吳 鵬

中國(guó)石油冀東油田南堡油田作業(yè)區(qū)，河北唐山 063200

按照地理位置，灘海油田油氣集輸管道可劃分為兩類(lèi)：一類(lèi)是人工島之間或人工島與導(dǎo)管架平臺(tái)之間的海底管道；另一類(lèi)是陸岸平臺(tái)之間的集輸管道。按照管道輸送介質(zhì)的復(fù)雜程度，可將灘海油田集輸管道依次劃分為四類(lèi)：輸水管道、輸氣管道、油水混輸管道、油氣水混輸管道。灘海管道發(fā)生泄漏將直接污染灘涂和海洋，如果不能在第一時(shí)間進(jìn)行關(guān)斷，不僅會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)產(chǎn)生較大的社會(huì)負(fù)面影響。對(duì)于管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)，國(guó)內(nèi)研究起步較晚，從最早的人工沿著管路分段巡視檢漏，發(fā)展到較復(fù)雜的利用計(jì)算機(jī)軟件、硬件相結(jié)合進(jìn)行檢漏的方法，通過(guò)進(jìn)行理論研究、數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真，逐步在負(fù)壓波法、光纖檢漏法、壓力梯度法研究方面取得了較大進(jìn)展[1]，尤其是成品油和原油管道、天然氣管道、輕烴管道等，其泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，但還無(wú)法實(shí)現(xiàn)多相流管道泄漏的精確監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)油水混輸、油氣水混輸管道泄漏的高精度監(jiān)測(cè)，經(jīng)調(diào)研選用次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行復(fù)雜工況下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)由次聲波傳感器、次聲測(cè)量網(wǎng)絡(luò)傳輸儀、GPS接收器和監(jiān)控主機(jī)組成[2]。其中次聲波傳感器是用于接收次聲波信號(hào)并進(jìn)行數(shù)字量與模擬量轉(zhuǎn)換的儀器；次聲測(cè)量網(wǎng)絡(luò)傳輸儀是一種通用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，主要用于次聲波數(shù)據(jù)的采集與傳輸，設(shè)備內(nèi)安裝了嵌入式的GPS模塊，通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的時(shí)鐘和地理坐標(biāo)；監(jiān)控主機(jī)由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡組成，通過(guò)設(shè)計(jì)的檢測(cè)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并判斷泄漏是否發(fā)生和確定泄漏的具體地點(diǎn)。

圖1 次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成

次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理是：當(dāng)油氣管道出現(xiàn)破裂時(shí)，該處的壓力會(huì)降低，于是泄漏點(diǎn)兩邊區(qū)域內(nèi)的流體會(huì)向泄漏點(diǎn)流動(dòng)，由此形成次聲波；次聲波會(huì)順著管道向首、末站傳播[3]，通過(guò)安裝在管道兩端的次聲波傳感器，在線實(shí)時(shí)采集次聲波信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濾波后傳遞給監(jiān)控主機(jī)軟件，再通過(guò)對(duì)次聲波信號(hào)進(jìn)行特征量提取實(shí)現(xiàn)特性信號(hào)顯示，當(dāng)信號(hào)特征值超過(guò)閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)情況簡(jiǎn)介

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在南堡油田NP1-3號(hào)人工島、NP1-1號(hào)人工島和NP2-3陸岸平臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)管道共兩條：NP1-3號(hào)人工島至NP1-1號(hào)人工島的海底油氣水混輸管道、NP2-3陸岸平臺(tái)至NP1-1號(hào)人工島的陸岸油水混輸管道，測(cè)試管道具有多介質(zhì)、段塞流、高氣油比、海底環(huán)境高度復(fù)雜、有噪音干擾等工況。管道的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

NP1-3號(hào)人工島、NP1-1號(hào)人工島、NP2-3陸岸平臺(tái)各安裝兩臺(tái)次聲波傳感器，用于接收管道泄漏事件的次聲波和屏蔽工藝場(chǎng)站的噪聲干擾[4]，監(jiān)控主機(jī)設(shè)置在南堡油田中控室。為精確計(jì)量實(shí)際漏油量和漏氣量，在油氣水混輸管道人工泄漏點(diǎn)安裝了臥式三相計(jì)量分離器，在油水混輸管道人工泄漏點(diǎn)安裝了計(jì)量罐。集輸管道人工泄漏點(diǎn)安裝DN50球閥作為泄漏控制閥門(mén)。為實(shí)現(xiàn)不同孔徑下泄漏的精確監(jiān)測(cè)，共設(shè)計(jì)了5種孔徑分別為30、20、10、5、3mm的放空孔板?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況見(jiàn)圖2。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)管道運(yùn)行參數(shù)

圖2 次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

2.2 油氣水海底混輸管道試驗(yàn)

NP1-3號(hào)人工島至NP1-1號(hào)人工島的海底混輸管道為油氣水海底混輸管道，在進(jìn)行管道泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)前，首先進(jìn)行次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的性能測(cè)試，在管道正常運(yùn)行時(shí)段下，傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)的波形如圖3所示。采用DN50球閥進(jìn)行3次放油試驗(yàn)，次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)如圖4所示。

圖3是4個(gè)傳感器在10 min時(shí)間內(nèi)采集到的噪聲信號(hào)波形，圖中所用的時(shí)間是格林威治時(shí)間?？梢钥闯?，各個(gè)傳感器所在位置的管道本底噪聲不僅強(qiáng)度非常強(qiáng)，頻率范圍也復(fù)雜，而且其變化起伏也很大。

圖4是12:52至12:57時(shí)段的各個(gè)時(shí)刻的波形，該時(shí)段包含了3次放油的時(shí)刻。比較圖3原始波形與圖4的泄漏波形，兩圖均未發(fā)現(xiàn)有明顯不同的波動(dòng)信號(hào)，也就是說(shuō)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未能檢測(cè)出泄漏信號(hào)。

圖3 在管道正常運(yùn)行時(shí)段的次聲波泄漏監(jiān)測(cè)波形

圖4 在12:53開(kāi)始的3次放油試驗(yàn)的次聲波泄漏監(jiān)測(cè)波形

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作產(chǎn)生的各種現(xiàn)象和記錄數(shù)據(jù)的觀察，可以看出這條海底混輸管道的運(yùn)行工況對(duì)次聲波的傳播有很大的不利影響：

（1）該條管道聲波賴(lài)以傳播的介質(zhì)為油氣水混合介質(zhì)，這種不均勻介質(zhì)對(duì)次聲波的傳播會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射與吸收，增大了傳播衰減，因而不利于遠(yuǎn)端對(duì)泄漏信號(hào)的拾取[5]。

（2）油氣水輸送過(guò)程中存在著段塞流、層狀流等多種流態(tài)[6]，不同的段塞、分層會(huì)導(dǎo)致聲傳播產(chǎn)生多徑異速現(xiàn)象，從而導(dǎo)致聲波在傳播中發(fā)生變形，因而對(duì)判別不同位置產(chǎn)生的聲信號(hào)的關(guān)聯(lián)性產(chǎn)生不良影響。4個(gè)傳感器采集到的功率譜分布如圖5所示，分析圖5發(fā)現(xiàn)各傳感器采集到的噪聲主頻率相對(duì)獨(dú)立，由此可以推斷出，在當(dāng)前工況下，與噪聲功率同級(jí)別的次聲信號(hào)傳導(dǎo)到另一個(gè)點(diǎn)位時(shí)，其能量難以在另一個(gè)點(diǎn)位被識(shí)別出來(lái)，因此，由于不能確定噪聲的頻率，因而也就無(wú)法精確濾波。

（3）受立管和外輸氣液波動(dòng)的影響，海管會(huì)產(chǎn)生段塞流，因而會(huì)導(dǎo)致壓力發(fā)生瞬間波動(dòng)[7]，該管道輸送壓力平均為0.7 MPa，如果壓力存在1%的抖動(dòng)，就可產(chǎn)生約7 kPa的強(qiáng)度差，從而產(chǎn)生了強(qiáng)烈的本底噪聲，淹沒(méi)了遠(yuǎn)方傳過(guò)來(lái)的泄漏信號(hào)。

2.3 陸岸油水混輸管道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

NP2-3陸岸平臺(tái)至NP1-1號(hào)人工島的混輸管道為陸岸油水混輸管道，該管道采用了孔徑分別為30、20、10、5、3 mm的孔板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放油試驗(yàn)，次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)波形依次如圖6～10所示，從圖6～8上可以看到清晰的波形變化，在管道起點(diǎn)和末點(diǎn)可以清晰地檢測(cè)出泄漏點(diǎn)的次聲信號(hào)，次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也準(zhǔn)確地對(duì)泄漏點(diǎn)位置進(jìn)行了報(bào)警，管道在孔徑為3 mm孔板下發(fā)生泄漏所產(chǎn)生的次聲波信號(hào)不能被位于管道起點(diǎn)和末點(diǎn)的傳感器監(jiān)測(cè)到，次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也未能及時(shí)報(bào)警。

圖5 海底管道4個(gè)次聲波傳感器采集到的功率譜分布

圖6 φ30 mm孔板放油試驗(yàn)時(shí)次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的波形

圖7 φ20 mm孔板放油試驗(yàn)時(shí)次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的波形

圖8 φ10 mm孔板放油試驗(yàn)時(shí)次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的波形

圖9 φ5 mm孔板放油試驗(yàn)時(shí)次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的波形

在清晰檢測(cè)到次聲波信號(hào)的工況下，計(jì)算次聲波傳輸時(shí)差，分析次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同次聲信號(hào)強(qiáng)度下監(jiān)測(cè)到泄漏點(diǎn)位置的變化情況。本次實(shí)驗(yàn)次聲波信號(hào)的傳輸時(shí)間如表2所示，計(jì)算該管道泄漏點(diǎn)次聲波傳輸時(shí)間的方差值[8]，得到從泄漏點(diǎn)至管道起點(diǎn)的方差值為0.001 3，從泄漏點(diǎn)至管道終點(diǎn)的方差值為0.003 8。計(jì)算表明次聲波傳輸?shù)臅r(shí)差比較小，沒(méi)有其他因素導(dǎo)致信號(hào)傳播速度發(fā)生突變；不同泄漏孔徑下次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位較為集中，都在實(shí)際泄漏點(diǎn)位置。

圖10 φ3 mm孔板放油試驗(yàn)時(shí)次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的波形

表2 陸岸管道次聲波信號(hào)的傳輸時(shí)間計(jì)算

3 結(jié)論

利用管道泄漏瞬間產(chǎn)生次聲波的現(xiàn)象，采用次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，以期形成一項(xiàng)次聲波海底管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)。試驗(yàn)論證了次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)海底油氣水多相流管道和陸岸油水兩相流管道泄漏的可行性，得到了以下結(jié)論：

（1）集輸管道發(fā)生泄漏后，在泄漏點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生明顯的次聲波，次聲波信號(hào)會(huì)沿著管道傳播，并被探測(cè)到。

（2）集輸管道輸送介質(zhì)越復(fù)雜，次聲波信號(hào)衰減越快[9]。對(duì)于油氣水混合介質(zhì)，管道兩端傳感器不能接收到清晰的次聲波信號(hào)；對(duì)于油水混合介質(zhì)，管道兩端傳感器可以接收到次聲波信號(hào)，且泄漏點(diǎn)孔徑越大，次聲波的信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)。

（3） 集輸管道運(yùn)行時(shí)瞬間壓力變化越頻繁，次聲波信號(hào)越不易被檢測(cè)到，油氣水混輸管道由于流態(tài)變化頻繁而導(dǎo)致瞬間壓力發(fā)生變化時(shí)，管道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的本底噪聲，從而導(dǎo)致信號(hào)被埋沒(méi)[10]，因而無(wú)法實(shí)施精確濾波；油水混輸管道則由于沒(méi)有頻繁的瞬間壓力變化，管道兩端的次聲波傳感器可以清晰地探測(cè)到次聲波信號(hào)。

（4）在當(dāng)前技術(shù)水平下，采用次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)油氣水混輸管道的泄漏是不可行的，用于監(jiān)測(cè)油水混輸管道≥5mm孔徑的泄漏是可行的，隨著數(shù)據(jù)模型庫(kù)的增加和噪音處理技術(shù)的提高，次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)將會(huì)有更大的應(yīng)用前景[11]。