滩海油田集输管道次声波泄漏监测技术现场试验研究

吴 鹏

中国石油冀东油田南堡油田作业区，河北唐山 063200

按照地理位置，滩海油田油气集输管道可划分为两类：一类是人工岛之间或人工岛与导管架平台之间的海底管道；另一类是陆岸平台之间的集输管道。按照管道输送介质的复杂程度，可将滩海油田集输管道依次划分为四类：输水管道、输气管道、油水混输管道、油气水混输管道。滩海管道发生泄漏将直接污染滩涂和海洋，如果不能在第一时间进行关断，不仅会产生巨大的经济损失，还会产生较大的社会负面影响。对于管道泄漏监测技术，国内研究起步较晚，从最早的人工沿着管路分段巡视检漏，发展到较复杂的利用计算机软件、硬件相结合进行检漏的方法，通过进行理论研究、数值计算和计算机仿真，逐步在负压波法、光纤检漏法、压力梯度法研究方面取得了较大进展[1]，尤其是成品油和原油管道、天然气管道、轻烃管道等，其泄漏监测技术已经发展得较为成熟，但还无法实现多相流管道泄漏的精确监测。为实现对油水混输、油气水混输管道泄漏的高精度监测，经调研选用次声波泄漏监测技术进行监测，并进行复杂工况下的现场试验。

1 次声波泄漏监测系统

次声波泄漏监测系统基本构成如图1所示。该系统由次声波传感器、次声测量网络传输仪、GPS接收器和监控主机组成[2]。其中次声波传感器是用于接收次声波信号并进行数字量与模拟量转换的仪器；次声测量网络传输仪是一种通用网络远程信号采集和数据传输的设备，主要用于次声波数据的采集与传输，设备内安装了嵌入式的GPS模块，通过北斗卫星导航系统提供精确的时钟和地理坐标；监控主机由计算机和数据采集卡组成，通过设计的检测软件对采集到的数据进行处理，并判断泄漏是否发生和确定泄漏的具体地点。

图1 次声波泄漏监测系统基本构成

次声波泄漏监测系统的监测原理是：当油气管道出现破裂时，该处的压力会降低，于是泄漏点两边区域内的流体会向泄漏点流动，由此形成次声波；次声波会顺着管道向首、末站传播[3]，通过安装在管道两端的次声波传感器，在线实时采集次声波信号，经数据采集器进行A/D转换、滤波后传递给监控主机软件，再通过对次声波信号进行特征量提取实现特性信号显示，当信号特征值超过阈值时进行报警。

2 现场试验及结果分析

2.1 试验情况简介

本次现场试验在南堡油田NP1-3号人工岛、NP1-1号人工岛和NP2-3陆岸平台进行，试验管道共两条：NP1-3号人工岛至NP1-1号人工岛的海底油气水混输管道、NP2-3陆岸平台至NP1-1号人工岛的陆岸油水混输管道，测试管道具有多介质、段塞流、高气油比、海底环境高度复杂、有噪音干扰等工况。管道的运行参数如表1所示。

NP1-3号人工岛、NP1-1号人工岛、NP2-3陆岸平台各安装两台次声波传感器，用于接收管道泄漏事件的次声波和屏蔽工艺场站的噪声干扰[4]，监控主机设置在南堡油田中控室。为精确计量实际漏油量和漏气量，在油气水混输管道人工泄漏点安装了卧式三相计量分离器，在油水混输管道人工泄漏点安装了计量罐。集输管道人工泄漏点安装DN50球阀作为泄漏控制阀门。为实现不同孔径下泄漏的精确监测，共设计了5种孔径分别为30、20、10、5、3mm的放空孔板。现场试验情况见图2。

表1 现场试验管道运行参数

图2 次声波泄漏监测系统现场试验情况

2.2 油气水海底混输管道试验

NP1-3号人工岛至NP1-1号人工岛的海底混输管道为油气水海底混输管道，在进行管道泄漏监测试验前，首先进行次声波泄漏监测系统传感器的性能测试，在管道正常运行时段下，传感器采集到的原始数据的波形如图3所示。采用DN50球阀进行3次放油试验，次声波泄漏监测系统采集到的数据信号如图4所示。

图3是4个传感器在10 min时间内采集到的噪声信号波形，图中所用的时间是格林威治时间。可以看出，各个传感器所在位置的管道本底噪声不仅强度非常强，频率范围也复杂，而且其变化起伏也很大。

图4是12:52至12:57时段的各个时刻的波形，该时段包含了3次放油的时刻。比较图3原始波形与图4的泄漏波形，两图均未发现有明显不同的波动信号，也就是说泄漏监测系统未能检测出泄漏信号。

图3 在管道正常运行时段的次声波泄漏监测波形

图4 在12:53开始的3次放油试验的次声波泄漏监测波形

通过对现场设备操作产生的各种现象和记录数据的观察，可以看出这条海底混输管道的运行工况对次声波的传播有很大的不利影响：

（1）该条管道声波赖以传播的介质为油气水混合介质，这种不均匀介质对次声波的传播会产生强烈的散射与吸收，增大了传播衰减，因而不利于远端对泄漏信号的拾取[5]。

（2）油气水输送过程中存在着段塞流、层状流等多种流态[6]，不同的段塞、分层会导致声传播产生多径异速现象，从而导致声波在传播中发生变形，因而对判别不同位置产生的声信号的关联性产生不良影响。4个传感器采集到的功率谱分布如图5所示，分析图5发现各传感器采集到的噪声主频率相对独立，由此可以推断出，在当前工况下，与噪声功率同级别的次声信号传导到另一个点位时，其能量难以在另一个点位被识别出来，因此，由于不能确定噪声的频率，因而也就无法精确滤波。

（3）受立管和外输气液波动的影响，海管会产生段塞流，因而会导致压力发生瞬间波动[7]，该管道输送压力平均为0.7 MPa，如果压力存在1%的抖动，就可产生约7 kPa的强度差，从而产生了强烈的本底噪声，淹没了远方传过来的泄漏信号。

2.3 陆岸油水混输管道现场试验

NP2-3陆岸平台至NP1-1号人工岛的混输管道为陆岸油水混输管道，该管道采用了孔径分别为30、20、10、5、3 mm的孔板进行现场放油试验，次声波泄漏监测系统采集到的数据波形依次如图6～10所示，从图6～8上可以看到清晰的波形变化，在管道起点和末点可以清晰地检测出泄漏点的次声信号，次声波泄漏监测系统也准确地对泄漏点位置进行了报警，管道在孔径为3 mm孔板下发生泄漏所产生的次声波信号不能被位于管道起点和末点的传感器监测到，次声波泄漏监测系统也未能及时报警。

图5 海底管道4个次声波传感器采集到的功率谱分布

图6 φ30 mm孔板放油试验时次声波泄漏监测系统显示的波形

图7 φ20 mm孔板放油试验时次声波泄漏监测系统显示的波形

图8 φ10 mm孔板放油试验时次声波泄漏监测系统显示的波形

图9 φ5 mm孔板放油试验时次声波泄漏监测系统显示的波形

在清晰检测到次声波信号的工况下，计算次声波传输时差，分析次声波泄漏监测系统在不同次声信号强度下监测到泄漏点位置的变化情况。本次实验次声波信号的传输时间如表2所示，计算该管道泄漏点次声波传输时间的方差值[8]，得到从泄漏点至管道起点的方差值为0.001 3，从泄漏点至管道终点的方差值为0.003 8。计算表明次声波传输的时差比较小，没有其他因素导致信号传播速度发生突变；不同泄漏孔径下次声波泄漏监测系统对泄漏点的定位较为集中，都在实际泄漏点位置。

图10 φ3 mm孔板放油试验时次声波泄漏监测系统显示的波形

表2 陆岸管道次声波信号的传输时间计算

3 结论

利用管道泄漏瞬间产生次声波的现象，采用次声波泄漏监测系统进行现场监测试验，以期形成一项次声波海底管道泄漏监测技术。试验论证了次声波泄漏监测技术应用于监测海底油气水多相流管道和陆岸油水两相流管道泄漏的可行性，得到了以下结论：

（1）集输管道发生泄漏后，在泄漏点会产生明显的次声波，次声波信号会沿着管道传播，并被探测到。

（2）集输管道输送介质越复杂，次声波信号衰减越快[9]。对于油气水混合介质，管道两端传感器不能接收到清晰的次声波信号；对于油水混合介质，管道两端传感器可以接收到次声波信号，且泄漏点孔径越大，次声波的信号强度越强。

（3） 集输管道运行时瞬间压力变化越频繁，次声波信号越不易被检测到，油气水混输管道由于流态变化频繁而导致瞬间压力发生变化时，管道内会产生强烈的本底噪声，从而导致信号被埋没[10]，因而无法实施精确滤波；油水混输管道则由于没有频繁的瞬间压力变化，管道两端的次声波传感器可以清晰地探测到次声波信号。

（4）在当前技术水平下，采用次声波泄漏监测技术监测油气水混输管道的泄漏是不可行的，用于监测油水混输管道≥5mm孔径的泄漏是可行的，随着数据模型库的增加和噪音处理技术的提高，次声波泄漏监测技术将会有更大的应用前景[11]。