专利名称：一种采空塌陷区油气管道监测方法
技术领域：
本发明是一种基于光纤光栅传感技术的采空塌陷区油气管道监测方法，涉及测量应力、温度的测量、类似线性尺寸的测量及管道系统技术领域。
背景技术：
地下矿层被开采后形成的空间称为采空区。地下矿层被开采后，其上部岩层失去支撑，平衡条件被破坏，随之产生弯曲、塌落，以致发展到地表下沉变形，造成地表塌陷，形成凹地。随着采空区的不断扩大，凹地不断发展而形成采空塌陷区，进而对地上或地下建 (构)筑物产生危害。采空塌陷灾害是造成人类生命财产损失的地质灾害的主要形式之一。 长距离输油或输气管道横贯东西、纵穿南北，输送距离可达数千公里，常不可避免地要穿过采空塌陷区。由于选线的不充分或地下矿体的进一步开采等原因，在采空塌陷区的管道有可能在活动塌陷盆地内通过，从而使管道的安全运营遭受严重威胁。早在1865年美国建成全球第一条原油管道起，世界即进入到了管道运营的时代， 而管道通过采空区问题则不断出现。1975年英国国家煤炭理事会颁布的《塌陷工程手册》 中规定了预测管道通过煤矿采空区地表塌陷的“NCB法”。1986年，国际管道科学研究院委托Battelle研究院对穿越采空塌陷区的管道受力性状和防治方法进行了研究，形成了《开采塌陷区的管道监测与防治》报告(NG-18，No. 155)，该项目系统总结了采空塌陷的特征，分析了采空区对管道的危害，开发了相应的应力计算软件，提出了塌陷区管道监测方法。我国管道事业虽然起步较晚，但我国的管道工业正处在蓬勃发展之中，这些管道大多将我国西部丰富的石油天然气输送到我国的东部，正在加紧建设和规划的能源输送管道有西气东输二线、中缅管道、兰郑长管道等多条上千公里管道。这些管线经过许多矿物采空区或未来开采区。如西气东输一线管线途径山西、山东、陕西、宁夏4个省区的8个矿区， 受76个矿井开采形成的部分采空区的影响，总长度约887. 494km，采空区一旦形成，将破坏地表平衡条件，导致地表大面积下沉、凹陷、裂缝或诱发滑坡、崩塌等次生灾害，直接影响管道安全；鄯乌天然气管道沿途经过12处采空塌陷区，受影响总长度约12. 6km，对管道安全生产构成重大威胁，其中以芦草沟塌陷区最为严重；陕京输气管线途经山西煤矿区，兰郑长成品油管线河南段、铁大原油管线鞍山-辽阳段等也容易发生采空塌陷等灾害。面对众多的采空塌陷灾害，我国的管道运营公司虽然采取了积极的工程防护措施，但这些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防护工程也并非“一劳永逸”，设计施工的不确定因素较多，再者防护治理的周期长以及治理时机不易掌握。而监测则是一种高效、低成本的防治措施。美国国际管道科学研究院(PRCI)将监测管道作为防治采空塌陷灾害的主要方式，我国的西气东输、陕京线等管道投产后对采空区也进行有效的监测。传统的采空区土体变形采用经纬仪、水准仪、钢尺、支距尺和全站仪或GPS等方法，这些方法的实时性都较差，均是对地表已经塌陷这一既有现象进行结果监测，难以满足采空区监测超前预报、长期和实时在线的要求。传统的管道应变监测以电阻式应变计、振弦式应变计为主，在耐腐蚀、抗干扰方面较差，稳定性也难以满足要求。近几年兴起的分布式光纤传感技术(以BOTDR为代表)在管体监测方面已有一定的应用。目前的这些监测方式均局限于对采空塌陷(致灾体)或埋地管道(承灾体)进行独立监测，还未对采空塌陷变形及其影响下的管道进行系统的联合监测，也没有对采空塌陷区土体变形信息的超前监测和管土相对位移监测。联合监测不仅能超前判断采空塌陷作用的活动情况、发育发展规律、破坏机理，还能查明采空塌陷对管道的影响方式和程度，更重要的是能掌握钢质管道的应力位移变化规律，判断管道的安全状态，为防治时机的确定提供依据。综合以上的信息，就能对采空塌陷区管道进行安全预警，提前预报采空区的稳定状态以及管道的危险状态，为减灾方案的设计实施提供依据。联合监测代表了采空塌陷区管道监测的趋势。光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点外，光纤光栅还具有其独特的特性易于与光耦合、耦合损耗小、易于波分复用等。因而使得光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域有着广阔的前景。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以监测的物理量有温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等， 其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)是最简单、最普遍的一种光纤光栅。它是一段折射率呈周期性变化的光纤，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。由耦合模理论可知，均勻的光纤布拉格光栅可以将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长(布拉格波长)入，为λΒ = 2neffA(1)式中λ B为布拉格波长；nrff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅栅距。对式(1)微分可得光栅的中心波长与温度和应变的关系
权利要求
1.一种采空塌陷区油气管道监测方法，其特征在于其监测内容包括三部分管体应变监测、管土相对位移监测、采空塌陷区土体水平变形监测；监测方法所用装置在采空塌陷区(1)的埋地油气管道3( 的监测截面上安装光纤光栅应变传感器a(3) 和管土相对位移传感器乂4)，每个截面上的传感器熔接串联，然后通过光纤接线盒a(6)与引至监测站的光缆a(7)连接，在监测站里，光缆a(7)与光开关(8)连接，光开关(8)与光纤光栅解调仪(9)连接，光纤光栅解调仪(9)与下位机(10)连接，下位机(10)预处理后的数据通过GPRS通讯模块a(1 接收到上位机(1 ；同时，光纤光栅传感网a 实时监测管道aO)正上方土体水平变形，也以相同方式将数据传输至上位机(1 ；用上述装置对采空塌陷区油气管道进行监测； 监测流程依次是对相互有作用的塌陷土体和管道的监测，可分为管体轴向应变监测、管土相对位移监测和采空塌陷区土体水平变形监测三部分；其中，管体轴向应变采用光纤光栅应变传感器监测、管土相对位移采用光纤光栅位移传感器监测、土体水平变形采用光纤光栅传感网监测；传感器采集的波长信号在现场监测站通过解调和预处理之后，被远程传输到异地监测中心；监测中心接收到数据后，通过特定算法对数据进行进一步的分析处理，计算出采空塌陷土体水平变形变化、管体轴向应变变化和管土相对位移变化；通过采空塌陷土体水平变形变化动态显示、管体轴向应变变化动态显示、管土相对位移变化动态显示，从而对管体和土体应变变化的状态稳定情况进行判定，判断数据是否超出阈值；管体轴向应变的报警阈值为管体的极限应变值的70 %，管土相对位移的报警条件为监测值超过阈值并保持恒定，土体水平变形的报警条件为监测曲线出现突变； 当三个参数值都小于各自阈值时则表明管道处于安全状态；当管体轴向应变达到管体的极限应变值的70%、或者管土相对位移值达到阈值并保持恒定时、或者土体水平变形曲线出现突变时进行管道安全的联合预警。
2.根据权利要求1所述的采空塌陷区油气管道监测方法，其特征在于具体方法是 由采空塌陷区(1)的油气管道乂幻的监测截面上安装光纤光栅应变传感器a C3)进行管体应变监测和光纤光栅传感网a 进行土体变形的监测，由管土相对位移传感器a(4) 进行管土相对位移监测；采集到的信号经光开关(8)、光纤光栅解调仪(9)解调后由下位机(10)作预处理； 下位机(10)预处理后的数据通过GPRS通讯模块a (11)传输、GPRS通讯模块a (12)接收到上位机(1 ；上位机(1 判断数据是否完整，不完整时再返回下位机(10)预处理；完整则传到上位机(13)；上位机(13)对信号作进一步分析与处理；并判断数据是否超出阈值； 由上位机(1 输出采空塌陷土体水平变形变化动态显示、管体轴向应变变化动态显示、管土相对位移变化动态显示；管体轴向应变的报警阈值为管体的极限应变值的70 %，管土相对位移的报警条件为监测值超过阈值并保持恒定，土体水平变形的报警条件为监测曲线出现突变；当三个参数值都小于各自阈值时则表明管道处于安全状态；当管体轴向应变达到管体的极限应变值的70%、或者管土相对位移值达到阈值并保持恒定时、或者土体水平变形曲线出现突变时进行管道安全的联合预警。光纤光栅应变传感器a ( 和管土相对位移传感器a (4)将管体应变和管土相对位移信号经光缆a (7)传到光开关(8)，光开关(8)后经光纤光栅解调仪(9)解调传至下位机(10)， 下位机(10)调用自编的程序，控制光开关(8)和光纤光栅解调仪(9)，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过GPRS通讯模块a(ll)传输、GPRS通讯模块a(12)接收到到上位机(13)，上位机(1 对数据进行进一步的分析处理，判断管道的受力变形状态及管土相对位移；同时，光纤光栅传感网a 实时监测管道aO)上方土体水平变形，也将数据传输至上位机(13)，上位机(1 对土体水平变形数据进行分析，并结合管道的变形和管土相对位移的分析结果，判断采空塌陷区管道的安全状态；数据的处理主要由软件完成； 下位机数据预处理主要是将光纤光栅解调仪采集的光波长数据根据转化为应变数据，上位机在接收数据后，首先将数据分类，根据管体应变监测公式计算管体最大应变，根据管土相对位移公式计算管土相对位移及相应的应力应变，根据水平变形监测公式计算土体水平变形，并最终将三个监测数据融合，判断采空区的稳定状态和管道的安全状况。
3.根据权利要求1所述的采空塌陷区油气管道监测方法，其特征在于所述管体应变监测方法是采用光纤光栅应变传感器，在管道b (14)的每个监测截面间隔90°方向均勻布置 3个光纤光栅应变传感器、光纤光栅应变传感器b (16)、光纤光栅应变传感器c (17) 和一个温度补偿传感器(18)，4个传感器通过熔接串联，然后通过光纤接线盒a(19)与光缆 b(20)将管体应变信号引至监测站光开关(8)和光纤光栅解调仪(9)，光纤光栅解调仪(9) 解调后传至下位机(10)，下位机(10)预处理后的数据通过GPRS通讯模块a (11)传输、GPRS 通讯模块接收到上位机(1 作进一步分析与处理并予显示；通过管体截面圆弧上有限个点的应变，求圆弧上最大拉、压应变的大小及其位置，即可求出该管道截面上最大应力的大小和位置。
4.根据权利要求1所述的采空塌陷区油气管道监测方法，其特征在于所述管土相对位移监测方法是采用光纤光栅位移传感器；在采空塌陷区(1)的油气管道W26)的监测截面上安装管土相对位移传感器b (25)，通过光纤接线盒c (28)与光缆c (34)将管土相对位移信号引至监测站光开关(8)和光纤光栅解调仪(9)，光纤光栅解调仪(9)解调后传至下位机 (10)，下位机(10)预处理后的数据通过GPRS通讯模块a (11)传输、GPRS通讯模块a (12)接收传到上位机(1 作进一步分析与处理并予显示；管土相对位移传感器M2Q测量出的应变ε ρ为ε ρ = k y Sh/E (12)当测量出的εΡ= Y Sh/E，即土体下塌系数k= 1并保持稳定时，表示管体处于悬空状态；式中，Y s为塌陷土体容重、h为测力杆的长度、k为土体下塌系数、E为测力杆材料的弹性模型。
5.根据权利要求1所述的采空塌陷区油气管道监测方法，其特征在于所述采空塌陷区土体水平变形监测方法是采用光纤光栅传感网，光纤光栅传感网由无纺土工布( )、光纤光栅钢筋传感器(30)组成；光纤光栅钢筋传感器(30)交织成“#”字形固定在上下两层无纺土工布09)中间，每个光纤光栅钢筋传感器(30)单独为1路，每路的光纤光栅数量需根据采空塌陷的实际情况而定；光纤光栅传感网a 将土体水平变形信号引至监测站光开关(8)和光纤光栅解调仪 (9)，光纤光栅解调仪(9)解调后传至下位机(10)，下位机(10)预处理后的数据通过GPRS 通讯模块a(ll)传输、GPRS通讯模块a(1 接收到上位机(1 作进一步分析与处理并予显不；光纤光栅传感网a(5)实时监测管道a(2)正上方土体水平变形，无纺土工布09)用于贴合土体变形，光纤光栅钢筋传感器(30)测量无纺土工布09)各点的应变，通过最小二乘法将数据进行拟合确定水平变形函数并求取函数最大值，函数最大值即为土体水平变形值。
全文摘要
本发明是一种基于光纤光栅传感技术的采空塌陷区油气管道监测方法，其监测包括管体轴向应变采用光纤光栅应变传感器监测、管土相对位移采用光纤光栅位移传感器监测、土体水平变形采用光纤光栅传感网监测；传感器采集的信号经解调和预处理，被传输到异地监测中心；监测中心对数据进行进一步的分析处理，计算出采空塌陷土体水平变形变化、管体轴向应变变化和管土相对位移变化；对管体和土体应变变化的状态稳定情况进行判定，判断数据是否超出阈值；当三个参数值都小于各自阈值时则表明管道处于安全状态；当管体轴向应变达到管体极限应变值的70％、或管土相对位移值达到阈值并保持恒定、或土体水平变形曲线出现突变时进行管道安全的联合预警。
文档编号F17D5/00GK102345796SQ20101024007
公开日2012年2月8日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者刘建平, 吴张中, 宋宁, 荆宏远, 蔡永军, 谭东杰, 郝建斌, 韩冰, 马云宾 申请人:中国石油天然气股份有限公司