埋地非金屬管道探測(cè)技術(shù)適應(yīng)性分析

紀(jì)賢晶

摘要：非金屬管道以其耐腐蝕、防結(jié)垢、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，已部分取代金屬管道，有效緩解了因油田地面系統(tǒng)的腐蝕問題帶來的管道腐蝕問題。但由于非金屬管線普遍具有絕緣性，已建非金屬管道探測(cè)技術(shù)不成熟，油田大部分已建非金屬管道處于看不見、找不到的狀態(tài)，在施工建設(shè)中極易被破壞，給油田管道運(yùn)行管理帶來極大不便。介紹了多種非金屬管線探測(cè)方法，并對(duì)各類方法的探測(cè)原理和特性進(jìn)行闡述，結(jié)合油田非金屬管道特點(diǎn)，分析現(xiàn)有非金屬管線探測(cè)方法對(duì)油田非金屬管道的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：埋地非金屬管道；管線探測(cè)；聲學(xué)定位法；地震波法；示蹤法

一、前言

金屬管道在石油天然氣勘探開發(fā)、油氣輸送、石油化工等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，成熟度高。然而，隨著油氣田開發(fā)逐步進(jìn)入中后期，以及劣化油氣資源開發(fā)不斷深入，普通金屬管材普遍面臨更為苛刻的腐蝕環(huán)境，管道腐蝕、泄漏、失效頻發(fā)，給油氣田企業(yè)帶來嚴(yán)重的安全生產(chǎn)、環(huán)境破壞和人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。非金屬管道以其耐蝕、抗結(jié)垢、全生命周期綜合成本低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于油氣田地面系統(tǒng)中。截至2022年底，僅大慶油田已建非金屬管線超過13000公里，約占大慶油田地面管道總量的11.6%，非金屬管線的應(yīng)用一定程度解決了金屬管道腐蝕、失效頻發(fā)的難題，產(chǎn)生了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。但由于早期油田管道信息系統(tǒng)不完善，已有的埋地非金屬管道探測(cè)技術(shù)不成熟，導(dǎo)致多數(shù)已建非金屬管道處于看不見、測(cè)不準(zhǔn)、找不到的狀態(tài)，在施工建設(shè)中極易被破壞，給油氣田管道運(yùn)行管理帶來極大不便。如何快速、精準(zhǔn)定位探測(cè)已建埋地非金屬管道已成為亟待解決的難題。

二、常見非金屬管道定位探測(cè)方法

從探測(cè)角度可將油氣田常用的非金屬管道分為兩大類：一類是以金屬材料作為增強(qiáng)層的非金屬管道，如鋼骨架增強(qiáng)塑料復(fù)合管、金屬增強(qiáng)柔性復(fù)合管等，能連續(xù)導(dǎo)電、導(dǎo)磁；另一類以非金屬材料作為增強(qiáng)層的管道，如玻璃鋼管道、纖維增強(qiáng)柔性復(fù)合管等，不導(dǎo)電、導(dǎo)磁[1]。對(duì)于具有連續(xù)金屬相的非金屬管道，可以采用和金屬管道相同的方法進(jìn)行管道定位探測(cè)，技術(shù)成熟，測(cè)量精度較高；對(duì)于另一類絕緣的非金屬管道，常規(guī)的金屬管線探測(cè)技術(shù)不適用，當(dāng)前常用的探測(cè)方法主要包括示蹤法、信標(biāo)法、探地雷達(dá)法、弱磁感應(yīng)法、聲學(xué)定位法、地震波法和高密度電阻率法等[2]。

（一）示蹤法

示蹤法通常包括示蹤線法和示蹤探頭法，是電磁感應(yīng)法的一種特殊形式。

示蹤線法是基于金屬管道探測(cè)原理，通過探管儀發(fā)射機(jī)給示蹤線施加電磁信號(hào)，由接收機(jī)接收信號(hào)對(duì)示蹤線進(jìn)行準(zhǔn)確定位和定深，從而實(shí)現(xiàn)非金屬管道的定位探測(cè)。探測(cè)時(shí)可采用直連法將交變電流注入示蹤線，通過示蹤線產(chǎn)生的電磁強(qiáng)弱來確定位置和埋深，也可以采用感應(yīng)法利用儀器設(shè)備發(fā)射感應(yīng)磁場(chǎng)，使示蹤線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而形成二次感應(yīng)磁場(chǎng)，通過探測(cè)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)達(dá)到定位的目的[3]。直連法是探測(cè)示蹤線的推薦方法，具有信噪比高、干擾少、易探測(cè)，探測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點(diǎn)，采用該方法時(shí)推薦使用較低的工作頻率，盡量避免儀器設(shè)備接地線跨接其他管線，從而減少信號(hào)干擾。對(duì)于沒有裸露點(diǎn)的示蹤線探測(cè)推薦使用感應(yīng)法，該方法感應(yīng)信號(hào)較弱，如示蹤線附近有其他金屬管線時(shí)，感應(yīng)信號(hào)易受干擾，探測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，因此在管線分布密集區(qū)域，不推薦采用感應(yīng)法探測(cè)[4]。示蹤線法適用于新建非金屬管道，隨著非金屬管線施工，同時(shí)鋪設(shè)探測(cè)用示蹤線，施工簡(jiǎn)單方便，但該方法也存在很大的局限性，鋪設(shè)時(shí)必須確保示蹤線的完好以及電連續(xù)性。

示蹤探頭法是將能發(fā)射電磁信號(hào)的微型磁偶極子線圈發(fā)射器放置在非金屬管道中，不斷改變其在管道中的位置，利用地面上的接收機(jī)接收示蹤探頭發(fā)射的電磁信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬管道定位探測(cè)。示蹤探頭法適用于有出入口或方便開口的非金屬管線，不易受周邊管線、介質(zhì)干擾[5]。其對(duì)應(yīng)的示蹤裝置激發(fā)磁場(chǎng)能夠覆蓋近5m范圍，是大埋深非金屬管道探測(cè)有效方法之一。示蹤探頭的尺寸和轉(zhuǎn)向能力影響示蹤探頭法的應(yīng)用范圍，現(xiàn)有研究表明已成功研制出了一種直徑僅為22mm微型探頭，可用于小管徑管道探測(cè)[6]。

（二）信標(biāo)法

信標(biāo)法是利用預(yù)埋在地下管線上的信號(hào)感應(yīng)裝置發(fā)射低頻脈沖信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)管道定位探測(cè)的目的。該方法可代替?zhèn)鹘y(tǒng)在非金屬管道上方預(yù)埋設(shè)示蹤線的探測(cè)方式，可解決示蹤線不完整時(shí)無法進(jìn)行定位的問題。探測(cè)用信標(biāo)可在新建非金屬管道敷設(shè)施工時(shí)或在役非金屬管道搶修后設(shè)置，通常在管道三通、彎頭等重要部位上方布設(shè)信標(biāo)。使用信標(biāo)法需要注意的是加強(qiáng)信標(biāo)的管理，防止管道運(yùn)行期內(nèi)信標(biāo)丟失。

（三）探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法是利用高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的方法，對(duì)探測(cè)介質(zhì)沒有破壞性，是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的非金屬管道探測(cè)方法。該方法是基于不同物質(zhì)的導(dǎo)電性差異（介電常數(shù)）從而達(dá)到非金屬管道探測(cè)的目的，該方法不受管材介質(zhì)的限制[7-8]，典型介質(zhì)電特性參數(shù)見表1。電磁波傳播過程中會(huì)發(fā)生損耗和衰減，電磁波的穿透深度與電導(dǎo)率、頻率成反比，即探地雷達(dá)的頻率越低，探測(cè)深度越大，分辨率越低[9]，例如，主頻900MHz的電磁波，探測(cè)深度范圍在0.5—1m，400 MHz的電磁波，探測(cè)深度范圍在1—5m。探地雷達(dá)法適用于相對(duì)高阻環(huán)境下的管線探測(cè)，對(duì)于潮濕環(huán)境、鹽堿地等良導(dǎo)體，以及在150 mm以下的管子探測(cè)有局限性。

（四）弱磁感應(yīng)法

弱磁感應(yīng)技術(shù)是基于所有物質(zhì)均有磁性、一切空間均有磁場(chǎng)的原理來探測(cè)非金屬管線的，常用于燃?xì)夤艿捞綔y(cè)。天然氣是一種磁化率很低的逆磁性物質(zhì)，在外界磁場(chǎng)作用下，物質(zhì)中所帶正電荷的自旋粒子表現(xiàn)出一定方向上的規(guī)律性排列，從而表現(xiàn)出微弱的磁性。為了實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤艿赖亩ㄎ惶綔y(cè)，研制出了能在地面采集并放大PE等非金屬管道內(nèi)天然氣介質(zhì)弱磁場(chǎng)的探測(cè)設(shè)備。弱磁感應(yīng)法易操作，探測(cè)深度大，檢測(cè)效率也比較高，但該方法易受到周圍礦山、水源、電氣設(shè)備等外界因素的影響。另外，為保障探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)前操作者需反復(fù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立相對(duì)穩(wěn)定的靜電力場(chǎng)。

（五）聲學(xué)定位法

聲學(xué)定位法主要為主動(dòng)聲源法和被動(dòng)聲源法。

主動(dòng)聲源法主要是利用聲波在管道及其內(nèi)部介質(zhì)的傳播特性來探查管道的位置。探測(cè)時(shí)將聲源發(fā)射器（或振蕩器）連接到管線的暴露部位，如閥門等，向管道發(fā)射特定頻率的聲波信號(hào)，在地面利用接收器捕捉沿管道走向傳播的信號(hào)，利用信號(hào)強(qiáng)弱來確定管道位置。該方法適用于任何能直接施加信號(hào)的內(nèi)部為帶壓流體的非金屬管道的平面定位，但由于聲波傳播會(huì)發(fā)生衰減，主要用于小口徑管線的探測(cè)，其典型設(shè)備一般被稱為非金屬管線定位儀。該方法采用特殊頻率信號(hào)，不會(huì)受到其他聲波及管道信號(hào)的影響，直接施加在管道上也不受地下介質(zhì)電導(dǎo)率影響，抗干擾能力強(qiáng)。但該方法無法確定管線深度，另外對(duì)于埋設(shè)太深的管道探測(cè)難度較大，且當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)不密實(shí)時(shí)對(duì)探測(cè)效果影響較大。

被動(dòng)聲源法同樣是通過聲波在介質(zhì)中的傳播特性來定位管道的，但與主動(dòng)聲源法不同之處在于被動(dòng)聲源法的聲源發(fā)射器同接收器都放置在地面，未與探測(cè)管線連接，其原理與探地雷達(dá)法類似，是利用發(fā)射器向地下發(fā)射探測(cè)聲波，通過地面接收器接收聲波的反射波來完成斷面探測(cè)，進(jìn)而取得管線的位置等信息，其典型設(shè)備為美國(guó)杰恩公司APL聲學(xué)管線定位儀。該方法可用于任意材質(zhì)的管道，無需管道存在裸露點(diǎn)，不受電場(chǎng)或架空電力系統(tǒng)的干擾。但方法不適用于相對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的管道探測(cè)，超深管道探測(cè)能力有限。一般情況下，增大聲波頻率能提高小口徑管道的辨識(shí)能力，但土壤對(duì)聲波的衰減也隨之增大。依據(jù)目前工程實(shí)際應(yīng)用，管線埋深小于2.4m時(shí)，可用于探測(cè)DN100以上的管道，管線埋深小于1.2m時(shí)，可用于探測(cè)DN50以上的管道，隨著埋深的減小，適用的口徑越小。在實(shí)際探測(cè)過程中，被動(dòng)聲波法仍需與其他常規(guī)管線探測(cè)技術(shù)結(jié)合，用以區(qū)分探測(cè)目標(biāo)是金屬與非金屬管道。

（六）地震波法

地震波法是通過分析人工震源產(chǎn)生的地震波傳播規(guī)律來探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種物探方法。其原理是利用地下管道與周圍介質(zhì)之間的波阻抗差異，用反射波法做淺層時(shí)間剖面來反映地下管道的位置，反射波結(jié)果受到波長(zhǎng)、成像網(wǎng)格等限制，分辨率往往較難滿足微幅構(gòu)造描述的要求，適用于較大口徑深埋金屬、非金屬管線定位探測(cè)。而當(dāng)?shù)卣鸩▓?chǎng)經(jīng)過小尺度地質(zhì)異常體時(shí)會(huì)激發(fā)繞射波場(chǎng)，且繞射波場(chǎng)具有較高的分辨能力，利用散射波信息可更為準(zhǔn)確地反映地下管道特征及其空間位置，采用多點(diǎn)激發(fā)分辨率更高，可實(shí)現(xiàn)DN40以上的管道定位、定深，圖1是某地非金屬管道地震波散射成像圖，通過相鄰兩個(gè)位置比對(duì)驗(yàn)證，圖中有5處信號(hào)，可以確認(rèn)地下存在管道。該方法多點(diǎn)激發(fā)分辨率更高，但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算量較大，無法區(qū)分管道材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)非金屬管道路由探測(cè)工作量較大。對(duì)于在一定區(qū)域內(nèi)盲探地下管線或構(gòu)筑物、空洞等精準(zhǔn)度較高。

（七）高密度電阻率法

高密度電阻率法結(jié)合了電測(cè)深法和電剖面法，基本原理與常規(guī)的直流電法一樣，是利用地下管線與周圍介質(zhì)存在的電差異，通過對(duì)地下施加恒定電流場(chǎng)，利用地下管線與周圍介質(zhì)對(duì)地中電流不同的傳導(dǎo)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)地下管線的探測(cè)。由于液體的電阻率明顯低于周圍地下介質(zhì)，高密度電阻率法適用于輸送液體介質(zhì)的地下非金屬管線，電阻率差異越大，探測(cè)效果越理想。該方法是一種陣列式勘探方法，測(cè)量埋地管道時(shí)需將幾十至上百根電極置于已知范圍的剖面各位置點(diǎn)上，測(cè)試過程較為繁瑣，且要求電極與地面有較好的耦合條件，對(duì)埋深過大或口徑太小的管道探測(cè)結(jié)果均不理想，電極布設(shè)工作量大，一般多用于特殊位置（地基基礎(chǔ)、路面下方等）管線探測(cè)，經(jīng)常配合其他探測(cè)方法使用。

三、各類探測(cè)方法對(duì)油氣田非金屬管道適應(yīng)性分析

示蹤線法簡(jiǎn)單實(shí)用，但埋設(shè)成本較高，需在管道施工期間同步敷設(shè)示蹤線，不適用于無完整示蹤線的非金屬管線路由探測(cè)，油氣田大多數(shù)已建非金屬管線不具備開展示蹤線法的條件。示蹤探頭法應(yīng)用的前提是非金屬管線上具有閥門等探頭出入口，或允許對(duì)管線進(jìn)行開口，該方法通常不適用于選用非金屬管材的油氣田單井管線定位探測(cè)。

探地雷達(dá)法探測(cè)非金屬管線應(yīng)用較廣泛，經(jīng)工程實(shí)踐，對(duì)于大口徑管線探測(cè)結(jié)果較為理想，是城市地下PE管線定位探測(cè)較為成熟的方法之一。該方法要求地表較平整，周邊環(huán)境無強(qiáng)電、磁干擾等，且存在多條管道并排時(shí)無法分辨的問題，對(duì)于管徑小于100mm的非金屬管道易出現(xiàn)無法探測(cè)的情況，對(duì)于油氣田小管徑單井管線的定位探測(cè)存在局限性。

主動(dòng)聲源法適用于內(nèi)部為帶壓流體且有明顯暴露點(diǎn)（法蘭、閥門等）的小口徑管線平面定位，不能測(cè)定管道埋深，且對(duì)埋深太大的管道無法探測(cè)。工程實(shí)踐中常與其他探測(cè)方法結(jié)合使用來達(dá)到非金屬管線定位、定深的目的，該方法在城鎮(zhèn)燃?xì)釶E管道中應(yīng)用較為廣泛，從原理上來講可實(shí)現(xiàn)油氣田埋地非金屬管線路由探測(cè)，但多數(shù)油氣田單井管線沒有暴露點(diǎn)，無法直接將聲波施加在內(nèi)部介質(zhì)上，對(duì)于在役油田單井管線尚沒有適宜的音頻發(fā)射設(shè)備實(shí)現(xiàn)在線路由探測(cè)。

地震波法無法區(qū)分探測(cè)目標(biāo)的材質(zhì)和尺寸，雖然散射波可實(shí)現(xiàn)小口徑管道定位，但油田地下管網(wǎng)密度高，多條管道并行或交錯(cuò)分布時(shí)難以分辨目標(biāo)管道，無法適應(yīng)油田復(fù)雜管網(wǎng)中小口徑非金屬管道路由探測(cè)。

高密度電阻率法適用于輸送液體介質(zhì)的埋地非金屬管線探測(cè)，管線輸送介質(zhì)與周圍介質(zhì)電阻率差異越明顯，探測(cè)誤差越小，該方法對(duì)地質(zhì)條件要求較高，管線路由探測(cè)中電極布設(shè)工程量大，耗時(shí)長(zhǎng)，不建議作為獨(dú)立的探測(cè)方法使用，對(duì)于地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜的油氣田管網(wǎng)，探測(cè)存在局限性，對(duì)于油氣田非金屬管道探測(cè)的可行性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

四、結(jié)語

綜合分析現(xiàn)有非金屬管線探測(cè)方法，油田小口徑埋地非金屬管道路由探測(cè)存在局限性，對(duì)于已建小口徑非金屬管道可采取多種探測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)一步探索路由探測(cè)的可行性，可從提高設(shè)備探測(cè)的分辨率和抗干擾能力入手，也可從如何將信號(hào)直接施加在管線及其內(nèi)部介質(zhì)上入手。對(duì)于新建非金屬管線，在管線建設(shè)期設(shè)置示蹤線、信標(biāo)是最為便捷、有效的探測(cè)方法。在非金屬管線施工和維修過程中可以考慮在彎頭、三通等位置增加信標(biāo)，為以后的探測(cè)打下基礎(chǔ)。

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作者單位：大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

責(zé)任編輯：周航