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1、海底管道是海洋工程建设中最常见的一类工程设施。铺设在海底这样一个特殊的工程地质环境中，有些区段长期受到海流和潮流的交替冲刷，对海底管道路由区形成侵蚀作用，致使管道逐渐出现裸露、悬空和平面位移以及管道损伤等情况，这将对管道安全运行和生产以及海洋环境造成极大的事故隐患。为保证海底管道的安全运行，对其平面位置和埋藏状态进行定期检测就显得非常必要。一般检测内容包括获取管道路由区域内水深、海底地形地貌、海底管道赋存状态数据等,检测方法包括多波束测深、单波束测深、旁侧声呐扫描和高频浅地层剖面测量等。其中，高频浅地层剖面仪是检测海底管道最直接的设备，因此，浅地层剖面仪的选择关系到管道的检测效果和后期资料的解
2、释质量。根据浅地层剖面形成原理，浅地层剖面仪含有2个关键的参数：发射功率和发射频率，低频穿透深度大，但分辨率低；高频穿透深度小，而分辨率高。以往使用的浅地层剖面仪如基于采用线性调频脉冲（CHIRP）技术的EdgeTech3200XS系列或频率固定的GeoAcoiJsticsT14等，为了兼顾足够的穿透深度和较大的分辨率，其换能器往往大而笨重，而且发射的波束角大，影响了对地层的分辨率。近年来，海洋研究所引进了一种以非线性调频（参量阵）为原理的新型浅地层剖面仪，即德国Innomar公司生产的SES-2000浅地层剖面仪。本文简要阐述了该设备的工作原理和基本配置参数，并以1.NG海底管道检测为例进行
3、了应用效果分析，获取的基础数据为海底管道日常维护提供了科学依据和技术支持。一、设备工作原理根据水声学原理，声学参量阵是一种利用非线性声学现象，在声场的远场产生差频和频谱信号的声发射装置，即参量阵声呐在高压下可同时向同一方向发射2个频率接近的主频高频初始声波信号（Fl、F2）,当穿过水体时，产生一系列二次频率，其中一个高频主频（Fl）用于探测海底深度，而两个主频之差（FlF2）具有较强的穿透性，用来探测海底浅地层内部结构。相对于传统的线性浅地层剖面仪，参量阵声呐换能器可以发射脉宽很短的尖脉冲低频声波，且波束角较小，没有旁瓣，因此波束指向性好，图1所示，1表示IoKHZ线性调频声呐的波束指向性，2
4、表示10KHZ参量阵声呐的波束指向性，3表示100KHZ线性调频声呐的波束指向性，明显参量阵声呐波束指向性更好。在低的信噪比情况下这种尖脉冲声波信号更加容易识别，能够反映出细小的沉积物界面声阻抗的变化。图1参量阵声呐和线性声呐的波束指向性比较InnomarSES-2000浅地层剖面仪实物见图2,其采用2个100KHz的频率作为主频，可根据测量的不同目的选择合适的频率和发射脉宽，其差频率有5、6、8、10、12、15KHZ等多个低频，波束角1.8,发射脉冲长度66800s,低频发射波形有CW波、RiCker波、1.FM(CHIRP)波可选择。作业水深1500m,最大地层穿透深度50m,最小分辨率
5、优于5cm,声波发射和信号接收集成与一个换能器中，其尺寸30CmX26Cm义7cm,空气中重量22kg,具有轻巧便携的特点，非常适合近岸浅水区海洋工程测量，有“管道探测仪”的美称，在Inne)marSES-2000浅地层剖面仪采集界面上可直观识别出管道。该系统由主机、换能器和涌浪滤波器组成，操作系统为WindOWS7,主机上有显示屏，便于现场观察和参数调节。图2参量阵浅地层剖面仪SES-2000实物图图3SES-2000换能器实测安装位置图二、数据采集过程1 .检测方法1.NG海底管道长度约5.5km,管道外直径813mm,壁厚17.5mm,管道材质为API51.标准的直缝埋弧焊钢管，外包裹4
6、9mm混凝土配重保护层，管道铺设进行后挖沟并埋设，管道埋深为1.5m,管沟采取碎石回填和原土掩埋的方式，海底面受海流自然回淤。管道运行以来，局部受潮流冲刷侵蚀出现裸露或悬空，运营方曾采取沙袋填埋方式，对海底管道裸露及悬空段进行保护。探测海底管道的浅地层剖面测线布设以横切管道为原则，垂直管道中心线走向为主测线，用来探测水深与管道埋藏情况，以及管沟海床侵蚀情况。检测线间距25m,测线长度以管道路由中心线为轴线向两侧各150m。根据现场实时探测初步结果，发现管道裸露、悬空处需要进行测线加密。导航定位使用加拿大HemiSPhereRIlC)DGPS定位系统，定位水平精度优于0.5m,方位精度可达03。
7、涌浪矫正使用法国SMCIMU108涌浪仪，涌浪分辨率0.01m,测量精度5cm,实时监测和输出高精度的横摇、纵摇和升降数据用于检测数据涌浪补偿矫正。本次检测使用木质小船，有效降低了船体机械噪音，船速控制在5节左右，沿测线保持直线匀速行驶。测量时，GPS定位天线位置和换能器位置处于同一铅垂线下以减小测量误差，涌浪滤波器靠近换能器，换能器杆用支架固定安装在船侧舷中部，以避开发动机噪音和尾流气泡生产的影响，吃水深度在1.2m(图3)。由于发射频率的大小决定了穿透深度和图像的分辨率，因此，开始检测前，应根据测区水深、底质条件，充分调试仪器，选择适合本海域海底地层的最佳参数。1.NG管道路由区海底底质以
8、泥砂质沉积物为主，地层厚度较薄，且目前管道掩埋平均深度约l5m,经过仪器反复调试，选用检测频率为1012KHZ,增益约1822,记录长度Iom为工作参数，可获得高质量检测数据。2 .数据处理SES-2000浅地层剖面仪可同时记录2种格式数据，一种为通用的RAW格式的原始数据，一种为自定义的经过预处理的SES格式的数据，该数据格式可转为标准的Segy格式共第三方软件处理。系统自带专门的数据后处理软件ISE2.0,只能加载自身采集的RAW格式和SES格式的数据。数据处理流程与一般的声学剖面资料类似，通过频带宽门限设置、调整时变增益、去除水体和机械噪音、调整压缩比和平滑等参数，在高频和低频下，可以分
9、别读取水深和管道掩埋深度数据，输出ASCl格式数据，可进行海底地层的划分和厚度计算等。三、应用效果分析根据同步调查时多波束和侧扫声呐所得的地形地貌资料分析（图4、5）,1.NG管道路由水深320.5m,平均水深约15m。路由区地形崎岖不平，由东向西水深变浅，地形逐渐抬高，形成东低西高的坡地。垂直管道两侧地形基本平坦，顺管道展布“U”型沟槽，管沟明显。地貌类型主要发育海底沙波等自然地貌和采砂痕迹、以及拖锚痕迹等人工地貌。B6A,SMnSWM4MH9MMX=5图41.NG管道路由区水深地形图图51.NG管道路由区地貌图根据声学反射原理，海底管道等水平圆柱状体的声学反射呈抛物线状强反射，即管道在剖面
10、特征图像为上凸的半圆弧。可以根据管道反射半圆弧顶部与海底之间的距离判断管道的埋藏深度及管道埋藏状态，资料解译时利用该特征先识别出管道所在位置，再计算出自海底面到管道顶部深度值之差，来判断管道赋存状态。当海况较差等原因致使获取的外业资料品质较低时，海底管道有可能因形成的假信号而难以判别，处理资料需要充分对比高频和低频海底反射信号特征，以准确获取海底管道的位置和埋深数据。另外，管道悬空与沙包回填之后信号的变化，也要结合以往的检测经验和历次检测成果对比分析，才能准确判别当前管道的真实赋存状态。本文中根据InnOmarSES2000实测资料，将1.NG海底管道赋存状态一般分为埋藏、裸露和悬空3种类型（
11、图6）,并绘制了管道埋藏剖面图（图7）,可以看出，管道大部分处于埋藏状态。图61.NG海底管道赋存状态实测图X/m图71.NG管道埋藏剖面图1 .埋藏状态埋藏管道指浅地层剖面上曲线顶部在海底之下的管道，见图6ao管道位置的反射弧信号清晰，反射界面强，海底界线明显，对沙包回填治理后的管道也能有效探测，易于识别。海底面以下沉积层组不连续，海底下凹为当时开挖掩埋的管沟，管道埋藏于海底面以下，管道处于稳定状态。根据反射曲线顶部与海底面的高度差，得出管道埋藏深度，经计算，1.NG海底管道约85%处于埋藏状态，平均埋深1.5m,2 .裸露状态裸露管道指管道顶部出露于海底表面之上的管道，且裸露高度小于管道直
12、径。浅地层剖面显示反射弧圆滑，能量强且清晰，剖面图上可直观判断位置，见图6bo说明管道出露位置处于强冲刷作用的区域内，管道状态不稳定，存在悬空的可能。经结果分析，1.NG海底管道约10%处于裸露状态，平均裸露高度0.3m。3 .悬空状态悬空管道指管道顶部离海底的高度大于管道外径，即管道下部与海底不接触，存在悬空或半悬空状态，一般为海流侵蚀管道底部造成。悬空管道的最大特点就是信号圆滑清晰，屏蔽现象明显，弧状信号之中无绕射现象（图6c）。实测表明，InnomarSES-2000浅地层剖面仪对悬空管道反射作用强，1.NG海底管道约5%处于悬空状态，主要位于管道近岸段水流冲刷严重的区段，需回填治理。四
13、、结论通过对1.NG海底管道检测的实际应用，证明参量阵浅地层剖面仪InnomarSES-2000具有分辨率高、抗干扰力强和较好的穿透性能，能获取高品质的管道检测数据，在海底管道的检测中应用效果良好。利用InnomarSES-2000获取的高分辨率管道剖面图，根据管道埋藏深度将1.NG海底管道赋存状态分为埋藏、裸露和悬空等3类，整体管道以埋藏为主。检测数据能准确高效地揭示出管道的海底赋存状态和管道所处的地形情况,为海底管道的安全运行和治理施工效果的评价提供了科学依据和技术支持。附：SES-2000（标准版）浅地层剖面仪在海洋勘测中的应用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
14、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一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0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
15、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1 .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
16、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(tl和t2)作为主频。当声波在水体中传播时，会产生诸如tl、t2、(tlt2).(tl-t2)s(t2tl)s2tl2t2等的二次频率，其中tl、t2、(tl+t2)2tl、2t2等高频用于探测水深，且分辨率高。因tl,t2的频率非常接近，(t2-tl)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。2 .技术参数SE
17、S-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1SES2000(标准版)浅地层剖面仪技术参数项目内容指标主频/kHz约100(85-115)差频4、5、6、8、10、12、15主声源级别/240发射(dBPare1m)单兀0.071.3脉冲长度ms脉冲频率/s60脉冲类型CW、RiChCr、1.FM(ChirP)主频测深、底部跟踪接收差频浅剖数据、多频模式单元采样频率/（kHzHD9624工作水深/m0.55OO穿透能力/m50件能指标分辨率/cm5HRP姿态补偿升沉、横摇二、浅地层剖面
18、仪在海洋勘测中的应用1.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义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2 .海底管线路由勘察中的应用在某海域进行海底路由管线20Okm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
19、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（2m3m）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
20、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3 .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
21、。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）。海底图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某海域管线典型2个弧线实例4 .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
22、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200mX200m0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。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
23、侧共发现3处桩穴，桩穴直径大小在1.5m2m之间（如图5所示）。图5海上某石油平台西南侧桩穴图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
24、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20.9m23.8m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）。Itl线值旭*等深溜Z图6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。
