CN108980636A - 储油区地下渗漏实时监测方法 - Google Patents

储油区地下渗漏实时监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明所述储油区地下渗漏实时监测方法，针对储油区建立地下渗漏实时监测能够实时监测储油区渗漏情况及泄露后油类物质的运移方向与过程，并在泄露发生后发出警报。实时监测方法包括有以下步骤，在储油区四周外延(1‑3)米处建立监测区域，将整个环形监测区域划分为等面积大小的、单行列分布的n个矩形子区域；在n个矩形子区域的顶点共设置(2n+2)个电阻率探针；进行电阻率测量时，每一探针的电极依次供电，相邻探针的所有电极同时进行电位测量，经反演成像后获取探针间电阻率分布；进行初始电阻率测量以获取各探针间电阻率背景值，将各时刻电阻率与背景值作比I1，由I1可确定区域内渗漏位置及油类物质的扩散方向。

Description

储油区地下渗漏实时监测方法
技术领域
本发明涉及一种针对储油区地下渗漏情况进行实时监测的系统与方法，属于污染防治、环境监测技术领域。
背景技术
石油是一种危害较严重的污染物。随着近年来我国经济的发展，国内加油站数量持续增长，部分储油罐老化问题严重，储油罐渗漏的风险也随之增加。若储油罐发生石油渗漏，则会致使石油排入周边土壤及水体中导致污染，因此对于储油库渗漏的监测越发受到重视。
目前针对地下石油污染采取的主要监测手段是监测井及钻孔取样，对土样、水样进行化学分析，这种方法不仅耗时较长，成本较高，并且无法在发生渗漏的初期及时发现问题，无法准确描述石油污染物在地下的扩散运移情况，更可能导致二次污染。近年来，电阻率法、探地雷达法等地球物理方法在此类环境问题的调查中逐步得到越来越多的应用。
如公开以下方案在先申请专利，申请号CN201310015054.0，地下轻非水相液体污染物扩散的实时自动监测方法及系统，其包括取监测点位；获取特征LNAPLs污染物及特征LNAPLs污染在该监测点位发生后的电阻率变化范围E；确定电阻率探杆的长度；确定电极环的间距；根据地下水流方向，监测井中悬挂一套电阻率监测装置，在地下水上游和下游的监测点位分别至少贯入一套电阻率监测装置；设置采集参数；实时传输监测数据，若电阻率达到E的下限时，则自动报警。
又如申请号CN201110136781.3，一种地下污水管线泄漏的原位自动监测系统及方法，包括用于控制的上位机和底部设有锥头的电阻率探杆；电阻率探杆由不少于5个可插拔的尼龙模块和夹在相邻两个尼龙模块对接缝内外表面镀银的铜电极环插接而成；且电阻率探杆顶部设有通过导线与每个铜电极环连接的内含控制程序的采集控制电路和无线数据传输模块；与无线数据传输模块相匹配的公网服务器及其客户端软件。其监测方法包括：在地下污水管沿线选取监测点埋设或贯入电阻率探杆；通过客户端软件控制系统工作，在泄漏发生达到阈值时自动报警。
上述2篇在先申请专利，虽然基于实时监测、数据自动采集与智能化处理，但是技术缺陷也很明显。一是，针对的是管线、污染源之外泄露后污染扩散范围的监测，对于做为污染源的储油区(或储油罐)无法实施实时监测；二是，前段监测区域是在管线沿线处选取监测测点、以及沿水流上下游布设，由于泄漏事故发生时间及地点的随机性，此种监测容易漏判。
三是，基于高密度电阻率法，每个探杆独立工作，供电与测量均在同一探杆上，电阻率条带测管线渗漏也是基于此技术，每次测量一个单点数据，因此无法识别微小渗漏情况，监测精度不高。
四是，每次测量均为单点数据，数据量小，而后绘制电阻率变化曲线；在进行电阻率比对时，要求背景无污染条件，每个采样周期均设一个背景值。因此，监测效果不够精细，误差较大，且难以检测预判出污染扩散方向。
基于上述对比分析，现有监测技术手段还难以针对储油区实现实时监测的要求，无法在渗漏的初期监测出并确定渗漏点位置。
有鉴于此特提出本专利申请。
发明内容
本发明所述储油区地下渗漏实时监测方法，其目的在于解决上述现有技术存在的问题而针对储油区建立地下渗漏实时监测系统与方法，以期能够实时监测储油区渗漏情况及泄露后油类物质的运移方向与过程，并在泄露发生后发出警报。
为实现上述发明目的，所述储油区地下渗漏实时监测方法包括有以下步骤：
1)确定监测区域
在储油区四周外延(1-3)米处建立监测区域，将整个环形监测区域划分为等面积大小的、单行列分布的n个矩形子区域；
2)布设探针
在n个矩形子区域的顶点，共设置(2n+2)个电阻率探针，每组2个探针布设于每相邻两个子区域的临界线上，探针长度为子区域对角线长度的(1.5-2)倍；
3)测量电阻率
进行电阻率测量时，每一探针的电极依次供电，相邻探针的所有电极同时进行电位测量，经反演成像后获取探针间电阻率分布；
应用二极装置进行测量，其测量过程为每一探针的电极依次作为供电电极A，相邻探针的所有电极作为测量电极M同时进行电位测量，每个子区域获取6组电阻率数据；电阻率计算方式如下，
其中，ρ为电阻率，I为供电电极A的电流值，μ为做为测量电极M处的观测点电位。r为供电电极A与测量电极M之间的距离，假设地面上方与A对称的位置有1个虚电源A’，虚电源A’与测量电极M的距离为r’；
4)设定背景值与对比判断
进行初始电阻率测量以获取各探针间电阻率背景值，每间隔15天或是每经历一次降雨后重新测量区域内各电阻率值以作为背景值；
将各时刻电阻率与背景值作比I1，由I1可确定区域内渗漏位置及油类物质的扩散方向；
自I1＝1.1起，发出重点监测警报，若后续时刻电阻率剖面中I1>1.1，则渗漏区域面积逐渐增大；
当存在I1>1.2的区域，直接发出重大渗漏警报；
当I1<1时，且出现I1<1的子区域数量不断增多，在排除降水及地下水况发生变化后，可判定为少量渗漏。
如上述实时监测方法，是基于电阻率跨孔CT技术而实时、自动地监测一定区域内土壤的电阻率值变化趋势，根据实时电阻率值与背景值的对比判断以获得储油区地下渗漏污染的监测结果。
所应用的二极装置，是一种进行电阻率测量的电极排列式采集装置，通常为任意两点(如A、B两点)供电，测量任意两点(如M、N两点)之间的电位差。即将一个供电电极B，测量电极N置于“无穷远”，然后A电极供电，M电极依次进行电位测量。
所应用的反演成像，是利用探测区周围在各个不同方向观测的、由直流电源激发的电场所产生的电位或电位差研究探测区介质的电阻率分布。包括采用有限单元法，首先，进行傅立叶变换,应用变分原理将得到方程的边值问题转化为相应的变分问题；然后，将连续的求解区域离散化,即在各个单元上近似将变分方程离散化,导出方程组并求解,得到各个节点的电位值；最后，将频率域的电位通过傅立叶逆变换而变换到空间域，以得到稳定的电流场的位场分布,从而得到相应的电场分布图像。
在实施实时监测方法之前，可对监测区域土层进行钻孔取样，获取基本土性指标，然后在相同指标下进行不同比例油水侵入土体的模拟实验。进而，测量侵入过程土体的电阻率值分布与变化趋势，可获取不同含水率土体条件下电阻率(I)与含水饱和度(Sw)对应曲线关系，形成油侵入土体电阻率变化的定性特征分析结果。
由于跨孔电阻率测量效果会随孔深—孔距比的减小而降低，为保证监测效果，以最大孔间距(子区域对角线长度)的(1.5-2)倍作为电阻率探针的长度取值范围。
分布于相邻两个子区域临界线上的探针，分别进行跨孔电阻率测量以得到电阻率剖面，其过程是同一探针上每个电极依次供电，相邻探针所有电极同时进行电位测量，每个子区域四根探针可获取6组数据，经反演成像后获取探针间电阻率分布。
所述的电阻率探针，是将不锈钢管材打孔并嵌入环状铜质电极片；每个电阻率探针设有60～100个电极片，电极片与导线焊接，管材间隙及内部通过环氧树脂进行填充并固定。
所述电阻率探针的电极片，是两个半圆环状电极片卡扣而成。
综上内容，所述储油区地下渗漏实时监测方法具有的优点是：
1、本申请以储油区为监控对象，通过数据智能化监测与运行处理实现远程控制，监测数据较为精准，针对的是污染源的实时动态监测，可应用于各石油化工企业和加油站等储油区域的渗漏监测。
2、本申请针对的是前段监测区域，即围绕储油区四周外延一定范围(1-3米)实现监测。监测方向、渗漏趋势范围更全。
3、本申请基于跨孔电阻率测量技术，每个探针的电极依次供电，相邻探针进行测量。多探针协同工作，数据密度远高于单杆测量，监测精度更高，能够识别微小渗漏情况。
4、本申请通过电阻率反演真电阻率后进行下一步处理，对两探针间不同时刻电阻率测量值与背景值作比，每隔15天或经历一次降雨重新测量一次背景值，无论土层背景是否已发生污染，均有效。所用数据为井间电阻率剖面所有数据，每个剖面(两探针间)测量电阻率数据约在1000-3000个范围内，数据量大，监测效果好，误差小。而且能够准确地判断出污染扩散方向。
附图说明
图1是实现所述储油区地下渗漏实时监测方法的监测系统结构示意图；
图2是所述储油区地下渗漏实时监测方法的流程图；
图3是监测系统运行流程图；
图4是少量油侵入土体的条件下电阻率与背景值之比I1的反演成像图；
图5是大量油侵入土体的条件下电阻率与背景值之比I1的反演成像图；
图6是采用二极装置进行电阻率计算的示意图。
其中，电阻率探针1，锥头2，环状铜质电极片3，电源与采集控制模块4，数据传输模块和无线传输天线5，上位机和客户端6，地下储油区7，泄露的油污染羽8。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1，如图1所示，实现所述储油区地下渗漏实时监测方法的监测系统，包括电阻率探针1，与各个电阻率探针1连接的电源与采集控制模块4，通过数据传输模块和无线传输天线5，监测数据上传至上位机和客户端6。
上位机和客户端6的CPU接收控制指令获取采集数据并做处理成像。
电源与采集控制模块4由译码器、通道独立的A/D转换器和电子转换开关等组成，通过电路与针体内嵌的铜电极片相连接。
数据传输模块和无线传输天线5包括带有发射天线的GPRS模块。
所述的储油区地下渗漏实时监测方法，是基于电阻率跨孔CT技术，实时、自动地监测土壤一定区域内的电阻率值变化，根据发生油渗漏区域的电阻率值与背景值的差别来实现渗漏污染的监测。
上位机和客户端6的CPU接收控制指令，管理各单元模块的运行，通过供电电极向土体中供电，电源与采集控制模块4与电阻率探针相连接，通过CPU所输出的程序指令，管理探针上各电极的工作状态，完成一次采集并计算电阻率值，数据经由数据传输模块和无线传输天线5发送至上位机和客户端6进行存储。
电阻率探针1的针体以不锈钢材质内管作为持力针，一端焊接有贯入的锥状不锈钢头部(即锥头2)，外套高密度聚乙烯材料管材，套管外内嵌环状铜质电极片3，电极片分别与导线焊接并穿管而出与上述控制装置相连，管材间隙及内部由环氧树脂填充并固定。
电阻率探针1由60-100个环状铜质电极片3内嵌连接而成，高密度聚乙烯材料管材外壁预留有卡槽接口，与每个环状铜质电极片由两个半圆环状电极片卡扣相连接，电极片厚度2mm，宽度20mm。
上述电阻率探针1所内嵌的环状铜质电极片3通过导线与电源与采集控制模块4相连，采集后的数据经数据传输模块和无线传输天线5发送至上位机和客户端6。
上述上位机包括客户端软件，与上位机相连接的报警装置，客户端软件可安装于多台接入互联网的计算机，获取权限后可对监测装置进行操作，实现采集参数设置，发送控制指令，传输监测数据等，并可接受泄露报警信息。
如图2至图6所示，储油区地下渗漏实时监测方法包括以下实时监测步骤：
1)确定监测区域
在储油区四周外延2米处建立监测区域，将整个环形监测区域划分为等面积大小的、单行列分布的n个矩形子区域；
2)布设探针
在n个矩形子区域的顶点，共设置(2n+2)个电阻率探针，每组2个探针布设于每相邻两个子区域的临界线上，探针长度为子区域对角线长度的1.5倍；
3)测量电阻率
进行电阻率测量时，每一探针的电极依次供电，相邻探针的所有电极同时进行电位测量，经反演成像后获取探针间电阻率分布；
应用二极装置进行测量，其测量过程为每一探针的电极依次作为供电电极A，相邻探针的所有电极作为测量电极M同时进行电位测量，每个子区域共有2组4根据探针，因此可获取6组电阻率数据；电阻率计算方式如下，
其中，ρ为电阻率，I为供电电极A的电流值，μ为做为测量电极M处的观测点电位。r为供电电极A与测量电极M之间的距离，假设地面上方与A对称的位置有1个虚电源A’，虚电源A’与测量电极M的距离为r’；
4)设定背景值与对比判断
进行初始电阻率测量以获取各探针间电阻率背景值，每间隔15天或是每经历一次降雨后重新测量区域内各电阻率值以作为背景值；
将各时刻电阻率与背景值作比I1，由I1可确定区域内渗漏位置及油类物质的扩散方向；
自I1＝1.1起，发出重点监测警报，若后续时刻电阻率剖面中I1>1.1，则渗漏区域面积逐渐增大；
当存在I1>1.2的区域，直接发出重大渗漏警报；
当I1<1时，且出现I1<1的子区域数量不断增多，在排除降水及地下水况发生变化后，可判定为少量渗漏。
电阻率探针1采用高密度聚乙烯材料管材内套不锈钢管制作而成，在管材预设电极位置打孔并嵌入环状铜质电极片，每个电阻率探针设有60～100个电极片，电极片分别与导线焊接并穿管而出与电源与采集控制模块4相连。
管材间隙及内部由环氧树脂填充并固定。所述电阻率探针1的电极片，是两个半圆环状电极片卡扣而成。
进行电阻率测量时，每一探针的电极依次供电，相邻探针的所有电极同时进行电位测量，经反演成像后获取探针间电阻率分布。获取各探针间电阻率背景值，将各时刻电阻率与背景值作比I1；
在实施实时监测方法之前，对矩形子区域的顶点进行钻孔取样，在相同指标下进行不同比例油水侵入土体实验，并测量侵入过程土体电阻率，绘制电阻率指数I与含水饱和度Sw曲线，获取不同含水率土体条件下，油侵入土体电阻率变化特征。
根据监测区域地层情况，如土颗粒粒径、含水率、地下水深度等，为保证高质量的监测数据，应保证钻孔深度与孔间距的比值大于1.5，即最小探针长度应大于矩形子区域对角线长度的1.5倍。一般情况下，土颗粒粒径较大或含水率较低需要更高的监测精度，电极环个数越多，环间距越小监测精度越高。
在各矩形子区域顶点钻孔位置埋设电阻率探针，钻孔壁和探针存在的孔隙，采用监测区域周边原状土碾碎回填，回填同时并沿孔壁注水，确保回填土与钻孔壁、探针接触良好。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种储油区地下渗漏实时监测方法，其特征在于：包括有以下实时监测步骤，
1)确定监测区域
在储油区四周外延(1-3)米处建立监测区域，将整个环形监测区域划分为等面积大小的、单行列分布的n个矩形子区域；
2)布设探针
在n个矩形子区域的顶点，共设置(2n+2)个电阻率探针，每组2个探针布设于每相邻两个子区域的临界线上，探针长度为子区域对角线长度的(1.5-2)倍；
3)测量电阻率
进行电阻率测量时，每一探针的电极依次供电，相邻探针的所有电极同时进行电位测量，经反演成像后获取探针间电阻率分布；
应用二极装置进行测量，其测量过程为每一探针的电极依次作为供电电极A，相邻探针的所有电极作为测量电极M同时进行电位测量，每个子区域获取6组电阻率数据；
电阻率计算方式如下，
其中，ρ为电阻率，I为供电电极A的电流值，μ为做为测量电极M处的观测点电位。r为供电电极A与测量电极M之间的距离，假设地面上方与A对称的位置有1个虚电源A’，虚电源A’与测量电极M的距离为r’；
4)设定背景值与对比判断
进行初始电阻率测量以获取各探针间电阻率背景值，每间隔15天或是每经历一次降雨后重新测量区域内各电阻率值以作为背景值；
将各时刻电阻率与背景值作比I1，由I1可确定区域内渗漏位置及油类物质的扩散方向；
自I1＝1.1起，发出重点监测警报，若后续时刻电阻率剖面中I1>1.1，则渗漏区域面积逐渐增大；
当存在I1>1.2的区域，直接发出重大渗漏警报；
当I1<1时，且出现I1<1的子区域数量不断增多，在排除降水及地下水况发生变化后，可判定为少量渗漏。
2.根据权利要求1所述的储油区地下渗漏实时监测方法，其特征在于：所述的电阻率探针，是将不锈钢管材打孔并嵌入环状铜质电极片；
每个电阻率探针设有60～100个电极片，电极片与导线焊接，管材间隙及内部通过环氧树脂进行填充并固定。
3.根据权利要求2所述的储油区地下渗漏实时监测方法，其特征在于：所述电阻率探针的电极片，是两个半圆环状电极片卡扣而成。
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