兩種水下電纜平面探測技術的應用

(天津水運工程勘察設計院， 天津 300456)

0 引 言

隨著近年來海洋開發的迅猛發展，海上采油平臺、海上輸油、輸氣管線的敷設遍布各處海域。平臺之間、平臺與陸地之間不僅有管線互相聯系，更有供電電纜、通信電纜互相聯接。鑒于海底地質復雜，地震、海床塌陷、滑坡、洋流變化、海洋生物及船只拋錨都有可能造成電纜斷裂、破損，影響電纜的安全運行[1]，海底電纜探測和識別已成為海底管纜探測中的一項重要內容。

海底電纜不同于海底管線，由于其直徑較小(一般為50～80 mm)，傳統的精密測深、側掃聲吶等探測手段不能對其進行完整的探測和識別[2]，例如：側掃聲吶僅適用于裸露電纜，在平臺附近等區域或有奇效，但無法得到埋藏電纜的數據；同時，其對于小管徑管線與電纜得到的聲學圖像相似，適用范圍有限；傳統的淺地層剖面儀由于受技術限制，垂向分辨率一般為100 mm，僅對直徑較大的電纜有一定的探測能力。海底電纜擁有的電磁特性為應用電磁法[3-4]手段進行探測提供了一定的基礎。本文分別介紹目前海底電纜平面探測的兩種主要技術手段磁法探測及電磁感應法探測的工作原理，并結合在渤海南部某油田電纜位置探測中的應用成果進行對比分析，總結兩種海底電纜平面探測方法在實際應用中的不同優勢，以期為不同工程中電纜位置探測技術方法的優化組合提供技術參考。

1 兩種水下電纜探測技術

目前水下電纜的探測技術主要有磁法探測和電磁感應法探測兩種。下面對兩種探測原理進行簡要介紹。

1.1 磁法探測原理

海底電纜一般采用特殊的護套結構[5]，主要包括加強的金屬護套、金屬加強帶和鎧裝鋼絲，而電纜結構[6]一般分為導體、絕緣體、內外屏蔽、金屬護套和非金屬護套以及鎧裝鋼絲和外被層。海底電纜本身含有鐵磁性材料，當通電時將產生附加磁場，因此海底電纜的磁場模型T電纜[7]包括：(1)鐵磁性材料產生的磁場T1；(2)海底電纜通電時的附加電磁場T2。

T電纜=T1+T2

(1)

磁場T1由海底電纜鎧裝鋼絲產生，可被看成無限長的水平圓柱體；磁異常形態可用無限長圓柱體模型建立，其自身產生的磁場不僅與海底電纜的走向有關，而且與其有效磁化強度和橫截面磁矩有關。磁場T2可理想化為一無限長載流導線產生的電磁場，其在周圍空間產生的磁場符合比奧-薩伐爾定律[8-9]。海底電纜的鎧裝部分體積較小，產生的磁力異常值較弱，通電時電流磁場占主導地位。磁力梯度儀可測得磁場總強度T，通過分析總磁異常ΔT對海底電纜進行定位[10]。

1.2 電磁感應法探測原理

海底電纜是導體，當電磁感應法探測設備中的發射天線建立一定頻率的一次交變電磁場時，根據電磁感應定律，其在海底電纜內產生相應頻率的感應電流，并在周圍形成二次交變電磁場，其頻率與一次交變電磁場頻率相同。接收天線接收該二次交變電磁場的水平分量，其量值為

Hx=kh/(x2+h2)

(2)

式中：Hx為二次交變電磁場水平分量；k為與海底電纜內感應電流強度有關的因數；h為接收天線至海底電纜間垂直距離；x為接收天線至海底電纜間水平距離。

當接收天線探頭位于水下電纜正上方，即x=0時，二次交變電磁場水平分量最大，由此可確定水下電纜的水平位置[11]。具體探測方法可分為以下兩種：

(1) 直流充電法。利用海底電纜表面具有的金屬屏蔽層，將被測電纜停用并在一端金屬屏蔽層充直流電，另一端接地，使整根電纜周圍形成一個均勻的直流感應電場，采用設備接收該電磁場的水平分量，結合定位設備，探測到的信號峰值位置即為海底電纜的水平位置[11]。此種方法[12-13]也可應用于導電金屬管線探測。

(2) 無源探測法。國內大部分地區的供電標準頻率為50 Hz，在電纜供電時其內部傳輸的交變電流產生交變電磁場，采用設備接收該電磁場的水平分量，定位原理同上[11-13]。此方法的優勢為無需接地、操作靈活方便、效率高、效果好，但在電纜緊鄰或密集的場合應慎用。

2 實例設備介紹

以渤海南部某油田電纜探測為例，項目采用的電纜探測設備分別為電磁感應法探測設備SCD-09海纜探測儀和磁法探測設備G-882磁力梯度儀。

2.1 SCD-09海纜探測儀

圖1 SCD-09海纜探測儀

SCD-09海纜探測儀(見圖1)是海軍工程大學近年來研發的一款海底電纜探測儀，其探測方法基于電磁感應原理，屬于有源電法設備，分為兩個模塊：ZCC-25海纜探測發信設備和ZCC-25海纜位置接收設備。其能夠精確探測海底光纜、電纜路由位置和接地故障點。SCD-09海纜探測儀頻率探測范圍為0～200 Hz，具備0～800 Hz頻譜分析功能，可有效檢測10 nV級的信號并直觀顯示，從而可分析空間信號干擾情況，完成在復雜海洋環境下的海纜探測任務。

2.2 G-882磁力梯度儀

圖2 G-882磁力梯度儀

G-882磁力梯度儀是美國Geometrics公司生產的銫光泵磁力儀，如圖2所示。它是以工作物質的原子能級在磁場中產生塞曼效應為基礎，結合光泵技術和核共振技術構成的[14]。其既可探測物體的固有磁場，也可探測電磁異常。配有高度回聲測深儀模塊，量程為0～100 m，分辨率為量程的0.25%，通過量取拖纜長度結合軟件內置拖曳模型可準確地計算拖魚拖曳時的Layback數值，結合記錄的GPS位置軌跡和速度，實現每個點的精確定位。

3 實際應用對比

3.1 工程概況

按照管纜維護周期規定，渤海南部某油田電纜需進行維護性調查，調查內容為兩平臺間的電纜路由探測，檢查電纜路由是否有障礙物、電纜破壞、電纜位移等隱患存在。該段探測路由全長約2.3 km，路由段內有2條管線及1條電纜平行分布，電纜走向大致為西北-東南向。

采用的調查設備包括：導航定位設備、側掃聲吶、電纜探測儀、測深儀。其中，側掃聲吶主要用于掃測障礙物及裸露電纜。由于電纜直徑小于100 mm，淺地層剖面儀主要用于探測管線位置，采用校核磁法探測電纜位置。

3.2 調查方法對比

本次調查計劃線分為橫測線和縱測線：縱測線垂直于電纜路由，沿東北-西南向布設[15]，間距為100 m，測線長為500 m，共計24條，平臺端盡量靠近并適當加密；橫測線平行于電纜路由，分別于電纜路由及其兩側50 m各布設1條，共計3條。在測量過程中，首先進行側掃地貌調查，之后進行淺地層剖面調查，最后分別進行磁法和電磁感應法電纜探測。

3.2.1 磁法探測

為消除船體固有磁場及電磁場干擾，磁法探測選用木質船舶、船尾拖曳式進行探測作業，拖纜長度應大于3倍船長[16]。由于現場水深為15～20 m、船長為22 m，同時依據單物體在空間產生磁場的原理可知，物體在空中產生磁場是按球狀分布的，而空中某點磁場強度與距該物體距離的3次方成反比[2]，因此為了保證探測精度，設備距海底必須足夠接近，一般保持距離約2 m。對磁力梯度儀G-882不同拖纜長度的測試結果進行對比，確定在拖纜施放為75 m、船速為2 kn時測量狀態較好。考慮到當磁背景場復雜時，所探測目標的磁異常難以分辨，在遇到強磁場干擾時，有可能掩蓋海底電纜的磁異常信號[17]等，為了在平臺附近兼顧平臺磁場較強以及尾拖設備的安全性，實際選定的測線最近距離距平臺100 m。

將GPS定位數據信息接入磁力儀軟件中，并同步輸入GPS至拖曳點距離、后拖電纜長度(拖曳點至水下拖魚距離)對GPS定位數據進行實時改正，在發現電纜磁異常信號時進行坐標摘取。為得到更精確的電纜平面位置坐標，采取往返測量。

3.2.2 電磁感應法探測

SCD-09電纜探測儀具有探測準確度高、不受其他固有磁異常干擾等優點，對船體材質沒有要求，但須避免電磁干擾。由于該段電纜須保持通電作業狀態，因此采用無源探測法，在作業前提前獲知本區域電纜為交流電，頻率為50 Hz。調整SCD-09設備頻率至50 Hz。設備采用船舷安裝，將設備安裝于船舷外右側1 m處，無需入水。

為了保證數據質量及測量效率，在測量時船舶速度保持在3～4 kn。鑒于該設備感應的是電纜中的交變電磁場，管線和平臺不會對其產生影響，實際完成的測線距平臺相對較近，最小距離為50 m。為保證定位準確，作業前將GPS安裝于SCD-09正上方，在電纜出現異常信號時，于軟件中提取其坐標位置。為了得到更精確的電纜平面位置坐標，采取往返測量。

3.3 數據處理方法對比

3.3.1 磁法探測

磁力梯度儀不僅可探測物體的固有磁異常，而且也可探測電磁異常。因此，磁力梯度儀G-882不僅探測到了電纜位置，而且同時也獲得了路由區域內的管線位置，這為后期數據處理時與其他資料的對比提供了更多的選擇。在項目中路由探測段未發現裸露電纜，無法對磁力梯度結果與地貌調查中的裸露電纜數據進行對比，因此采用淺地層剖面儀探測到的埋藏管線位置坐標校核磁力儀探測到的管線及電纜坐標。

數據處理方法主要分為以下兩步：

(1) 往返探測坐標修正。在探測結束后，首先對磁力梯度儀探測數據進行Layback改正、磁偏角改正、地磁日變改正等，得出電纜探測位置坐標，之后對往返測量結果計算的兩次結果計算平均位置坐標，得到電纜、管線初步探測成果。

(2) 多源數據校核。在修正往返探測坐標后，對磁法探測數據與淺地層剖面儀數據進行對比。對比發現磁力梯度儀探測成果呈現為一條折線，其原因為后拖曳模型偏移改正仍存在一定偏差。由于淺地層剖面儀為立桿式安裝(GPS位于其正上方)，而磁力儀為尾拖式測量，淺地層剖面儀的平面測量精度(±1.0 m)優于磁力儀(±1.0～±5.0 m)，因此，可將磁力儀探測結果(管線和電纜)按照淺地層剖面儀所得的管線結果沿磁力探測測線方向進行聯合偏移，近似認為偏移之后所得的電纜位置為實際電纜位置[18]。基于此，結合淺地層剖面儀資料，經偏差分析后進行聯合平移，最終得出更準確的電纜探測位置。

3.3.2 電磁感應法探測

電纜探測儀SCD-09在測量過程中，基于設備原理，僅能采集到擁有電磁異常的電纜位置，無法探測管線位置，因此其探測結果無法與淺地層探測數據進行對比，僅能與地貌探測中的部分裸露電纜段位置進行對比。在面對本次調查中電纜無裸露或深水區域地貌探測精度降低等情況時，資料對比則更加困難。

圖3 SCD-09電纜探測儀與G-882磁力梯度儀 電纜探測結果對比示例

由于電磁感應法探測儀采用船舷固定安裝，與磁力梯度儀相比，其往返測量誤差較小，對往返測量得到的兩個電纜位置直接計算中值坐標，結合地貌側掃中的裸露電纜位置，最終得到電纜位置探測結果。

3.4 定位精度對比

為保證對比結果的可靠性，選取遠離平臺200 m外的探測路由段對兩種探測手段得到的電纜位置探測結果進行對比分析，結果如圖3和表1所示。

表1 SCD-09電纜探測儀與G-882磁力梯度儀電纜探測結果對比 m

續表1 SCD-09電纜探測儀與G-882磁力梯度儀電纜探測結果對比 m

由表1可知：電纜探測儀SCD-09與磁力梯度儀G-882電纜探測位置最大差值為9.0 m，最小差值為1.84 m，平均差值為4.38 m。按照均方差公式，計算其均方差σ，可得σ為1.573 m。結果表明：兩種探測設備的探測結果互差值較小，符合性較好，均基本滿足在海上施工的需要。由于在本次項目調查區域未進行海底電纜潛水探摸，無法對比實際電纜位置情況，希望以后的項目能有機會進行實際比對。

4 結 論

對電纜探測儀SCD-09與磁力梯度儀G-882的數據采集、處理方式及調查結果進行對比，它們的優劣點總結如表2所示。相比較而言：SCD-09電纜探測儀在外業實施及內業數據處理方面更簡便，在復雜區域(如平臺等海上構筑物附近)將發揮獨特優勢[19-20]，但其缺點為在測前需獲取電纜通電信息并且可對比資料較少；而G-882磁力梯度儀無需提前獲知電纜通電信息，可對比資料多，但其具有處理繁瑣、存在相對較大的測量誤差等缺點。在實例項目最終探測結果的對比上，兩種手段獲得的電纜位置相對差異較小，符合性較好，但由于在本次項目調查區域未進行海底電纜探摸，無法對比電纜實際位置情況，期望在以后的工作中能獲得探摸資料以便進行全面對比分析。

總之，兩種探測方式的優劣不能一概而論，比如G-882磁力探測儀可同時探測電纜、管線的情況，其可對比的其他探測資料選擇多，理論上可在其他探測手段的輔助下獲得較精確的探測結果，但在錯綜復雜的管纜區域，這反而變成極大的干擾，很難得到精確的電纜探測結果。因此，本文僅總結了兩種探測方式的作業方法、數據處理方法和應用范圍等方面的對比情況，在海底電纜平面位置探測中，還需針對不同的環境因素、電纜情況等采用不同的設備，確定不同的實施方案以達到高效、精準的作業目的。

表2 SCD-09電纜探測儀與G-882磁力梯度儀的差異對比