СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ И СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ГРУНТА ОТНОСИТЕЛЬНО ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASUREMENT OF DIRECTION AND SPEED OF SOIL MOVEMENT RELATIVE TO UNDERGROUND PIPELINE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при эксплуатации трубопроводов, расположенных в оползневых массивах, для принятия своевременных мер по защите трубопроводов при перемещениях грунта, вызванных нарушением весового баланса в результате сезонного оттаивания, насыщения грунта водой или иными причинами.
Известен способ измерения направления и скорости движения грунта относительно подземного трубопровода и устройство для его осуществления, заключающийся в том, что по оси трубопровода устанавливают на определенном расстоянии друг от друга реперы и производят измерения угловых и линейных отклонений реперов от их первоначального положения, по величине которых судят о направлении и скорости движения грунта, при этом непрерывно регистрируют направление движения грунта относительно оси трубопровода и скорость движения грунта относительно фиксированного сечения трубопровода путем установки непосредственно на трубопровод устройств, преобразующих соответственно угловые и линейные перемещения грунта в электрический сигнал, поступающий на вход измерительного блока. (Патент RU №2153118, кл. F16L 1/028, опубл. 20.07.2000 г.).
Недостатком известного способа является то, что информация о направлении и скорости перемещения грунта может быть получена от преобразующих устройств только в сыпучих грунтах. В связных грунтах устройства, реализующие способ, неработоспособны.
Известен способ измерения направления и скорости движения грунта траншеи трубопровода, заключающийся в том, что по оси трубопровода устанавливают на определенном расстоянии друг от друга реперы и производят измерения угловых и линейных отклонений реперов от их первоначального положения, по величине которых судят о направлении и скорости движения грунта.
Реперы выполняют из металлических труб диаметром 100-120 мм и длиной до 2-3 метров. Регистрацию пространственного положения реперов осуществляют с помощью теодолита, для установки которого готовят специальную площадку, расположенную в стороне от трубопровода и сохраняющую неизменным свое положение в пространстве в течение времени наблюдений. Определение направления и скорости движения грунта осуществляют по показаниям теодолита, полученным в исходном состоянии и принятыми за нулевые и показаниями теодолита, полученными при последующих периодических измерениях положения реперов. (Справочник инженера-строителя под ред. Анурьева Н.А. и др., М., издательство литературы по строительству, 1970 г., т.2, полутом I, с.212).
Недостатком данного способа является то, что он непригоден для автоматического непрерывного контроля перемещения грунта, например, с помощью автоматических станций слежения за состоянием оползневого массива.
Известно устройство для измерения электрических сопротивлений горных пород в виде электроразведочной станции ЭРСУ-61, включающее измерительные и прямые, и обратные токовые питающие электроды, генератор питающего тока, коммутатор, измеритель разности потенциалов в виде измерительной панели ИПО, блок управления (панель управления), канал передачи информации (радиостанция PC). (Электроразведка, Ю.В.Якубовский, М., «Недра», 1980, с.132, 144-145).
Известное устройство не может выполнять измерения направления и скорости движения грунта относительно трубопровода, тем более в автоматическом режиме.
Задачей предложенной группы изобретений является повышение оперативности получения информации о перемещениях грунта в режиме непрерывного автоматического контроля.
Сущность первого изобретения состоит в том, что в известном способе измерения направления и скорости движения грунта относительно подземного трубопровода, заключающемся в том, что вблизи трубопровода устанавливают на определенном расстоянии друг от друга реперы и периодически производят измерения их параметров и отклонений от первоначальных значений, по величинам которых судят о направлении и скорости движения грунта, согласно изобретения, реперы используют в качестве электродов двух электроразведочных установок, размещаемых по двум взаимно перпендикулярным профилям, один из которых по направлению совпадает с осью трубопровода, причем прямой токовый электрод-репер, общий для обеих электроразведочных установок, жестко связывают с подземным трубопроводом, обеспечив его электроизоляцию, первые и вторые пары измерительных электродов-реперов обеих электроразведочных установок располагают по разные стороны от прямого токового электрода-репера, обратный токовый электрод-репер относят на расстояние, не менее десятикратно превышающее расстояние между центрами первой и второй пар измерительных электродов-реперов, пропускают переменный ток в цепи прямого и обратного токовых электродов-реперов, измеряют разности потенциалов между электродами первых и вторых пар измерительных электродов-реперов обеих электроразведочных установок, а в качестве контролируемого параметра используют отношение разности потенциалов первой пары измерительных электродов-реперов к разности потенциалов второй пары для обеих электроразведочных установок и по зависимостям отношений разностей потенциалов от перемещений измерительных электродов-реперов относительно подземного трубопровода, полученных расчетным путем или экспериментально, определяют перемещения грунта вдоль и поперек трубопровода, направление и скорость его движения.
Сущность второго изобретения заключается в том, что в заявляемом устройстве для измерения направления и скорости движения грунта относительно подземного трубопровода, включающем установленные вблизи трубопровода прямой и обратный токовые и измерительные электроды-реперы электроразведочных установок, генератор переменного тока, измеритель разности потенциалов, блок управления и обработки данных, коммутатор, канал передачи информации, при этом прямой и обратный токовые электроды-реперы подключены к выходу генератора переменного тока, измерительные электроды подключены к входам коммутатора, выходы которого соединены с входом измерителя разности потенциалов, подключенного ко входу блока управления и обработки данных, управляющего коммутатором и генератором переменного тока, выходы блока управления и обработки данных соединены с входами канала передачи информации, согласно изобретения, электроды-реперы электроразведочных установок размещены по двум взаимно перпендикулярным профилям, один из которых по направлению совпадает с осью трубопровода, причем прямой токовый электрод-репер является общим для обеих электроразведочных установок и размещен на электроизоляционном основании, закрепленном на подземном трубопроводе, первые и вторые пары измерительных электродов-реперов обеих электроразведочных установок установлены на жестких электроизоляционных пластинах и расположены по разные стороны от прямого токового электрода-репера.
На фиг.1 приведена схема размещения электродов-реперов вблизи подземного трубопровода.
На фиг.2 изображена конструкция электроразведочных установок устройства для измерения направления и скорости движения грунта относительно подземного трубопровода.
На фиг.3 представлена функциональная схема устройства для измерения направления и скорости движения грунта относительно подземного трубопровода.
На фиг.4 приведены расчетная и экспериментальные зависимости отношения разности потенциалов первой пары измерительных электродов-реперов и разности потенциалов второй пары измерительных электродов-реперов.
На фиг.1 изображены подземный трубопровод 1, профиль 2, перпендикулярный оси трубопровода 1, профиль 3, параллельный оси трубопровода 1, прямой токовый электрод-репер 4, первая пара измерительных электродов-реперов 5 первой электроразведочной установки, вторая пара измерительных электродов-реперов 6, первая пара измерительных электродов-реперов 7 второй электроразведочной установки, вторая пара измерительных электродов-реперов 8 второй электроразведочной установки, обратный токовый электрод-репер 9.
Обе электроразведочные установки устройства для измерения направления и скорости движения грунта (фиг.2) имеют общий токовый электрод-репер 4, размещенный на электроизоляционном основании 10, закрепленном на подземном трубопроводе 1. Электрод-репер 4 крепится к электроизоляционному основанию 10 винтом 13. Первые 5, 7 и вторые 6, 8 пары измерительных электродов-реперов обеих электроразведочных установок установлены на жестких электроизоляционных пластинах 11, 12 соответственно и расположены по разные стороны от прямого токового электрода-репера 4. Продольные оси пластин 11, 12 взаимно перпендикулярны, а ось пластины 12 параллельна оси подземного трубопровода 1.
Обратный токовый электрод-репер 9 отнесен от измерительных электродов на расстояние, десятикратно превышающее расстояние между центрами пар измерительных электродов-реперов.
Устройство для измерения направления и скорости движения грунта (фиг.3) включает также генератор переменного тока 14, измеритель разности потенциалов 15, блок управления и обработки данных 16, коммутатор 17, канал передачи информации 18.
Прямой и обратный токовые электроды-реперы 9 подключены к выходам генератора переменного тока 14, пары измерительных электродов-реперов 5, 6, 7, 8 подключены к входам коммутатора 17, выходы которого соединены с входом измерителя разности потенциалов 15, подключенного к входу блока управления и обработки данных 16, управляющего коммутатором 17 и генератором переменного тока 14, выходы блока управления и обработки данных 16 соединены с входами канала передачи информации 18.
Способ измерения направления и скорости движения грунта осуществляют следующим образом. Над подземным газопроводом размещают электроды-реперы двух электроразведочных установок по двум взаимно перпендикулярным профилям 2, 3 (фиг.3), один из которых (3) по направлению совпадает с осью трубопровода. Прямой токовый электрод-репер 4 жестко связывают с подземным трубопроводом 1, обеспечив его электроизоляцию от трубопровода. Первые 5, 7 и вторые 6, 8 пары измерительных электродов-реперов обеих электроразведочных установок размещают по разные стороны от прямого токового электрода-репера 4, а обратный токовый электрод-репер относят на расстояние, не менее десятикратно превышающее расстояние между центрами первой 5, 7 и второй 6, 8 пар измерительных электродов-реперов.
Расстояние между центрами пар может быть выбрано в зависимости от конкретных условий от 1 до 10 м.
По цепи прямого 4 и обратного 9 токовых электродов-реперов пропускают переменный ток и измеряют разности потенциалов между измерительными электродами-реперами первой (5, 7) и второй (6, 8) пар измерительных электродов-реперов обеих электроразведочных установок.
Составляют отношения
11
21
где ΔU, ΔU - разности потенциалов первой 5 и второй 6 пар измерительных электродов первой электроразведочной установки;
12
22
ΔU, ΔU - разности потенциалов первой 7 и второй 8 пар измерительных электродов второй электроразведочной установки.
По зависимостям  и
где S1 и S2 - перемещения грунта в направлениях взаимно перпендикулярных профилей 2, 3, определяют соответствующие перемещения грунта.
Зависимости  и  могут быть получены расчетным путем или экспериментально путем установления зависимости изменения отношения разностей потенциалов при дискретных синхронных перемещениях первой и второй пар измерительных электродов относительно неподвижных прямого и обратного электродов. На фиг.4 приведен вид таких зависимостей.
Как известно, разность потенциалов, возникающая между парой измерительных электродов электроразведочной установки при пропускании тока через грунт, определяется выражением:
где I - величина тока;
S - удельное электрическое сопротивление грунта;
К - коэффициент электроразведочной установки, зависящий только от ее геометрических размеров и конфигурации.
1
2
Таким образом, отношение разностей потенциалов двух пар измерительных электродов  равно обратному отношению коэффициентов электроразведочных установок и не зависит от удельного электрического сопротивления грунта и тока питания. При движении грунта и соответственно пар измерительных электродов-реперов относительно неподвижного прямого токового электрода будут изменяться коэффициенты K и К, причем в противоположных направлениях, так как пары измерительных электродов расположены по разные стороны от токового электрода. Следовательно, при движении пар электродов вместе с грунтом будут меняться и отношения разностей потенциалов (фиг.4).
Вектор общего смещения грунта в прямоугольной системе координат, связанной с осью трубопровода и перпендикулярным ей направлением, можно представить в виде:
где,,  - единичные орты по соответствующим координатным осям.
Модуль вектора смешения:
Направление движения грунта определяется углом α между  и осью трубопровода
Скорость движения грунта:
где Т - время между измерениями.
Устройство для измерения направления и скорости движения грунта работает следующим образом.
11
21
12
22
От генератора переменного тока 14 по команде от блока управления и обработки данных 16 на прямой 4 и обратный 9 токовые электроды подается переменный ток. Между электродами четырех пар 5, 6, 7, 8 измерительных электродов возникают разности потенциалов ΔU, ΔU, ΔU, ΔU, которые поступают на соответствующие входы коммутатора 17, который по командам блока управления и обработки данных 16 поочередно подключает пары измерительных электродов к входу измерителя разности потенциалов 15.
Измеритель разности потенциалов 15 преобразует входные переменные напряжения в напряжения постоянного тока, которые поступают на вход блока управления и обработки данных 16, где оцифровываются и подаются на входы канала передачи информации 18.
Информация по каналам телеметрии передается на диспетчерский пункт, где обрабатывается по соответствующим алгоритмам для получения сведений о направлении и скорости движения грунта относительно подземного трубопровода.
Измерения производятся автоматически с периодичностью, задаваемой программой блока управления и обработки данных 16, который выполнен на основе микропроцессора.
Для обеспечения постоянства расстояний между измерительными электродами они установлены на электроизоляционные пластины 11, 12 (фиг.2). Прямой токовый электрод 4 также установлен на электроизоляционное основание 10 для устранения возможного влияния трубопровода при нарушении его изоляции на результаты измерений.
Если направление движения грунта известно, то для определения его скорости движения достаточно одной электроразведочной установки, токовые и измерительные электроды которой размещают на профиле, совпадающем с направлением движения грунта.
Предлагаемые способ и устройство позволяют в автоматическом режиме постоянно регистрировать направление и скорость движения грунта относительно трубопровода и оценивать величины дополнительных нагрузок, действующих на трубопровод, что позволяет своевременно обнаруживать аварийные ситуации и принимать своевременные меры по защите трубопровода от разрушения.