基于磁異常信號的油田地下管線探測方法

龔大利， 張 嵩， 李 輝， 劉得軍

( 1. 中國石油大學(北京) 地球物理與信息工程學院，北京 102249; 2. 中國石油昆侖合燃壓縮氣有限公司，安徽 合肥 230075 )

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展和城市化進程的不斷加快，密布于城市各個角落的地下管線錯綜復雜，在施工過程中經常出現打漏管線現象，進而造成漏水、漏氣、停電等事故.因此，開展地下管線的相關探測理論研究具有重要的現實意義.

人們對地表天然磁場的理論和應用研究不斷深入.自20世紀60年代起，Labson V F等進行關于音頻范圍內天然地磁場理論研究；隨后Romashets E, Montelli R等發表有關研究成果和應用專利[1-3].近年來，我國高校和科研院所也相繼開展相關理論及實際應用研究，其中基于地磁異常的埋地管線探測方法就是在這種背景下提出的.傳統的埋地管線探測包括磁力法、電磁感應法、磁共振法、超導效應法、磁通門法、磁光效應法、磁阻效應法等[4-15].這些方法在特定環境下具有一定的探測效果，但存在探測深度有限，容易受到現場其他電磁信號干擾，探測信號處理困難等問題，也不便于對探測結果進行可視化成像顯示，進而直觀反映管線的位置及其走向.

通常情況下，在均勻土壤介質中地磁場強度是一定的.當土壤中存在金屬管線和其他磁性物質時，將改變地磁場的均勻分布，產生磁異常信號.通過掃描、采集、處理、分析地下管線磁異常信號，可以得到反映地下管線性質的數據.筆者提出基于磁異常信號的地下管線探測系統.該系統通過采集天然磁場信號，經過處理得到反映磁異常的數據，由顯示系統進行三維數據成像顯示，具有操作簡便、精度高、抗干擾能力強等特點.

1 磁異常信號探測原理

地球在空間產生的磁場即地磁場.地磁場強度很弱，平均約為0.5 Gs，可以分為內源場和外源場部分.內源場起源于地表以下的磁性物質和電流，可以分為地核場和地殼場.地核場又被稱為主磁場，是由地核磁流體發電過程產生的[16]；地殼場又被稱為局部異常磁場，是由地殼磁性巖石產生的.除此之外，內源場還包括外部變化磁場在地球內部的感應場.外源場起源于地表以上的空間電流體系，它們主要分布在電離層、磁層和行星際空間，隨時間變化較快，所以外源磁場通常被稱為變化磁場.

地核主磁場部分占總磁場的95%以上，局部異常場占4%，外源變化磁場占1%.地磁探測需要的是地球磁場的變化分量，即局部異常場[4].

1.1 地球磁場模型

人們提出多種地球磁場模型，其中高斯球諧模型最被認可.假設存在1個標量U，使得

ΔT=HXcos(x,t0)+HYcos(y,t0)+Zαcos(z,t0).

(1)

根據地球磁場的屬性，標量U定義為磁勢，滿足拉普拉斯方程:

2U=0.

(2)

假設地球是半徑為a的球體，在以球心O為原點的球坐標系中，極軸取為地球自轉軸并指向北極，r為球心O至測點P的距離，θ為余緯度，λ為經度，則式(2)的球坐標形式為

(3)

式(3)的通解為

(4)

(5)

式(5)可以改寫為

(6)

(7)

1.2 磁異常信號探測方法

含有鐵磁性物質的物體受到地磁場影響而產生局部磁感應場，磁感應場的存在改變周圍的地磁場分布，從而使得所在位置的磁場信號不同于周圍磁場，即產生磁異常信號.通過探測、處理和分析磁異常信號，可以得到反映磁性目標的探測信息，這是基于磁異常信號目標探測技術的原理.

2 磁異常信號探測系統

2.1 硬件設計

基于磁異常信號的地下管線探測系統主要由天線子系統、主控子系統及上位計算機組成(見圖1).天線子系統為磁異常信號探測傳感器電路部分，主要探測地球磁場的梯度變化；主控子系統主要對天線所采集的數據進行存儲、計算，并將處理結果傳送上位機.主控制器上的算法實現和上位機顯控界面的設計主要包括對采集數據的處理、運算、解釋和成像算法實現，以及操作簡單、顯示直觀、界面友好的顯控軟件設計等.

圖1 管線探測系統組成

磁異常地下管線探測系統核心參數：天線子系統具有8個傳感器，測量范圍為±100 μT，掃描頻率為1 200 次/s；主控子系統控制單元工作電流為250 mA，工作電壓為12～38 VDC，工作溫度為-20～ 60 ℃；上位計算機子系統數據傳輸率為100 MB/s.

2.2 軟件設計

顯控軟件處理流程見圖2.

在獲得地磁數據庫過程中，通常一些附加噪聲迭加在地磁數據真實信號上，主要噪聲源包括地磁傳感器的測量噪聲、載體磁場干擾、周圍環境磁性干擾及其他各種誤差和失真因素影響等.噪聲使地磁測量信號產生不同程度畸變.因此，利用信號處理技術提升信噪比，將淹沒在噪聲中的地磁信號提取出來十分必要.利用標準正交基算法(OBF)對探測信號進行處理，降低干擾噪聲對測量信號的影響，使探測信號更加準確.標準正交基算法以磁偶極子的經典數學表達式為基礎，對磁異常探測信號進行變換可以得到1組正交基函數.作正交基與原信號乘積的積分，得到磁異常信號的能量信號E，以有效提高原始信號的信噪比和探測特性.同時，能量信號獨立于磁偶極子方向，可用統一的正交基函數和信號處理過程處理不同磁偶極子信號.此外，應用標準正交基算法，可以對原始信號作近似實時處理，減少探測延遲時間(見圖3).

圖2 顯控軟件處理流程

圖3 基于OBF算法的信號降噪過程

探測信號經過OBF處理后，可以建立地磁數據庫；再結合OpenGL圖形處理軟件，可以建立探測數據可視化系統，即顯控系統.顯控系統程序啟動后，先初始化各界面元素組件及顯示三維圖像所需的光源對象；然后，從地磁數據庫讀取經過處理后的有效數據，或從外部接收經過OBF處理后的實時探測數據，并將其儲存至一個指定數組中；最后，利用該指定數組中的數據生成三維網格模型及繪圖畫刷，并用繪圖畫刷繪制三維網格模型表面，將地下管線分布直觀顯示出來.

3 現場應用

3.1 地下金屬管線探測

選取長度為1.0 m，內徑為30 cm，外徑為40 cm的柱狀管線作為探測對象，將其埋藏于地下2.0 m.地磁管線探測儀在距離土壤表面10 cm左右進行掃描，掃描路徑由南到北與管線走向成90°，掃描數據的三維成像見圖4.由圖4可以看出，突起處為地下金屬管線，其磁場脈沖信號強度明顯高于周圍介質.

圖4 地下金屬管線探測結果

3.2 掃描時間對檢測結果的影響

對同一根地下管線進行探測，對儀器設定不同掃描時間(分別為5，10，15，20 s)的探測結果見圖5.在探測時勻速前進，掃描時間越長所掃描的區域越廣，采集數據越多;隨著掃描時間的增加，管線信息在圖像上的成像越細小、越直觀和清晰.在探測過程中，應該選擇適當的掃描時間，以得到更好的成像結果及圖像數據.在通常情況下，掃描時間應該能夠使儀器完成對7倍左右管線直徑的距離進行連續掃描為最佳.

圖5 不同掃描時間對成像的影響

3.3 測試角度對測試結果的影響

某公路埋深3.8 m地下管道現場探測結果見圖6.該探測圖像成像清晰，管線位置明確.由圖6(d)可以看出，管線數據成像發生傾斜，可以判斷埋地管線的大致方位和走向.

圖6 不同角度探測成像示意圖

4 結論

(1)對埋地管線位置的地表天然磁異常信號進行采集，并將采集到的數據利用標準正交基算法進行磁異常信號能量提升，最終生成直觀反映地下埋藏物信息的三維磁異常數據圖像，從而使操作人員通過人機界面對埋地管線進行直觀探測與分析.

(2)基于磁異常信號的地下管線探測系統適用于探測不同地質條件下的管線、空洞等磁異常物質，探測深度為3.0～5.0 m，其測量原理簡單，儀器體積小，質量輕，操作方便，顯示直觀，具廣泛應用前景.