埋地非金屬管道探測技術適應性分析

紀賢晶

摘要：非金屬管道以其耐腐蝕、防結垢、使用壽命長等特點，已部分取代金屬管道，有效緩解了因油田地面系統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技術不成熟，油田大部分已建非金屬管道處于看不見、找不到的狀態，在施工建設中極易被破壞，給油田管道運行管理帶來極大不便。介紹了多種非金屬管線探測方法，并對各類方法的探測原理和特性進行闡述，結合油田非金屬管道特點，分析現有非金屬管線探測方法對油田非金屬管道的適應性。

關鍵詞：埋地非金屬管道；管線探測；聲學定位法；地震波法；示蹤法

一、前言

金屬管道在石油天然氣勘探開發、油氣輸送、石油化工等領域被廣泛應用，成熟度高。然而，隨著油氣田開發逐步進入中后期，以及劣化油氣資源開發不斷深入，普通金屬管材普遍面臨更為苛刻的腐蝕環境，管道腐蝕、泄漏、失效頻發，給油氣田企業帶來嚴重的安全生產、環境破壞和人員傷亡風險。非金屬管道以其耐蝕、抗結垢、全生命周期綜合成本低、使用壽命長等優點被廣泛應用于油氣田地面系統中。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%，非金屬管線的應用一定程度解決了金屬管道腐蝕、失效頻發的難題，產生了顯著的技術經濟效益。但由于早期油田管道信息系統不完善，已有的埋地非金屬管道探測技術不成熟，導致多數已建非金屬管道處于看不見、測不準、找不到的狀態，在施工建設中極易被破壞，給油氣田管道運行管理帶來極大不便。如何快速、精準定位探測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方法

從探測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層的非金屬管道，如鋼骨架增強塑料復合管、金屬增強柔性復合管等，能連續導電、導磁；另一類以非金屬材料作為增強層的管道，如玻璃鋼管道、纖維增強柔性復合管等，不導電、導磁[1]。對于具有連續金屬相的非金屬管道，可以采用和金屬管道相同的方法進行管道定位探測，技術成熟，測量精度較高；對于另一類絕緣的非金屬管道，常規的金屬管線探測技術不適用，當前常用的探測方法主要包括示蹤法、信標法、探地雷達法、弱磁感應法、聲學定位法、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，是電磁感應法的一種特殊形式。

示蹤線法是基于金屬管道探測原理，通過探管儀發射機給示蹤線施加電磁信號，由接收機接收信號對示蹤線進行準確定位和定深，從而實現非金屬管道的定位探測。探測時可采用直連法將交變電流注入示蹤線，通過示蹤線產生的電磁強弱來確定位置和埋深，也可以采用感應法利用儀器設備發射感應磁場，使示蹤線產生感應電流，從而形成二次感應磁場，通過探測感應電流產生的磁場達到定位的目的[3]。直連法是探測示蹤線的推薦方法，具有信噪比高、干擾少、易探測，探測結果比較準確、可靠的優點，采用該方法時推薦使用較低的工作頻率，盡量避免儀器設備接地線跨接其他管線，從而減少信號干擾。對于沒有裸露點的示蹤線探測推薦使用感應法，該方法感應信號較弱，如示蹤線附近有其他金屬管線時，感應信號易受干擾，探測結果不準確，因此在管線分布密集區域，不推薦采用感應法探測[4]。示蹤線法適用于新建非金屬管道，隨著非金屬管線施工，同時鋪設探測用示蹤線，施工簡單方便，但該方法也存在很大的局限性，鋪設時必須確保示蹤線的完好以及電連續性。

示蹤探頭法是將能發射電磁信號的微型磁偶極子線圈發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接收示蹤探頭發射的電磁信號，從而實現對非金屬管道定位探測。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、介質干擾[5]。其對應的示蹤裝置激發磁場能夠覆蓋近5m范圍，是大埋深非金屬管道探測有效方法之一。示蹤探頭的尺寸和轉向能力影響示蹤探頭法的應用范圍，現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[6]。

（二）信標法

信標法是利用預埋在地下管線上的信號感應裝置發射低頻脈沖信號從而實現管道定位探測的目的。該方法可代替傳統在非金屬管道上方預埋設示蹤線的探測方式，可解決示蹤線不完整時無法進行定位的問題。探測用信標可在新建非金屬管道敷設施工時或在役非金屬管道搶修后設置，通常在管道三通、彎頭等重要部位上方布設信標。使用信標法需要注意的是加強信標的管理，防止管道運行期內信標丟失。

（三）探地雷達法

探地雷達法是利用高頻電磁波探測地下介質分布的方法，對探測介質沒有破壞性，是國內外應用最廣泛的非金屬管道探測方法。該方法是基于不同物質的導電性差異（介電常數）從而達到非金屬管道探測的目的，該方法不受管材介質的限制[7-8]，典型介質電特性參數見表1。電磁波傳播過程中會發生損耗和衰減，電磁波的穿透深度與電導率、頻率成反比，即探地雷達的頻率越低，探測深度越大，分辨率越低[9]，例如，主頻900MHz的電磁波，探測深度范圍在0.5—1m，400 MHz的電磁波，探測深度范圍在1—5m。探地雷達法適用于相對高阻環境下的管線探測，對于潮濕環境、鹽堿地等良導體，以及在150 mm以下的管子探測有局限性。

（四）弱磁感應法

弱磁感應技術是基于所有物質均有磁性、一切空間均有磁場的原理來探測非金屬管線的，常用于燃氣管道探測。天然氣是一種磁化率很低的逆磁性物質，在外界磁場作用下，物質中所帶正電荷的自旋粒子表現出一定方向上的規律性排列，從而表現出微弱的磁性。為了實現燃氣管道的定位探測，研制出了能在地面采集并放大PE等非金屬管道內天然氣介質弱磁場的探測設備。弱磁感應法易操作，探測深度大，檢測效率也比較高，但該方法易受到周圍礦山、水源、電氣設備等外界因素的影響。另外，為保障探測結果的準確性，現場探測前操作者需反復進行現場試驗，建立相對穩定的靜電力場。

（五）聲學定位法

聲學定位法主要為主動聲源法和被動聲源法。

主動聲源法主要是利用聲波在管道及其內部介質的傳播特性來探查管道的位置。探測時將聲源發射器（或振蕩器）連接到管線的暴露部位，如閥門等，向管道發射特定頻率的聲波信號，在地面利用接收器捕捉沿管道走向傳播的信號，利用信號強弱來確定管道位置。該方法適用于任何能直接施加信號的內部為帶壓流體的非金屬管道的平面定位，但由于聲波傳播會發生衰減，主要用于小口徑管線的探測，其典型設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，不會受到其他聲波及管道信號的影響，直接施加在管道上也不受地下介質電導率影響，抗干擾能力強。但該方法無法確定管線深度，另外對于埋設太深的管道探測難度較大，且當地下介質不密實時對探測效果影響較大。

被動聲源法同樣是通過聲波在介質中的傳播特性來定位管道的，但與主動聲源法不同之處在于被動聲源法的聲源發射器同接收器都放置在地面，未與探測管線連接，其原理與探地雷達法類似，是利用發射器向地下發射探測聲波，通過地面接收器接收聲波的反射波來完成斷面探測，進而取得管線的位置等信息，其典型設備為美國杰恩公司APL聲學管線定位儀。該方法可用于任意材質的管道，無需管道存在裸露點，不受電場或架空電力系統的干擾。但方法不適用于相對復雜環境下的管道探測，超深管道探測能力有限。一般情況下，增大聲波頻率能提高小口徑管道的辨識能力，但土壤對聲波的衰減也隨之增大。依據目前工程實際應用，管線埋深小于2.4m時，可用于探測DN100以上的管道，管線埋深小于1.2m時，可用于探測DN50以上的管道，隨著埋深的減小，適用的口徑越小。在實際探測過程中，被動聲波法仍需與其他常規管線探測技術結合，用以區分探測目標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生的地震波傳播規律來探測地下介質分布的一種物探方法。其原理是利用地下管道與周圍介質之間的波阻抗差異，用反射波法做淺層時間剖面來反映地下管道的位置，反射波結果受到波長、成像網格等限制，分辨率往往較難滿足微幅構造描述的要求，適用于較大口徑深埋金屬、非金屬管線定位探測。而當地震波場經過小尺度地質異常體時會激發繞射波場，且繞射波場具有較高的分辨能力，利用散射波信息可更為準確地反映地下管道特征及其空間位置，采用多點激發分辨率更高，可實現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，通過相鄰兩個位置比對驗證，圖中有5處信號，可以確認地下存在管道。該方法多點激發分辨率更高，但現場測試時測點布置和測試時間較長，計算量較大，無法區分管道材質，實現非金屬管道路由探測工作量較大。對于在一定區域內盲探地下管線或構筑物、空洞等精準度較高。

（七）高密度電阻率法

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

三、各類探測方法對油氣田非金屬管道適應性分析

示蹤線法簡單實用，但埋設成本較高，需在管道施工期間同步敷設示蹤線，不適用于無完整示蹤線的非金屬管線路由探測，油氣田大多數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，或允許對管線進行開口，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。

探地雷達法探測非金屬管線應用較廣泛，經工程實踐，對于大口徑管線探測結果較為理想，是城市地下PE管線定位探測較為成熟的方法之一。該方法要求地表較平整，周邊環境無強電、磁干擾等，且存在多條管道并排時無法分辨的問題，對于管徑小于100mm的非金屬管道易出現無法探測的情況，對于油氣田小管徑單井管線的定位探測存在局限性。

主動聲源法適用于內部為帶壓流體且有明顯暴露點（法蘭、閥門等）的小口徑管線平面定位，不能測定管道埋深，且對埋深太大的管道無法探測。工程實踐中常與其他探測方法結合使用來達到非金屬管線定位、定深的目的，該方法在城鎮燃氣PE管道中應用較為廣泛，從原理上來講可實現油氣田埋地非金屬管線路由探測，但多數油氣田單井管線沒有暴露點，無法直接將聲波施加在內部介質上，對于在役油田單井管線尚沒有適宜的音頻發射設備實現在線路由探測。

地震波法無法區分探測目標的材質和尺寸，雖然散射波可實現小口徑管道定位，但油田地下管網密度高，多條管道并行或交錯分布時難以分辨目標管道，無法適應油田復雜管網中小口徑非金屬管道路由探測。

高密度電阻率法適用于輸送液體介質的埋地非金屬管線探測，管線輸送介質與周圍介質電阻率差異越明顯，探測誤差越小，該方法對地質條件要求較高，管線路由探測中電極布設工程量大，耗時長，不建議作為獨立的探測方法使用，對于地下管線錯綜復雜的油氣田管網，探測存在局限性，對于油氣田非金屬管道探測的可行性有待于進一步驗證。

四、結語

綜合分析現有非金屬管線探測方法，油田小口徑埋地非金屬管道路由探測存在局限性，對于已建小口徑非金屬管道可采取多種探測技術相結合的方法進一步探索路由探測的可行性，可從提高設備探測的分辨率和抗干擾能力入手，也可從如何將信號直接施加在管線及其內部介質上入手。對于新建非金屬管線，在管線建設期設置示蹤線、信標是最為便捷、有效的探測方法。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，為以后的探測打下基礎。

參考文獻

[1]何樹全，張寶良，劉博昱，等.油田埋地非金屬管道完整性管理技術探討[J].油氣田地面工程，2019，38（Z1）：123-126+130.

[2]葛亮，王甜，肖小汀，等.基于時域疊加的聲學埋地PE管道定位新方法[J].天然氣工業，2022，42（09）：111-121.

[3]王文明，郭建強，張桂瑞，等.埋地非金屬管線的智能預測與定位可視化研究[J].油氣田地面工程，2021，40（10）：46-51.

[4]高顯澤，劉亮，馮騁，等.電磁感應法在埋地非金屬管道探測中的應用[J].科學技術創新，2022（21）：175-178.

[5]震峰.燃氣PE管道示蹤線方法及其探測技術[J].勘察科學技術，2010（04）：61-64.

[6]解智強，何江龍，王貴武，等.基于地磁原理的非金屬地下管線探測技術的研究與應用[J].地礦測繪，2010，26（03）：13-16+19.

[7]江蘇晟利探測儀器有限公司.一種微型示蹤探頭及其使用方法：CN201510127324.6[P].2016-11-23.

[8]張寧，朱麗華，郭勇，等.在役聚乙烯壓力管道定位技術探析[J].特種設備安全技術，2023（02）：27-29.

[9]梁小龍，秦顯科.探地雷達在探測不同類型地下管線中的應用[J].上海建設科技，2021（02）：60-62.

作者單位：大慶油田設計院有限公司

責任編輯：周航