任 川，劉盛東，王宗濤

(1.安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，安徽合肥 231200 2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116)

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，石油和天然氣等清潔能源的需求不斷增加，管道分布越來越廣[1]。然而，由于管道內(nèi)輸送的介質(zhì)(原油、成品油、天然氣等)具有高壓、易燃、易爆特點(diǎn)[2]，因此管道介質(zhì)泄漏是油氣管道運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)。

引起加油站管道泄漏的原因，包括人因(第三方施工破壞、人員誤操作等)、物因(設(shè)備設(shè)施本體缺陷)、環(huán)境因素(土壤腐蝕等)、管理因素4類[3]，因此，建立和完善油氣管道滲漏監(jiān)測系統(tǒng)，對加油站管道滲漏和可能引起管道外力損傷的重壓、地形沉降、機(jī)械施工及人為破壞等第三方責(zé)任事件進(jìn)行迅速判斷和準(zhǔn)確定位、及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏和預(yù)報(bào)滲漏隱患十分重要。

1 主要污染物特性及在地下介質(zhì)中的遷移擴(kuò)散規(guī)律

1.1 主要污染物及特性

加油站滲漏污染物主要為汽油、柴油等輕質(zhì)燃料油及其添加劑[4]，這些石油烴類污染物常以液體形態(tài)存在，且難溶于水，同時(shí)密度比水小，因此被稱為輕質(zhì)非水相液體(LNAPLs)，易導(dǎo)致土壤、含水層和地下水的污染。

a)汽油:實(shí)質(zhì)上是C4～C12烴類和其他化學(xué)添加劑(MTBE等)的混合物，汽油屬于輕質(zhì)油，它比重油更易遷移。汽油中的非輕類添加劑更易溶于水，它們會(huì)優(yōu)先溶解到地下水中，因而在自由相中濃度將變小，但此類污染物的在地下水中的濃度限值很低，擴(kuò)散導(dǎo)致的結(jié)果是形成了更大的污染羽[5]。

b)柴油:比汽油的密度大，其揮發(fā)性，溶解性比汽油低得多，相比于汽油更不易遷移。通常在柴油中只含有少量輕質(zhì)的芳香族化合物，如果剛發(fā)生柴油滲漏污染的場地中存在芳香族化合物，那么經(jīng)過長時(shí)間的稀釋擴(kuò)散及生物降解作用后，污染羽中幾乎不存在芳香族化合物，因而在年代久遠(yuǎn)的柴油滲漏污染場地中，芳香族化合物含量應(yīng)該很低。

1.2 污染物遷移擴(kuò)散規(guī)律

加油站滲漏污染物的組分在地下的存在形式可以分為4種相態(tài)——?dú)庀?存在于土壤氣體中)，殘余相(被土壤微粒吸附)，溶解相(溶解于地下水中)，自由相(液態(tài)石油烴)[6]。

a)氣相:揮發(fā)性有機(jī)物在遷移過程中不斷揮發(fā)，進(jìn)入土壤孔隙并沿土壤孔隙上升，成為土壤氣體的一部分[7]。

b)殘余相:受毛管力和重力的共同作用，以殘余的形式保留在包氣帶中，可以揮發(fā)出蒸氣相進(jìn)入包氣帶，也可以分離出溶解相進(jìn)入水中[8]。

c)自由相(污染物核部):一般會(huì)漂浮在潛水面形成油池，是污染物濃度最高的區(qū)域，自由相通常會(huì)沿水力坡度方向運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)距離不大，所以聚集高濃度污染物的部分一般在地表的滲漏處附近。滲漏處附近的有機(jī)污染物濃度最高，沿水力坡度方向濃度逐漸降低。

d)溶解相:加油站滲漏污染物中部分為可溶于水的有機(jī)物，隨地下水流動(dòng)而發(fā)生遷移，而污染物的溶解度越大，溶入地下水的量就越多，溶解相一般會(huì)進(jìn)入潛水含水層，從而導(dǎo)致地下水的嚴(yán)重污染[9]。

2 加油站管道滲漏檢(監(jiān))測物探方法

目前，針對加油站附近地下水和土壤中石油類有機(jī)物污染的勘探和檢測主要采用的是傳統(tǒng)打井取樣，依靠化學(xué)分析的方法，不僅效率低下，測試費(fèi)用高，而且可能造成二次污染[10]。

近年來，隨著新興的地球物理方法不斷發(fā)展，利用地下巖土層(或地質(zhì)體)的地球物理性質(zhì)差異(主要包括電阻率、波阻抗、介電常數(shù)等)，通過儀器觀測自然或人工物理場的變化，確定地下地質(zhì)體的空間展布范圍(大小、形狀、埋深等)，可測定巖土體的物性參數(shù)，解決施工質(zhì)量檢測、管道滲漏檢(監(jiān))測、環(huán)境污染檢(監(jiān))測等地質(zhì)及工程問題。

從現(xiàn)有的地球物理勘探技術(shù)出發(fā)，基于管道滲漏前后的物性差異，可以應(yīng)用的物探方法包括:并行電法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法、微地震監(jiān)測法及電法監(jiān)測等方法。

2.1 雙模網(wǎng)絡(luò)并行電法

加油站滲漏污染物主要為汽油、柴油等輕質(zhì)燃料油及其添加劑，進(jìn)入含水層以后不能與水混合，占據(jù)一部分含水層的體積，混合前后的電阻率值有較明顯變化。汽油電阻率為2.5×1013Ω·m，煤油、柴油的電阻率為7.3×1014Ω·m，均體現(xiàn)為相對高阻，這類油品滲漏入地層中，會(huì)改變土壤的電阻率，滲漏區(qū)域電阻率局部升高，可以間接通過電阻率探測技術(shù)手段來找到油品的滲漏區(qū)域。

網(wǎng)絡(luò)分布式并行電法是由電阻率法發(fā)展而來，目前應(yīng)用最廣泛的一種電法勘探方法，其采集系統(tǒng)采用“分布式并行智能電極電位差信號采集方法”國家發(fā)明專利技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成技術(shù)構(gòu)建[11]?？梢栽谔綔y范圍內(nèi)任意布置供電、測量電極，進(jìn)行快速采集。并行電法技術(shù)是一種實(shí)時(shí)電場觀測技術(shù)[12]，其特點(diǎn)是在供電的同時(shí)，連續(xù)測量所有測量電極的電位歷時(shí)曲線，通過激勵(lì)獲得的電流和電位的時(shí)空曲線就可解編獲取任意電極的自然場、一次場、二次場的響應(yīng)電位[13]。

通過實(shí)驗(yàn)，可進(jìn)一步證明雙模網(wǎng)絡(luò)并行電法對油氣滲漏的響應(yīng)。試驗(yàn)中布置一條電法測線，雙模式電極間距0.2 m，共布置32對電極(見圖1)，保證電極深度一致，采樣參數(shù)為0.1 s～10 ms(每間隔0.1 s采樣10 ms，下同)及2.0 s～50 ms，正負(fù)正供電方式。0.1 s～10 ms采樣數(shù)據(jù)在每次油品滲漏模擬實(shí)驗(yàn)后2 min進(jìn)行采集，2.0 s～50 ms采樣數(shù)據(jù)在每次油品滲漏模擬實(shí)驗(yàn)后5 min進(jìn)行采集。對比電極為 4#、8#、14#及19#電極，先0.1 s～10 ms及2.0 s～50 ms進(jìn)行背景參數(shù)采集，再進(jìn)行4#和19#，8#和14#滲漏模擬數(shù)據(jù)采集。

圖1 電法測線布置

針對2.0 s～50 ms采集參數(shù)，進(jìn)行電阻率比值計(jì)算，以原始土層的視電阻率計(jì)算結(jié)果為背景值，之后每次實(shí)驗(yàn)?zāi)M的視電阻率計(jì)算結(jié)果與它進(jìn)行比值，計(jì)算結(jié)果見圖2。

視電阻率比值結(jié)果中，體現(xiàn)了部分電極附近的電阻率變化情況，進(jìn)一步進(jìn)行視電阻率差值處理，得到2.0 s～50 ms采集參數(shù)下，油品滲漏模擬前后的視電阻率差值結(jié)果見圖3。

兩組參數(shù)采樣頻率差異明顯，因此可以通過極化率的變化，進(jìn)一步說明油品滲漏前后的電性差異，計(jì)算得到極化率比值結(jié)果如圖4，體現(xiàn)了部分電極附近的極化率變化情況。

由于電極距離較小，油品滲漏模擬亦可引起相鄰電極電位發(fā)生相對明顯變化。將2s～50 ms采集參數(shù)下的自然電位進(jìn)行比值及差值計(jì)算，可分別得到自然電位比值結(jié)果及差值結(jié)果，在該兩組結(jié)果中，4#、8#、14#及 19#電極附近，自然電位變化明顯見圖5～圖7。

圖2 2 s～50 ms視電阻率比值結(jié)果

圖3 2 s～50 ms視電阻率差值結(jié)果

圖4 極化率比值結(jié)果

進(jìn)一步從電流參數(shù)進(jìn)行分析，將2 s～50 ms采集參數(shù)下的電流進(jìn)行比值及差值計(jì)算，可分別得到電流比值結(jié)果及差值結(jié)果，在該兩組結(jié)果中，4#、8#、14#及19#電極附近，電流變化明顯見圖8～圖9。

圖5 自然電位曲線

圖6 自然電位比值曲線

圖7 自然電位差值曲線

圖8 電流比值曲線

從視電阻率、極化率、自然電位及電流參數(shù)進(jìn)行分析的結(jié)果中，自然電位比值/差值結(jié)果及電流比值/差值結(jié)果中，油品滲漏模擬前后各電極的參數(shù)變化顯著。該方法對于油品滲漏的檢測，有較好的應(yīng)用效果。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)是目前常見和使用最廣泛的一種電磁法，其在污染探測方面有著比較廣泛的應(yīng)用。瞬變電磁分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分，當(dāng)發(fā)射回線中的穩(wěn)定電流突然切斷后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，發(fā)射回線中的電流突然變化必然在其周圍產(chǎn)生一次磁場。一次磁場在周圍傳播的過程中，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流，由于二次電流隨時(shí)間的變化，在其周圍又產(chǎn)生二次磁場。二次磁場大致按照指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減，形成瞬變磁場。

當(dāng)被探測體與鄰近物質(zhì)的介電常數(shù)相差較大時(shí)，其反射信號增強(qiáng)，被探測體易被探測出來。因此，如果加油站受油氣滲漏影響的被污染土壤與正常的背景土壤有明顯差異時(shí)，則可利用瞬變電磁法，探測出廢棄物或可能受污染土壤區(qū)域的范圍。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)是一種非破壞性的原位探測技術(shù)，其原理是利用發(fā)射天線，發(fā)出高頻電磁波，波長約1 cm～1 m、頻率約1 MHz～1 GHz，可以穿透地層或被探測體，并產(chǎn)生反射信號，再由接收天線接收反射信號，通過分析反射波時(shí)間、波型、振幅等特征，來判別反射體的性質(zhì)與位置。

加油站場址若有地下管線、地下油槽、廢棄物或地下空洞時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)可由其反射信號，得知異常體大致的位置與深度。一旦油氣發(fā)生滲漏，被污染土壤的介電常數(shù)與原始背景場之間存在一定的差異，因此地質(zhì)雷達(dá)法可根據(jù)該物性差異，進(jìn)一步探測滲漏位置，劃定滲漏區(qū)域。地質(zhì)雷達(dá)的優(yōu)勢在于抗電磁干擾能力強(qiáng)，能夠現(xiàn)場提供實(shí)施剖面記錄，圖像清晰直觀，工作效率高，重復(fù)性好。

2.4 微地震監(jiān)測方法

微震監(jiān)測，或叫無源地震法，指的是利用水利壓裂、油氣采出，或常規(guī)注水、注氣以及熱驅(qū)等石油工程作業(yè)時(shí)引起地下應(yīng)力場變化，導(dǎo)致巖層裂縫或錯(cuò)斷所產(chǎn)生的地震波，進(jìn)行水力壓裂裂縫作圖，或?qū)恿黧w運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測的方法[14]。微地震監(jiān)測技術(shù)是近年來的一門新型地球物理技術(shù)，其基礎(chǔ)是聲發(fā)射原理，近幾年國外在石油工程、水利水電和巖土工程中得到較好的應(yīng)用。

在加油站油氣管線布設(shè)初期，沿輸油管線等間距布置三分量地震傳感器，尤其管線接頭處為易滲漏點(diǎn)，預(yù)布置傳感器，形成地下以油氣管線分布為觀測系統(tǒng)的三分量傳感器組合系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)連續(xù)采集地下微震信號，當(dāng)油氣輸送時(shí)，產(chǎn)生的連續(xù)微震信號，記為信號S1，其他干擾信號記為S2，當(dāng)有滲漏點(diǎn)出現(xiàn)，油氣滲漏將形成新的滲漏微震源點(diǎn)，此信號記為S3。當(dāng)有滲漏情況發(fā)生時(shí)，存在裂縫尖端效應(yīng)及漏泄效應(yīng)，漏泄效應(yīng)指的是當(dāng)更多的高壓流體流入到裂縫中，這是孔隙流體壓力增大，流體漏泄到巖石構(gòu)造里引起剪切滑動(dòng)產(chǎn)生微震的效應(yīng)[15]。因此，通過各信號的對比及微震源定位，可以實(shí)現(xiàn)地下管線油氣滲漏情況的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，見圖10。

圖10 微地震監(jiān)測觀測系統(tǒng)

2.5 并行電法監(jiān)測方法

隨著地下水的滲流遷移，發(fā)生溶液擴(kuò)散、吸附、過濾及氧化還原等效應(yīng)，在固、液介質(zhì)中產(chǎn)生地電場的異常，利用自然電場異常進(jìn)行滲流研究已在巖土工程實(shí)際中得到應(yīng)用[16]。通過測定地下水及其賦存空間的地電場特性的變化規(guī)律，結(jié)合電化學(xué)中的電滲、電泳現(xiàn)象來反映地下介質(zhì)的賦存、運(yùn)移規(guī)律，同樣是地電場應(yīng)用的研究方向[17]。

在加油站等管道施工初期，將電極預(yù)埋于管道附近，即可在后期進(jìn)行管道區(qū)域持續(xù)的地電場監(jiān)測，進(jìn)一步將地電場的自然場與人工場相結(jié)合，進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)研究，研究地電場的自然電位、激勵(lì)電流和電壓、視電阻率等參數(shù)的瞬態(tài)響應(yīng)[18]。通過初期的電法測試，可得到原始狀態(tài)下的電阻率圖像，將此時(shí)的地電場特征作為背景;在管道作業(yè)后期進(jìn)行連續(xù)觀測，一旦有油氣滲漏發(fā)生，可得到油氣滲透土壤體的電阻率連續(xù)變化圖像。將后期持續(xù)監(jiān)測的地電場特征與背景場特征進(jìn)行比較，可以得到不同階段的地電場變化情況，從而得到地下油品滲漏的分布規(guī)律。

3 結(jié)語

以往的探測方法中，幾乎都是針對已經(jīng)發(fā)生油品滲漏的情況，一般不能對即將發(fā)生的可能危及管道運(yùn)行安全的第三方責(zé)任事件發(fā)出預(yù)警，本文除了分析已有油品滲漏的檢測方法，還提出了新的思路及技術(shù)方法，對于油品滲漏情況可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并進(jìn)一步預(yù)警和災(zāi)害預(yù)報(bào)。在我國，隨著對石油和天然氣等清潔能源的需求不斷增加，管道分布越來越廣，因此油氣滲漏檢測及監(jiān)測預(yù)警越顯重要，需要利用新理論、新技術(shù)、新方法來實(shí)施并提高油品滲漏檢測、監(jiān)測及定位技術(shù)。