趙 槊(中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部 水下工程技術(shù)中心，天津300451）

?

海底電纜外部調(diào)查檢測方法的探討

趙 槊
(中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部 水下工程技術(shù)中心，天津300451）

摘 要：針對海底管纜外部檢測以及路由調(diào)查中，調(diào)查方法應(yīng)用出現(xiàn)的問題，分析了海底電纜探測調(diào)查的技術(shù)方法。目前主要有磁力儀、水上電法探測設(shè)備及淺剖儀的水上電纜檢測及潛水員扦插探摸結(jié)合超短基線定位設(shè)備的水下電纜組合探測兩種。根據(jù)水上電纜檢測的特點(diǎn)，研究在一定水深情況下各系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案，克服設(shè)備之間相互影響及干擾，確保系統(tǒng)測量精度。根據(jù)水下電纜檢測的特點(diǎn)，研究結(jié)合超短基線定位設(shè)備的潛水員潛水扦插探摸的水上組合式電纜探測方式，分析該檢測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：海底電纜 探測 優(yōu)化配置 磁力儀

0 引言

隨著我國對海洋石油的開發(fā)，海域使用開發(fā)活動(dòng)日益頻繁，海底輸送管道及海底電纜的數(shù)量以驚人的速度在不斷增加。同時(shí)，隨著海島資源開發(fā)和海洋資源開發(fā)進(jìn)程的加快，海底電纜的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在海洋工程、跨海通信和新能源開發(fā)等領(lǐng)域海底電纜在電力傳輸、跨海通訊和海洋油氣田的開發(fā)等領(lǐng)域具有其他手段無法替代的優(yōu)勢、然而海底電纜鋪設(shè)后由于沖刷、腐蝕、海底地質(zhì)災(zāi)害等原因，會(huì)出現(xiàn)不同程度的位移、裸露、破壞。因此，必須定期對海底電纜及管道進(jìn)行檢測和維修；同時(shí)，隨著海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及開發(fā)活動(dòng)的日益頻繁，人為損壞的事故正急劇增加，海底電纜發(fā)生故障后，往往不能立即修復(fù)，不僅修復(fù)費(fèi)用昂貴、維修周期長，還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和難以預(yù)料的影響。因此，無論是海底電纜定期檢測還是應(yīng)急搶險(xiǎn)維護(hù)，準(zhǔn)確、快速找到海底電纜的路由走向及位置是必要前提，本文主要對我國目前較集中的近海海底電纜外部調(diào)查的檢測方法及優(yōu)化組合方法進(jìn)行一下探討。

1 現(xiàn)有海底電纜探測方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 聲納探測

早期埋設(shè)的海底電纜受當(dāng)時(shí)施工技術(shù)水平的限制，裸露于海底情況較多；已鋪設(shè)的海底電纜在鋪設(shè)后由于沖刷、腐蝕、海底地質(zhì)災(zāi)害等原因，也會(huì)出現(xiàn)不同程度的裸露。裸露于海底的電纜是非常危險(xiǎn)的，極容易受到外力的影響而受到損傷，因此，如何快速準(zhǔn)確的獲取裸露的海底電纜路由及位置是非常重要的，目前，采用聲納探測來獲取的方法是行之有效的。聲納調(diào)查設(shè)備的原理是利用波束與其海底投射點(diǎn)的相互作用產(chǎn)生聲能的變化，反映海底及裸露物體的狀態(tài)。在海底管道/電纜的外部檢測中，目前常用的設(shè)備有側(cè)掃聲納、掃描聲納等。當(dāng)前的高頻數(shù)字聲納分辨率是非常高的，從理論上講，聲納能夠在正常調(diào)查中顯示出直徑小于1cm的合成纖維繩。

聲納探測的優(yōu)勢是設(shè)備便攜，安裝調(diào)試簡單，走航式調(diào)查效率高，單條測線掃測范圍寬；缺點(diǎn)是只能探測裸露電纜和電纜埋設(shè)溝痕來確定海纜狀況，要獲取清晰的聲納影像資料還需選擇良好的海況情況下作業(yè)，在水深較深情況下要獲取精確地裸露海底電纜影像資料和位置還需要深拖聲納拖魚并進(jìn)行USBL定位[1]。

1.2 磁力探測

海洋磁力測量主要通過測量區(qū)域磁場的異常變化，判定區(qū)域是否存在磁性障礙物，具有分辨率高，不受海底管纜以及障礙物是否漏出或掩埋的局限。海洋磁力測量對探測磁性物體尤其是掩理的物體有其它測量手段無法比擬的優(yōu)勢，因此在數(shù)據(jù)采集和磁力異常數(shù)據(jù)處理上受到越來越多的重視和研究。目前測量的方式已經(jīng)由基于單個(gè)磁力測量拖體發(fā)展為多探頭的海洋梯度儀，它可以實(shí)施準(zhǔn)確三維梯度向量測量，測量目標(biāo)的確切位置，并且立即顯示在地圖上。在應(yīng)用上消除了日變改正的需要，減少了設(shè)備和操作的成本。

在理藏的海底電纜的調(diào)查上，普通的聲學(xué)設(shè)備如管線儀等精度難以達(dá)到，海底電纜含有鐵磁性材料，當(dāng)通電時(shí)，將產(chǎn)生附加磁場。因此，通過磁力測量方法可以對埋藏的海底電纜進(jìn)行有效探測，獲得海底電纜的磁異常特征以及特征變化規(guī)律，確定其存在狀態(tài)[6]。

磁力探測的優(yōu)勢是設(shè)備便攜、操作簡單、走航式作業(yè)，可以探測理藏的海底電纜；缺點(diǎn)是磁力儀拖魚尾拖需達(dá)到3倍以上測量船船長，一般要求拖魚具海底深度3m以內(nèi)才能獲取有效海底電纜磁力異常信號，為保證定位精度及拖魚姿態(tài)穩(wěn)定性，測量船應(yīng)盡量在海流速度較小的平流期作業(yè)，船速一般不大于3節(jié)，作業(yè)區(qū)域及周邊要求干凈（無鋼管樁及導(dǎo)管架等大的強(qiáng)磁性水上建筑物如海上平臺(tái)等存在）[2]。

1.3 電法探測

電法探測設(shè)備的原理是根據(jù)海底電纜與巖土之間電磁性質(zhì)的差異，探測人工產(chǎn)生的或自然界本身存在的電場與電磁場。隨著科技發(fā)展，海上電法勘察在海底電纜外部檢測中得到的應(yīng)用越來越廣（如武漢海軍工程大學(xué)自主研發(fā)的SCD-08是一款海纜探測儀），尤其是在海纜出現(xiàn)故障進(jìn)行搶修、快速尋找其斷點(diǎn)應(yīng)用方面上，在海纜中注入低頻電流信號，發(fā)信機(jī)一般可以對25Hz、50Hz、133Hz三個(gè)頻率的信號進(jìn)行激勵(lì)，較低的25Hz可以在大水深或電磁環(huán)境比較復(fù)雜的場合使用，50Hz可以用于大水深無工頻干擾的情況下使用，133Hz頻率在水深較淺、電磁環(huán)境較好的場合能獲得更好的效果；導(dǎo)體通過交變電流，其周圍產(chǎn)生電磁場，并向空中傳播；海底電纜發(fā)生故障后，其芯線（或金屬保護(hù)層）與大地（海水）構(gòu)成回路，當(dāng)在海底電纜與大地之間傳送一定功率的交流信號時(shí)，便在電纜周圍產(chǎn)生電磁場，并通過海水（衰減）向海面?zhèn)鞑?。用海纜探測接收機(jī)把此信號接收下來，根據(jù)接收信號的強(qiáng)弱，即可判斷出海纜的位置。當(dāng)探測點(diǎn)越過故障點(diǎn)后信號不會(huì)通過，接收機(jī)就收不到信號，以此可確定故障點(diǎn)的位置。

在海底電纜出現(xiàn)故障并進(jìn)行搶修、快速尋找其斷點(diǎn)應(yīng)用方面，SCD-08型海纜探測系統(tǒng)有其優(yōu)勢，在海底電纜外部檢測中的復(fù)雜區(qū)域（如平臺(tái)等海上構(gòu)筑物附近），不適用于尾拖式的磁力探測，在這些區(qū)域安裝方便、不需要采用長距離尾托式測量的電法勘察方法，如SCD-08型海纜探測系統(tǒng)將發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢；其缺點(diǎn)是在海底電纜正常外部檢測中需在海纜一端加載信號，這在海洋石油平臺(tái)油氣生產(chǎn)過程中是通常比較難于實(shí)現(xiàn)。

另外，還有結(jié)合ROV的電法探測代表產(chǎn)品TSS管線電纜探測系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是：采用脈沖感應(yīng)技術(shù)可以在不考慮測量載體艏向的情況下提供高精度的測量結(jié)果；DSP數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用可提供質(zhì)量控制信息；大量程的海底埋藏目標(biāo)物探測等，其一般應(yīng)用在深水管道/電纜調(diào)查區(qū)域內(nèi)，本文在此不做詳述。

1.4 潛水員潛水扦插探摸

潛水員潛水扦插探摸電纜結(jié)合超短基線水下定位是海底電纜探測最直接的方式，也是定位精度最高的方式。其優(yōu)點(diǎn)是既能探測海底電纜位置又能確定其埋深情況，定位精度高，近平臺(tái)以及管道/電纜分布復(fù)雜區(qū)域適用性強(qiáng)；缺點(diǎn)是作業(yè)效率低，在路由區(qū)域需要支持船舶拋錨固定好作業(yè)船舶后潛水員方能下水作業(yè)，作業(yè)時(shí)間短，一般僅限于平流期，作業(yè)海況條件要求高，作業(yè)成本高，安全風(fēng)險(xiǎn)性高。

2 海底電纜探測方法優(yōu)化組合

近幾年來，隨著油氣資源的深度開發(fā)，在原有石油平臺(tái)群區(qū)域加設(shè)平臺(tái)以增加油氣產(chǎn)量逐漸提到議程上來。為平臺(tái)施工設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的海底管道/電纜資料是保證作業(yè)安全的關(guān)鍵，現(xiàn)有的海管調(diào)查技術(shù)己經(jīng)成熟，而海底電纜探測方法并不是獨(dú)立使用的，而是根據(jù)調(diào)查區(qū)域內(nèi)水深條件、管道/電纜分布情況、作業(yè)成本、作業(yè)效率及周邊水下建筑物情況優(yōu)化組合來進(jìn)行海底管道/電纜調(diào)查作業(yè)，我們以某油田現(xiàn)役海底電纜調(diào)查工程為例來介紹一下海底電纜探測方法的優(yōu)化組合。

某油田群是我國渤海灣內(nèi)最大的海上石油平臺(tái)群，其擁有近10余座平臺(tái)及單點(diǎn)，平臺(tái)群密集，海底管道/電纜密集分布。調(diào)查區(qū)路由中管線與電纜、電纜與電纜交叉較多，近平臺(tái)區(qū)域內(nèi)管道/電纜更加密集，管道/電纜路由長度短，調(diào)查區(qū)內(nèi)作業(yè)船舶多。海底管道/電纜調(diào)查作業(yè)難度大。針對以上情況，為保證作業(yè)成果的高質(zhì)量、作業(yè)的高效率、作業(yè)的安全性及作業(yè)成本的有效控制，我們進(jìn)行了調(diào)查的優(yōu)化組合。

2.1 管道/電纜路由區(qū)

管道/電纜路由區(qū)內(nèi)管道/電纜分布存在三類情況，第一類是只存在海底管道；第二類是海底管道與海底電纜并存；第三類是只存在海底電纜。

針對第一類僅有海底管道存在的情況，目前調(diào)查方法已經(jīng)很成熟，采用側(cè)掃聲納和管線儀結(jié)合的調(diào)查方法即可實(shí)現(xiàn)有效探測。

針對第二類海底管道/電纜存及第三類僅存海底電纜的情況，要考慮到采用海底電纜探測儀的探測方法需在平臺(tái)上加載信號，這在平臺(tái)生產(chǎn)過程中是很難實(shí)現(xiàn)的，采用ROV搭載TSS管道/電纜探測儀作業(yè)成本太高，業(yè)主單位很難接受。所以針對管道/電纜并存的情況只能采用磁力儀、側(cè)掃聲納及管線儀的組合探測方法，為保證對路由區(qū)裸露管纜及障礙物的有效探測，需至少平行于路由中心線間距50m布設(shè)3條縱測線[3]，為保證磁力儀探測管道/電纜位置的定位精度，需首先采用管線儀對海底管道進(jìn)行有效探測及高精度定位，之后采用磁力儀進(jìn)行一系列校準(zhǔn)、測試后對海底管纜進(jìn)行有效探測，最后利用海底管道位置差分定位至探測到的海底電纜位置，而針對僅存在的海底電纜路由區(qū)，目前采用磁力儀和側(cè)掃聲納優(yōu)化結(jié)合的探測方法來解決，側(cè)掃聲納一般只需平行于路由中心線間距50m布設(shè)2條縱測線即可對裸露電纜及障礙物進(jìn)行有效探測[4]，為保證磁力儀探測的海底電纜位置的高精度，盡量選擇平流期時(shí)作業(yè)，并進(jìn)行往返測量后取其海底電纜平均位置，經(jīng)過潛水員結(jié)合USBL抽檢探摸并計(jì)算后，采用此種方法海底電纜探測精度達(dá)到了±1.92m，完全可以滿足海洋工程設(shè)計(jì)及施工精度要求。

2.2 近平臺(tái)區(qū)

近平臺(tái)區(qū)域內(nèi)一般指以平臺(tái)為中心半徑為250m的作業(yè)區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域內(nèi)海底管道/電纜密集，交叉現(xiàn)象較多，要求管道/電纜調(diào)查位置精度高，是管道/電纜調(diào)查的難點(diǎn)，考慮到作業(yè)效率、成本及安全性，目前采用的是物探結(jié)合潛水探摸組合方法。物探方法即是采用磁力儀、側(cè)掃聲納和管線儀的組合方法，平臺(tái)具有強(qiáng)磁性，磁力儀目前只能探測到距平臺(tái)75m以外的管道/電纜磁異常信號，75m以內(nèi)的管纜磁異

常信號均被平臺(tái)的強(qiáng)磁異常信號覆蓋，無法進(jìn)行有效探測；管線儀僅能獲取海底管道的位置及狀態(tài)，由于是搭載在測量船上，考慮到作業(yè)安全性，一般最近僅能探測到距平臺(tái)50m的距離；近平臺(tái)區(qū)域內(nèi)管纜裸露情況較多，側(cè)掃聲納又可以實(shí)現(xiàn)條帶區(qū)域覆蓋，所以側(cè)掃聲納是近平臺(tái)區(qū)域管道/電纜探測的必要手段。而針對近平臺(tái)區(qū)域內(nèi)物探方法無法探測到的管道/電纜，即距平臺(tái)75m內(nèi)的埋藏電纜和距離平臺(tái)50m內(nèi)埋藏的海底管道就需采用潛水扦插探摸電纜結(jié)合超短基線水下定位的方法解決[5]。

3 結(jié)語

本文根據(jù)我國目前較集中的近海海底電纜外部調(diào)查的檢測方法的實(shí)踐和資料解釋方面的經(jīng)驗(yàn)，對海底電纜的探測方法進(jìn)行了簡要的統(tǒng)計(jì)和描述，并簡述了現(xiàn)有各種海底電纜探測方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后以較為復(fù)雜的某油田群現(xiàn)役海底電纜調(diào)查過程為例來介紹不同條件下的海底電纜探測方法的優(yōu)化組合。但是，海底電纜在工作狀態(tài)下的埋深探測是一個(gè)難點(diǎn)，是一個(gè)亟待攻克解決的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T18314-2009 全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社2009-5-1

[2]鐘獻(xiàn)盛、裴彥良.應(yīng)用磁力儀探測海底電纜方法的探討《海洋科學(xué)》2001年9期

[3] GB/T17502-2009 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社2009.10.30

[4]李家彪、何長志、康壽玲、于曉果、王小波等 GB/T12763.8-2007海洋調(diào)查規(guī)范第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 2007.12.01

[5]馮強(qiáng)強(qiáng)，溫明明，王功祥.側(cè)掃聲納和磁力測量在海底光纜探測中的應(yīng)用《中國科技信息》2014年11期

[6]李鈴，郭忠順，國外隨鉆隨測技術(shù)的發(fā)展概況[J] 石油礦場機(jī)械1982年01期 P49-P60

中圖分類號：TM614

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.012.03

作者簡介：趙槊（1975-），男，河北秦皇島人、工程師，本科，研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物檢測、維護(hù)及完整性管理。

Discussion of Subsea Cable Detection Methods of External Investigation

ZHAO Shuo
(China Offshore Oilfield Services Ltd.Geophysics Division, Tianjin 300451, China)

Abstract：In view of the problems in the external detection and routing survey of submarine pipeline and cable, this thesis analyzed the technical method of submarine cable survey.At present, there are mainly magnetometer, underwater electrical prospecting equipment with shallow anatomy instrument surface cable detection with divers manually positioning detective by carrying ultra-short baseline beacon.According to the characteristics of the surface cable detection, the optimal allocation scheme of each system is studied in a certain water depth, which can overcome the mutual influence and interference between the equipment, and ensure the measurement accuracy of the system.According to the characteristics of the underwater cable detection.The research combined diver carrying with ultra-short baseline positioning beacon device manually positioning detective work with cable detection mode, the application field of the detection system and its advantages and disadvantages.

Keywords:subsea cable; detection; optimization; magnetometer