Техническая геофизика (изучение подземных коммуникаций)

Развитая сеть подземных коммуникаций - один из признаков высокоразвитой современной цивилизации. Трубопроводы являются системами жизнеобеспечения современного общества. С начала века десятки тысяч километров различных труб и кабелей были уложены в землю на глубину до 5-6 м. Большая их часть концентрируется в городах, особенно на территории крупных промышленных предприятий. По трубам на предприятия приходит нефть и нефтепродукты, питьевая и техническая вода, вода для отопления, отводятся бытовые и промышленные стоки. Большая часть труб погружена в землю. При длительном взаимодействии труб с окружающим их грунтом возникает коррозия металла. Просадки грунта вызывают напряжения и механические деформации труб, что приводит к образованию трещин в гидроизоляции.

Из основных задач, связанных с изучением подземных коммуникаций, можно выделить следующие:

• изучение трасс под строительство трубопроводов;
• поиск труб и определение их пространственного положения;
• оценка состояния гидроизоляции труб;
• наличие коррозируемых участков трубы;
• локализация мест утечек жидкого или газообразного наполнителя через повреждения в трубах.

Для защиты от коррозии применяют катодную защиту магистральных трубопроводов постоянным током низкого напряжения (около -1,5 В). При катодной защите на трубу подается отрицательный потенциал (катод), в то время как положительный полюс (анод) относится в сторону от трубы и заземляется в специальные скважины. В местах нарушения изоляции с трубы стекает электрический ток, который предохраняет трубу от коррозии. При нарушении слоя гидроизоляции коррозия сильно зависит от удельного электрического сопротивления окружающих пород. При этом чем ниже сопротивление вмещающего грунта, тем больше тока может перетекать из трубы и, следовательно, выше коррозионная опасность.

Трубы в земле имеют ограниченный срок эксплуатации порядка 25 лет. Многие из них находятся под повышенным давлением (в магистральных нефтепроводах поддерживается давление от 20 до 50 атм) и содержат опасные для человека горючие и токсичные вещества. Отклонения в состоянии трубопроводов часто приводят к авариям, которые приносят колоссальный экономический и экологический ущерб. Так или иначе для принятия инженерных решений необходимо знать реальное состояние подземных коммуникаций на данный момент. Замена труб по истечении срока эксплуатации - особенно дорогостоящая операция. При эксплуатации трубопроводов необходимы постоянные наблюдения за их состоянием, своевременное выявление различных нарушений в состоянии труб и их ремонт. Отдельная проблема - утечка воды из системы водоснабжения. Эта система труб самая разветвленная. Потери воды не представляют такой опасности, как утечки газа. В то же время чистая питьевая вода является ценным продуктом, а ее потери приводят к большим убыткам. Кроме этого избыточное увлажнение грунтов вблизи мест утечки и повышения уровня грунтовых вод приводит к так называемому подтоплению территорий. Оценки потерь воды из водопроводных сетей в разных странах осуществляются различными методами и оцениваются от 5 до 40%.

Как отмечалось выше, геофизические методы могут помочь при решении многих задач контроля состояния труб. Первая задача - это тщательное изучение трассы под строительство трубопровода, особенно в наиболее ответственных местах, например, на пересечениях рек. В последнее время переход к укладке труб под рекой осуществляется с помощью скважин наклонного бурения, которые проходят в слое с наилучшими прочностными свойствами. При изысканиях в местах переходов трубопровода через реки используется комплекс акваторных и наземных геофизических методов: речная сейсмоакустика, вертикальные (ВЭЗ) и сплошные (СЭЗ) электрические зондирования, исследования с георадаром, бурение опорных скважин на суше и на акваториях. Сейсмоакустика дает детальное послойное расчленение верхних слоев осадков в пределах акватории. Совместно с электроразведкой это позволяет оценить литологию каждого слоя, определить степень его сохранности. Наземная и акваториальная электроразведка позволяют связать в единый разрез исследования на берегах и на акватории. На рис. 5.16 показан разрез по геофизическим данным и бурению в месте проектируемого перехода трубопровода под проект наклонного бурения для прокладки трубы под рекой.

Рис. 5.16. Результаты геолого-геофизических исследований под проект наклонного бурения для прокладки трубы под рекой: 1 - пески и супеси (20 Ом*м), 2 - глины и суглинки (12-70 Ом*м), 3 - гипсы (300-500 Ом*м), 4 - гипсы трещиноватые (100-500 Ом*м), 5 - ангидриты (160-250 Ом*м), 6 - ангидриты и гипсы (> 400 Ом*м), 7 - проводящие зоны по данным ВЭЗ (20-30 Ом*м), 8 - разломы, 9 - проектная трасса трубы

Когда укладка труб завершена, возникает ряд других задач. Одна из них - достоверное определение местоположения и глубины трубы. Фактическое местоположение может отличаться от запланированного при строительстве. Глубина может быть изменена как в процессе укладки, так и в ходе их эксплуатации. В частности, при пересечении рек труба может быть закрыта слоем рыхлых осадков или обнажаться на дне реки. Грунты, окружающие трубу на всем пути ее следования, могут быть в разной степени коррозионно-опасными. Важными задачами являются: контроль за работой катодной защиты, контроль физической изношенности трубы (например толщины стенок), обнаружение микротрещин и утечек из труб.

Среди приборов, с помощью которых обследуют трассы трубопроводов, преобладают различные модификации трассоискателей, аппаратура для измерения потенциалов катодной защиты и георадары. Комплекс методов также включает метод сопротивлений в модификациях электрических зондирований, профилирований и более сложные методы индуктивной электроразведки.

Трубы в условиях города находятся в земле, поверхность которой закрыта асфальтом. Для их изучения в подобных условиях используют бесконтактные методы электрических зондирований без гальванических заземлений на переменном токе низкой частоты.

Для поисков местоположения трубы в плане и по глубине очень удобны наблюдения с георадаром. На радарограммах труба проявляется как характерное отражение в виде опрокинутой гиперболы (см. рис. 5.17). Кроме того, для обнаружения труб можно применить несколько других геофизических методов.

1. Пассивное индукционное выявление положения трубы на частоте 50 Гц за счет промышленных помех, которые вызывают в трубе появление индуцированных токов, а над трубой - аномального магнитного поля. Недостаток этого метода состоит в высоком уровне помех частотой 50 Гц, поступающих от самых разных источников.

2. Если труба находится под катодной защитой, то ее обнаружение и прослеживание может выполняться с помощью магнитной антенны на частоте 100 Гц или на другой частоте, в которой проявляется труба.

3. Если к трубе удается подключить один или два полюса питающей линии от генератора переменного тока, то прослеживание трубы можно вести с помощью магнитной антенны на соответствующей частоте.

4. Если параллельно трубе положить провод, питаемый переменным током, то возбужденную этим током трубу можно также обнаружить с помощью магнитной антенны.

Рис. 5.17. Результаты георадарного профилирования над трубой магистрального нефтепровода, расположенного в траншее

За последнее время на кафедре геофизики геологического факультета МГУ накоплен большой опыт работ в этой области. Работы подкреплены исследованиями в области теории, методики и принципов интерпретации результатов наблюдений. Измерения ведутся с помощью геофизической аппаратуры " ЭРА ", которая дает возможность документально визуализировать наблюденные поля и путем обработки перевести их в параметры, понятные эксплуатационщикам. Исследования идут в три этапа. На первом этапе ведется поиск подземных коммуникаций. На втором производится точная разметка оси трубопровода, определяется его глубина и степень нарушения гидроизоляции. Кроме этого делается оценка степени коррозионной опасности грунтов, которые поражают трубу, и ищутся места, где развиваются коррозионные процессы. На третьем этапе производится детализация полученных аномалий, обработка и интерпретация полевых данных.

Пример применения измерений постоянной составляющей потенциалов катодной защиты (ПКЗ) магистрального нефтепровода приведен на рис. 5.18.

Рис. 5.18. Результаты измерения ПКЗ, глубины трубы и амплитуды с магнитной антенной

Если гидроизоляция трубы идеальна, то между анодом и катодом не будет тока, а потенциал трубы не будет передаваться в окружающую среду. При нарушениях гидроизоляции в отдельных местах ток по трубе течет к местам нарушения изоляции и через них уходит в землю. Труба продолжает оставаться под отрицательным потенциалом, препятствующим коррозии, но значение потенциала передается в окружающую среду, и мы можем его измерить. Над трубой в местах нарушения изоляции появляются отрицательные аномалии потенциалов катодной защиты (ПКЗ): аномалии амплитудой до -10 мВ можно не учитывать, аномалии ПКЗ от -10 до -50 мВ соответствуют участкам слабого нарушения изоляции, участки со средними повреждениями изоляции дают аномалии от -50 до -200 мВ, а участки сильных повреждений - отрицательные аномалии ПКЗ от -200 до -1000 мВ.

Для обнаружения зон потенциально повышенной коррозионной опасности может выполняться как традиционное, так и бесконтактное электрическое профилирование (ЭП) и метод естественного электрического поля (ЕП). Участки пониженного сопротивления ЭП и интенсивных аномалий ЕП потенциально опасны с точки зрения коррозии.