加油站输油管线探测及渗漏检测综合物探技术

任 川，刘盛东，王宗涛

(1.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，安徽合肥 231200 2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116)

随着我国经济发展和能源结构转变，石油和天然气等清洁能源的需求不断增加，管道分布越来越广[1]。然而，由于管道内输送的介质(原油、成品油、天然气等)具有高压、易燃、易爆特点[2]，因此管道介质泄漏是油气管道运行的主要风险。

引起加油站管道泄漏的原因，包括人因(第三方施工破坏、人员误操作等)、物因(设备设施本体缺陷)、环境因素(土壤腐蚀等)、管理因素4类[3]，因此，建立和完善油气管道渗漏监测系统，对加油站管道渗漏和可能引起管道外力损伤的重压、地形沉降、机械施工及人为破坏等第三方责任事件进行迅速判断和准确定位、及时发现渗漏和预报渗漏隐患十分重要。

1 主要污染物特性及在地下介质中的迁移扩散规律

1.1 主要污染物及特性

加油站渗漏污染物主要为汽油、柴油等轻质燃料油及其添加剂[4]，这些石油烃类污染物常以液体形态存在，且难溶于水，同时密度比水小，因此被称为轻质非水相液体(LNAPLs)，易导致土壤、含水层和地下水的污染。

a)汽油:实质上是C4～C12烃类和其他化学添加剂(MTBE等)的混合物，汽油属于轻质油，它比重油更易迁移。汽油中的非轻类添加剂更易溶于水，它们会优先溶解到地下水中，因而在自由相中浓度将变小，但此类污染物的在地下水中的浓度限值很低，扩散导致的结果是形成了更大的污染羽[5]。

b)柴油:比汽油的密度大，其挥发性，溶解性比汽油低得多，相比于汽油更不易迁移。通常在柴油中只含有少量轻质的芳香族化合物，如果刚发生柴油渗漏污染的场地中存在芳香族化合物，那么经过长时间的稀释扩散及生物降解作用后，污染羽中几乎不存在芳香族化合物，因而在年代久远的柴油渗漏污染场地中，芳香族化合物含量应该很低。

1.2 污染物迁移扩散规律

加油站渗漏污染物的组分在地下的存在形式可以分为4种相态——气相(存在于土壤气体中)，残余相(被土壤微粒吸附)，溶解相(溶解于地下水中)，自由相(液态石油烃)[6]。

a)气相:挥发性有机物在迁移过程中不断挥发，进入土壤孔隙并沿土壤孔隙上升，成为土壤气体的一部分[7]。

b)残余相:受毛管力和重力的共同作用，以残余的形式保留在包气带中，可以挥发出蒸气相进入包气带，也可以分离出溶解相进入水中[8]。

c)自由相(污染物核部):一般会漂浮在潜水面形成油池，是污染物浓度最高的区域，自由相通常会沿水力坡度方向运动，但运动距离不大，所以聚集高浓度污染物的部分一般在地表的渗漏处附近。渗漏处附近的有机污染物浓度最高，沿水力坡度方向浓度逐渐降低。

d)溶解相:加油站渗漏污染物中部分为可溶于水的有机物，随地下水流动而发生迁移，而污染物的溶解度越大，溶入地下水的量就越多，溶解相一般会进入潜水含水层，从而导致地下水的严重污染[9]。

2 加油站管道渗漏检(监)测物探方法

目前，针对加油站附近地下水和土壤中石油类有机物污染的勘探和检测主要采用的是传统打井取样，依靠化学分析的方法，不仅效率低下，测试费用高，而且可能造成二次污染[10]。

近年来，随着新兴的地球物理方法不断发展，利用地下岩土层(或地质体)的地球物理性质差异(主要包括电阻率、波阻抗、介电常数等)，通过仪器观测自然或人工物理场的变化，确定地下地质体的空间展布范围(大小、形状、埋深等)，可测定岩土体的物性参数，解决施工质量检测、管道渗漏检(监)测、环境污染检(监)测等地质及工程问题。

从现有的地球物理勘探技术出发，基于管道渗漏前后的物性差异，可以应用的物探方法包括:并行电法、瞬变电磁法、地质雷达法、微地震监测法及电法监测等方法。

2.1 双模网络并行电法

加油站渗漏污染物主要为汽油、柴油等轻质燃料油及其添加剂，进入含水层以后不能与水混合，占据一部分含水层的体积，混合前后的电阻率值有较明显变化。汽油电阻率为2.5×1013Ω·m，煤油、柴油的电阻率为7.3×1014Ω·m，均体现为相对高阻，这类油品渗漏入地层中，会改变土壤的电阻率，渗漏区域电阻率局部升高，可以间接通过电阻率探测技术手段来找到油品的渗漏区域。

网络分布式并行电法是由电阻率法发展而来，目前应用最广泛的一种电法勘探方法，其采集系统采用“分布式并行智能电极电位差信号采集方法”国家发明专利技术与网络系统集成技术构建[11]。可以在探测范围内任意布置供电、测量电极，进行快速采集。并行电法技术是一种实时电场观测技术[12]，其特点是在供电的同时，连续测量所有测量电极的电位历时曲线，通过激励获得的电流和电位的时空曲线就可解编获取任意电极的自然场、一次场、二次场的响应电位[13]。

通过实验，可进一步证明双模网络并行电法对油气渗漏的响应。试验中布置一条电法测线，双模式电极间距0.2 m，共布置32对电极(见图1)，保证电极深度一致，采样参数为0.1 s～10 ms(每间隔0.1 s采样10 ms，下同)及2.0 s～50 ms，正负正供电方式。0.1 s～10 ms采样数据在每次油品渗漏模拟实验后2 min进行采集，2.0 s～50 ms采样数据在每次油品渗漏模拟实验后5 min进行采集。对比电极为 4#、8#、14#及19#电极，先0.1 s～10 ms及2.0 s～50 ms进行背景参数采集，再进行4#和19#，8#和14#渗漏模拟数据采集。

图1 电法测线布置

针对2.0 s～50 ms采集参数，进行电阻率比值计算，以原始土层的视电阻率计算结果为背景值，之后每次实验模拟的视电阻率计算结果与它进行比值，计算结果见图2。

视电阻率比值结果中，体现了部分电极附近的电阻率变化情况，进一步进行视电阻率差值处理，得到2.0 s～50 ms采集参数下，油品渗漏模拟前后的视电阻率差值结果见图3。

两组参数采样频率差异明显，因此可以通过极化率的变化，进一步说明油品渗漏前后的电性差异，计算得到极化率比值结果如图4，体现了部分电极附近的极化率变化情况。

由于电极距离较小，油品渗漏模拟亦可引起相邻电极电位发生相对明显变化。将2s～50 ms采集参数下的自然电位进行比值及差值计算，可分别得到自然电位比值结果及差值结果，在该两组结果中，4#、8#、14#及 19#电极附近，自然电位变化明显见图5～图7。

图2 2 s～50 ms视电阻率比值结果

图3 2 s～50 ms视电阻率差值结果

图4 极化率比值结果

进一步从电流参数进行分析，将2 s～50 ms采集参数下的电流进行比值及差值计算，可分别得到电流比值结果及差值结果，在该两组结果中，4#、8#、14#及19#电极附近，电流变化明显见图8～图9。

图5 自然电位曲线

图6 自然电位比值曲线

图7 自然电位差值曲线

图8 电流比值曲线

从视电阻率、极化率、自然电位及电流参数进行分析的结果中，自然电位比值/差值结果及电流比值/差值结果中，油品渗漏模拟前后各电极的参数变化显著。该方法对于油品渗漏的检测，有较好的应用效果。

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法(TEM)是目前常见和使用最广泛的一种电磁法，其在污染探测方面有着比较广泛的应用。瞬变电磁分为发射、电磁感应和接收三部分，当发射回线中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应原理，发射回线中的电流突然变化必然在其周围产生一次磁场。一次磁场在周围传播的过程中，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流，由于二次电流随时间的变化，在其周围又产生二次磁场。二次磁场大致按照指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场。

当被探测体与邻近物质的介电常数相差较大时，其反射信号增强，被探测体易被探测出来。因此，如果加油站受油气渗漏影响的被污染土壤与正常的背景土壤有明显差异时，则可利用瞬变电磁法，探测出废弃物或可能受污染土壤区域的范围。

2.3 地质雷达法

地质雷达是一种非破坏性的原位探测技术，其原理是利用发射天线，发出高频电磁波，波长约1 cm～1 m、频率约1 MHz～1 GHz，可以穿透地层或被探测体，并产生反射信号，再由接收天线接收反射信号，通过分析反射波时间、波型、振幅等特征，来判别反射体的性质与位置。

加油站场址若有地下管线、地下油槽、废弃物或地下空洞时，地质雷达可由其反射信号，得知异常体大致的位置与深度。一旦油气发生渗漏，被污染土壤的介电常数与原始背景场之间存在一定的差异，因此地质雷达法可根据该物性差异，进一步探测渗漏位置，划定渗漏区域。地质雷达的优势在于抗电磁干扰能力强，能够现场提供实施剖面记录，图像清晰直观，工作效率高，重复性好。

2.4 微地震监测方法

微震监测，或叫无源地震法，指的是利用水利压裂、油气采出，或常规注水、注气以及热驱等石油工程作业时引起地下应力场变化，导致岩层裂缝或错断所产生的地震波，进行水力压裂裂缝作图，或对储层流体运动进行监测的方法[14]。微地震监测技术是近年来的一门新型地球物理技术，其基础是声发射原理，近几年国外在石油工程、水利水电和岩土工程中得到较好的应用。

在加油站油气管线布设初期，沿输油管线等间距布置三分量地震传感器，尤其管线接头处为易渗漏点，预布置传感器，形成地下以油气管线分布为观测系统的三分量传感器组合系统，该系统实时连续采集地下微震信号，当油气输送时，产生的连续微震信号，记为信号S1，其他干扰信号记为S2，当有渗漏点出现，油气渗漏将形成新的渗漏微震源点，此信号记为S3。当有渗漏情况发生时，存在裂缝尖端效应及漏泄效应，漏泄效应指的是当更多的高压流体流入到裂缝中，这是孔隙流体压力增大，流体漏泄到岩石构造里引起剪切滑动产生微震的效应[15]。因此，通过各信号的对比及微震源定位，可以实现地下管线油气渗漏情况的实时连续监测，见图10。

图10 微地震监测观测系统

2.5 并行电法监测方法

随着地下水的渗流迁移，发生溶液扩散、吸附、过滤及氧化还原等效应，在固、液介质中产生地电场的异常，利用自然电场异常进行渗流研究已在岩土工程实际中得到应用[16]。通过测定地下水及其赋存空间的地电场特性的变化规律，结合电化学中的电渗、电泳现象来反映地下介质的赋存、运移规律，同样是地电场应用的研究方向[17]。

在加油站等管道施工初期，将电极预埋于管道附近，即可在后期进行管道区域持续的地电场监测，进一步将地电场的自然场与人工场相结合，进行瞬态响应研究，研究地电场的自然电位、激励电流和电压、视电阻率等参数的瞬态响应[18]。通过初期的电法测试，可得到原始状态下的电阻率图像，将此时的地电场特征作为背景;在管道作业后期进行连续观测，一旦有油气渗漏发生，可得到油气渗透土壤体的电阻率连续变化图像。将后期持续监测的地电场特征与背景场特征进行比较，可以得到不同阶段的地电场变化情况，从而得到地下油品渗漏的分布规律。

3 结语

以往的探测方法中，几乎都是针对已经发生油品渗漏的情况，一般不能对即将发生的可能危及管道运行安全的第三方责任事件发出预警，本文除了分析已有油品渗漏的检测方法，还提出了新的思路及技术方法，对于油品渗漏情况可以进行实时监测并进一步预警和灾害预报。在我国，随着对石油和天然气等清洁能源的需求不断增加，管道分布越来越广，因此油气渗漏检测及监测预警越显重要，需要利用新理论、新技术、新方法来实施并提高油品渗漏检测、监测及定位技术。