埋地非金属管道探测技术适应性分析

纪贤晶

摘要：非金属管道以其耐腐蚀、防结垢、使用寿命长等特点，已部分取代金属管道，有效缓解了因油田地面系统的腐蚀问题带来的管道腐蚀问题。但由于非金属管线普遍具有绝缘性，已建非金属管道探测技术不成熟，油田大部分已建非金属管道处于看不见、找不到的状态，在施工建设中极易被破坏，给油田管道运行管理带来极大不便。介绍了多种非金属管线探测方法，并对各类方法的探测原理和特性进行阐述，结合油田非金属管道特点，分析现有非金属管线探测方法对油田非金属管道的适应性。

关键词：埋地非金属管道；管线探测；声学定位法；地震波法；示踪法

一、前言

金属管道在石油天然气勘探开发、油气输送、石油化工等领域被广泛应用，成熟度高。然而，随着油气田开发逐步进入中后期，以及劣化油气资源开发不断深入，普通金属管材普遍面临更为苛刻的腐蚀环境，管道腐蚀、泄漏、失效频发，给油气田企业带来严重的安全生产、环境破坏和人员伤亡风险。非金属管道以其耐蚀、抗结垢、全生命周期综合成本低、使用寿命长等优点被广泛应用于油气田地面系统中。截至2022年底，仅大庆油田已建非金属管线超过13000公里，约占大庆油田地面管道总量的11.6%，非金属管线的应用一定程度解决了金属管道腐蚀、失效频发的难题，产生了显著的技术经济效益。但由于早期油田管道信息系统不完善，已有的埋地非金属管道探测技术不成熟，导致多数已建非金属管道处于看不见、测不准、找不到的状态，在施工建设中极易被破坏，给油气田管道运行管理带来极大不便。如何快速、精准定位探测已建埋地非金属管道已成为亟待解决的难题。

二、常见非金属管道定位探测方法

从探测角度可将油气田常用的非金属管道分为两大类：一类是以金属材料作为增强层的非金属管道，如钢骨架增强塑料复合管、金属增强柔性复合管等，能连续导电、导磁；另一类以非金属材料作为增强层的管道，如玻璃钢管道、纤维增强柔性复合管等，不导电、导磁[1]。对于具有连续金属相的非金属管道，可以采用和金属管道相同的方法进行管道定位探测，技术成熟，测量精度较高；对于另一类绝缘的非金属管道，常规的金属管线探测技术不适用，当前常用的探测方法主要包括示踪法、信标法、探地雷达法、弱磁感应法、声学定位法、地震波法和高密度电阻率法等[2]。

（一）示踪法

示踪法通常包括示踪线法和示踪探头法，是电磁感应法的一种特殊形式。

示踪线法是基于金属管道探测原理，通过探管仪发射机给示踪线施加电磁信号，由接收机接收信号对示踪线进行准确定位和定深，从而实现非金属管道的定位探测。探测时可采用直连法将交变电流注入示踪线，通过示踪线产生的电磁强弱来确定位置和埋深，也可以采用感应法利用仪器设备发射感应磁场，使示踪线产生感应电流，从而形成二次感应磁场，通过探测感应电流产生的磁场达到定位的目的[3]。直连法是探测示踪线的推荐方法，具有信噪比高、干扰少、易探测，探测结果比较准确、可靠的优点，采用该方法时推荐使用较低的工作频率，尽量避免仪器设备接地线跨接其他管线，从而减少信号干扰。对于没有裸露点的示踪线探测推荐使用感应法，该方法感应信号较弱，如示踪线附近有其他金属管线时，感应信号易受干扰，探测结果不准确，因此在管线分布密集区域，不推荐采用感应法探测[4]。示踪线法适用于新建非金属管道，随着非金属管线施工，同时铺设探测用示踪线，施工简单方便，但该方法也存在很大的局限性，铺设时必须确保示踪线的完好以及电连续性。

示踪探头法是将能发射电磁信号的微型磁偶极子线圈发射器放置在非金属管道中，不断改变其在管道中的位置，利用地面上的接收机接收示踪探头发射的电磁信号，从而实现对非金属管道定位探测。示踪探头法适用于有出入口或方便开口的非金属管线，不易受周边管线、介质干扰[5]。其对应的示踪装置激发磁场能够覆盖近5m范围，是大埋深非金属管道探测有效方法之一。示踪探头的尺寸和转向能力影响示踪探头法的应用范围，现有研究表明已成功研制出了一种直径仅为22mm微型探头，可用于小管径管道探测[6]。

（二）信标法

信标法是利用预埋在地下管线上的信号感应装置发射低频脉冲信号从而实现管道定位探测的目的。该方法可代替传统在非金属管道上方预埋设示踪线的探测方式，可解决示踪线不完整时无法进行定位的问题。探测用信标可在新建非金属管道敷设施工时或在役非金属管道抢修后设置，通常在管道三通、弯头等重要部位上方布设信标。使用信标法需要注意的是加强信标的管理，防止管道运行期内信标丢失。

（三）探地雷达法

探地雷达法是利用高频电磁波探测地下介质分布的方法，对探测介质没有破坏性，是国内外应用最广泛的非金属管道探测方法。该方法是基于不同物质的导电性差异（介电常数）从而达到非金属管道探测的目的，该方法不受管材介质的限制[7-8]，典型介质电特性参数见表1。电磁波传播过程中会发生损耗和衰减，电磁波的穿透深度与电导率、频率成反比，即探地雷达的频率越低，探测深度越大，分辨率越低[9]，例如，主频900MHz的电磁波，探测深度范围在0.5—1m，400 MHz的电磁波，探测深度范围在1—5m。探地雷达法适用于相对高阻环境下的管线探测，对于潮湿环境、盐碱地等良导体，以及在150 mm以下的管子探测有局限性。

（四）弱磁感应法

弱磁感应技术是基于所有物质均有磁性、一切空间均有磁场的原理来探测非金属管线的，常用于燃气管道探测。天然气是一种磁化率很低的逆磁性物质，在外界磁场作用下，物质中所带正电荷的自旋粒子表现出一定方向上的规律性排列，从而表现出微弱的磁性。为了实现燃气管道的定位探测，研制出了能在地面采集并放大PE等非金属管道内天然气介质弱磁场的探测设备。弱磁感应法易操作，探测深度大，检测效率也比较高，但该方法易受到周围矿山、水源、电气设备等外界因素的影响。另外，为保障探测结果的准确性，现场探测前操作者需反复进行现场试验，建立相对稳定的静电力场。

（五）声学定位法

声学定位法主要为主动声源法和被动声源法。

主动声源法主要是利用声波在管道及其内部介质的传播特性来探查管道的位置。探测时将声源发射器（或振荡器）连接到管线的暴露部位，如阀门等，向管道发射特定频率的声波信号，在地面利用接收器捕捉沿管道走向传播的信号，利用信号强弱来确定管道位置。该方法适用于任何能直接施加信号的内部为带压流体的非金属管道的平面定位，但由于声波传播会发生衰减，主要用于小口径管线的探测，其典型设备一般被称为非金属管线定位仪。该方法采用特殊频率信号，不会受到其他声波及管道信号的影响，直接施加在管道上也不受地下介质电导率影响，抗干扰能力强。但该方法无法确定管线深度，另外对于埋设太深的管道探测难度较大，且当地下介质不密实时对探测效果影响较大。

被动声源法同样是通过声波在介质中的传播特性来定位管道的，但与主动声源法不同之处在于被动声源法的声源发射器同接收器都放置在地面，未与探测管线连接，其原理与探地雷达法类似，是利用发射器向地下发射探测声波，通过地面接收器接收声波的反射波来完成断面探测，进而取得管线的位置等信息，其典型设备为美国杰恩公司APL声学管线定位仪。该方法可用于任意材质的管道，无需管道存在裸露点，不受电场或架空电力系统的干扰。但方法不适用于相对复杂环境下的管道探测，超深管道探测能力有限。一般情况下，增大声波频率能提高小口径管道的辨识能力，但土壤对声波的衰减也随之增大。依据目前工程实际应用，管线埋深小于2.4m时，可用于探测DN100以上的管道，管线埋深小于1.2m时，可用于探测DN50以上的管道，随着埋深的减小，适用的口径越小。在实际探测过程中，被动声波法仍需与其他常规管线探测技术结合，用以区分探测目标是金属与非金属管道。

（六）地震波法

地震波法是通过分析人工震源产生的地震波传播规律来探测地下介质分布的一种物探方法。其原理是利用地下管道与周围介质之间的波阻抗差异，用反射波法做浅层时间剖面来反映地下管道的位置，反射波结果受到波长、成像网格等限制，分辨率往往较难满足微幅构造描述的要求，适用于较大口径深埋金属、非金属管线定位探测。而当地震波场经过小尺度地质异常体时会激发绕射波场，且绕射波场具有较高的分辨能力，利用散射波信息可更为准确地反映地下管道特征及其空间位置，采用多点激发分辨率更高，可实现DN40以上的管道定位、定深，图1是某地非金属管道地震波散射成像图，通过相邻两个位置比对验证，图中有5处信号，可以确认地下存在管道。该方法多点激发分辨率更高，但现场测试时测点布置和测试时间较长，计算量较大，无法区分管道材质，实现非金属管道路由探测工作量较大。对于在一定区域内盲探地下管线或构筑物、空洞等精准度较高。

（七）高密度电阻率法

高密度电阻率法结合了电测深法和电剖面法，基本原理与常规的直流电法一样，是利用地下管线与周围介质存在的电差异，通过对地下施加恒定电流场，利用地下管线与周围介质对地中电流不同的传导规律，实现地下管线的探测。由于液体的电阻率明显低于周围地下介质，高密度电阻率法适用于输送液体介质的地下非金属管线，电阻率差异越大，探测效果越理想。该方法是一种阵列式勘探方法，测量埋地管道时需将几十至上百根电极置于已知范围的剖面各位置点上，测试过程较为繁琐，且要求电极与地面有较好的耦合条件，对埋深过大或口径太小的管道探测结果均不理想，电极布设工作量大，一般多用于特殊位置（地基基础、路面下方等）管线探测，经常配合其他探测方法使用。

三、各类探测方法对油气田非金属管道适应性分析

示踪线法简单实用，但埋设成本较高，需在管道施工期间同步敷设示踪线，不适用于无完整示踪线的非金属管线路由探测，油气田大多数已建非金属管线不具备开展示踪线法的条件。示踪探头法应用的前提是非金属管线上具有阀门等探头出入口，或允许对管线进行开口，该方法通常不适用于选用非金属管材的油气田单井管线定位探测。

探地雷达法探测非金属管线应用较广泛，经工程实践，对于大口径管线探测结果较为理想，是城市地下PE管线定位探测较为成熟的方法之一。该方法要求地表较平整，周边环境无强电、磁干扰等，且存在多条管道并排时无法分辨的问题，对于管径小于100mm的非金属管道易出现无法探测的情况，对于油气田小管径单井管线的定位探测存在局限性。

主动声源法适用于内部为带压流体且有明显暴露点（法兰、阀门等）的小口径管线平面定位，不能测定管道埋深，且对埋深太大的管道无法探测。工程实践中常与其他探测方法结合使用来达到非金属管线定位、定深的目的，该方法在城镇燃气PE管道中应用较为广泛，从原理上来讲可实现油气田埋地非金属管线路由探测，但多数油气田单井管线没有暴露点，无法直接将声波施加在内部介质上，对于在役油田单井管线尚没有适宜的音频发射设备实现在线路由探测。

地震波法无法区分探测目标的材质和尺寸，虽然散射波可实现小口径管道定位，但油田地下管网密度高，多条管道并行或交错分布时难以分辨目标管道，无法适应油田复杂管网中小口径非金属管道路由探测。

高密度电阻率法适用于输送液体介质的埋地非金属管线探测，管线输送介质与周围介质电阻率差异越明显，探测误差越小，该方法对地质条件要求较高，管线路由探测中电极布设工程量大，耗时长，不建议作为独立的探测方法使用，对于地下管线错综复杂的油气田管网，探测存在局限性，对于油气田非金属管道探测的可行性有待于进一步验证。

四、结语

综合分析现有非金属管线探测方法，油田小口径埋地非金属管道路由探测存在局限性，对于已建小口径非金属管道可采取多种探测技术相结合的方法进一步探索路由探测的可行性，可从提高设备探测的分辨率和抗干扰能力入手，也可从如何将信号直接施加在管线及其内部介质上入手。对于新建非金属管线，在管线建设期设置示踪线、信标是最为便捷、有效的探测方法。在非金属管线施工和维修过程中可以考虑在弯头、三通等位置增加信标，为以后的探测打下基础。

参考文献

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作者单位：大庆油田设计院有限公司

责任编辑：周航