两种电磁法在油气管道工程勘察中的应用

吴有亮 李金玺 邓 艳

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司, 四川 成都 610041;2.成都理工大学地球物理学院, 四川 成都 610059

两种电磁法在油气管道工程勘察中的应用

吴有亮1李金玺2邓 艳1

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司, 四川 成都 610041;2.成都理工大学地球物理学院, 四川 成都 610059

近年来航空电磁法在国内国土资源、矿产、地质调查等领域开始得到应用。为了解航空电磁法与一般音频大地电磁法的优缺点,以便在实际工作中选择合适的工作方法、提高工作效率与精度、节约成本,通过在实际油气管道隧道工程勘察中的航空电磁法与音频大地电磁法数据采集、应用效果对比,分析了航空电磁法与音频大地电磁法各自的优缺点,为不同环境条件下油气管道工程勘察中航空电磁法与音频大地电磁法的选择与使用提供参考。

航空电磁法；音频大地电磁法；油气管道工程；勘察应用

0 前言

1948年,Stanmac和McPhar公司在加拿大进行了固定翼飞机航空电磁法(Airborne Electromagnetic,AEM)系统的首次试验飞行。近年来航空电磁法在测量系统、数据处理和数据解释技术方面都有了新发展,欧美、加拿大、澳大利亚等国将航空电磁法广泛用于环境、土壤土质、地质调查等领域[1-3]。中国航空电磁法的研究始于20世纪50年代末,经过不断总结,航空电磁法逐渐应用于地质填图、间接找矿、水文和农业生态地质调查、环境等领域[4]。近年在国土资源[5-6]、矿产[7-8]、水文[9]、环境及地质调查中[10-11]均取得一定成果,航空电磁法技术逐步走向成熟,但总体相对落后。

本文通过航空电磁法与音频大地电磁法在某油气管道工程水下工程勘察中的应用对比,分析了航空电磁法与音频大地电磁法各自的优缺点,为不同条件下油气管道工程勘察中航空电磁法与音频大地电磁法的选择与使用提供参考。

1 航空电磁法与音频大地电磁法

在交变电磁场(一次场)的作用下,当地下存在导电地质体时,导体将产生涡流(感应电流),涡流又在其周围产生二次磁场(二次场)；二次场的出现使一次场发生畸变。一次场和二次场迭加后的总场在强度、相位和方向上与一次场不同；研究二次场的强度和随时间衰变或研究总场各分量的强度、空间分布和时间特性等,可发现异常和推断地下导电体的存在。如果地质体具有高导磁性,在一次场作用下,受人工磁化产生二次磁场,同样可以发现异常并推断地下导磁体的存在。电磁法即为利用上述原理的一种物探方法,分为地面电磁法、航空电磁法和井中电磁法等。

航空电磁法是借助飞机载体完成电磁法测量工作的物探方法。航空电磁法测量系统包括观测系统、导航定位、运载系统,见图1。

图1 航空电磁法测量系统示意图

音频大地电磁法属地面电磁法的一种(简称AMT法),是利用天然音频大地电磁场作为场源,观测互相垂直的两个方向上若干频率的电场和磁场之比(称为波阻抗),通过研究地电断面的变化,来划分地下地质体及其空间分布[12-13]。音频大地电磁法测量系统见图2。

图2 音频大地电磁法测量系统示意图

2 航空电磁法与音频大地电磁法应用对比

在某油气管道工程的水下隧道穿越工程勘察中[14],同时采用了航空电磁法与音频大地电磁法进行了物探工作,根据两种物探方法的应用情况,对两种物探方法在工期、对地形条件的适用性、灵活性、精度等方面进行了分析对比。

2.1 工程概况

勘察区地貌属构造～侵蚀中山地貌,河道呈“U”型,宽度约200 m,两岸与河水面高差100 m。地形地貌及地质条件复杂,滑坡崩塌等不良地质作用发育,油气管道初选两个方案,均为水下隧道穿越,见图3。

图3 拟建隧道穿越地形地貌及河道情况

图4为区域地质构造,区域内发育深大断裂带构造,局部地段断裂带与拟建管道线路相伴而行,多处相交。河道内覆盖层为第四系冲全新统洪积卵石土层；右岸(北岸)为第四系更新统残坡积地层；左岸(南岸)为崩坡积地层及高台地半成岩(半胶结状卵石)；下伏基岩为新近系砾岩,奥陶系～泥盆系白云岩、灰岩。

根据对隧道穿越断面附近地层调查和地球物理的反演结果分析,工区各地层视电阻率值见表1。

由于较完整岩体与破碎、软弱岩体、断层破碎带及岩溶强烈发育区之间存在一定的电性差异,因此工区具备开展电磁法的地球物理勘探前提条件。

图4 拟建隧道附近区域构造

表1 工区地层视电阻率统计表

地层描述视电阻率/(Ω·m)第四系地层(主要为砂卵石)10～500第三系地层(主要为砾岩等)20～100或30～400极破碎、极软弱或富水岩体50～200破碎、软弱或含水岩体200～300较破碎岩体300～500较完整岩体500～2000断层破碎带30～100

2.2 野外测线布置

图5 航空电磁法测线布置图

图6 音频大地电磁法测线布置图

根据拟建油气管道隧道穿越工程场地地形、地貌、地质条件,对两个方案均进行航空电磁法及音频大地电磁法勘察。图5为航空电磁法测线布置图,在中线及两侧各250 m范围布置5条平行航空电磁法测线,测线间距125 m。图6为音频大地电磁法测线布置图,测线一般按中线布置,地形地貌复杂段采用相邻辅助测线补充,局部为空白(图6粉色线)。

2.3 工作参数

2.3.1 航空电磁法

数据采样沿所布置航线以12个航空电磁法数据采集通道,以0.1 s间隔或者每4 m间隔采样,采样长度 0.2 s,2个电力线信道噪声监视；信号采集采用6个频带,工作频率覆盖400 Hz～140 kHz。平均飞行测量速度110 km/h。

2.3.2 音频大地电磁法

接收系统布置采用4个电极,每2个电极组成1个电偶极子,长度均为20 m,设计电极距20 m,实测过程中,根据地形、障碍物等因素适当改变极距大小。使HX、HY两磁棒相互垂直,且水平,人员离开磁棒至少5 m,选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。

2.4 物探成果对比分析

2.4.1 方案1

对图3中方案1处分别采用航空电磁法与音频大地电磁进行现场数据采集后,再进行相关数据处理、反演[15-20]后得到解译剖面,见图7、8。

图7 方案1中线的航空电磁法成果剖面

图8为音频大地电磁法成果剖面,受地形地貌限制,或采用旁侧辅助测线补充,或为空白,与图7航空电磁法存在一定差异。选择图5、6中两种方法的相同平面参照位置,进行定性对比分析解释。

由两种方法测得隧道方案1中线的电阻率断面图7、8。图7～8可见,后段均可见一明显电性异常带及电性界面,电性分界面左侧以中高阻为主(钻孔揭露下伏基岩主要为灰岩),右侧以低阻为主,在其分界线附近等值线密集且呈陡立状,这些特征为断层的电性反映,推测断裂从该处通过(与地面调查情况基本一致)。由于采用不同的反演模型，反演剖面上局部精度航空电磁法略低于音频大地电磁法。

2.4.2 方案2

对图3中方案2处分别采用航空电磁法与音频大地电磁法进行现场数据采集后,再进行相关数据处理、反演后得到解译剖面,分别见图9、10。

图9 方案2的航空电磁法成果剖面

图10 方案2的音频大地电磁法成果剖面

选择图9～10中相同平面参照位置,进行定性对比分析解释。在方案2上采用两种方法得到的成果剖面总体形态同样基本一致。在图9～10相同位置上,共同存在明显电性异常带,该电性异常带上分布的钻孔在80 m勘探深度范围内,均为卵、半胶结碎石,结合现场地质调查情况,推测为断裂破碎带。

2.5 两种物探方法的综合对比

2.5.1 地形条件的适用性

由2.2节展示的航空电磁法与音频大地电磁法测线布置情况可以看出,音频大地电磁法由于两岸高陡、塌岸、河道水流湍急,不具备野外作业测量条件,测线布置时就存在多处数据盲区(图6粉色线段),只有局部采用辅助测线,投影到中线进行参考性解译,影响勘探精度。而航空电磁法,不仅不受地形地貌、河道的影响,还采用多条测线,可对工区地质情况进行插值三位成像。因此航空电磁法通过性高,对各种地形均适用；音频大地电磁法通过性较差,对地形复杂地区适用性相对较差,野外测量工作常受地形制约。

2.5.2 工期及效率

该隧道工程采用航空电磁法所需的设备通关、飞行许可手续、地面站建立时间约56 d,数据采集0.5 d；采用音频大地所需的设备通关时间7 d,数据采集14 d。在工期上,对于需要大量物探工作的工程,在设备通关、飞行许可等完成情况下,航空电磁法野外测量效率极高。而对单个或规模较小的工程,采用音频大地电磁法相对更适用。

2.5.3 灵活性

油气管道工程勘察设计为动态过程,随着工作的深入,各阶段因地方规划、工程地质条件等,线路路由处于局部动态优化过程,如该隧道工程线路长约400 km,初步设计阶段较可行性研究阶段路由调整段约80 km,包括各种隧道位置的调整。局部路由的变化,对于航空电磁法,在工期上、经济上均难以承受,而对于音频大地电磁法则影响较小。

2.5.4 精度

本隧道工程地层视电阻率差异明显,航空电磁法与音频大地电磁法反演剖面均能较好地反映断裂带分布情况，只是由于采用不同反演模型，从2.4节的实际反演效果看,航空电磁法局部精度略低于音频大地电磁法。

3 结论

1)航空电磁法相对于音频大地电磁法,基本不受地形、地貌、河流等条件限制,剖面数据连续、完整,而音频大地电磁法受上述因素影响较大。

2)航空电磁法工期主要在设备通关、飞行许可手续、地面站建立等准备工作中,相对音频大地电磁法准备工作周期长,但野外测量效率高。

3)油气管道工程勘察设计是个动态过程,线路路由处于动态优化调整的状态,对于路由局部优化的物探工作,航空电磁法相对灵活性差。

4)从工程实际使用效果看,航空电磁法与音频大地电磁法在电性异常分辨上,结论基本一致,但由于采用不同反演模型，在局部反演精度上航空电磁法略低于音频大地电磁法。

5)建议地形通过条件差、物探工作量大的工程可选择航空电磁法；物探工作量较小或者是路由局部优化的工程,可选择音频大地电磁法等灵活性高的物探方法。

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10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.021

2016-03-09

中国石油天然气集团公司重点工程资助项目(S 2013-9)

吴有亮(1981-),男,安徽凤阳人,工程师,硕士,主要从事工程物探及工程勘察工作。