论文专区▏海底管道测量声学剖面特征分析
【编者按】海底管道的位置与埋深测量通常采用浅地层剖面仪等声学手段来实现，由于海管与地层之间的声阻抗差异，会以绕射弧的形态出现在声学剖面中。但当海管埋设于管沟中时，管沟中断棱的绕射与海管绕射易于混淆，给声学剖面图的解译和识别带来困难。基于地震勘探原理，结合浅地层剖面仪的性能、挖沟作业对地层的扰动等，分析了管沟绕射弧的类型与特点、挖沟作业扰动的声学特征等，提出了管沟中海管绕射弧的识别方法。正确认识不同类型管沟的绕射、施工扰动产生的绕射等声学特征，才能辨识出海管的绕射现象。另外，实际工作中应根据测量海区的水深、土质、海管属性等多种要素，选用适宜的仪器类型及测量参数。本文发表在《海洋测绘》2015年第6期上，现编发给朋友们阅读了解。安永宁，1981出生，男，甘肃会宁人，交通运输部天津水运工程科学研究院，高级工程师，硕士，主要从事海洋工程勘察研究。
一、引言
随着海洋石油资源的开发与利用，海底管道的建设数量日益增多，为海上油气资源的输运发挥了巨大的作用[1]。但是，海底管道在复杂的海洋动力环境下运营，需要投入大量的财力物力去维护，以防出现外力作用破坏或疲劳失效破坏[2]，通常需要进行定期检测及维修。
海底管道的外部检测也即其位置与埋深的测量。了解海管的精确位置，有助于在海上油田的日常生产活动中（如钻井船插桩、施工船抛锚）对其进行合理的避让；而海管的埋深数据是判断海管埋设安全状态的重要依据，如果埋深过小会发生船舶抛锚撞击、拖曳的风险，埋深过大会造成施工成本的浪费，埋深不整齐会增加管道内部的静态应力与弯矩，使管道易于疲劳[3]。
目前，海底管道的位置和埋深测量主要采用浅地层剖面仪等声学手段进行，常见的仪器有：基于线形调频脉冲技术的EdgeTech 3200XS系列[4]、基于参量阵原理的SES-2000系列[5]、频率固定的GeoAcoustics T14K等。
二、海底管道测量的声学原理
根据物理地震学原理[6]，海底管线在浅地层剖面仪上产生的声学异常是狭义绕射波，其时距曲线可按以下公式表述：
式中，L为声波激发点至探测点的水平距离，h为激发点至探测点的垂直距离，V为地层中声速。由时距曲线公式可推导出以下结论：时距曲线为双曲线；极小值点为（L,(√L2﹢h2)/V﹢h）；激发点O一定时，x在（0,2L）区间分布；埋深h越大，曲线越缓。
此外，时距曲线的陡缓还和数据的外业采集方式相关，如，采样率越高，曲线越缓；船速越慢，曲线越缓；测线方向与海管路由方向夹角越小，曲线越缓。
在声学剖面图像中，绕射弧顶面的坐标，即为海底管道的位置坐标；绕射弧顶面与海底面声学界面之间的距离，即为海底管道的埋深。
三、海底管道与管沟的声学剖面特征
当海底管道埋设在平坦的海底面下时，在声学剖面图像中，探测到的绕射弧只有一条，即海管本身的绕射弧。量取绕射弧顶面的坐标和反射时程，可获得海底管道的平面位置与埋深[7-8]。
实际上，受到海管铺设时的挖沟作业施工影响，海底面通常并不平坦，铺管挖沟对海底面造成破坏，形成具有一定深度和宽度的管沟，海底管道最初埋设在管沟中，之后随着时间的推移，管沟自然淤积回填，海底面逐渐被淤平，海底管道便埋设到了泥中[9]。
在海底管道运营早期，管沟尚未被填平。管沟绕射弧与海管绕射弧经常混淆在一起，给数据解译造成极大困难，而正确区分管沟绕射与海管绕射现象，是获得准确测量结果的关键，本节将对此重点讨论。
⒈ 管沟的绕射形态
管沟属于凹界面，凹界面的绕射波根据圆弧曲率焦点与海底面的上下关系，可分为聚焦型、收缩型和回转型三类。聚焦型是指管沟凹界面的圆心位于海底面，管沟的所有声学反射波聚焦在了一个点；当管沟凹界面的圆心在海底面以上时，其声学反射形态也是下凹的，但其范围变窄，称为收缩型；当管沟凹界面的圆心在海底面以下时，会形成回转波，凹界面的反射形态上凸，反射点与观测点的位置关系相反[10]。
对于大部分管沟，由于曲率较陡，属于回转型，通俗地说，就是实际管沟的两翼在剖面图像中出现的顺序倒转了，且凹界面两翼的绕射波容易互相交叉。
⒉ 管沟的形态分类及其声学剖面特征
实际中，受挖沟土质、水动力环境、挖沟遍数等因素的影响，挖沟作业施工形成的管沟形态多样，其声学剖面特征也各有不同。通过整理分析秦皇岛32-6油田和垦利10-1油田的大量测量资料，将管沟按形态大致分为“V”型管沟、“U”型管沟、带阶状突起的非对称型管沟3类，以下分别讨论其声学剖面图像中绕射弧的特征。
⑴“V”型管沟
“V”型管沟最为常见，在声学剖面上，沟顶绕射表现为长反射段的特点，在沟顶两个断点处各产生只有一翼的“半绕射弧”，其相位相差180度，“半绕射弧”与海底面反射波相连，而且，两个“半绕射弧”相交于管沟中央某处，形成具有两翼的完整绕射弧的声学假象。在回转型管沟中，沟底绕射弧一般位于“半绕射弧”交点下方。
海管绕射弧的位置根据其埋设状态的不同而不同，如海管处于悬空状态，则其绕射弧在沟底绕射弧上方，处于裸露状态则两弧重合，处于埋藏状态则在沟底绕射弧下方。
⑵“U”型管沟
“U”型管沟与“V”型管沟的不同点在于，其底部较宽，理论上会有两个沟底绕射弧。实际上，经过挖沟作业扰动的沟底，不可能像理论上那样平滑，而是通常呈现锯齿状，这样，每个“锯齿”的突起都会形成一个绕射弧，因此，“U”型管沟沟底在剖面图像上常出现紧束状的绕射弧，导致沟底模糊不清。
⑶带阶状突起的非对称型管沟
带阶状突起的非对称型管沟是指，管沟左右两翼不对称，至少有一翼经历过两次挖沟，呈现出阶状突起。这种非对称管沟在沟顶的终断点、阶状突起点处，都会产生只有一翼的“半绕射弧”。如果是回转型管沟，测量船先经过的管沟一翼后成像，后经过的一翼先成像。产生交叉点的“半绕射弧”中，必有阶状突起点的“半绕射弧”，且交叉点位置略偏向管沟较缓的一翼。
⒊ 海管绕射弧与管沟绕射弧的区分
海底管道具有光滑、密度高、传播声速高、目标小等特点，因而其波阻抗大、绕射范围大，反映到绕射弧特征上，相比管沟绕射弧，其弧线更细、双翼更长。
另外，不同探测仪器的发射功率和发射频率不同，导致声学探测图像具备不同的穿透能力和分辨率，而且，不同仪器的波束角不同，使得绕射弧的形态各有差异。比如，EdgeTech 3200XS 和GeoAcoustics T14K相比，前者穿透能力更强，波束角小使得绕射弧尾翼小，测得管沟的形态更接近真实，而后者具有更高的分辨率，绕射弧尾翼大，测出的管沟变形严重。
⒋ 挖沟作业扰动引起的地质异常绕射
⑴粒状土中海底管道的挖沟扰动
当海底表层土为粉土、粉砂，或含粉粒、砂粒较多时，其沟坡易于坍塌，在挖沟作业扰动后，粒状土会有一部分坍塌回填到管沟底部。粒状土回填后，在挖沟作业振动下，孔隙水易于排出，土的强度增大[11]，反映到声学剖面上其反射能量较强，沟底绕射弧的弧顶出现了具有一定高度、灰度较大的“类包裹体”，此时，海管的绕射弧通常位于“类包裹体”的下缘，见图5。
⑵软粘土中海底管道的挖沟扰动
当海底表层土为淤泥等软粘土时，水力喷射式挖沟作业方式的动力影响范围较大，会穿透海管的埋设深度，扰动到下部地层，使一定深度范围内的土体发生重塑。软粘土的灵敏度高，重塑后强度丧失很严重[12]，反映到声学剖面其反射能量大大减小，与周围未扰动地层之间出现声阻抗界面，而位于海管下方的交界点就成了会产生绕射弧的突变点。有时候，交界点绕射弧的反射能量及绕射范围会强于海管绕射弧，容易造成资料误判，见图6。
⒌ 一些识别技巧
①如海管在声纳图像上处于悬空状态，则在声学剖面图像中，其绕射弧位置应从管沟沟底往上找；处于裸露状态，其绕射弧位置与管沟沟底重合；处于埋藏状态，其绕射弧位置应从沟底往下找。
②管沟沟底绕射弧的平面与埋深位置可根据单波束水深测量到的水深剖面来确定。
③如果声学剖面图像中存在连续的地层界面，那么位于连续界面以下的绕射弧都是假象。
④海管挖沟作业有着严格的质量要求，通常相邻测点之间的海管埋深不会相差很大。
⑤表层沉积物太过密实，其反射系数就大，往往掩盖海管绕射弧的弧顶，因此，很多时候只能测得海管绕射弧的两翼。由于绕射弧的时距曲线可以用公式表示，因此，从原理上来讲，可以根据绕射弧两翼曲线的走势，计算出弧顶的位置。
四、结束语
要想准确测量海底管道的位置与埋深，需要熟练掌握基于浅地层剖面探测的声学剖面图像解译技巧。特别是当海底管道埋设在管沟内时，需结合地震勘探原理，充分考虑不同形态管沟的绕射特征，剔除干扰要素，甄选出海底管道本身的绕射特征。此外，还需考虑海管挖沟作业扰动土质引起的声学特征变化。在实际工作中，应根据海管性质、区域地质条件、水深状况等因素，选择适宜的仪器类型，选用合适的发射主频、采样率、增益等参数。
海底管道的外部检测工作近年来逐步受到重视，现已成为海管运营维护过程中的一个重要环节，随着理论认识与实践经验的提高，将朝着规范化、理论化、程序化的方向不断发展。
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