吳有亮 李金璽 鄧 艷

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司, 四川 成都 610041;2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院, 四川 成都 610059

兩種電磁法在油氣管道工程勘察中的應(yīng)用

吳有亮1李金璽2鄧 艷1

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司, 四川 成都 610041;2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院, 四川 成都 610059

近年來航空電磁法在國內(nèi)國土資源、礦產(chǎn)、地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域開始得到應(yīng)用。為了解航空電磁法與一般音頻大地電磁法的優(yōu)缺點(diǎn),以便在實(shí)際工作中選擇合適的工作方法、提高工作效率與精度、節(jié)約成本,通過在實(shí)際油氣管道隧道工程勘察中的航空電磁法與音頻大地電磁法數(shù)據(jù)采集、應(yīng)用效果對比,分析了航空電磁法與音頻大地電磁法各自的優(yōu)缺點(diǎn),為不同環(huán)境條件下油氣管道工程勘察中航空電磁法與音頻大地電磁法的選擇與使用提供參考。

航空電磁法；音頻大地電磁法；油氣管道工程；勘察應(yīng)用

0 前言

1948年,Stanmac和McPhar公司在加拿大進(jìn)行了固定翼飛機(jī)航空電磁法(Airborne Electromagnetic,AEM)系統(tǒng)的首次試驗(yàn)飛行。近年來航空電磁法在測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解釋技術(shù)方面都有了新發(fā)展,歐美、加拿大、澳大利亞等國將航空電磁法廣泛用于環(huán)境、土壤土質(zhì)、地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域[1-3]。中國航空電磁法的研究始于20世紀(jì)50年代末,經(jīng)過不斷總結(jié),航空電磁法逐漸應(yīng)用于地質(zhì)填圖、間接找礦、水文和農(nóng)業(yè)生態(tài)地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境等領(lǐng)域[4]。近年在國土資源[5-6]、礦產(chǎn)[7-8]、水文[9]、環(huán)境及地質(zhì)調(diào)查中[10-11]均取得一定成果,航空電磁法技術(shù)逐步走向成熟,但總體相對落后。

本文通過航空電磁法與音頻大地電磁法在某油氣管道工程水下工程勘察中的應(yīng)用對比,分析了航空電磁法與音頻大地電磁法各自的優(yōu)缺點(diǎn),為不同條件下油氣管道工程勘察中航空電磁法與音頻大地電磁法的選擇與使用提供參考。

1 航空電磁法與音頻大地電磁法

在交變電磁場(一次場)的作用下,當(dāng)?shù)叵麓嬖趯?dǎo)電地質(zhì)體時,導(dǎo)體將產(chǎn)生渦流(感應(yīng)電流),渦流又在其周圍產(chǎn)生二次磁場(二次場)；二次場的出現(xiàn)使一次場發(fā)生畸變。一次場和二次場迭加后的總場在強(qiáng)度、相位和方向上與一次場不同；研究二次場的強(qiáng)度和隨時間衰變或研究總場各分量的強(qiáng)度、空間分布和時間特性等,可發(fā)現(xiàn)異常和推斷地下導(dǎo)電體的存在。如果地質(zhì)體具有高導(dǎo)磁性,在一次場作用下,受人工磁化產(chǎn)生二次磁場,同樣可以發(fā)現(xiàn)異常并推斷地下導(dǎo)磁體的存在。電磁法即為利用上述原理的一種物探方法,分為地面電磁法、航空電磁法和井中電磁法等。

航空電磁法是借助飛機(jī)載體完成電磁法測量工作的物探方法。航空電磁法測量系統(tǒng)包括觀測系統(tǒng)、導(dǎo)航定位、運(yùn)載系統(tǒng),見圖1。

圖1 航空電磁法測量系統(tǒng)示意圖

音頻大地電磁法屬地面電磁法的一種(簡稱AMT法),是利用天然音頻大地電磁場作為場源,觀測互相垂直的兩個方向上若干頻率的電場和磁場之比(稱為波阻抗),通過研究地電斷面的變化,來劃分地下地質(zhì)體及其空間分布[12-13]。音頻大地電磁法測量系統(tǒng)見圖2。

圖2 音頻大地電磁法測量系統(tǒng)示意圖

2 航空電磁法與音頻大地電磁法應(yīng)用對比

在某油氣管道工程的水下隧道穿越工程勘察中[14],同時采用了航空電磁法與音頻大地電磁法進(jìn)行了物探工作,根據(jù)兩種物探方法的應(yīng)用情況,對兩種物探方法在工期、對地形條件的適用性、靈活性、精度等方面進(jìn)行了分析對比。

2.1 工程概況

勘察區(qū)地貌屬構(gòu)造～侵蝕中山地貌,河道呈“U”型,寬度約200 m,兩岸與河水面高差100 m。地形地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜,滑坡崩塌等不良地質(zhì)作用發(fā)育,油氣管道初選兩個方案,均為水下隧道穿越,見圖3。

圖3 擬建隧道穿越地形地貌及河道情況

圖4為區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造,區(qū)域內(nèi)發(fā)育深大斷裂帶構(gòu)造,局部地段斷裂帶與擬建管道線路相伴而行,多處相交。河道內(nèi)覆蓋層為第四系沖全新統(tǒng)洪積卵石土層；右岸(北岸)為第四系更新統(tǒng)殘坡積地層；左岸(南岸)為崩坡積地層及高臺地半成巖(半膠結(jié)狀卵石)；下伏基巖為新近系礫巖,奧陶系～泥盆系白云巖、灰?guī)r。

根據(jù)對隧道穿越斷面附近地層調(diào)查和地球物理的反演結(jié)果分析,工區(qū)各地層視電阻率值見表1。

由于較完整巖體與破碎、軟弱巖體、斷層破碎帶及巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)之間存在一定的電性差異,因此工區(qū)具備開展電磁法的地球物理勘探前提條件。

圖4 擬建隧道附近區(qū)域構(gòu)造

表1 工區(qū)地層視電阻率統(tǒng)計(jì)表

地層描述視電阻率/(Ω·m)第四系地層(主要為砂卵石)10～500第三系地層(主要為礫巖等)20～100或30～400極破碎、極軟弱或富水巖體50～200破碎、軟弱或含水巖體200～300較破碎巖體300～500較完整巖體500～2000斷層破碎帶30～100

2.2 野外測線布置

圖5 航空電磁法測線布置圖

圖6 音頻大地電磁法測線布置圖

根據(jù)擬建油氣管道隧道穿越工程場地地形、地貌、地質(zhì)條件,對兩個方案均進(jìn)行航空電磁法及音頻大地電磁法勘察。圖5為航空電磁法測線布置圖,在中線及兩側(cè)各250 m范圍布置5條平行航空電磁法測線,測線間距125 m。圖6為音頻大地電磁法測線布置圖,測線一般按中線布置,地形地貌復(fù)雜段采用相鄰輔助測線補(bǔ)充,局部為空白(圖6粉色線)。

2.3 工作參數(shù)

2.3.1 航空電磁法

數(shù)據(jù)采樣沿所布置航線以12個航空電磁法數(shù)據(jù)采集通道,以0.1 s間隔或者每4 m間隔采樣,采樣長度 0.2 s,2個電力線信道噪聲監(jiān)視；信號采集采用6個頻帶,工作頻率覆蓋400 Hz～140 kHz。平均飛行測量速度110 km/h。

2.3.2 音頻大地電磁法

接收系統(tǒng)布置采用4個電極,每2個電極組成1個電偶極子,長度均為20 m,設(shè)計(jì)電極距20 m,實(shí)測過程中,根據(jù)地形、障礙物等因素適當(dāng)改變極距大小。使HX、HY兩磁棒相互垂直,且水平,人員離開磁棒至少5 m,選擇遠(yuǎn)離房屋、電纜、大樹的地方布置磁棒。

2.4 物探成果對比分析

2.4.1 方案1

對圖3中方案1處分別采用航空電磁法與音頻大地電磁進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后,再進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理、反演[15-20]后得到解譯剖面,見圖7、8。

圖7 方案1中線的航空電磁法成果剖面

圖8為音頻大地電磁法成果剖面,受地形地貌限制,或采用旁側(cè)輔助測線補(bǔ)充,或?yàn)榭瞻?與圖7航空電磁法存在一定差異。選擇圖5、6中兩種方法的相同平面參照位置,進(jìn)行定性對比分析解釋。

由兩種方法測得隧道方案1中線的電阻率斷面圖7、8。圖7～8可見,后段均可見一明顯電性異常帶及電性界面,電性分界面左側(cè)以中高阻為主(鉆孔揭露下伏基巖主要為灰?guī)r),右側(cè)以低阻為主,在其分界線附近等值線密集且呈陡立狀,這些特征為斷層的電性反映,推測斷裂從該處通過(與地面調(diào)查情況基本一致)。由于采用不同的反演模型，反演剖面上局部精度航空電磁法略低于音頻大地電磁法。

2.4.2 方案2

對圖3中方案2處分別采用航空電磁法與音頻大地電磁法進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后,再進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理、反演后得到解譯剖面,分別見圖9、10。

圖9 方案2的航空電磁法成果剖面

圖10 方案2的音頻大地電磁法成果剖面

選擇圖9～10中相同平面參照位置,進(jìn)行定性對比分析解釋。在方案2上采用兩種方法得到的成果剖面總體形態(tài)同樣基本一致。在圖9～10相同位置上,共同存在明顯電性異常帶,該電性異常帶上分布的鉆孔在80 m勘探深度范圍內(nèi),均為卵、半膠結(jié)碎石,結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況,推測為斷裂破碎帶。

2.5 兩種物探方法的綜合對比

2.5.1 地形條件的適用性

由2.2節(jié)展示的航空電磁法與音頻大地電磁法測線布置情況可以看出,音頻大地電磁法由于兩岸高陡、塌岸、河道水流湍急,不具備野外作業(yè)測量條件,測線布置時就存在多處數(shù)據(jù)盲區(qū)(圖6粉色線段),只有局部采用輔助測線,投影到中線進(jìn)行參考性解譯,影響勘探精度。而航空電磁法,不僅不受地形地貌、河道的影響,還采用多條測線,可對工區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行插值三位成像。因此航空電磁法通過性高,對各種地形均適用；音頻大地電磁法通過性較差,對地形復(fù)雜地區(qū)適用性相對較差,野外測量工作常受地形制約。

2.5.2 工期及效率

該隧道工程采用航空電磁法所需的設(shè)備通關(guān)、飛行許可手續(xù)、地面站建立時間約56 d,數(shù)據(jù)采集0.5 d；采用音頻大地所需的設(shè)備通關(guān)時間7 d,數(shù)據(jù)采集14 d。在工期上,對于需要大量物探工作的工程,在設(shè)備通關(guān)、飛行許可等完成情況下,航空電磁法野外測量效率極高。而對單個或規(guī)模較小的工程,采用音頻大地電磁法相對更適用。

2.5.3 靈活性

油氣管道工程勘察設(shè)計(jì)為動態(tài)過程,隨著工作的深入,各階段因地方規(guī)劃、工程地質(zhì)條件等,線路路由處于局部動態(tài)優(yōu)化過程,如該隧道工程線路長約400 km,初步設(shè)計(jì)階段較可行性研究階段路由調(diào)整段約80 km,包括各種隧道位置的調(diào)整。局部路由的變化,對于航空電磁法,在工期上、經(jīng)濟(jì)上均難以承受,而對于音頻大地電磁法則影響較小。

2.5.4 精度

本隧道工程地層視電阻率差異明顯,航空電磁法與音頻大地電磁法反演剖面均能較好地反映斷裂帶分布情況，只是由于采用不同反演模型，從2.4節(jié)的實(shí)際反演效果看,航空電磁法局部精度略低于音頻大地電磁法。

3 結(jié)論

1)航空電磁法相對于音頻大地電磁法,基本不受地形、地貌、河流等條件限制,剖面數(shù)據(jù)連續(xù)、完整,而音頻大地電磁法受上述因素影響較大。

2)航空電磁法工期主要在設(shè)備通關(guān)、飛行許可手續(xù)、地面站建立等準(zhǔn)備工作中,相對音頻大地電磁法準(zhǔn)備工作周期長,但野外測量效率高。

3)油氣管道工程勘察設(shè)計(jì)是個動態(tài)過程,線路路由處于動態(tài)優(yōu)化調(diào)整的狀態(tài),對于路由局部優(yōu)化的物探工作,航空電磁法相對靈活性差。

4)從工程實(shí)際使用效果看,航空電磁法與音頻大地電磁法在電性異常分辨上,結(jié)論基本一致,但由于采用不同反演模型，在局部反演精度上航空電磁法略低于音頻大地電磁法。

5)建議地形通過條件差、物探工作量大的工程可選擇航空電磁法；物探工作量較小或者是路由局部優(yōu)化的工程,可選擇音頻大地電磁法等靈活性高的物探方法。

[1] 梁盛軍,張力卡,曹學(xué)峰,等.時間域航空電磁法研究進(jìn)展綜述[J].地質(zhì)與勘探,2014,50(4):735-740. Liang Shengjun, Zhang Lika, Cao Xuefeng, et al. Research Progress of the Time-Domain Airborne Electromagnetic Method [J]. Geology and Exploration, 2014, 50 (4): 735-740.

[2]雷 棟,胡祥云,張素芳.航空電磁法的發(fā)展現(xiàn)狀[J].地質(zhì)找礦論叢,2006,21(1):40-44,53. Lei Dong, Hu Xiangyun, Zhang Sufang. Developments Status Quo of Airborne Electromagnetic [J]. Contributions to Geology and Mineral Resources Research, 2006, 21 (1): 40-44,53.

[3]胡 平,李文杰,李軍峰,等.固定翼時間域航空電磁勘查系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)展[J].地球?qū)W報(bào),2012,33(1):7-12. Hu Ping, Li Wenjie, Li Junfeng, et al. The Advances in the Development of Fixed Wing Airborne Time Domain Electromagnetic System [J]. Acta Geoscientica Sinica, 2012, 33 (1): 7-12.

[4]熊盛青.發(fā)展中國航空物探技術(shù)有關(guān)問題的思考[J].中國地質(zhì),2009,36(6):1366-1373. Xiong Shengqing. The Strategic Consideration of the Development of China’s Airborne Geophysical Technology [J]. Geology in China, 2009, 36 (6): 1366-1373.

[5]余 年,龐 方.音頻大地電磁測深法在地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010,37(3):135-138. Yu Nian, Pang Fang. Application of Audio Magnetotelluric Sounding in the Geothermal Exploration [J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2010, 37 (3): 135-138.

[6]武 斌,曹俊興,鄒 俊,等.音頻大地電磁測深法在川西地?zé)峥辈檠芯恐械膽?yīng)用[J].工程勘察,2011,39(9):91-94. Wu Bin, Cao Junxing, Zou Jun, et al. The Application of AMT to the Study of Geothermal Exploration in the Western Sichuan [J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2011, 39 (9): 91-94.

[7]丁志強(qiáng),程志平,董 浩,等.航空電磁法篩選金屬礦異常技術(shù)研究[J].地質(zhì)與勘探,2012,48(3):601-610. Ding Zhiqiang, Cheng Zhiping, Dong Hao, et al. Screening Metal Ore Anomalies Using the Aero Electromagnetic Method [J]. Geology and Exploration, 2012, 48 (3): 601-610.

[8]丁志強(qiáng),李 飛,崔志強(qiáng),等.航空物探綜合站在大興安嶺中南段找礦中的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2015,37(3):306-312. Ding Zhiqiang, Li Fei, Cui Zhiqiang, et al. The Application of Airborne Geophysical General Station to Prospecting in the Middle-South Section of Daxing’anling [J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration, 2015, 37 (3): 306-312.

[9]底青云,石昆法,王妙月,等.CSAMT法和高密度電法探測地下水資源[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2001,16(3):53-58. Di Qingyun, Shi Kunfa, Wang Miaoyue, et al. Water Resources Exploration with CSAMT and High Density Electric Resistivity Method [J]. Progress in Geophysics, 2001, 16 (3): 53-58.

[10]張興昶,羅延鐘,高勤云.CSAMT技術(shù)在深埋隧道巖溶探測中的應(yīng)用效果[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2004,1(4):370-375. Zhang Xingchang, Luo Yanzhong, Gao Qinyun. Application of CSAMT to Explorating Karst in the Deep Part of Tunnel [J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2004, 1 (4): 370-375.

[11]王衛(wèi)平,方迎堯,吳成平.直升機(jī)航空電磁法在巖性構(gòu)造填圖中的應(yīng)用效果——以內(nèi)蒙古烏達(dá)地區(qū)為例[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2009,6(4):411-417. Wang Weiping, Fang Yingyao, Wu Chengping. Applied Effect of Helicopter Airborne Electromagnetic Method for Geological Structure Mapping-Take Wuda District of Inner Mongolia as an Example [J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2009, 6 (4): 411-417.

[12]董 晨,張吉振.EH 4大地電磁技術(shù)的適用及應(yīng)用效果[J].鐵道建筑技術(shù),2008,(增刊):529-534,543. Dong Chen, Zhang Jizhen. The Applicability and Application Effect of EH 4 Electromagnetic Technology [J]. Railway Construction Technology, 2008, (Suppl): 529-534,543.

[13]黃力軍,陸貴富,劉德瑞.可控源音頻大地電磁測深法應(yīng)用實(shí)例[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2006,28(4):337-341. Huang Lijun, Lu Guifu, Liu Derui. Controlled Soure Audio Frequency Magnetotellurics [J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration, 2006, 28 (4): 337-341.

[14]卿春和,孫 亞,閔 軍.水下隧道巖土工程勘察研究[J].天然氣與石油,2005,23(4):50-53. Qing Chunhe, Sun Ya, Min Jun. Study on Geological Engineering Survey of Underwater Tunnel [J]. Natural Gas and Oil, 2005, 23 (4): 50-53.

[15]鄭 凱,王緒本,陳 斌,等.基于矩陣束法的時域航空電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)的重構(gòu)[J].物探與化探,2010,34(6):737-740. Zheng Kai, Wang Xuben, Chen Bin, et al. Reconstruction of Time Domain Airborne Electromagnetics Response Data Based on Matrix Pencil Method [J]. Geophysical & Geochemical Exploration, 2010, 34 (6): 737-740.

[16]裴易峰,殷長春,劉云鶴,等.時間域航空電磁磁場計(jì)算與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2014,29(5):2191-2196. Pei Yifeng, Yin Changchun, Liu Yunhe, et al. Calculation and Application of B-Field for Time-Domain Airborne EM[J]. Progress in Geophysics, 2014, 29 (5): 2191-2196.

[17]鐘幼生,韓自強(qiáng),羅 姣,等.關(guān)于可控源音頻大地電磁法探測深度的探討[J].物探與化探,2015,39(4):768-774. Zhong Yousheng, Han Ziqiang, Luo Jiao, et al. A Tentative Discussion on the Detecting Depth of Controlled Source Audio Magnetotelluric Method [J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015, 39 (4): 768-774.

[18]劉云鶴,殷長春.三維頻率域航空電磁反演研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2013,56(12):4278-4287. Liu Yunhe, Yin Changchun. 3D Inversion for Frequency-Domain HEM Data [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2013, 56 (12): 4278-4287.

[19]王 若,王妙月.可控源音頻大地電磁數(shù)據(jù)的反演方法[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2003,18(2):197-202. Wang Ruo, Wang Miaoyue. Inversion Method of Controlled Source Audio Frequency Magnetotelluric Data [J]. Progress in Geophysics, 2003, 18 (2): 197-202.

[20]吳成平,王衛(wèi)平,胡祥云,等.頻率域直升機(jī)航空電磁法視電阻率轉(zhuǎn)換及應(yīng)用[J].物探與化探,2009,33(4):427-430. Wu Chengping, Wang Weiping, Hu Xiangyun, et al. Apparent Resistivity Conversion and Application of the Impulse Helicopter Electromagnetic System [J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2013, 33 (4): 427-430.

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.021

2016-03-09

中國石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)工程資助項(xiàng)目(S 2013-9)

吳有亮(1981-),男,安徽鳳陽人,工程師,碩士,主要從事工程物探及工程勘察工作。