超深埋地管道探测与识别技术及应用

张 磊 罗文学 梁杏照

（天津市嘉信技术工程有限责任公司，天津 300384）

0 引言

随着管道穿越施工技术日趋成熟和普及，定向钻、顶管、微型隧道等不同的穿越技术被广泛应用于各类管道的敷设工程。地下穿越区域内密集分布多条相互交叉并行的管道，且管道间的距离不断变小。穿越管道的埋深可达地表下10m以上，这些地下设施在运行期间以及后继工程施工环节，为保证管道安全，需要对这些超深管道实施精确测量。

使用常规的管线仪探测埋深在6m范围内的管道，其检测精度一般能够满足工程的需要，且具有测量方法简单，设备价格便宜、施工成本低等优点。但对埋深超过10m的管道实施探测时，地面接收机很难获得足够信噪比的感应信号，测量精度往往无法满足工程的要求。探井磁梯度法是测量超深管道的有效方法，使用磁梯度法检测则需要事先定位目标管道的大概位置，然后使用由远到近逐步逼近打探井的施工策略，一处管道定位可能要钻5个甚至更多的探井才能完成一次测量。磁梯度法能够测量管道的埋深，但不能给出探头与管道之间的距离，因此无法实现对目标管道的精确定位。此外，在管道分布集中或复杂的工况下，难以识别目标管道，增加了检测的难度、钻探井的盲目性以及管道的安全风险。探井磁梯度法面临施工难度大、抗干扰能力差、成本费用高、施工周期长等难题。

结合电磁感应原理和穿越超深管线探测需求，天津嘉信公司基于多年埋地管道探测仪器开发以及探测施工的经验，开发出基于探井法与电磁法相结合的超深管道测量系统UPM（Ultra-deep pipeline Measure system）。通过将测量探头放入探井中，在足够近的距离内探测目标管道上的电磁信号，从而大大提高了传感器的测量信噪比，实现高精度的管道位置测量。工程上的应用表明，UPM应用于超深管线的探测，具有较高实用价值和良好应用前景。

1 超深管线UPM检测原理

1.1 井中电磁法

常规的磁梯度法是磁探测技术和探井相结合的被动检测方法，原理是将探头置于探井内，在足够近的距离内，通过探测管道上的磁化磁场实施检测[1]。磁梯度法不能探测出探头与目标管道的距离以及两者的相互关系，在管道分布密集或有其他铁磁性物体时的工况下，难以区分目标管道，给测量结果带来较大的偏差[2]。

UPM将电磁法和探井相结合，其探测原理与普通的管线定位仪完全相同，也是需要给目标管道施加一个交流信号，利用感应线圈接收管道上的辐射信号完成检测。与管线仪的不同之处在于UPM将测量传感器集成在一个长40cm，直径3.6cm的探头内，将信号处理、参数设置、操作控制、数据存储等功能放在测量主机中，两者之间有电缆连接。通过将探头置于探井内并往下输送，使探头在足够近的距离内探测目标管道上的电磁信号，从而大大提高了传感器的测量信噪比，实现高精度的管道位置测量[3,4]。

探头在探进内往下探测的过程中，由探头内部的电磁感应线 圈接收目标管道上的电磁信号，上下两组线圈各自产生感应电动势，经信号处理电路中的前置放大、信号调理后，再进行A/D转化，然后经信号电缆输入到地面的测量主机，并在屏幕上实时显示测量曲线，如图1所示。随着探头下放而逐渐接近目标管道，当两线圈的感应电动势差值达到最大时，表示探头中的底部线圈与目标管道中心位于同一水平面，此时电缆下放的长度就是管道的埋设深度。与此同时，测量主机以上下线圈的感应电动势数据进行解算，应用公式（1）计算目标管道与探头垂直方向（探井）的水平距离L：

图1 信号响应曲线

式中：

L为管线的中心与探头底部线圈中心的距离，单位：m；

X为探头内两感应线圈的距离，单位：m；

Et、Eb分别是顶部和底部线圈测得的由管线内信号电流产生的磁感应强度，通过两个线圈的测量值，单位：V。

1.2 管道方位测量原理

当探井位置离管线很近，且采用的钻探工艺不能保证探井的垂直度时，需要标定管线与探井中探头之间的相对位置。UPM的探头中增加了一个三分量正交线圈组的传感器，连同内置电路板，以及平面电子罗盘，实现目标管线相对于探头方位的电磁法标定。该方位信息对进一步探测管线的水平位置，在管道复杂的环境下识别目标管道，避免后继工程误伤管线，减少钻探数量具有重要意义。

平面电子罗盘的向前方向与三分量线圈的Y轴重叠，向右方向与磁芯线圈的X轴重叠，罗盘平面与探头的长轴垂直，靠重力保证罗盘测量平面与水平面平行。探头在探井内垂直方向接近目标管道，由三分量线圈接收目标管线上的电磁信号，根据矢量的计算原理，得出三份量线圈与管道的角度关系，进而得出管道的方位角信息。由于施加到目标管线上的是正弦波信号电流，管道上的电流方向周期性翻转，进而环绕管道的电磁场也是同周期的方向变化，如图2所示。探头与管道的位置关系决定了三分量线圈的水平矢量在电流周期性翻转时的不同表现，根据三分量线圈中的水平矢量的变化可判断出管道与探头在方位上的相对关系。应用公式（2）解算出管道的方位。

图2 电流与电磁场的周期变化

图4 UPM检测流程示意图

式中：

Ex为三分量正交线圈组中水平X方向线圈的感应电动势，单位：V；

Ey为三分量正交线圈组中水平Y方向线圈的感应电动势，单位：V；

β为目标管线上探测信号产生电磁场的水平矢量与磁北向的夹角，指示出管道的方位信息。

2 UPM的测量方法

UPM结合了探井法与电磁法的优点，将探头置于探井内，以保证测量线圈能检测到足够强度的感应信号，可大幅度降低对目标管线上信号强度的需求，提高超深管线埋设位置的测量精度，解决了常规管线仪对超深管道测深精度差的难题。另外，使用特定频率的检测信号能准确识别目标管道，三分量感应线圈和电子罗盘配合使用可以精确测量管道的方位，减少钻井的盲目性，降低对管道的安全威胁，高效准确地测量超深管道的具体位置。

UPM主要由三部分组成，分别是测量主机、霍尔测距器和测量探头。测量探头是UPM的核心部件，它相当于普通管线仪的探测天线，通过与地面主机配合来完成测量功能。测量探头是由两个电磁感应线圈、一个三份量磁芯线圈、电子罗盘及信号调理电路板构成。信号调理电路板将线圈的感应电动势信号滤波放大并传递给测量主机。整个探头置于高强度的碳纤维管内。

UPM检测的实施方法是：

（1）对目标管道初步定位，划定探测区域，使用方法是电磁法，给目标管道施加特定频率的交流信号，在地面上使用管线仪初步定位目标管道的平面位置和埋深，由此设定探测区域，其宽度约为初测埋深值的一半，复杂现场可酌情加大；

（2）在疑似区域边缘的一侧，选择地下管线较为简单的位置，用钻井机打一个探井，其深度约为地面初测埋深的1.5倍，探井孔径探测略大于探头直径，将钻井的泥浆抽取干净并安装塑料套管；

（3）将探头放入探井中并往下输送过程中，探头接收管道的电磁信号并通过数据电缆传送到地面的测量主机，主机实时显示探头的测量曲线；当探头经过目标管道时，测量主机有相应的峰值响应；

（4）在探井与初测位置中间再次钻井重复UPM测量，获取目标管道埋深和位置；当水平距离在3m内且测量数据稳定，则认为测量结果是可靠的。

3 实例应用

天津某公司使用定向钻施工敷设一根天然气管道，管径为1016mm，管道沿南北方向延伸，并穿越东西向的国道（如图5所示）。设计资料显示在道路南侧约14.3m和18m分别是管径1016mm的输气管道和管径为325mm的输油管道。在交叉位置处，油管道设计埋深18m，气管道设计埋深15.4m，待施工管道在交叉位置的设计埋深为21m。为了施工安全，受施工方委托，对该区域内管道的真实埋深及位置实施精确探测。2021年4月，检测人员使用UPM对交叉位置处的两条穿越管道实施精确测量，检测结果具有良好的重复性，得到委托方的肯定。

图5 检测现场管道分布示意图

具体的实施方法是：在初步探测阶段对探测区域实施地面电磁法探测，测得现有两条管道相距约为3.5m。选定在油管、气管道两条管线中间位置作为探井钻探点，钻探深度25m。完成探井钻探后开始初步定位过程，分别在油管道和气管道的测试桩处施加1安培的640Hz交流信号，使用UPM分别对两条管道实施测量。由于两条管线相距不远，加之探井专探的垂直度较高，一次钻探完成了初步和精确定位工作，具体探测数据如表1所示。

表1 UPM检测结果（单位：m）

通过测量，得出输油管道的埋深为18.57m，与探井的水平距离为1.86m。输气管道的埋深为16.66m，与探井的水平距离为1.47m。

4 结语

UPM检测设备是针对超深管道的精确定位测深而开发的，该设备结合了探井法和电磁法的优点，解决了地面电磁法和磁梯度法探测超深管道所面临的局限。UPM通过将探头下放至探井内，使探头与管道的距离大大缩小，探头中的感应线圈能探测到足够强度的检测信号，提高了检测精度，这是常规的地面电磁法探测无法比拟的。此外，给目标管道施加特定频率的交流信号，提高了抗干扰能力，在管道分布复杂，多条管道并行交叉的工况下，能够准确识别目标管道的位置，同时可以精确测量管道的方位信息，这是磁梯度法无法实现的功能。通过UPM检测，可以测量出目标管道的精确的空间位置，保障了管道的运行以及后继工程的施工安全。