时 ，由于近海工程施工 、捕 鱼作业和船舶抛锚等人为因素的破坏 海底管道破 损事故也时有发生 海底油气管道一旦出现泄漏 。 将导致海上油气 田停产 污染海洋环境 造成生态 灾害 不仅抢修费用高昂甚至引起海洋石油平台 爆炸 给企业和国家带来 巨大的经济损失 。所 以， 对海底管道状态的科学检测是当务之急 也是海洋 石油安全运行工作 的重 中之重 目前海底管道裸露悬空隐患检测 的常规方法是 应用侧扫系统 、浅地层剖面仪结合 G P S定位系统 。 但受测线密度的影 响 ( 由于行船原因一般测线密度 为 2 0 r 1 ) ，得出的检测结果不连续 ，不能直观显示 在屏幕上：海管悬空高度需高水平潜水员通过经验 判 断 由于渤海 湾产 油 区水 下 能见度 几乎 为零 。海 管悬 空 的测量精 度严 重受 到影 响 水 下 治理 二 程 量 无法准确计算 本项研究主要将多波束测深技术 配合声速剖 面仪 、潮位仪及高精度 G P S定位系统 应用到海底 管道 悬 空裸 露 的海 上 检 测 以及 海 管 后挖 沟 的检 测 获得了精确的测量数据 为海管在海底的运行状况 及后期治理提供依据 本文将 以冀东南堡油 田某海底管道悬空裸露的 检测 为例 ，具 体介 绍 条 带 多波 束 测 深 系统 的组 成 、 工作原理和海管悬空裸露 、后挖沟效果的检测方法 1 条带 多波束 测深 系统 的组成 多波束系统基本上由三部分组成 第一部分是 多波束 主 系统 主要 包括 换能 器阵 列 、收发 机 和处 理单元等 ；第二部分为辅助系统 ，包括定位系统 、 运动传感器 、G P S罗经和声速剖面仪 ：第三部分是 后处理 系统 包括数据采集 系统 和数据 后处理软 件、数据存储设备。 2 条带 多波 束测 深 系统 的 工作原 理 主要是 通过 声 波发射 与接 收换 能器 阵进 行声 波 广角度定向发射 、接收 ，通过各种传感器对各个波 束测点的空间位置归算 从而获取与航 向垂直的条 带式高密度水深数据 多波束 测深 系统 的换 能器( 探 头 ) 由接 收 阵和 第 3 8卷第 5期 崔 双民等 ：多波 束测深技术存海底 管道悬空裸露 检测 中的应用研 究 5 9 发射阵组成 工作过程 中发射阵发射一个沿航迹方 向上 角 度 很 窄( 1 o ) 、垂 直 于航 迹 方 向上 角度 很 宽 f 最大 1 6 0 )的声学脉 冲信号 ，如 图 1 所示 。接收 阵 内置 多 个 水 听 器 基 元 每 个 基 元 朝 向 不 同 的方 向。并限定各 自的接收角度 ：沿航迹方 向角度较大 ( 1 5 。 ) ，垂 直 于航 向角 度很 小( 0 5 。 ) ，见 图 2 。 发射 、 、 1 5 。 图 1 发射阵发射声学脉冲信号 图 2 接受阵接受反射 回来的声学脉冲信号 发射波束与接收波束项 目垂直交叉 。形成 2 5 6 个 0 5 。 1 。的波束 这些波束密集地排 列在垂直 于航迹方 向的一条直线上 每个波束都在海底获得 1 个 水 深数 据 ，如 图 3所 示 。 图 3 条 带 多 波 束 的 扫 描 范 围 f 侧 面1 3条带多波束测深 系统在海管悬 空裸露检 测中的 应 用实 例 3 1 工作 流程 由于条带多波束测深系统除了本身的多波束测 深主系统外 还包括各种辅助的传感器设备 例如 声速剖面仪 用来测试 当时海水面以下换能器位置 的声速 ：卫星定位 系统 和 G P S罗经用来导航 和定 位 ：潮位仪用来记录每天的潮差 归算到统一 的高 程基准面上消除潮差影响：三维姿态仪记录船只 的位置 姿态( 横 摇 、纵摇 、升沉 情况 ) 。 多波束系统的工作流程主要包括数据采集和数 据 后处 理 两大部 分 在数据采集阶段 由于多波束系统是一个包含 众多辅助传感器的复杂系统 所 以它 的数据采集流 程 比较 复杂与规范 首先要连接仪器 在此 阶段 主要连接换 能器 的探头 、甲板处理单元 、G P S系 统 、罗经与计算机 此时 ，安放在码头附近的潮位 仪处于启动状态 ，记录实时的潮位信息。然后开始 调试各个仪器 通过超级终端软件 可以查看各个 仪器之间是否连接正常并显示正确的数据。如果没 有数据 则检查各个数据线是否连接正确 ，接线头 是否连接牢固 当各个仪器设备连接无误后 ，最后 启动软件 记录采集的多波束数据 在 数 据 后 处 理 阶 段 我 们 主 要 采 用 的 是 C A R I S HI P S软件。 3 2 实例 利用条带多波束测深系统 我们对冀东油 田 x 号岛至 Y号岛之 间的海底管道进行 了检测与研究 主要是为 了探测其空间位置状况 ，获得其裸露 、悬 空的长度和高度 用后处理软件 我们可以近距离 地拉近并 3 6 0。 全方位地观察海底管道的 3 D图像 并且可以得到任意一点的水深值与坐标 通过多波束系统的检测 发现该段海底管道多 处出现裸露甚至悬空状态 存在着较 大的安全隐 患 图 4是一段海底管道的三维图像 从电脑上我 们可以很直观地看到海底管道的整体走势与裸露情 况 也可 以观察管道周围的海底地貌与地质特征 采用图像上各点不同的水深值之间的差值 ，可以计 算出具体海底管道的裸露与悬空状况 以及后期治 理 的精 确工 程量 例如 我们 可 以得到 某处 海底 管 道 顶 端 的水 深 值 A然后再 找 到该 处 附 近海底 面 的