多种物探仪器在海底路由管线检测中的综合运用

赵占宁ZHAO Zhan-ning

（中海油田服务股份有限公司物探事业部工程勘察作业公司，天津 300450）

0 引言

海底路由管线检测旨在确定管道、输电线路的位置、走向以及埋深等情况，在具体检测过程中，可采用综合物探技术，使用多种探测设备，从地形地貌、管线埋设状态、海底地质结构三个方面进行全方位的判断，因此对各类物探技术进行探究。

1 不同物探仪器在海底路由管线检测中的应用原理

1.1 多波束声呐探测技术应用原理

1.1.1 应用场景分析

对于新建项目，海底路由管线检测的目的是为管道、电缆、光缆等选择适宜的施工线路。对于已经投入使用的管线工程，路由管线检测目的是调查管线是否发生偏距、沉降、抬升等情况，从而预防或者消除隐患。多波束声呐探测系统可用于建立海底的三维模型，辅助工程技术人员从海底地形地貌层面出发，合理设计管线路由。

1.1.2 应用原理

多波束声呐探测系统具有四大子系统，分别用于发射和接收声学信号、采集数据、处理数据、完成外围的辅助性任务，核心设备组件为换能器、船体姿态传感器、定位传感器以及声速剖面仪。其中，换能器用于发射和接收声呐信号[1]。从测量原理来看，多声呐探测系统通常安装在船体上，声波信号以海水为介质，经过一定时长到达海底，信号经反射之后被接收。声波在海水中的传播速度较为稳定，根据信号发出与接收的时间差，即可计算出被测点的深度。在获得大量测点深度数据之后，即可借助软件工具渲染出海底的三维模型。测点处的海水深度按照式（1）来计算。

式中：D 为被测点处的水深值；c 为声波在海水中的平均传播速度；t 为声波从发射到接收的总耗时；θ 为声波在海水中的入射角；ΔDd为船体吃水的修正量；ΔDt为潮位的修正量。在获得大量测点水深数据之后，可利用网格插值法、网格生成算法建立海底地形的三维高程数字化模型。

1.2 磁力探测技术应用原理

1.2.1 应用场景分析

海底地形环境较为复杂，同时存在海水运动、地震以及其他类型的地质活动，海底管线具有一定的埋深，以海洋油气管道为例，其埋深通常为7.0m 左右。受到海水和海洋地质活动的影响，海底路由管线有可能发生水平或垂直位移，偏离相应的竣工设计方案。如果位移量过大，容易造成管线受损、破坏，并且增加了老化、腐蚀的风险[2]。磁力探测技术可用于检测既有海底管线（主要为金属管道、电力电缆）的水平偏距和垂直位移。

1.2.2 应用原理

磁力探测技术多用于海底金属管道和电力电缆探测，电缆的芯线由金属铜制作而成，海底油气管道、给水管道多为钢管，与施工用的砂砾、碎石、块石以及自然形成的海床存在显著的差异，金属材料的磁化率明显高于其他材料。使用拖曳式磁力仪检测海床，能够获得磁力信号强度在测线上的变化趋势，金属管线虽然埋在海床下，依然能够产生显著的磁异常信号，可根据磁异常在坐标系中的坐标值判断管线的位置[3]。随着技术的发展，磁阵列成为新的磁力探测设备，可布置在水下航行器上，其优点为精度高、成本低。以拖曳式磁力仪为例，其安装方式如图1 所示，其中H 为海水深度的测量值，H′为磁力仪拖体的入水深度，拖体通过托缆连接在船体后方，与船体上的GPS 定位系统沿水平方向保持10m 的距离。将磁异常信号的强度记为ΔT，被探测金属管线的中心轴线与磁力仪拖体之间的距离记为h，则ΔT 和h 之间的关系式如下：

式中：ms为拖体产生的磁矩；μ0为真空中的磁导率；I0、is分别为磁性体倾角和有效磁化倾角；A′为地磁场正北方向与X 轴正方向的夹角；X 轴与被测管线的中心轴线平行，x 为两条平行线之间的距离。由于ms、μ0、is、A′、I0、x 以及ΔT 均为可测值，因而可求出磁力仪拖体和金属管线中心轴线之间的距离，h+H′即为金属管线的实际埋深。在金属管线偏心距测量中，可通过磁异常信号在坐标轴上的位置来进行判断。

图1拖曳式磁力仪探测系统

1.3 浅剖探测应用原理

1.3.1 应用场景分析

在海底路由管线测量中，可利用浅地层剖面探测设备掌握海床的地质结构特征。埋设在海床中的管线在材质上与其他自然形成的沉积物存在显著的差异，当声波在浅地层中传播时，一旦遇到管线，信号会发生突变[4]。对于既有管线，可据此判断海底路由管线的埋设状态。对于拟建的海底管线工程，浅地层探测能够掌握海底礁石等不利因素，促进合理选线。

1.3.2 应用原理

浅地层剖面探测属于重要的声呐技术，声波在不同介质中的传播特点存在较大的差异，当声波从一种介质传递到另一种介质时，会发生反射作用，浅地层剖面探测仪正是基于这种反射作用完成管线检测[5]。反射作用的强弱程度与反射系数呈正相关，该参数的计算方法见式（3）。

式中：Z1为界面上层的声阻抗；Z2为界面下层的声阻抗；R 为界面处的反射系数。

2 多物探仪器综合应用实例分析

2.1 工程概况

某海域拟建设一个海上风力发电场，需要在海底建造风力机组的基础设施。在前期准备阶段，采用综合物探方法掌握海床的地质结构、地下管道和线缆的埋设情况以及海底的地形地貌，一方面为风电机组基础建设选择适宜的作业点，另一方面则是避免破坏海底既有管线设施[6]。

2.2 物探仪器选型

2.2.1 磁力仪选型

该项目管线探测采用SeaSPY 海洋磁力探测仪，该型仪器的绝对精度为0.25nT，分辨率和计数精密度均为0.001nT，传感器的灵敏度为0.02nT，测量范围在1.8×104～1.2×105nT 之间，采样频率在0.1～4.0Hz 之间，拖体长度和直径分别为0.86m、0.06m。在测量过程中，磁力仪挂靠在床尾后方，GPS 的定位精度为0.5m。

2.2.2 浅地层剖面探测仪选型

浅层地面剖析仪的型号为ChirpⅢ型，拖体可采用TTV-170、TTV-292，对应的入水深度分别为600m、1750m。该仪器的信号发射速率为15 次/s，脉冲长度为5～50ms，每个通道的最大输出能量为4kW，可显示测深、海底反射率、信噪比、电压等数据[7]。在进行海洋探测工作过程中，为了确保探测结果的准确性，工作人员将探测仪器安装在船舷中部，尽量靠近船体外侧，这样的布置有利于减小船体本身对声波传播的干扰，提高探测数据的质量。在探测过程中，工作人员使用了两款不同的数据处理软件，即Triton 和Sonarwiz5。这两款软件能够高效处理水下声波数据，为海洋探测提供精确的深度、地形等信息。其中，Triton软件能有效地处理复杂的水下声波信号，提取出有价值的信息。在此次探测活动中，Triton 软件主要负责对声纳数据进行实时处理，为研究人员提供实时的水深、地形等信息。而Sonarwiz5 软件主要负责对声波数据进行去噪、增益、滤波等操作。通过这些处理，工作人员可以得到更加清晰、准确的声波图像，为海洋地质研究、水下目标探测等提供有力支持。

2.2.3 声呐探测仪器选型

该项目采用Sonic2024 声呐探测系统探测拟建区域的地形地貌和水深，其主要性能指标包括工作频率、覆盖角度、量程分辨率、波束数量、波束大小等，主要性能指标的设计参数见表1。

表1 Sonic2024 声呐探测系统设计参数

2.3 物探结果分析

2.3.1 拟建区域海底地形地貌探测结果

拟建区域占地面积约为4600m2，经过测量，作业区域的水深在37.9m～48.6m 之间。海床整体较为平坦，最大高差仅为10.7m[8]。多波束声呐系统能够生成数字高程模型，通过色彩区分不同区域的水深。检测结果显示，作业区域并未出现海沟、陡坡等不利地形，地势从海岸边向海洋方向逐步降低，有利于风电基础施工。

2.3.2 海底管线探测结果

根据前期掌握的资料，在拟建区域东北侧方向建设有一根海底输气管道，总长度大约为15.1km。为了避免风电施工破坏管道周边的地质结构，在作业之前利用磁力仪探测管道的具体位置和埋深。探测人员根据该输气管道的竣工图确定了管道的起点、终点以及走向。该输气管道较长，靠近管道起点约2～5km 节段距离拟建区域最近，将该节段划分为20 个子节段，每个节段开展一次磁力检测，作为一个采样点，主要获取管道偏距和埋深两类数据。表2 为一个采样点的磁异常检测结果[9]。磁力仪在探测领域中发挥着重要的作用，特别是在管道埋设点的定位上。根据表3 所展示的数据，我们可以明显看出，磁力仪对于检测磁异常强度区域的灵敏度极高，而这些区域恰恰就是管道的埋设点。

表2 海底管道磁异常检测结果

表3 既有输气管道偏距探测数据

进一步分析数据，研究人员发现，基于磁力探测的管道偏距数据在0.66～1.45 之间，说明该输气管道与竣工路由的偏距在正常范围内，没有发生严重的偏移，避免了因位置偏移而导致的施工问题。此外，数据中还显示，管道与拟建区域的最近距离超过了4.5km。这个距离有效保证了管道的安全性，避免了在拟建区域内的潜在风险，该距离也符合我国的相关规定，确保了项目的合规性。

2.3.3 浅剖面探测联合磁力探测

磁力仪作为一种测量地球磁场强度的设备，能灵敏地捕捉到地质结构中的细微变化。本次探测任务中，磁力仪探测到的磁力信号强度在145.6～205.7nT 之间，这个数值范围明显高于周边其他部位的磁力信号强度，其余部分均低于30nT。这种现象引起了勘探人员的注意，他们推测这些异常点可能与地质结构中的某些物质或现象有关。通过对这些异常点的详细分析，相关工作人员尝试找引发磁力信号增强的原因，并围绕这些异常点展开更深入的地质调查，以便为区域发展规划提供科学依据[10]。

2.4 综合讨论

通过多种物探仪器对拟建区域及周边管线的综合探测，可得出以下三个基本结论。

①采用多波束声呐系统检测海底的地形地貌，发现该项目拟建区域海床地势较为平坦，从一侧向另一侧逐步走低，高程差仅为10.7m，不存在陡坡、海沟等地形，为风电机组基础建设提供了良好的条件。

②采用磁力探测仪检测拟建区域周边的输气管线，发现该管线符合竣工图纸，仅有微小的水平偏移，但距离风电场施工区域较远（4.5km），满足安全条件。

③采用浅地层剖面探测仪探测拟建区域的地质结构，仅发现7 个异常点，在此基础上使用磁力仪进行联合检测，确定异常点为海底金属落物，并非管道或线缆，满足施工要求。

3 结语

综合全文，研究过程先是分析了磁力探测、多波束声呐探测、浅地层剖面探测的实现原理。再结合具体的工程项目，根据以上三种原理，使用多种物探仪器，对拟建区域的地形地貌、地下管线、周边既有输气管线进行探测，结果显示，该作业区域地形平坦，海床下不存在管线设施，东北侧管道远离作业区，满足安全施工的条件。