陳艷靜

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051）

1 引言

當(dāng)油氣田發(fā)生氣體泄漏時(shí)會(huì)發(fā)出不同于生產(chǎn)噪聲的異常聲音，使用油氣田氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠獲取到泄漏氣體的水下結(jié)構(gòu)發(fā)出的異常聲響，通過(guò)圖像聲納技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油氣田氣體泄漏情況，探測(cè)獲取油氣田氣體泄漏的異常聲音，提取其水聲信號(hào)特征并自動(dòng)識(shí)別、估計(jì)泄漏氣體的水下結(jié)構(gòu)方位與泄漏量，實(shí)現(xiàn)油氣田氣體泄漏故障的在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，為油氣田水下結(jié)構(gòu)的安全生產(chǎn)運(yùn)行提供技術(shù)保障，降低油氣田氣體泄漏造成的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和海洋環(huán)境污染，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和重要的社會(huì)意義。

2 圖像聲納工作原理

圖像聲納一般采用主動(dòng)方式，利用換能器發(fā)射聲信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后，由水聽(tīng)器接收到回波，所接收的回波信號(hào)作為信息傳遞的載體，攜帶著探測(cè)空間范圍內(nèi)各種物體的信息，通過(guò)數(shù)據(jù)處理便可以得到聲納圖像數(shù)據(jù)，對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行成像。對(duì)接收到的數(shù)據(jù)通常進(jìn)行波束形成，通過(guò)對(duì)基陣各陣元的發(fā)射或接收信號(hào)，進(jìn)行時(shí)延或相移處理，使聲信號(hào)在預(yù)成方向上獲得指向性。若對(duì)接收基陣進(jìn)行波束形成處理，則可使系統(tǒng)只接收特定方向的信號(hào)，從而抑制來(lái)自其它方向的信號(hào)和干擾，提高陣增益和信噪比，得到高精度的方位分辨率，同時(shí)具有較高的圖像分辨率。如果接收系統(tǒng)形成多個(gè)波束，則可以分辨多個(gè)目標(biāo)，從而允許大面積的水下成像。圖像聲納能夠克服復(fù)雜的水文環(huán)境，特別是在一些渾濁水域以及水文條件較差的環(huán)境下，仍然具有較遠(yuǎn)的作用距離，使得它能在各種狀況的水下探測(cè)中得到應(yīng)用。一般的光學(xué)攝像機(jī)在渾濁的海水中成像范圍十分有限，一般僅能在幾米的距離內(nèi)成像，而聲學(xué)方法的成像范圍可以達(dá)到十幾米到幾百米的區(qū)域。

3 氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

圖1 氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示，由圖像聲納裝置和氣體泄漏模擬裝置組成。氣體泄漏模擬裝置主要用于模擬水下結(jié)構(gòu)漏氣的情況，以便圖像聲納進(jìn)行聲數(shù)據(jù)采集。圖像聲納系統(tǒng)采集信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換解調(diào)，通過(guò)信號(hào)預(yù)處理方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大等處理，將多路信號(hào)進(jìn)行波束形成，最后計(jì)算出泄漏點(diǎn)位置，與氣體泄漏模擬裝置布放的實(shí)際位置進(jìn)行比對(duì)。

4 湖試試驗(yàn)

采用發(fā)射頻率600kHz的圖像聲納進(jìn)行岸上連接與調(diào)試，通過(guò)調(diào)試測(cè)試工作后，將水下濕端部分放入水中制定位置，調(diào)整圖像聲納發(fā)射端的發(fā)射角度，消除碼頭對(duì)其干擾，即可在開(kāi)闊水域進(jìn)行相應(yīng)的湖試試驗(yàn)。湖試試驗(yàn)主要為性能測(cè)試，考量圖像聲納對(duì)氣體泄漏模擬裝置氣體泄漏點(diǎn)方位的定位能力和測(cè)量誤差。

試驗(yàn)開(kāi)始前，氣體泄漏模擬裝置放在水下20m，圖像聲納在水下5m，圖像聲納放置于碼頭外2m，氣體泄漏模擬裝置與圖像聲納水平距離180m。實(shí)驗(yàn)在湖中開(kāi)闊水域進(jìn)行，用高壓氣管模擬水下輸氣管道，氣管280m，空壓機(jī)能保證產(chǎn)生5MPa的高壓氣體。

試驗(yàn)過(guò)程中，裝載氣體泄漏模擬裝置的試驗(yàn)小船攜帶便攜式GPS并記錄相應(yīng)的位置坐標(biāo)，測(cè)量并記錄圖像聲納處的GPS坐標(biāo)值后，再開(kāi)始進(jìn)行拉距試驗(yàn)，試驗(yàn)坐標(biāo)處理記錄如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量值記錄表

將圖像聲納濕端放置于指定點(diǎn)處，首先需要對(duì)環(huán)境背景噪聲進(jìn)行測(cè)量，采用圖像聲納環(huán)搜模式進(jìn)行探測(cè)，其探測(cè)結(jié)果圖如圖2所示。當(dāng)氣體泄漏裝置開(kāi)始工作時(shí)，圖像聲納基本探測(cè)到漏氣點(diǎn)位置時(shí)將圖像聲納工作模式調(diào)整為扇形掃描模式，提高工作效率，探測(cè)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖2 試驗(yàn)開(kāi)始前環(huán)搜漏氣點(diǎn)目標(biāo)結(jié)果圖

圖3 氣體泄漏量小時(shí)的結(jié)果圖

圖4 氣體泄漏量大時(shí)的結(jié)果圖

從圖3和圖4中可以看出，圖像聲納對(duì)氣體泄漏模擬裝置的氣體泄漏量大小能夠從圖像聲納成像區(qū)域看出，即氣體泄漏量大的試驗(yàn)中圖像聲納成像圖中強(qiáng)度大的區(qū)域也就大。由此可見(jiàn)，圖像聲納能夠有效對(duì)油氣田水下結(jié)構(gòu)氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

本論文主要論述了圖像聲納在油氣田氣體泄漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，通過(guò)模擬氣體泄漏裝置，利用圖像聲納進(jìn)行數(shù)據(jù)分析解算，顯示氣體泄漏位置。為油氣田的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障，減少損失和海洋污染。

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