论文专区▏侧扫声呐和浅剖仪在海管断裂点定位中的应用

【编者按】结合侧扫声呐和浅地层剖面仪能够探测出海底管道附近异常，路由区浅层地质灾害以及海底管道位置等特点，通过实例探讨了侧扫声呐和浅地层剖面仪在海底管道断裂位置定位中的应用。船锚、浅层气等外力作用，导致海底油气管道断裂，使用侧扫声呐和浅地层剖面仪探测的方法，综合分析海水中的气体屏蔽现象、海底面的地貌异常特征、海底管道的平面位置及埋深变化、地层剖面的反射空白等异常特征，快速准确定位海底油气管道断裂位置。本文发表在《海洋测绘》2017年第1期上，现编发给朋友们阅读了解。侯志民，男，1983年出生，吉林四平人，上海海洋石油局第一海洋地质调查大队，工程师，硕士，主要从事灾害地质和工程地质研究。

文/侯志民 施 健 胡  斌

一、引言

随着海上油气田的不断深入开发，海底管道大量辅设，它们将海上油气资源源源不断向陆地输送，成为了海上油气田和陆上石油工业系统之间紧密联系的有效纽带。世界上第一条海底管道是1954年美国公司在墨西哥湾铺设的，目前，世界各国己累计铺设了几十万公里的海底管道。我国第一条海底管道是1973年在山东黄岛铺设的从系泊装置至岸上的海底输油管道^[1],目前，在渤海、东海及南海已累计铺设了约2万公里的海底管道。

虽然海底管道具有输送连续、效率高、输送量大、成本低等诸多优点，但由于海洋环境复杂多变，人类海上活动日益增加，在气象、水动力、地质条件和人类活动等因素控制和影响下，海底管道出现失效现象日益增多^[2-3]。统计分析自1995年以来国内公开发表和报道的20起海底管道泄漏事故^[4-6]，由于抛锚、拖网、冲刷悬空等外力导致的管道断裂占65%，腐蚀等内因导致的管道断裂占35%。海底管道一旦发生断裂，造成油气泄漏，不但造成巨大的经济损失，还将对周围的环境造成不可估量的影响，事故发生后，如何快速对断裂点进行定位，为后续维修工程争取时间，显得尤为重要，本文以某输油管道断裂位置定位和某输气管道断裂位置定位为例，使用侧扫声呐和浅地层剖面仪探测的方法对海底管道断裂位置快速定位进行研究讨论。

二、侧扫声呐和浅地层剖面仪的特点

⒈ 侧扫声呐系统

侧扫声呐是通过接收海底反射和散射信号，得到海底地貌底质等信息，通过海底地貌图可以确定海底管道状态和海底管道附近异常情况^［7-9］。

本文侧扫声呐系统采用的是KLEIN-3000型侧扫声呐系统，该仪器是主动声呐的一种，工作频率100khz/500khz，可双频同时工作，是目前比较常用的声呐系统之一，在海底管道检测中已广泛应用。

⒉ 浅地层剖面仪

浅地层剖面仪是利用界面层间的声阻抗差异来反映各地层结构的，生成的图像可用于识别浅部地层产状、内部结构，各种浅层灾害地质因素，而且还能够判断海底管道等埋藏物与海床的空间位置关系，确定其埋藏深度或裸露高度。

本文浅地层剖面仪采用的是SES-2000标准型参量阵浅地层剖面仪，该仪器利用高频探测海底水深，利用差频探测海底浅地层剖面，适用于海底管道状态，浅部地层的详细分层及浅层气的探测^[10]。

三、应用实例

⒈ 应用实例1——油管道断裂定位

⑴背景

某输油管道在台风过后恢复生产的过程中，生产单位发现油管道无压力显示，怀疑管道某处发生断裂，为快速查找管道断裂位置，使用侧扫声呐和浅地层剖面仪来共同探测。

⑵油管道断裂特征

①声呐异常

通过Layback校正，将声呐拖鱼与GPS位置进行改正，根据导航信息和Layback值自动归算拖鱼位置，然后现场对声呐影像判读与分析，确定管道路由区声呐异常位置（B点附近），该处有一线状异常，呈NE-SW向与油管斜交，长约317m，该位置管道路由存在明显的拖拉弯曲痕迹（图1）。

图1　声纳异常影像示意图 

②管道状态

浅地层剖面结果显示该段管道中A-C区段海管埋深较浅，埋深变化范围为0.11～0.51m，平均埋深为0.34m，在B点处的管道非常接近海底，埋深仅为0.11m，几乎露出海底，台风前该区段管道埋深基本在0.5m左右，对比台风前后，B点附近管道埋深由0.5m变为0.1m，管道埋深明显变浅，且台风后，管道上方海底有新的沟痕出现（图2）。

图2  油管B点附近台风前后剖面变化示意图 

⑶油管道断裂过程讨论

根据侧扫声呐和浅地层剖面结果，在管道B点附近有一穿越管道上方的拖痕，拖痕位置与管道埋深较浅的区域基本一致，且该位置台风前后管道埋深明显变浅，推测A-C区段管道存在由于外力导致管道断裂的可能，经人工水下探摸及相关验证，管道B点，在海底面下0.1m左右，管道被外力拉断，后经确认，某大型船舶曾在此区域锚泊，台风过境时，躲避不及，抛锚抗风，由于风力大，船锚走锚，在海底拖拽，致使管道断裂。

⒉ 应用实例2——气管道断裂定位

⑴背景

某输气管道在进行台风后海底管道路由检测时发现管道路由区某处有异常现象，疑似气体逸出，立刻使用侧扫声呐和浅地层剖面仪进行探测，结合人工水下探摸确认，最终确定气管出现裂缝位置。

⑵气管道断裂特征

①地貌特征

结合最近一次该区段管道路由检测成果，研究区内可见两个海底凹陷，其中北侧海底凹陷呈NNW-SSE向分布，NNW-SSE向最长处约500m，E-W向长80～200m之间，该凹陷内东侧边缘可见少许海底凸起，凸起最大高约1.0m左右；南侧海底凹陷呈NNE-SSW向分布，NNE-SSW向最长处约170m，NW-SE向长在60～110m之间（图3）。

图3　研究区地貌示意图 

②浅层气分布

研究区浅层气广泛发育，海底30m范围内不见底，研究区北侧和南侧有两处气顶埋深较浅，最浅处仅为1m左右，这两处浅层气在海底下15m左右连通到一起，管道路由走向位于北侧浅层气富集区域南侧边缘，管道在浅层气富集区内长度大约在90m左右（图4）。

图4　研究区浅层气埋深示意图 

③声呐异常

侧扫声呐结果显示在北侧海底凹陷西侧边缘管道路由区可见疑似气体痕迹，气源位置在A点附近，气源北侧存在疑似海底凹坑，海水中可见由气体屏蔽产生的白色条带状异常，较为明显（图5）。

图5　疑似气体逸出侧扫声纳影像示意图 

④剖面异常

对侧扫声呐显示存在疑似气体逸出的位置，使用浅地层剖面仪进行了多次探测，多个浅剖剖面也可见疑似气体逸出现象，A点处典型剖面显示水中有疑似气体逸出产生的气柱现象，海底面未见明显海底凹坑，海底下浅层气广泛发育，对剖面产生的屏蔽现象明显（图6a），A点附近另一个典型剖面显示海底发育有海底凹坑，凹坑内气体屏蔽作用明显，基本无法看到连续完整地层剖面（图6b）。

图6　浅地层剖面仪图像示意图 

⑶气管道断裂过程讨论

综合侧扫声呐和浅地层剖面成果，在气管A点附近有疑似气体逸出迹象，由于多个剖面特征不同，推测有多处断裂的可能，后经人工水下探摸，海底下2m左右，管道出现多处裂缝，部分区域，由于气体逸出，形成海底凹坑。

如果海底沉积物中含有浅层气，随着含气量的增加会引起土体膨胀，孔隙压力增大，有效应力降低，从而破坏了土体的骨架结构，增大了土的压缩性，降低了土的抗剪强度^[10-11]，在伴随浅层气逸出的过程中，造成浅层气富集区海底沉降，形成海底凹陷。研究区内海底凹陷范围与浅层气气顶埋深较浅范围基本一致，就是由于浅层气逸出后，海底沉积物不均匀下陷形成的海底凹陷。气管出现裂缝的位置位于海底凹陷边缘，可能就是在台风的作用下，海底沉积物不均匀运动，处于凹陷边缘处海底管道受不同的剪切力作用，导致气管出现裂缝，如未及时发现，下一步气管就会出现断裂。

四、结语

海底管道发生断裂，往往具有不确定性，对海底管道断裂位置快速定位，可以为后期维修工程争取时间，并且节约维修费用。要想对海底管道断裂位置定位，需要了解海底管道断裂后可能产生的异常特征，主要包括海水中产生异常、海底面地貌异常、地层剖面反射异常以及海底管道位置变化等，使用侧扫声呐和浅地层剖面仪的方法，通过解释分析，从而实现对管道断裂位置的定位。

作业流程通常是先使用侧扫声呐采用大量程低分辨率对路由区进行“普扫”，发现疑似点再采用小量程高分辨率进行“精扫”，然后利用浅地层剖面仪进行探测，通过对比管道位置变化，判断管道水平方向和垂直方向发生位移的可能，最后结合人工水下探摸，确认海底管道断裂位置。

参考文献：

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