水下油气泄漏声学探测实验

李建伟，安伟，宋莎莎，靳卫卫，张庆范

(中海油能源发展股份有限公司 安全环保分公司，天津 300452)

近年来随着海上石油的勘探开发，海底管道腐蚀、沉船等导致的水下油气泄漏风险与日俱增，对海洋环境、生态和经济造成长期影响[1]。针对小型水下溢油事故，如何探测识别水下油气泄漏位置是目前亟需解决的难题[2]。但受到深水能见度低、流速快等不良作业环境影响，水下机器人或潜水员等探摸方法很难奏效。

水下油气泄漏后，一部分会形成沉底油，另一部分形成油气羽流上升至海表面。国外对沉底油的探测开展了一系列的实验研究。在水池底部布置不同油品类型、面积和厚度的沉底油，并用多波束声呐、侧扫声呐和前视声呐等设备开展不同频率和分辨率的实验研究，可根据环境条件和油斑的厚度面积选择适宜的声呐设备进行探测沉底油，240～460 kHz的声呐探测到的油斑和砂质底面的反射强度值的差值在10～15 dB，侧扫声呐在垂向角为30°～80°时，探测到的油斑和砂质底面的反射强度值的差值为15 dB左右[2-4]。USCG(U.S.Coast Guard)在 Ohmsett水池内通过荧光偏振和多波束声呐探测技术开展沉底油的识别实验研究，建立了分类识别算法对沉底油进行识别，并设置4种底质开展多组实验[5-6]。MPC(Marine Pollution Control)开展了沉底油的探测实验，认为沉底油的识别准确度在80%以上，定位精度在5 m以内[7]，对油气泄漏后形成的羽流在深水地平线事故中有相关报道。目前国内关于相关研究报道较少，主要针对海底沉积物的声学特性研究[8-11]，针对国内油气泄漏的声学特征尚不清晰。

因此，为探索海上油气泄漏探测的有效方法，研究含油沉积物和水柱油气的声学特性，在水池底部设置不同含油量和面积的含油沉积物，基于无人船搭载多波束声呐开展声学探测试验，研究不同目标物的散射强度，为油气泄漏自动识别算法提供支撑。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验油样和沉积物

在实验过程中，选取5种油样，其中4种原油，1种燃料油。油品基本性质见表1，其测定方法采用标准方法测定。在实验过程中与2种沉积物进行混合，混合比例30%、10%，并选取直径为40、30、20和15 cm的4种面积大小的油斑，油样设置见表2，油样设置及油砂混合见图1。在实验过程中，选取2种沉积物，包括建筑砂和海泥，建筑砂主要来源于当地砂场，海泥来源于胶州湾白沙河入海口处，沉积物见图2。

表1 油样基本物理性质

图1 油样设置及油砂混合

图2 实验过程中的沉积物

表2 实验参数设置

1.1.2 声呐参数

多波束系统搭载到无人船上面，对无人船进行改造，无人船的前端搭载多波束架子和声呐头，舱内搭载多波束主机及电脑等，并对网络和电源进行改造，利用逆变器将船载直流110 V转成交流220 V。在实验过程中使用多波束Kongsberg 2040P，其频率为400 kHz，主要参数见表3。

表3 多波束声呐设备主要参数

1.1.3 实验环境和喷射系统

水池为100 m×200 m，水深在3～5 m之间(满足换能器至水底处大于1.5 m)，底质为岩石或者黏土类型。在水池底部布设喷射系统，可实现控制不同流量的气体和原油喷出，便于开展水体中油气的探测。

1.2 实验步骤

利用水池底部布设含油沉积物，混合不同比例的油种，用多波束声呐进行观测。具体观测时，可以设置不同的观测条件，包括声呐工作频率和海水条件，同时记录实验相关信息。主要实验方法如下。

1)仪器安装。把多波束系统、声速仪器和定位系统组装完毕，固定在测试船舶上面。提前备用好发电机用于系统供电。

2)声速标定。将声呐固定在船边位置，量出距离反射面的距离，根据收到的反射波时间计算声速。

3)样品准备。根据实验要求，配置好面积、含油量和含油沉积物类型等，布防在托盘中，利用塑料封闭样品防治溢出污染环境。

4)放样。利用长臂吊车吊着托盘缓慢放入水池底部。

5)测试。将声呐在横向和纵向上移动探测含油原油的样品，记录数据。

6)数据处理。利用Fledermaus数据后处理软件，多波束后向散射回波图像处理，底质分类，水深处理。提取原始数据中的声波强度数据，生成图像，识别含油沉积物。

2 结果分析

2.1 含油沉积物探测分析

2.1.1 含油沉积物识别

在铁盘中放入砂和含油沉积物，利用多波束声呐进行探测，通过声呐图像很难对图像进行识别。在油样分析中，分析出较为相近的数据，从尺寸和形状上初步判定含油沉积物的存在，含油沉积物的强度值在-12～-25 dB，周边砂质沉积物在-1～-9 dB，差值在10 dB左右，见图3。

图3 含油沉积物海底声强图像

2.1.2 沉积物识别分析

在铁盘中放入砂和海泥后填平，利用多波束声呐进行探测，整个区域强度在-17～-21 dB之间，砂质和淤泥质沉积物的强度值相差不大(见图4)，因此，在识别过程中需要建立相应的特征值才能有效进行识别。

图4 泥和砂海底声强图像

2.2 油气泄漏探测

2.2.1 气体泄漏探测

在气泡溢出喷口时在水柱图像中可以清晰看出气泡羽流的存在(见图5)，同时羽流遮挡作用在散射强度图像上存在拖尾。在水体中气泡羽流的强度值在-2～-15 dB之间，水体的强度值一般小于-20 dB，因此，气体和水体的强度差异性较大。

图5 气体泄漏探测结果

2.2.2 原油泄漏探测

在原油溢出喷口时在水柱图像中(见图6)可以清晰看出原油羽流的存在。在水体中原油羽流的强度值在-7.5～-22 dB之间，水体的强度值一般小于-25 dB，因此，原油和水体的强度存在差异性。

图6 原油泄漏探测结果

3 结论

开展60组声学探测实验和喷射实验，研究表明，含油沉积物的强度值在-12～-25 dB，周边砂质沉积物在-1～-9 dB，强度差值在10 dB左右。气泡泄漏后羽流强度值在-2～-15 dB之间，原油泄漏后羽流强度值在-7.5～-22 dB之间，背景水体强度值一般小于-20 dB，因此，油气羽流与水体强度值差异较大。进一步建立油气泄漏分类识别算法和数据库，开发高效的油气泄漏探测系统，可为水下原油泄漏点探测提供技术支撑。