[發明專利]一種采空塌陷區油氣管道管土相對位移監測方法和系統及系統的構建方法

有效

• 申請號: 201010240014.2
• 申請日: 2010-07-28
• 公開（公告）號: CN102346012A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發明（設計）人: 馬云賓;吳張中;周琰;林明春;荊宏遠;韓冰;宋寧;李俊
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣股份有限公司
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/16
• 代理公司: 北京市中實友知識產權代理有限責任公司 11013
• 代理人: 金杰;任清漢

技術領域

本發明是一種基于光纖光柵傳感技術的采空塌陷區油氣管道管土相對位移監測方法和系統及系統的構建方法，涉及測量應力、溫度的測量、類似線性尺寸的測量及管道系統技術領域。

背景技術

地下礦層被開采后形成的空間稱為采空區。地下礦層被開采后，其上部巖層失去支撐，平衡條件被破壞，隨之產生彎曲、塌落，以致發展到地表下沉變形，造成地表塌陷，形成凹地。隨著采空區的不斷擴大，凹地不斷發展而形成采空塌陷區，進而對地上或地下建(構)筑物產生危害。采空塌陷災害是造成人類生命財產損失的地質災害的主要形式之一。長距離輸油或輸氣管道輸送距離可達數千公里，常不可避免地要穿過采空塌陷區。由于選線的不充分或地下礦體的進一步開采等原因，在采空塌陷區的管道有可能在活動塌陷盆地內通過，從而使管道的安全運營遭受嚴重威脅。

早在1865年美國建成全球第一條原油管道起，世界即進入到了管道運營的時代，而管道通過采空區問題則不斷出現。1975年英國國家煤炭理事會頒布的《塌陷工程手冊》中規定了預測管道通過煤礦采空區地表塌陷的“NCB法”。1986年，國際管道科學研究院委托Battelle研究院對穿越采空塌陷區的管道受力性狀和防治方法進行了研究，形成了《開采塌陷區的管道監測與防治》報告(NG-18，No.155)，該項目系統總結了采空塌陷的特征，分析了采空區對管道的危害，開發了相應的應力計算軟件，提出了塌陷區管道監測方法。

我國管道事業雖然起步較晚，但我國的管道工業正處在蓬勃發展之中，這些管道大多將我國西部豐富的石油天然氣輸送到我國的東部，正在加緊建設和規劃能源輸送管道有西氣東輸、中緬管道、蘭鄭長管道等多條上千公里管道。這些管線經過許多礦物采空區或未來開采區。如西氣東輸一線管線途徑山西、山東、陜西、寧夏4個省區的8個礦區，受76個礦井開采形成的部分采空區的影響，總長度約887.494km，采空區一旦形成，將破壞地表平衡條件，導致地表大面積下沉、凹陷、裂縫或誘發滑坡、崩塌等次生災害，直接影響管道安全；鄯烏天然氣管道沿途經過12處采空塌陷區，受影響總長度約12.6km，對管道安全生產構成重大威脅，其中以蘆草溝塌陷區最為嚴重；陜京輸氣管線途經山西煤礦區，蘭鄭長成品油管線河南段、鐵大原油管線等也容易發生采空塌陷等災害。

面對眾多的采空塌陷災害，我國的管道運營公司雖然采取了積極的工程防護措施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防護工程也并非“一勞永逸”，設計施工的不確定因素較多，再者防護治理的周期長以及治理時機不易掌握。而監測則是一種高效、低成本的防治措施。美國國際管道科學研究院(PRCI)將監測管道作為防治采空塌陷災害的主要方式，我國的西氣東輸、陜京線等管道投產后對采空區也進行有效的監測。

傳統的采空區土體變形采用經緯儀、水準儀、鋼尺、支距尺和全站儀或GPS等方法，這些方法的實時性都較差，均是對地表已經塌陷這一既有現象進行結果監測，難以滿足采空區監測超前預報、長期和實時在線的要求。傳統的管道應變監測以電阻式應變計、振弦式應變計為主，在耐腐蝕、抗干擾方面較差，穩定性也難以滿足要求。近幾年興起的分布式光纖傳感技術(以BOTDR為代表)在管體監測方面已有一定的應用。

對于采空塌陷區油氣管道，管道與土體的相對位移是一個很重要的因素。隨著采礦程度的加深，采空塌陷區土體的不斷下沉，由于管體和土體的剛度及抗變形能力不同，管體與其下方土體的變形和下沉位移不再一致，管道下方土體將繼續下沉，最終與管道分離，而管道上部土體由管體支撐，附著于管道之上，從而導致管道暗懸。大量的研究表明，當管道暗懸時，管道受到荷載最大，管體處于非常不穩定的受荷狀態，這種狀態嚴重影響到管道的安全。因此監測管道和土體之間的相對位移，實時了解管道與土體的對應位置關系，對于準確判斷管道安全狀態，有著重要的意義。

光纖光柵是近幾年發展最為迅速的光纖無源器件。它是利用光纖材料的光敏特性在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區域的傳播行為方式。除具有普通光纖抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕等特點外，光纖光柵還具有其獨特的特性：易于與光耦合、耦合損耗小、易于波分復用等。因而使得光纖光柵在光纖通訊和光纖傳感等領域有著廣闊的前景。作為光子研究領域的一種新興技術，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術近年來受到普遍關注，各國研究者積極開展有關研究工作。目前，已報道的光纖光柵傳感器可以監測的物理量有：溫度、應變、壓力、位移、壓強、扭角、扭矩(扭應力)、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、濃度、熱膨脹系數、振動等，其中一部分光纖光柵傳感系統已經實際應用。