金属燃气管道的综合地球物理勘察方法与应用

刘金锁，刘盛东，董 亚，曹 煜，刘惠洲，任 川，章 俊

(1.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司,安徽 合肥 231202;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 221008)

1 引言

油气管道是国家能源发展的“命脉”[1]。据不完全统计,油田集输管网以及城市燃气管网等总长度已超过30万km[2],保持国家能源“命脉”的畅通是国家长久发展的基本保障。2021年11月4日,国务院安委办印发通报中强调,加强城市燃气安全工作,全面开展地下管网普查,加快老旧燃气管道更新改造改线,把人民生命安全放在第一位[3,4]。一般来说,燃气运输管道一般多选用钢管焊接,精准探测地下金属管道的位置信息及铺设路径对保障地下金属管道安全运行意义重大[5-7]。Won(1980)[8]提出了基于电磁感应的频率域探测方法,通过固定发射与接收线圈距离,发射不同频率信号进行地下异常探测。陈军等[9]等(2005)使用地质雷达查明了石油天然气管道准确位置,为桩基础施工提供了有力支持。杨志军等[10]等(2009)以电磁法探测金属管线理论为基础,针对不同天线分析各种方法定位的误差。丁华等[11](2010)同时采用高密度电法、瞬态面波和地震映像三种地球物理方法综合探测深埋管线,取得了一定效果。张博[12](2021)提出了谐振差分技术以解决一次场及低信噪比问题,并结合室内探测试验,验证了探测系统的可靠性。

复杂的管道埋置情况导致单一的地球物理方法难以满足管道的精准探测,本文为实现地下金属燃气管道的精准探查,提出瞬变电磁与基于静力触探的等电位体测试相结合的方法,首先采用对偶线圈瞬变电磁仪确定地下燃气管道的水平位置,待水平异常点位置确定后,开展基于静力触探的等电位体测试,同时测量整个异常点下方不同深度的贯入阻力及电流密度,完成燃气管道纵横双向探查,实现地下金属燃气管道的精准定位。

2 方法介绍

本方法采用多种地球物理手段与勘察方法组合进行管道定位。首先正上方水平方位定位采用瞬变电磁仪,沿垂直于地下燃气管道方向进行扫描,确定管道的水平位置,待水平位置圈定后,在竖向进行基于静力触探的垂直压孔等电位探测法。当垂直孔位在燃气管道附近时,贯入阻力达到最低值、电位达到最高值,此时贯入阻力最低值、电位最高值对应的深度即为燃气管道深度。具体方法如下。

2.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法属于时间域电磁感应方法。其探测原理是:在发送回线上供一个电流脉冲方波,在方波后沿下降的瞬间,产生一个向发射回线法线方向传播的一次磁场,在一次磁场的激励下,地质体将产生涡流(图1),其大小取决于地质体的导电程度,在一次场消失后,该涡流不会立即消失,它将有一个过渡(衰减)过程[13-15]。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地质体内传播,由接收回线接收二次磁场,该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况(图2)。

图1 半空间等效感应电流Fig.1 Half-space equivalent induced current diagram

图2 瞬变电磁法原理Fig.2 The principle of transient electromagnetic method

瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播,在这一过程中,电磁能量直接在导电介质由于传播而消耗,由于趋肤效应,高频部分主要集中在地表附近,且其分布范围是源下面的局部,较低频部分传播到深处,且分布范围逐渐扩大。

其传播深度d(单位:m)为

(1)

传播速度vz(单位:m/s)为

(2)

式(1)和式(2)中,t为传播时间,单位:s;σ为介质电导率,单位:S/m;μ0为真空中的磁导率(单位:H/m)。

瞬变电磁的探测深度与发送磁矩覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。由式(2)得:

t=2π×10-7h2/ρ

(3)

式(3)中,h为探测深度,单位:m;ρ为覆盖层电阻率,单位Ω·m。时间与表层电阻率,发送磁矩之间的关系为:

(4)

式(4)中,M为发送磁矩,单位:A·m2;ρ1为表层电阻率,单位:Ω·m;η为最小可分辨电压,单位:V,它的大小与目标层几何参数和物理参数,还有和观测时间段有关。联立式(3)和式(4),可得:

(5)

式(5)中,H为最大探测深度,单位m。公式(5)为野外工程中常用来计算最大探测深度公式。瞬变电磁的探测深度与发送磁矩,覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。

采用晚期公式计算视电阻率:

(6)

式中

(7)

2.2 基于静力触探的等电位体探测法

静力触探是指利用压力装置将有触探头的触探杆压入试验土层,通过量测系统测量土的贯入阻力进行不同土层的划分,如图3所示,将测量电极M通过电线连入触探头位置,同时将供电电极A极对金属管道进行充电,供电电极B和测量电极N置于无穷远处,由于金属管道的电阻率远小于周围岩体的电阻率(小于200倍),可以看作是理想导体。电流在金属管道内流过时,不产生电位降低,导体内电位处处相等,是等电位体。向金属管道充电,并观测充电电场的分布,便可推断整个地下金属管道及周围岩石的电性分布情况。

图3 等电位体探测原理Fig.3 The principle ofequipotential body detection

3 现场实际应用

3.1 测线布置

根据现场踏勘及燃气公司相关资料,在安徽某场地目标燃气管道呈现南北走向分布,埋深约为10 m,直径大小为350 mm,材质为不锈钢管。为探查该燃气管道的水平位置,本次瞬变电磁探测自西向东进行了11条测线的探测,采用安徽惠洲地质安全研究院自主研发的对偶线圈瞬变电磁仪,线圈直径1.2 m,两个20匝的发射线圈分别位于顶底,一个70匝的接收线圈位于两发射线圈之间,发射电流10 A,每0.25 m一个测点探测,发射频率25 Hz,叠加次数128次,测线分布如图4所示。

图4 瞬变电磁测线布置Fig.4 Layout of transient electromagnetic line

3.2 瞬变电磁水平异常位置圈定

瞬变电磁法主要以电性差异来对目标体进行探测。在原生地层状态下,其导电性特征在纵向上有固定的变化规律,而在横向上则相对均一。当有金属导体存在于地层中时,由于体积效应的存在,都将引起地层整体电性在纵向和横向上的变化,经过对采集数据的预处理,剔除一些无效测线后,以每条测线起点作为坐标0点,沿着测线方向为X轴,垂直测线方向为Z轴。测线探测顺序由北向南依次为测线2→测线4→测线7→测线8→测线3。图5为测线2视电阻率剖面图。为清晰表示测线2后半段(即柏油路面上)的视电阻率差异,将该区域的测点单独进行处理成图,如图6所示。

图5 测线2视电阻率剖面Fig.5 The apparent resistivity profile of line 2

图6 测线2后段视电阻率剖面Fig.6 The apparent resistivity profile of the back section of line 2

测线2分析如图5所示,确定三处异常区(图中红色虚线标出)。分别为异常体1:距离马路牙1 m左右处;异常体2:距离马路牙2.5 m左右处;异常体3:距离墙边5～6 m处。

图7 测线4视电阻率剖面Fig.7 The apparentresistivity profile of line 4

图8 测线7视电阻率剖面Fig.8 The apparentresistivity profile of line 7

测线4探测区域位于柏油路面。根据图7视电阻率剖面图分析,确定有两处异常区。异常体1:距离马路牙1～1.5 m处;异常体2:距离马路牙3.5 m左右处。

测线7探测区域位于柏油路面。根据图8视电阻率剖面图分析,确定有两处异常区。异常体1:距离马路牙1.5 m左右处;异常体2:距离马路牙3.5 m左右处。测线8探测区域位于柏油路面。根据图9视电阻率剖面图显示,确定有两处异常区。异常体1:距离马路牙1.5 m左右处;异常体2:距离马路牙3.5 m左右处。

图9 测线8视电阻率剖面Fig.9 The apparentresistivity profile of line 8

图10 测线3视电阻率剖面Fig.10 The apparent resistivity profile of line 3

测线3的总探测长度为12.5 m,而由于前半段探测区域浅部存在含有金属网的混泥土石板,导致无法获得深部的有效信息,且根据前面几条测线发现,主要异常区是在柏油路面,故为了突出探测效果,摘取测线3后段数据进行单独处理。图10为测线3后段视电阻率剖面图,确定有两处异常区。异常体1:距离马路牙1 m左右处;异常体2:距离马路牙3 m左右处。

根据瞬变电磁多条测线的处理结果分析,同时结合金属燃气管线可能的实际走向(近似南北),在图中连线出可能的管线走向,如图11所示。结合现场静力触探的施工条件,给出两个疑似燃气管道的异常区域,

图11 异常体位置示意图Fig.11 The position diagram of abnormal body

3.3 基于静力触探的等电位体深度位置圈定

测点的布置结合瞬变电磁水平异常圈定的结果,异常1和异常2为疑似管道位置,如图11所示,结合现场的施工环境,孔1～孔5为静力触探钻孔开钻位置,通过开孔进行了孔内静压试验及孔内等电位体探测。图12～图16为孔1～孔5的PS曲线图。综合这几个图分析可以看出,该区域地层纵向分布与所提供的场地勘察资料基本吻合。各孔位从地表开始向下,均遇到表层杂填土及黏土层。约8 m均进入粉质黏土层,土层持力均增大。进入13 m左右后,各孔位进入夹沙粉质黏土层,土层持力增大至无法继续压入。

图13 孔2-PS曲线Fig.13 Hole 2-PS curve

图14 孔3-PS曲线 Fig.14 Hole 3-PS curve

如图16所示,PS曲线异常点发生在孔5。该孔在10.3～10.5 m深左右,发生了明显的掉钻现象,其贯入阻力值为0。该点所在的土压力较大,能形成如此明显的掉钻现象,是因为空洞周围具有一定的支撑结构。综合该点地表探测瞬变电磁探测成果(该点12 m左右存在异常),10.3～10.5 m处在管道周边发生掉钻的可能性极大。

图15 孔4-PS曲线Fig.15 Hole 4-PS curve

图16 孔5-PS曲线 Fig.16 Hole 5-PS curve

图17 孔6-PS曲线Fig.17 Hole 6-PS curve

图18 孔7-PS曲线Fig.18 Hole 7-PS curve

孔5发生掉钻后,分别于孔5东西两侧各0.5 m处,再次进行静压试验。其试验PS曲线图如图17、图18所示,由于燃气管直径为350 mm,尺寸较小,未能准确将探头压至管顶。

将各孔位的PS值绘制成剖面图,如图19所示。该图左侧为西边,起始点为现场工地围墙,测线位置如图4钻孔位置,在距起始点约10 m处,纵向深度为10.3～10.5 m,存在贯入阻力最低点位置,推测为管道所在位置。

图19 PS剖面Fig.19 PS Profile

图20 剖面电流场分布Fig.20 The profile current field distribution

将现场各孔位测试的电流场数据通过软件绘制成等值线图(图20),从图中可以看出,电流场在地下分布相对均匀,与现场实际地层条件具有较好的对应关系。而在沿剖面横向7 m左右电流场等值线发生突变,存在明显向下凹陷的趋势,且电流大小显著增大,在距测线起点9～10 m位置处电流值最大可达到565 mA,与周围地层的电性特征存在显著差异,根据地下地质体“高阻排斥,低阻吸引”的电流线及电流密度分布特征,表明该处存在一相对良导体,结合现场情况及已知管线信息,分析推断该良导体为目标金属燃气管道。

4 结论

针对现有金属燃气管道精准定位问题,本文分别采用瞬变电磁和基于静力触探的等电位体探测相结合的方法进行实际管线探测,得出如下结论:

1)通过布置与疑似管道走向相垂直的多条瞬变电磁测线,每条测线均可确定两处低阻异常,将异常位置连接成线,可基本定位管道走向。

2)结合瞬变电磁探测结果与场地静力触探施工条件,在距离马路牙1～1.5 m处和3.5 m处确定水平位置两处低阻异常,视深度在12～14 m。

3)通过在瞬变电磁标定异常位置开展静力触探和等电位体探测,管道所在位置贯入阻力为0,发生掉钻现象,同时电流密度在管道位置最大,可达565 mA。