海洋技术▏基于磁异常检测的海底管道探测技术研究与应用
海底管道是重要的海上油气田生产设施，埋设在海床之下的管道面临腐蚀、波流冲刷、第三方活动和海床运动等风险因素的影响，必须定期进行维护性检测，了解掌握海底管道埋设状态，分析存在或潜在的风险因素，评价管道安全稳定性，制定针对性的维护方案，保障管道安全运行。当前，国际上海底管道稳定性分析评价多参考《海底管道系统完整性管理推荐作法》(DNV-RP-F116)等规范，而海底管道的埋设状态就属于管道稳定性分析评价的关键参数之一。因为海底管道多为钢质，本身具有比掩埋岩土物和上覆水体大得多的磁化率，当其被磁化后，会产生明显的磁异常场，利用磁力仪可检测到管道磁异常场的分布及强度，从而为管道埋设状态检测评价提供数据依据。
一、海底管道磁异常探测原理
通常，海底管道多为钢质，相比周围路由区掩埋物具有大得多的磁化率，在海底埋设管道后产生磁异常，因而利用海洋磁力仪可探测埋设海底管道的平面坐标位置，配合磁异常解译手段就能确定管道的埋藏深度。无外界磁场影响的理想情况下，海底管道符合无限长圆柱体的磁性体产生的磁异常强度表达式为：
⑴
式中，ΔT为磁异场强度；μ0为真空中的磁导率；h为管道圆柱体中心到磁力仪拖体的垂直距离；ms为有效线磁化强度(磁矩)；is为有效磁化倾角；I0为磁性体的倾角。同时，磁异常检测坐标系原点为GPS定位设备在水平面的垂直投影点，坐标系X轴为平行管道轴向方向，x为平行轴线方向距离；坐标系Y轴为垂直管道轴向方向，y为垂直轴线方向距离；A'为X轴正方向与地磁场北方向的夹角。
在海底管道的磁异常检测时，已知磁异常强度计算的参数μ0，ms，is，I0，A'以及管道在测量坐标系中的位置，可反算求得h值，再利用测得的水深值和磁力仪拖体入水深度，对h进行校正，去除水体深度影响，可得到管道位置与埋深数据。
通常，当海底管线埋深约5m，无限长圆柱体的有效磁化倾角is为90°，磁性体的倾角为45°时，给定磁矩ms和区域解译后得到的磁异常强度ΔT分布如图1和图2所示。
图1 圆柱体海底管道模型的磁异常强度分布
图2 垂直管道且位于管道正上方(Y=0)的磁异常强度
曲线
二、海底管道磁异常探测应用
西气东输某支线海底管道于2012年底建成，其大陆段起点位于广东省深圳市大铲岛，终点至深圳市铜鼓航道，长度约14.5km(里程以起点为KP0，终点为KP14.5表示)，海底之下设计及竣工埋深约7m，管道上方有2～3m厚的块石覆盖，服役至今定期开展管道维护性检测。因上覆厚层抛石保护层，声学探测方法容易导致信号减弱，因而在实际测量中除采用浅地层剖面仪确定管道埋设的大体范围外，常需要采用海洋磁力仪进行磁异常检测，以实现海底管道埋藏状态的埋深值(Δh)精确探测。海底管道埋藏结构如图3。
注：H为海面至海底的水深值(m)；D为地层深度值(m)；Δh为海底至管道中心的埋深值(m)；d为管道本身外直径(m)
图3 海底管道埋藏结构
磁力仪测量过程中，设备拖体入水方位和状态，会对探测结果产生影响。本次测量以尾拖方式设置拖体位于GPS定位设备后方10m和海面之下2m，并控测量船以4kn(1kn=1.852km/h)的速度匀速行驶，以保持磁力仪测量姿态的稳定。当测量船速不稳定和拖缆长度发生变化时，需对磁力仪拖体入水深度(H')进行校正，其校正表达式为：
H'＝G(0.014L－0.00004L2)/V ⑵
式中，H'为磁力仪拖体入水深度(m)；G为拖体重量(kg)；L为拖缆长度(m)；V为船速(kn)。
根据拖体与GPS的相对位置关系、拖体入水深度(H')、测得的水深值(H)，建立测量设备之间的空间立体关系，为最终的管道埋深计算与校正提供依据。测量设备安装如图4。
图4 磁力仪安装示意图
根据海底管道设计与竣工路由走向，垂直路由走向布设磁力仪检测测线，在海底管道14.5km(海底管道的起点以KP0表示，以起点起算，在14.5km里程处的管道以KP14.5表示，整个管道表示为KP0～KP14.5)范围内，每间隔20m布设一条，每条测线长度200m，实现整个管道路由两侧200m范围的全覆盖。海底管道磁力仪探测测线如图5。
图5 垂直管道轴线的磁力仪检测测线(局部)
本次采用MarinemagneticsSeaSPY海洋磁力仪设备开展管道检测，与标准质子磁力仪相比旋进式磁力仪发展与延伸后具有更高的灵敏度、采样频率和数据带宽，其采用全向Overhauser磁力仪传感器，测量分辨率可达0.001nT，量程为18000～120000nT，因此测量方案与设备参数均满足《海底电缆管道路由勘察规范》(GB/T17502-2009)和《海洋调查规范》第8部分(GB/T12763.8-2007)的要求。测量过程中，用美国Trimble公司生产的星站差分GPS系统为测量船和测量设备提供定位信息，用美国RESON公司生产的T50P多波束测深系统测量管道路由区水深值，利用磁力仪配套的BOB数据采集和可视化软件采集记录磁异常测量数据。
三、讨论
将磁力仪探测获取的海底管道磁异常数据利用专业软件进行处理并解译。通过对采集的磁力数据进行回放，识别海底管道引起的磁力异常信号，在磁力异常峰值处添加Marker线，即为海底管道的位置。然后提取Marker线的经纬度坐标，与对应位置设计及竣工管道路由经纬度坐标进行对比，分析测量的管道路由偏距，结合管道磁异常计算式⑴，进行管道埋深分析。海底管道正、负磁力异常强度特征如图6所示。
图6 海底管道正磁异常和负磁异常强度特征
在14.5km长的管道范围内，以1km间隔的管道区段(首尾区域加密样本)为1个样本，共设置20个样本。提取每个样本区段中的最大磁异常信号幅度，磁异常信号幅度在37.4～358.3nT，表明该探测方法在海底管道处能检出明显磁异常信号，实现埋设海底管道的有效探测。
通过现场检测，磁探仪在经过管道正上方时探测到的磁信号异常强度幅度最高，为管道路由分析提供了较好的数据质量。由表1可见海底管道磁异常值的里程位置与信号幅度。
表1 部分管道磁力异常点信号幅度统计表
注：海底管道的起点以KP0表示，KP0+360代表以管道起点KP0位置起算，在360m里程位置处的管道；KP1+300代表以管道KP0起算，在1km+300m里程位置处的管道，其他类推。
通过对磁力信号异常点的识别，解译计算出峰值异常处的坐标位置，根据海底管道设计及竣工路由坐标数据，将实测数据与设计资料对比，得出实测管道路由和设计竣工路由坐标之间存在一定的偏离距离在0.85～1.92m，该偏离距离满足数据测量精度要求。管道磁异常点与设计竣工路由点之间偏距数据见表2。
表2 管道磁力异常点处偏距数据
注：海底管道的起点以KP0表示，KP0+360代表以管道起点KP0位置起算，在360m里程位置处的管道；KP1+300代表以管道KP0起算，在1km+300m里程位置处的管道，其他类推。
根据磁力仪测量得到的管道磁异常数据，利用管道磁异常计算公式(1)，对海底管道埋深进行解算，利用解算的管道埋深数据与管道设计竣工埋深数据对比分析管道埋设状态，得出海底管道埋深为7.2～8.1m，与设计埋深7m相近，埋深数据满足测量精度要求。解算的与设计竣工的管道埋深数据见表3。
表3 管道磁力异常点处管道埋深数据
注：海底管道的起点以KP0表示，KP0+360代表以管道起点KP0位置起算，在360m里程位置处的管道；KP1+300代表以管道KP0起算，在1km+300m里程位置处的管道，其他类推。
根据现场检测数据成果，依据前述管道偏距分析方法，对整个管道路由探测段进行数据统计分析，分析海底管道偏离情况。结果表明：各管道路由区段偏离距离大小不一，其中偏离距离最大值点位于KP9+580区段，为1.92m；偏离距离最小值点位于KP4+480区段，为0.85m。各管道路由区段中，根据磁异常检测出的平均偏离距离为1.47m。数据显示，海底管道在位埋设状态良好，未发生严重位移，海底管道埋设状态稳定。沿管道轴向的探测埋深、偏距及磁异常信号幅度变化见图7。
图7 沿管道轴向的探测埋深、偏距及信号幅度变化
根据现场检测的磁力数据成果，利用管道磁异常计算公式⑴，计算海底管道埋深数据。结果表明，各区域埋设深度不一，其中测得的管道埋深值(Δh)在7.2～7.3m的管道较多，占总量的55%；埋深最大值为8.1m，占总量的10%。
该埋深数据符合《海底管道路由勘察规范》(GB/T17502-2009)，管道埋设深度与设计埋深基本一致，沿管道轴向整体呈现稳定的特征。管道偏距与埋深数据显示，海底管道在位埋设状态良好，不存在严重位移，海底管道埋设状态稳定。由图8可见，管道磁异常信号幅度、偏距及探测埋深的相互关系。
图8 海底管道磁异常幅度、偏距及探测埋深的相互关系
四、结论
本研究基于埋设海底管道磁异常的检测技术及其组成、应用方法，通过优化检测设备入水状态、数据处理解译及数据应用分析，在海底管道磁异常实测结果基础上，分析管道路由数据与设计竣工路由间的偏距、管道埋深等数据的关系，得出结论如下：
⑴基于磁异常检测的海底管道探测技术可有效探测出埋设管道的磁力异常特征，据此解译出的管道路由偏距、管道埋深等数据，可有效显示出海底管道埋藏状态，探测数据符合管道路由勘察评价标准规范。
⑵)该技术优化了设备布设及作业方案，可以实现深埋海底管道磁异常特征的良好检测，在实际海底管道探测与稳定性评价应用中效果良好，对海底管道路由完整性评价具有很好的借鉴指导作用。
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END
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【作者简介】文/淳明浩 姚志广 杨肖迪 罗小桥 徐爽，分别来自中国石油集团工程技术研究有限公司和中国石油集团海洋工程重点实验室。第一作者淳明浩，男，1988年生，工程师，硕士，主要从事海洋工程勘察测绘方面研究。本文为资助项目，中国石油集团科技研发项目——软土地基海洋管道路由调查评价技术研究(F-D80019B2.01)。文章来自《海岸工程》（2020年第2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。
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