海底电缆埋深探测研究

陈小虎 安兴芳

1. 中海油田服务股份有限公司物探事业部 天津 300451

2. 中海华洋（天津）企业管理服务有限公司 天津 300452

近年来，渤海海域经常出现海底电缆被锚挂断的案例，给油田造成了很大的经济损失。为了保障海底电缆安全有效的运行，开展海底电缆外调查活动，及时掌握其位置及状态，对有裸露隐患的电缆进行针对性的管理和维护有着十分现实的意义。本文以渤海某油田海底电缆探测为例，对海底电缆埋深的探测技术手段进行研究。

1 探测电缆埋深的技术手段

TSS350电缆探测仪：带有交变电流的电缆必然会在其周围产生相同频率的交变磁场，当交变磁场通过感应线圈时，就会在探测线圈上产生交变的电压。当使用两组线圈进行探测时，利用几何关系可以计算得到电缆相对于线圈的水平距离和垂直距离，再计算出电缆的路由和埋深。但TSS350电缆探测仪需要ROV搭载，传感器必须接近电缆，由于渤海海域水浅、浑浊度高、渔业活动密集，作业受到极大限制。三维合成孔径声呐：采用合成孔径技术，基元较多，形成三维强度数据，可同时给出掩埋目标电缆的连续路由和连续埋深信息[1]。但设备对海况和船速的要求极高，作业效率低，很难分辨出电缆位置及埋深。EdgeTech系列浅剖仪：采用的是CHIRP技术，其穿透能力要优于参量阵浅剖，但探测分辨率远不如参量阵，可以探测大管径海管，无法探测海底电缆。海底电缆追踪系统搭载重锤：用探测船只搭载探测设备以S型航线不断横穿海缆估计路由前进，每次横穿海缆正上方时都可以测到明确的磁场异变点，将这些探测到的异变点连接起来就可以得到海缆路由数据。对于适宜作业的区域，使用水下悬垂重物搭载重锤式海缆埋深探测设备，能对0～5m埋深的海底电缆实施高精度探测。SES2000浅地层剖面仪：标准型探头较小，发射的能量较弱，如电缆太细，难以满足探测深度及相应分辨率。中剖可发射非常短的脉冲，脉冲无响声干扰，最高垂直分辨率5cm，穿深大于70m，极窄的波束角使设备十分适应浑浊水域。

2 确定探测电缆埋深的方法

以海底电缆外径及底质为前提条件，确定参量阵浅剖仪型号；以高精度要求为基本原则，选用导航定位及辅助设备；以海上现场的具体环境，确定作业工序和作业方法；以不同地质的特征库为依据，准确判读影像，做到数据可靠。

采用高分辨率中剖（SES2000-Medium）：设计优化，采用高脉冲频率和高宽带设计；最小波束角+高分辨率+深穿透，使设备适应浑浊水域；系统可发射非常短的脉冲，脉冲无响声干扰。采用高精度惯导POSMV系统：当卫星数＜4颗时，系统短时内保持稳定，定位更稳定；时间同步精度达到微秒级，而常规姿态仪的同步精度只能达到毫秒级，数据更连续；GNSS定向+陀螺仪定向+加速度计定向技术，姿态补偿更优。建立电缆特征数据库：保证数据采集质量、较好的海况有利于获取好的数据影像；增加采样率、控制船速＜4节，增加横切时间，利于成像清晰；加密探测，按正常断面间距的2倍加密探测；准确记录，过缆顶时做好打标记录。

3 工程项目实例

3.1 测线布设

使用新型浅地层剖面仪时，以海底电缆为中央线，垂直于中央线设置横测线，重点调查电缆后挖沟埋深情况。调查中，若发现电缆悬跨区及可疑区，应做详细调查。垂直电缆路由方向布设加密测线进行浅剖和水深测量。控制现场调查船速4节左右，增加采样率，延长横切时间。

3.2 设备布场

室外安装设备时，为避开遮挡物，全球卫星定位系统（GPS）天线安装在浅地层剖面仪顶部；测深仪和浅地层剖面仪通过支架竖直固定在测量船的左舷，选择测量船重心附近的船舷位置固定仪器支架，在此位置安装仪器能远离船主机、泵和螺旋桨，并能有效避免测量船摇摆及噪音干扰；侧扫声呐拖鱼安装于右舷，通过支撑杆伸出船舷侧向拖曳，以避开船体对声呐扫宽的干扰；电缆探测仪采用船舷安装；磁力仪采用尾拖法测量。

3.3 探测方式

对海底掩埋的电缆来说，浅剖仪发射的探头换能器在未达到目标物正上方时，由于侧边波束先抵达目标物并反射回接收器，此时目标物与换能器距离较远，目标物特征将呈现在目标物实际位置的正下方。当浅剖仪在目标物正上方时，所呈现的位置为剖面中最高点；当浅剖仪离开时，与目标物距离逐渐增加，其影像特征将渐渐显示在目标物实际位置的下方。依据上述说明，浅剖仪在搜寻、辨识与定位电缆时，基本上能得到弧线图像[2]。

高精度惯导POSMV系统姿态补偿更优，GNSS定向与陀螺仪定向与加速度计定向技术三者结合；卫星颗数小于4颗时，系统短时间内保持稳定；时间同步精度达到微妙级，数据也更连续。因而能在GPS信号不稳定、海况欠佳的条件下作业。

3.4 数据判读

3.4.1 数据处理

导航数据处理：首先对导航数据资料对照计划线进行全面的检查，剔除定位误差较大测点。然后根据各个仪器不同的位置偏移量及航向，推算各自相应的平面位置。水深数据处理：首先将对照模拟记录测深卷对电子数据进行检查，剔除错误的数值。然后进行潮位、声速改正，按照50m点间距对数据进行排序抽稀。 地貌数据处理：首先对侧扫声呐数据进行水体移除、偏移量改正、倾斜改正、TVG调节等必要的处理，再提取海底特征地貌和可疑目标坐标和尺寸。处理过程中着重参考了水声学中声波在海底不同介质中的反射、散射原理，结合该海区海洋动力因素，力求仔细分辨出桩穴、海底冲刷以及明显的障碍物[3]。电缆数据处理：首先识别剖面记录上的干扰波，去除地质假象，初步分析各层面的空间形态及层间的接触关系。根据测区资料进行时－深转换，计算电缆埋藏深度。磁力仪数据处理：调查过程时当磁力仪经过管线和电缆上方时会出现磁力异常反应，此时打标记录磁力异常的位置。电缆探测仪数据处理：探棒垂直海平面、垂直电缆走向穿越电缆可精测电缆位置。接收机收到的信号有一个弱、渐强、强、零、强、渐弱、弱的过程。其中信号突然变零时，探棒的正下方即为电缆位置。

3.4.2 格式转化修正

结合原始数据与高分辨率SES3数据对比分析；数据检核校正，修正姿态及位置误差。

3.4.3 建立特征数据库

建立电缆埋深探测的声学影像特征数据库，包括渤海各作业区不同地质类别的声学反射特征、各种电缆直径的声学反射特征、各种埋藏深度的声学反射特征等。

3.4.4 数据判读

电缆直径一般为10～15cm之间，对设备分辨率要求高；海水浑浊，对声学信号干扰大；当海底为致密的砂质时，海底反射能量强于电缆能量不好分辨；当电缆埋深很浅，电缆绕射与海底反射会产生叠加亦不好分辨。因此，裸露海底电缆平面位置和埋深通过侧扫声呐数据和浅层剖面仪数据综合分析得出；埋藏海底电缆平面位置和埋深通过浅地层剖面仪数据、磁力仪数据和电缆探测仪数据综合分析得出。

3.5 数据验证

3.5.1 吸泥开挖验证

通过潜水作业吸泥开挖将埋藏的电缆露出缆顶2m长，潜水员在缆顶用温深仪测3个点的值，取缆顶水深平均值；吸泥前在开挖点的半径2.5m的圆周上选4个海床基准点，取平均值为海床水深；两数据的差为电缆潜水开挖复测埋深。经现场验证，潜水开挖复测埋深数据与探测埋深数据基本一致。

3.5.2 数据复测验证

通过第三方使用中科探海公司的三维合成孔径声呐进行扫侧，结果显示平面位置基本一致，大部分剖面反应的深度基本一致，局部由差异，据沟通，中科探海解释为潮汐引起，后续将优化解释模块。

4 结论及建议

通过项目应用、现场的吸泥开挖及数据复测，均验证了SES2000-Medium型浅剖仪结合高精度惯导POSMV系统，对海底电缆埋深探测精度的准确性和可靠性。

在现有设备和技术条件下，深度挖掘声学设备SES2000-Medium型浅剖仪的最佳探索参数以及改进调查时船舶航速等对图像的影响。

储备并完善电缆特征数据库，为深水区海缆埋深探测技术开发与应用打好基础。

对特殊地质区域（致密含砂黏土层、碎石和压块覆盖的航道区）进行新技术手段测试，进一步提高勘测技术。