海洋技术▏SES-2000（标准版）浅地层剖面仪在海洋勘测中的应用

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浅地层剖面仪是一种连续性走航式的地球物理勘测方法，它的直接测量成果是双程反射时间剖面，其物理本质是地层界面间声波阻抗的反映。随着海洋石油资源的加大开发，我国海洋石油的运输命脉－海底石油管线的铺设也在逐年增长。在时间的考验下和海底这样一个具有复杂的海洋动力、强腐蚀性和人为因素的条件下，管道在海底的赋存状态都会发生裸露、悬空和埋藏深度变浅的现象。在勘察海底管道的位置与埋深的测量中，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。基于声学勘探原理，结合浅地层剖面仪的功能和性能及钻井平台井场作业对地层的扰动等特征，分析管沟绕射弧的类型与特点、钻井平台插桩作业扰动地层的声学特征等，提出管沟中海管绕射弧的识别方法。

一、浅地层剖面仪简介

⒈工作原理

SES－2000（标准型）浅地层剖面仪是利用声波探测海底地层剖面结构和测量水深的仪器。声波作为一种信号载体，其在水中传播会发生反射，具备反射的最主要的因素是反射处界面两边介质的性质存在明显不同。浅地层剖面仪的发射基阵有规律地向水下发射声波，声波通过海水到达海底以后发生发射和透射，较高频的声波海床处发生反射并返回剖面仪的接收基阵；较低频的声波穿透海底底质沿着声波传输的法线方向继续向下传播，在下一个分界面处再发生反射和透射。声波在传播过程中声能会逐渐损失，直到耗尽为止。

参量阵浅地层剖面仪声纳是在高电压换能器的作用下，同时向水底发射两个频率接近的高频声波信号（t1和t2）作为主频。当声波在水体中传播时，会产生诸如t1、t2、（t1＋t2）、（t1－t2）、（t2－t1）、2t1、2t2等的二次频率，其中t1、t2、（t1＋t2）、2t1、2t2等高频用于探测水深，且分辨率高。因t1，t2的频率非常接近，（t1－t2）、（t2－t1）频率的很低，该频率的声波具有强的穿透能力，故用来探测海底浅地层底质剖面。应用时需保持高频时的波束角不变。SES－2000（标准版）浅地层剖面仪采用了2个约100KHz频率的发射换能器作为主频声纳，由于100KHz的发射换能器有一定的带宽，因此利用差频可以获得多个低频声波。

⒉技术参数

SES－2000（标准版）浅地层剖面仪的技术规格，如表1所示：在海上作业过程中，根据作业海域和作业成果要求的具体情况而设定相应的参数，使得测量结果清晰可见。

表1 SES－2000（标准版）浅地层剖面仪技术参数

二、浅地层剖面仪在海洋勘测中的应用

⒈设备使用及安装

SES－2000（标准版）浅地层剖面仪在常规测量船（30×6）上采用侧舷悬挂式安装。为了使测量任务的完成，浅地层剖面仪的使用还需要姿态传感器对船舶行进过程中的横、纵摇动等进行数据补偿、GPS提供卫星定位导航数据等设备（如图1所示）。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。测量船速采用低船速，匀速直线航行的方法进行作业，船速始终在5节左右即可。

图1 浅地层剖面仪测量设备布局图

⒉海底管线路由勘察中的应用

在辽宁某海域进行海底路由管线200km的勘察作业中，测线布设垂直于管线走向，测线长200m，测线间距50m，由于本次测量的任务为测量管线的赋存状态，在作业前对设备进行系统测试和校准，声波的发生频率设置较高12KHz左右，完全穿透管线的埋深即可。由于人为和自然因素的影响，管线的赋存状态发生了由正常深（2m～3m）到浅、再到裸露、再到悬空的变化。

管线的裸露和悬空都对海洋石油的安全生产存在着隐患，所以准确了解管线的赋存状态是很有必要的。海底路由管线是具有混凝土配重层的双层钢质管道，密度性质与周围海底底质沉积物存在明显的差异，因此在浅地层剖面勘测映像图上会出现清晰的反射弧特征。其声学反射呈抛物线状的强反射，形成“衍射弧”，抛物线顶部与海床间的距离即为管线的埋深，可通过浅地层剖面仪的成像直观地反映出来。

悬浮状态的管道大多受到海底水流的冲刷，管道下的沉积物被掏空，海底有明显的冲刷痕迹。在浅层剖面图上，水流冲刷悬空管道的绕射范围较大，绕射波顶部到海床的距离大于管道直径。悬空管道底部常出现V形冲沟，是管道堵塞水流向下冲刷形成的。悬空管线“衍射弧”顶端高于（露出）海床面且高出部分大于管道直径（图2a）。裸露管线下方存在的水流冲刷痕迹在浅剖图上看不出明显的“V”型现象，其“衍射弧”顶端高于（露出）海床面且高出部分小于管道直径（图2b）。埋藏管线海床比较平整，其“衍射弧”顶端低于（埋于）海床面（图2c）。

图2 海底剖面管线赋存状态

⒊埋藏状态下管顶位置的识别

海底管线附近的海床由于海水的冲刷作用，会形成深深浅浅的冲刷沟。浅地层剖面仪在海底管线勘察作业中，在冲刷沟处的地层剖面中会形成一条与管线声学类似的衍射弧，影响管线顶端的判定（如图3所示）。

图3 管沟对应的浅地层剖面声学反应示意图

为了找到准确的管顶位置，首先要把海底弧线和管顶弧线与多弧线区分开来。根据管道的弧线特征，它是对称的，向下延伸很长，很容易分辨出海管的弧线，然后沿着弧线跟踪。如图4所示的点T63的位置为管顶。沟渠斜坡的顶部将在图像中形成一个交叉点。可见，点1不是沟底，点2是沟底，说明管道埋在地下。

图4 辽东某海域管线典型2个弧线实例

⒋海洋采油平台井场调查中的应用

海洋采用平台井场调查是海洋油气进一步勘探开发中一个重要过程，其调查结果将对钻探平台插桩的安全产生很大影响。在井场调查中，井场区域范围一般为平台距离井口近的一侧200m×200m。为钻探平台就位进一步施工做前期的安全排查工作。调查测线以网格状布设，采油平台附近测线加密，分主测线和联络测线。作业前对浅地层剖面仪进行系统测试和校准，作业时采用低频发射波，保证较大的地层穿透深度，满足成果要求。

⑴查找钻井船桩腿的位置

前期插桩遗迹是指平台建设期钻井平台插拔桩后形成的桩穴。桩穴位置的地质层理由上到下明显区别于周围的地质层理，桩穴下方地质层理被完全打断，桩穴与周围地层在物质组成和强度上均存在突变的界面，在声学反射特征上，受砂质类回淤物质影响反射信号较强。浅地层剖面调查结果显示，在海上某石油平台东南侧共发现3处桩穴，桩穴直径大小在1．5m～2m之间（如图5所示）。

图5 海上某石油平台西南侧桩穴图

⑵井场范围内水深数据的测量

测量前，利用声速剖面仪测量海水中声波的传播速度，精确量取收发换能器的吃水深度，在浅地层剖面仪采集数据的软件中输入平均声速和吃水。根据当前海域水深数据，调整仪器增益使得勘测图像清晰。利用Hypack软件对全部水深值进行吃水实时改正，勘测水深由Hypack软件记录，水深数据同时进行模拟打印输出。测量过程中瞬时水深数据和定位数据自动记入计算机，形成Hypack原始记录数据文件，并同步进行水深模拟打印，提供内业资料处理使用。为了防止因涌浪造成对水深值的影响，内业水深处理数据时应加入涌浪改正数据。

海底面整体相对较为平坦，局部和平台近端存在凹凸地形，测区范围内水深分布在20.9m～23.8m之间，最深水深位于海上某石油平台西南侧的桩穴内，深度为23.8m，最浅水深位于靠近平台的两个桩穴之间，深度为20.9m（如图6所示）。

图6 曹妃甸某平台西南侧水深图

三、结束语

利用浅地层剖面仪的声学特征以及海管与地层之间和不同地层之间的声阻抗差异特征来实现海底管线的路由勘察以及海洋石油平台的井场调查作业，是海洋勘察的一种重要技术手段。它具有成本低、效率高的特点，根据浅地层剖面仪的声学特征，正确合理的使用是快速高效进行海洋勘察的关键。在海洋石油勘察的工程中，对于复杂的工程，要根据实际情况将其与其他声学、磁学、电学方法配合一起进行勘测。

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【作者简介】文/杨阳 宋显雷 曲志鹏，均来自天津市陆海测绘有限公司。第一作者杨阳，1991年出生，男，陕西西安人，硕士，工程师，从事海洋测绘工作。文章来自《北京测绘》（2020年第8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”微信公众平台编辑与整理。

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