Optimized application of One-Pass underwater pipeline inspection system in directional drilling crossing pipeline
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摘要: 为保证穿越河流管段的正常运行, 需要定期检测管道埋深。针对定向钻穿越大埋深管道检测过程中电磁信号不稳定导致检测结果不准确的问题, 通过改变不同埋深穿越管段的电磁信号校准方法, 对One-Pass水下管道检测系统进行优化, 提高其在定向钻穿越管道检测中的检测精度。结果表明: 利用优化后的电磁信号校准数据计算得到的结果与实际情况的符合度更高, 说明优化后的One-Pass检测系统能满足水深40 m范围内的定向钻穿越管道敷设状态检测要求。研究成果对定向钻大埋深穿越河流管段敷设状态检测具有指导作用, 对保障穿越河流管段的安全运行具有重要意义。
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关键词:
- 定向钻穿越 /
- 电磁法 /
- One-Pass检测系统 /
- 优化
Abstract: For the purpose of ensuring the normal operation of river-crossing pipeline, it is necessary to detect the burial depth periodically. In view of the inaccurate result caused by unstable electromagnetic signals during the detection of directional drilling crossing pipeline due to its large covering, the One-Pass underwater pipeline inspection system was optimized by changing the calibration method of electromagnetic signals in the crossing pipelines with different buried depth to improve the detection accuracy of directional drilling crossing pipeline. The consequences show that the higher degree of compliance of the results calculated according to the calibration data of the optimized electromagnetic signal with the actual situations indicates that the optimized One-Pass inspection system can satisfy the detection requirements for laying status of the directional drilling crossing pipeline within a water depth of 40 m. The research results could be used to guide the detection of the laying status of river-crossing pipeline by directional drilling, and they are of important significance to ensure the safety operation of river-crossing pipeline. -
随着油气需求量的与日俱增，管道建设行业也在蓬勃发展，管道的安全性愈发受到重视，特别是穿跨越河流的管段，一旦发生事故，不但带来巨大的经济损失，而且会造成严重的环境污染，引起生态破坏。由于水流冲刷及人类活动的影响[1]，管道覆盖层正逐年变薄，甚至出现裸露，此时管道极易受到砂石撞击、水流冲击及船锚的破坏，因此，需要定期对穿越河流管道的埋深进行检测，掌握穿越河流管段的确切位置及掩埋状态[2]，从而有效提高管道安全管理水平。
电磁法是目前管道检测最有效、最经济的物探手段[3]，是利用发射机在待检管段中施加交流信号，在管道周围形成特定频率的电磁场，通过接收机检测管道上方的磁场强度或电流强度，从而实现对管道路径的定位及埋深检测等。诸多学者对电磁法检测原理进行了研究，如李振海等[4]研究了导向仪法、磁梯度探测法、电磁法等探测方法的探测精度，指出了在某种特定场合下可综合利用以上探测方法，互为补充，从而提升管道埋深检测范围和精度；陈军等[5]分析了不同检测电流对管道磁场强度的影响，提出釆用远端接地直连、低频等方式来抑制或排除干扰异常的影响，扩大埋深检测范围，且提高精度。目前，基于电磁法的水下管道检测技术应用广泛，对其开展研究也由来已久。1931年，第一款基于电磁法的高性能金属管道探测仪在美国诞生。随后，美国贝尔实验室对探测仪的结构进行了改进，提出了双天线结构。在此结构的基础上，世界上很多公司，如加拿大BPS公司、荷兰Alliander能源电网公司、美国STARTRAK公司及Innovative Inc公司等，纷纷对电磁法管道检测技术进行改进，生产出了多种管道检测产品[6-8]。目前，市场上出现较多的管道检测系统有：BPS河流穿越管道探测系统、磁性多功能定位及跟踪系统、One-Pass水下管道检测系统、FieldSens管道遥测检测系统、GPS-RTK水下管道检测系统、RD4000以及RD8000设备[9-11]。其中，OnePass水下管道检测系统应用最为广泛，但在定向钻穿越大埋深管道检测过程中，该方法电磁信号不稳定，导致检测结果不准确。通过改变不同埋深穿越管段的电磁信号校准方法，对One-Pass水下管道检测系统进行优化，提高其在定向钻穿越管道检测中的检测精度。
1. One-Pass检测系统原理及优化
1.1 检测原理
One-Pass水下管道检测系统(表 1)由Trimble GPS(Global Positioning System)测绘系统、管道定位与埋深测量系统、声呐水深测量系统及ARIVER数据处理软件组成[12-13]。
表 1 One-Pass水下管道检测检测系统工作参数
管道定位及埋深测量的工作原理为：向管道施加一定的电流信号后，电流信号沿管道向远方延伸，在管道周围形成电磁场，其强度与管道中的电流强度有关，用接收机可以直接测得管道中任何一点的电流强度，即可对管道进行定位；测量接收机底部到管道的距离，从而实现埋深检测。声呐水深测量的原理为：由声呐设备向水中发射一个具有一定空间指向性的短脉冲声波，声波在水中匀速直线传播，遇到河底后发生反射，反射回来的回波再被声呐设备接收。已知发射和接收的时间间隔及声波在水体中的平均传播速度，就可以计算出声波在水中传播的单程距离，即信号源到河底的距离。
将管道埋深测量与水深测量同步进行，即在测量管道埋深的同时测量水深，就可得到管道覆土层的厚度，了解管道在河床下敷设的状况。管道覆土层厚度的计算表达式为：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2021/1/href="yqcy-40-1-66-E1.png")
(1) 式中：l为管道覆土层厚度，m。d1为管道埋深，m。d2为管内信号至管顶的距离，管径小于426 mm时，建议为1/2管径；管径不小于426 mm时，建议为1/3管径。h为水深，m。
采用One-Pass水下管道检测系统现场检测(图 1)时，先用船只拖送过江电缆，使其与穿越管道两端的阴保测试桩连接构成一个闭合环路，再将电磁信号发射机串接到环路中，整个环路通过发射机持续发射低频信号供能。测量前，经过电磁信号强度多次校准，对不同的时间、空间以及高度进行定标；测量时，利用接收机在河面上沿“S”形路径来回跨越管道采集电磁信号，并用GPS对管道穿越路径进行定位，采集的数据经ARIVER数据处理软件及CAD绘图软件处理后，得到管道穿越路径平面图和埋深剖面图。
1.2 优化
尽管One-Pass水下管道检测系统具有探测精度高、定位准确、受干扰小等优点，但在实际使用过程中仅能探测埋深小于15 m的管道，此时管道埋深较均匀，电磁信号变化规律性明显。若直接将现有技术应用于埋深超过20 m且埋深变化大的定向钻河流穿越，则可能导致检测精度低、检测结果不可靠等问题[14-20]。因此，针对定向钻河流穿越管道敷设状态检测，需要对One-Pass水下管道检测系统进行优化，并验证其应用效果。在运用One-Pass水下管道检测系统对定向钻河流穿越管道进行检测时，需要解决3个问题：①获取接近管道最大深度范围的校准数据；②选择检测设备增益；③防止流速对数据的干扰。针对上述问题，提出以下5项优化措施。
(1) 调整河流穿越管段检测分段方法。针对定向钻穿越管段，将分段方式调整为浅埋段(d1≤18 m)和深埋段(d1 > 18 m)，分别对浅埋段和深埋段进行独立检测。
(2) 电磁信号强度校准方式优化。优化前一般采用单个校准点的检测方式，只通过一次校准数据计算全穿越段的管道埋深。优化后的检测流程，通过选取多个校准点进行电磁信号强度校准，来获取接近管道最大深度范围的校准数据，并根据采集的数据建立动态管道埋深计算模型。针对浅埋段，选取1个或2个校准点进行电磁信号强度校准(即1次校准或2次校准)；针对深埋段，选取2个以上校准点进行电磁信号强度校准。
(3) 电磁信号增益选择方法优化。深埋段和浅埋段各自确定适合的电磁信号增益，每个增益的选择应保证在采用该增益进行检测的范围内，检测读数需足够大且不超过接收机的量程范围。具体的选择方法为：深埋段选用One-Pass水下管道检测接收机第二增益，浅埋管段采用One-Pass水下管道检测接收机第一增益。后期进行数据处理和埋深计算时，浅埋管段采用1次校准数据计算，深埋管段采用2次校准数据计算。
(4) 深埋陆地管段定位方式优化。现场试验结果表明：管道浅埋时，探管仪对管道的定位能保持高精度；管道深埋时，探管仪对管道的定位偏差逐步增大。对定向钻管道穿越段而言，常见的大部分管段属于深埋，应用探管仪将无法保证管道定位的准确性。因此，先将陆地段管道定位方式优化为浅埋段，直接采用探管仪定位；对于确实是深埋段的管道，应先用探管仪粗略定位管道大概位置，再用One-Pass水下管道检测接收机根据峰值法对管道的准确位置进行校核(即对探管仪测得的数据进行校核)。
(5) 检测数据校核。对于流速较快(2~3 m/s)的穿越管段电磁信号强度、水深等数据采集应不少于3次，并在检测完成后优先进行数据处理，剔除无效数据，保证检测的准确性。
2. 实例应用
2.1 工程地质概况
以某定向钻穿越管段为例验证One-Pass水下管道检测系统的优化应用效果。该穿越河段检测长度350.153 m，陆地段检测长度780.34 m，检测总长1 130.493 m。
2.2 优化检测结果分析
将穿越段竣工图与该穿越工程优化后的检测结果(4次校准)进行对比(图 2)可见，沿线所有管道无裸露、浅埋段，河流水深最浅处0.11 m、最深处5.83 m，水下穿越段覆土质层厚度平均28.69 m，覆土层厚度最大为33.2 m、最小23.38 m，检测结果未见异常。优化后检测结果(4次校准)与竣工资料中的竣工图总体变化趋势一致，在埋深较小区域几乎无明显差别，在埋深较大区域差别较小，说明优化后的检测达到了预期的效果。
2.3 优化检测效果对比
对该穿越工程采用优化前的一般检测流程进行检测，即在全段只采用第1次的校准数据。结果发现，由于管道埋深变化在0~50 m之间变化，现场无法确定出一个适合的接收机增益，当根据深埋段选择较大增益时，浅埋段会出现超量程的情况；当根据浅埋段选择增益时，深埋段接收机读数过低，且几乎无明显变化规律。故一般检测流程无法应用于定向钻穿越管段。
采用优化后的流程对该穿越管段进行检测，根据设计资料该穿越管段平均埋深为35 m左右，分别采用3次和4次校准数据进行计算，并将检测结果绘制成图(图 3)进行对比。可见，当采用3次校准数据时，管道埋深检测结果普遍大于采用4次校准数据的检测结果，且埋深越大的位置，二者区别越明显。根据图 2，当采用4次校准数据时，检测结果与竣工资料能较好地符合，由此可见优化后的One-Pass水下管道检测系统可以有效地检测管道埋深在40 m范围内的河流穿越管段，且校准次数越多，其计算得到的结果与实际情况的符合程度越高。
3. 结论
河流穿越管段敷设状态的检测方法，应根据穿越管段基本情况以及不同的需求加以确定。对于大埋深定向钻穿越管段敷设状态的检测，采用优化的OnePass系统以多次校准、多种增益的分段检测流程，能满足管道埋深在40 m范围内的管道敷设状态检测。针对应用过程中出现的电磁干扰问题，仍需进一步掌握通过电磁法探测金属管道的理论及方法，为河流穿越管段敷设状态检测奠定理论基础，寻求更优的电磁干扰排除方法，扩大电磁声波法的应用范围。今后，可对超大埋深金属管道电磁探测装置硬件电路进行优化设计，实现探测数据快速反演，研制河流穿越管段敷设状态检测国产化系统。
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