电磁法管线探测技术在地下储气库群中的应用.pdf

2009 年增刊第 2 期 工程勘察 Geotechnical Investigation&Surveying 453 电磁法管线探测技术在地下储气库群中的应用 马长合(中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司勘察事业部，河北任丘，062552）摘要：目前我国的地下储气库群多建在有枯竭气(油)藏型地质条件下的老油田地区，地下管线种类繁多，情况复杂，这些地下管线对储气库的选址、施工建设影响巨大，彻底查清地下储气库范围内的地下管线分布情况，对于保证施工质量和安全，保护国家财产不受损失和油田矿区及周围居民的生命安全具有十分重要的意义。作者根据在大港油田大张坨地下储气库群、陕京二线京 58 地下储气库群地下管线探测的实践经验，详细解剖了电磁法管线探测技术在地下储气库群中的具体应用情况和产生实际效果。关键词：电磁法；管线探测；地下储气库群 0 前 言 随着我国天然气工业的发展以及天然气在能源消耗中所占比例的日益增加，对地下储气库的需求会越来越大，地下储气库建设作为天然气上下游一体化工程的重要组成部分，其用途是补偿季节性用气不平衡。因此现在和未来 20 年内正是我国地下储气库建设的高峰时期。作者根据在大港油田大张坨地下储气库、陕京二线京 58 地下储气库群地下管线探测的实践经验，详细剖析了电磁法管线探测技术在地下储气库群中的具体应用。1 地下储气库群范围内地下管线特点 地下储气库群范围内地下管线多为油田工业和民用管线，主要是油气集输管线、注水输水管线、电力电缆、通信光缆等，其材质多为由铸铁、钢材构成的金属管线，由铜、铝材料构成的电缆(其外用钢铠、铝或塑料包装)，具有良好的导电性，非常适合用电磁法进行地下管线探测。2 电磁法探测具有导电导磁性能地下管线的基本原理 电磁法以地下金属管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据麦克斯韦电磁场理论和电磁感应原理观测和研究电磁场空间分布规律，进而达到寻找地下金属管线的目的。发射线圈供以谐变电流，在其周围建立谐变磁场，称次场。地下金属管线在谐变磁场的激励下，形成谐变电流，带谐变电流的管线在其周围又形成谐变磁场，称二次场。二次场的大小与发射场源的形式、电流的大小、频率的高低、管线的物性及几何形状、测点位置等因素有关。用电磁法探测地下金属管线时，一般通过测定二次场的变化来探测管线。当金属管管径较大，不能当作线性体时，把其看作无限长水平圆柱体。在一次场的作用下，二次场分布曲线如图 1 所示。454 工程勘察 Geotechnical Investigation&Surveying 2009年增刊第2期 该曲线的基本特征：在水平圆柱体正上方，即 x=0 处，水平分量 H2x 有极大值，而垂直分量 H2z=0。根据电磁感应定律，感应电动势 e 的表达式为：djedt=，jNBSNmHS=式中，j为通过线圈截面的磁通量；N 为线圈匝数；B 为线圈中磁感应强度；S 为线圈面积；m为磁芯的相对磁导率。设 H 为一谐变磁场0sinHwt，则：0cosdeNmHSNmSwHwtdt=可得 e 的振幅：00eNmSwH=接收机即通过测量 e 的振幅 e0的变化来探测地下金属管线。其前提是必需满足以下地电条件：（1）地下管线与周围介质之间有明显的电性差异。（2）管线长度远大于管线埋深。在此前提下，无论采用充电法或感应法，都会探测到地下管线所引起的异常。从原理上讲，在感应激发条件下，管线本身及导电介质均会产生涡流。由于金属管线的导电性远大于周围介质的导电性，所以管线内及其附近的电流密度就比周围介质的电流密度大。这就好像在管线处存在一条单独的线电流如图 2 所示。图 2 电磁法工作原理示意图 图1 水平圆柱体二次场异常曲线图 2009 年增刊第 2 期 工程勘察 Geotechnical Investigation&Surveying 455 3 电磁法管线探测技术在地下储气库群中的应用 3.1 仪器的选用 我们采用英国雷迪公司目前最为先进的 RD8000PDL 地下管线探测仪器，它具有蓝牙连接、真实深度显示、动态过载保护、峰距箭头、击穿报警、被动规避、罗盘、用户自定频率、故障查找、CD(电流方向)多种功能和电力、无线电、CATV 和 CPS 被动模式、50Hz 至 200kHz 主动频率带宽、单天线模式、峰值/谷值等多种工作模式，确保快速定位，精确可靠，定位数据可复验。3.2 方法实验 方法实验是探测地下管线的重要手段，它对随后开展的探查工作具有重要意义。在探查工作开始前，应首先进行方法实验，确定工作方法。3.2.1 方法实验要确定的七个参数 分别是仪器的一致性、最小收发距、最佳收发距、最大收发距、最佳工作频率、最佳发射功率、深度的修正系数。3.2.2 分析查找探测信号的影响因素（1）目标管线的特征是影响探测信号的决定性因素 管材：决定管线的导电性，导电性好的管线信号清晰且传播远。管径：管径大的探测信号弱，峰值宽，传播距离近。埋深：埋深大的管线信号较弱。长度：管线长信号强。管线接头：接头使信号变弱。（2）邻近管线或邻近干扰物也影响目标管线的信号。（3）施加信号的特征 输出频率：频率高，信号强，传播远，但容易造成邻近管线产生二次场而对目标管线产生干扰。输出功率：功率大，信号强，同时邻近管线干扰也强。（4）地电条件 土壤导电性好，信号较强（一般用湿土插地钎的方法解决）。3.2.3 最佳工作频率的选择 应用电磁法进行管线探测时，其应用效果取决于管线的具体情况及环境条件。为取得最好的探测效果，对每个工区都应通过试验选取最佳工作频率。其频率的选择原则如下：（1）1kHz 以下：有利于长距离追踪，及对大直径与深埋管道的探测。由于频率低，故不可采用感应法工作，并有时较易受到工频干扰。（2）10kHz：是目前国内外各类仪器采用较多的频率。可以用于感应法，对 50Hz 有一定抗干扰能力。应用感应法时，在小直径管线上较难产生较大的讯号电流。（3）30kHz：此频率比较容易将讯号感应到大部分管线上，是一种较常用的频率。但追踪距离较采用低频时小，对地下水位较高的地区，其探测深度也较小。（4）80kHz 以上：该频率较容易感应耦合到邻近平行管线，探测距离小，因此在管线复杂地区的应用受到限制。在干燥地区，可应用感应法探测小直径电缆及短距离电缆，同样在地下水位较高的低阻地区，其应用效果较差。456 工程勘察 Geotechnical Investigation&Surveying 2009年增刊第2期 大张坨地下储气库和京 58 地下储气库群实验结果对比表 大张坨地下储气库和京 58 地下储气库群实验结果对比表 参数 名称大张坨地下储气库京 58 地下储气库群仪器的一致性 良好 良好 最小收发距 4.5 米 4 米 最佳收发距 20 米 25 米 最大收发距 35 米 37 米 最佳工作频率 33 kHz 33 kHz 最佳发射功率 1.25 瓦 2.5 瓦 深度的修正系数 0.97 1.03 3.2.4 发射机放置方式的选择（1）被动源法（只使用接收机）主要采用工频法和甚低频法。工频法是利用动力电缆或工业游散在金属管线中感应的 50Hz 电流产生的一次或二次磁场，主要用来初步探查通信电缆、电力电缆或搜查金属管线的大概位置，如图 3 所示。图 3 工频法原理示意图 甚低频法是利用甚低频无线发射台的电磁场对金属管线感应所产生的二次电磁场，适用于在一定条件下搜索电缆和金属管线如图 4 所示。图 4 甚低频法原理示意图（2）主动源法 主要采用感应法、直连法和夹钳法 2009 年增刊第 2 期 工程勘察 Geotechnical Investigation&Surveying 457 感应法是利用感应线圈产生电磁场，对金属管线中感应所产生的二次电磁场来定位管线如图 5、6所示。图 5 水平发射示意图(发射机直立放置)图 6 垂直发射示意图(发射机水平放置)直连法是将发射机一端接到被测金属管线上，另一端接地，利用直接加到被测金属管线上的信号来定位管线。如图 7 所示。夹钳法利用钳套在金属管上，通过夹钳感应线圈，把信号直接加到金属管线上来定位管线。主要用于电缆或小金属管线，特别是带电电缆如图 8 所示。图 7 直连法示意图 458 工程勘察 Geotechnical Investigation&Surveying 2009年增刊第2期 图 8 夹钳法示意图 4 应用实例 4.1 利用盲测查找未知管线 由于京 58 地下储气库群坐落在华北油田采油四厂别古庄油田，其中的地下管线绝大部分是油气集输管线和注采管线。布设年代较早，没有详细的图纸和必要的参考资料，在用的和废弃的混在其中，很难了解到地下管线的基本情况，只能通过盲测查找未知管线，进行准确定位。我们先在地面上有针对性地划分出若干区域，形成网格状，分别对每个网格进行地毯式的搜索。在盲测中，发射机与接收机的位置，相距至少为 4 米以上，同步沿水平方向左右移动。分别将接收机灵敏度调到 50%和 80%左右（接收机灵敏度的不同反映的数值也不同），在管线大致位置两侧来回移动，反复比较，找出最大响应点，由此确定接收机正下方所测的目标管线。其数值如表一：表一 表一 接收机灵敏度数值显示 50%576062595580%7678807775由表一可知，接收机敏度调到 50%和 80%左右时，最大响应点的数值分别为 62 或 80，由此确定接收机正下方为所测目标管线。通过盲测确定了该区域内的管线准确位置，其中 ABCD 四条管线就是在没有任何管线资料的情况下通过盲探扫描探测出来的，对储气库建设起到了很大的作用，如图 9 所示。图 9 京 58 地下储气库地下管线分布情况 2009 年增刊第 2 期 工程勘察 Geotechnical Investigation&Surveying 459 4.2 管线节点的探测 探测弯头、三通或四通时使用弧形探测方法。如图 10 所示。图 10 弧形探测方法图 发射机 T 放置在已知管线上，用接收机 R 沿 abcd 方向追踪管线，如在 b 点信号突然减小，或在 c点突然中断时，以 b 或 c 为圆心、以 2m 为半径，沿圆弧测线进行扫描，查明分支管线 bb、弯头 cc的准确位置、埋深及延伸方向。我们对大张坨储气库进库道路两边的地下管线探测就是依据上述方法进行的，实践证明用这种方法探测弯头、三通或四通等管线节点十分有效。如图 11 所示。4.3 走向追踪 在京 58 地下储气库进库路地下管线探测过程中，我们先采用扫描技术，确定管线大致位置和走向，然后从管线上某一点开始，利用峰值工作模式和谷值工作模式相结合，对目标管线进行精确定位后，采集两个点，构成一条线，以此类推，跟踪下去，实现路由追踪。有时为提高效率，做好精确定位后，大致确定管线走向情况下，可以采用箭头追踪法，快速追踪路由，实现探测目的，图 12 所示。图 11 大张坨储气库进库进库路地下管线分布情况 图 12 京 58 地下储气库进库路地下管线分布情况 4.4 病态信号分析 460 工程勘察 Geotechnical Investigation&Surveying 2009年增刊第2期 4.4 干扰体 由于地下储气库的特殊地理位置和干扰因素经常导致一些病态信号出现，正确剔除这些异常可排除探测到目标管线的多解性。在大张坨地下储气库和京 58 地下储气库群地下管线探测中主要遇到的干扰体产生的病态信号又以下几种。4.4.1 导电球体 对于储气库内部充水空洞或金属垃圾掩埋物等，我们分析球体二次场特征同管线相似。但因球体影响范围较小或称其分布区间有限，因此我们可以利用移动收发装置首先避开球体，然后再进行探测。具体措施应为利用动源旁线(x,x)，将收发装置移至 Hx 或 Hz 最大值区，而后再进行探测。这部分干扰主要发生在储气库内部。4.4.2 水平圆柱体 在储气库内地下钢筋混凝土条、各类圆柱形金属加固装置等产生的干扰，我们分析磁偶极场中水平园柱体的场异常得出，水平圆柱体对地下管线异常的影响同非目标管线干扰相似，可以利用分辨密集管线的方法压制、排除圆柱体影响。4.4.3 板状体 适用范围：掩埋井盖、建筑物地基钢筋网等。对地下管线实施地毯式搜索时，若地下管线位于水平板心上方或下方，则不宜采用旁线装置；当板体直立或倾角较大时，若地下管线位于板顶附近，旁线装置因异常值在板顶较小，干扰相对也就弱，所以有利于对管线的探测。4.4.4 导电渡盖层与导电围岩 对于在两个储气库中存在的导电渡盖层与导电围岩产生的干扰，我们主要通过降低场源频率、调整收发距，可间接降低覆盖层干扰，当然这些技术措施应有限度。通常情况下导电围岩的电导率相对管线来说较小，一次场中导电围岩中产生的感应电流被管线所“吸引”发生所谓“集流”现象，所以选择场源的激发方式和激发点的位置，增强“集流”效应，可提高探测精度。4.4.5 金属护栏 在大张坨地下储气库中，道路埋管上方，多有沿线隔离金属护栏，这些金属护栏与大地构成回路，设感生电流为 I，则距横杆 r 处感生磁场各分量分别为慢衰减，或无衰减，据此可将其剔除。4.4.6 空中电缆电线 在京 58 地下储气库和大张坨地下储气库中，多有空中电缆电线，这些电缆电线似干扰管线，影响与水平管线影响相同，但是由于电缆电线导电性能远远超过地下管线，所以当收发距逐增，其接收信号衰减很慢，或无衰减，据此可将其剔除。4.4.7 地形地貌 地下储气库管线探测中因收发距较小，地形变化不大，所以其一般不作考虑。但在陕京二线探测工作中，就遇到了地形效应情形。沿河岸边平行埋设一管线，埋深 2m，河中水深约 1.5m，河深较浅，管线定位向河道偏移。因水相对地介质当属良导体，可等效其为圆柱体，其干扰类似于非目标管线。由于河流涡流磁异常形态粗糙，可用经验校正或偏移法探测。这表明探测工作开展前对场地条件了解的必要性。5 结束语（1）由于储气库地处油田生产开发区，地下管线纵横交错，远比城市地下管网普查要烦琐、复杂，这项工作的开展为我们从事城市地下管网普查工作积累了经验，也为我们下一步开展这方面的工作打下了基础。（2）由于地下管线探测过程是一项复杂、烦琐、经验性很强的工作，对探测人员的探测技术要求极 2009 年增刊第 2 期 工程勘察 Geotechnical Investigation&Surveying 461 高，在探测方法和信号的识别上必须经过长时间的探索和实践，才能更好地解决探测过程中出现的各种问题。参参 考考 文文 献献 1 刘忠新 范士杰 地下管线探测技术的论述及应用城市勘测J 2004.6 23-25。2 张汉春，莫国军 特深地下管线的电磁场特征分析及探测研究.地球物理学进展2006，4：3 谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波（第三版）北京：高等教育出版社，1999 4 张宗岭，张效良.地下管线探测电磁场异常特征的理论与实践2002，1：5 于建刚，王林.地下管线深度探测实用公式三晋测绘，1996，3：3132