海洋油气田水下智能泄漏监测系统

宋小海(美钻能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

随着深海油气钻采技术的不断进步，我国的海洋油气行业正在快速地向深水迈进。海洋油气资源的大力勘探、开发和利用，在保障国家能源安全的同时，也带来了一系列的潜在环境安全问题，比如深海油气泄漏等。

由于水下油气田比较偏远，同时位于海底，水下生产设备一般处于无人监控状态。水下智能泄漏监测系统可以在线监测各种泄漏事故的发生，以便快速处理，控制和降低事故的风险。

本文主要介绍一种基于声纳技术的水下智能声纳监测系统，包括系统的工作原理、结构组成以及水池试验验证内容等[1-3]。

1 水下智能泄漏监测系统工作原理

对于泄漏监测系统而言，其首要技术指标即提前预警或快速响应，在保证时间的前提下还需降低错误报警的发生率。

本水下智能泄漏监测系统采用的是声呐技术，基于功率谱的声信号频带确定泄漏的发生。声波在海水中的传播速度约 1 500 m/s，而油气泄漏的声信号主要频率集中在2 000～7 500 Hz这一频率段。在5 000 Hz附近的频带范围内，有最大的功率谱值，因此5 000 Hz附近应是泄漏信号的主要频带区。本系统主要基于频谱互相关分析的信号检测，利用信号的自相关，可判定信号是否含有周期成分，并判定信号源位置。

2 系统构成

基于声呐技术的水下泄漏监测系统采取的是模块化设计，总体结构如图1所示。该模块主要包括带吊装芯轴的安装撬、声呐模块、水下湿插拔电接头以及包含电子元器件的水密电子舱。整体结构通过吊装芯轴进行海洋水下安装和回收，电子舱所采集到的数据处理后通过电接头连接的海底电缆输出传回海洋平台中控室。

图1 水下油气泄漏声呐监测系统

整个系统安装于待测设备如水下采油树、管汇。声呐与电子舱通过屏蔽双绞电缆连接。信号采集处理系统采用虚拟仪器VI系统，数据采集卡、串／并口、 IEEE488接口卡、VXI控制器以及其他接口卡。

系统软件开发采用虚拟仪器图形软件开发平台LabVIEW。泄漏分析参数设置如生产介质(油、气)的选择、生产压力、温度、流量等。声呐(水听器)参数设置包含实施功率谱计算、频域窗函数选择、信号接收灵敏度校准补偿设置等。其他功能包括信号监测历史数据查询、信号报警、报警信息统计及系统运行监控等。

背景干扰噪声是影响系统可靠性的一大因素，因此需要进行背景噪声的抑制，本系统主要采用的噪声抑制技术包括：(1)低频声呐，排除高频干扰；(2)硬件信号滤波，收获高信噪比；(3)信号互相关算法。

3 水池试验验证

为验证该系统的功能及可靠性，利用项目研发的样机进行了一系列水池试验，内容包括：(1)声源信号采集定位试验；(2)背景噪声试验；(3)误报警试验；(4)监测灵敏度试验。

3.1 试验布置

水池试验设施包含测试水池、气源动力站、模拟水下采油树所用的5寸液控闸阀(2台)、供电单元、主控台以及研发的上位机软件程序等。水下智能油气泄漏监测系统的声呐传感器设置于距闸阀1.5 m处。

水池试验时，利用气源动力站向一台5寸单闸阀打压，闸阀法兰出口设置1/2″孔径针阀，打开针阀模拟气体泄漏，以进行单闸阀声源定位信号采集测试。

为验证系统在背景噪声信号扰动状态下的信号接收可靠性，利用双闸阀进行背景噪声试验，一台5寸闸阀模拟阀门泄漏，操作另一台5寸液控闸阀开闭以模拟背景噪声。

3.2 声源信号采集定位试验

声源信号采集波形图如图2所示。为验证设计的声源定位系统的性能，在水池环境下进行了实际测试。测试的物理条件：采样率44.1 kHz，5寸闸阀，泄漏点设置1/2″孔径针阀，闸阀内通压缩空气，气压2 MPa，泄漏点距离水听器1.5 m。

图2 声源信号采集波形图

首先检测到在该闸阀上有漏点存在，然后对闸阀的泄漏声信号进行多次采集并进行时延估计以确定漏点位置。设置数字滤波器的截止频率，经过去噪处理之后用广义互相关法分析泄漏声信号得出时延值是2.687 ms，由此算出漏点距离水听器1.492 m，与实际接近，重复以上过程10 min，测得所有泄漏时的谱线均基本一致。在相同条件下测了10次，得到10组数据，取其平均值为2.745 ms，由此算出漏点距离声呐1.521 m，与实际情况十分吻合，误差≈1.4%，说明广义互相关算法有效。

3.3 背景噪声试验

为验证系统设计在实际生产过程中的信号采集处理可靠性，在水池环境下用5寸液控闸阀的重复开闭动作来模拟环境背景噪声。液控闸阀带有液压促动器，促动器为带弹簧回复的液压缸连杆机构。液压缸通液压时压缩弹簧、活塞带动阀杆下压并打开闸阀；液压缸泄压时弹簧回复带动阀杆上升关闭闸阀。阀门的开闭过程中液压缸活塞、弹簧、阀杆运动产生振动，进而产生声信号。

测试的物理条件：采样率44.1 kHz；一台5寸闸阀连接1/2″针阀，此时针阀关闭没有气体泄漏；一台5寸液控闸阀。

3.4 误报警试验

误报警试验基于声源信号定位采集试验和背景噪声试验进行。误报警试验时，采用双闸阀同时工作，一台模拟阀门泄漏，泄漏点设置1/2″孔径针阀，闸阀内通压缩空气，气压2 MPa，泄漏点距离水听器1.5 m；另一台模拟背景噪声，重复开闭动作20次。

3.5 监测灵敏度试验

为验证声呐泄漏监测系统工作可靠性，基于声源定位气体泄漏试验设置气体泄漏参数，调节气压及流量，对系统监测信号并产生报警的灵敏度进行试验。按照设置的不同气体泄漏速率，测得系统监测并产生报警的泄漏浓度最低可达75.2 mg/L (实际测量气体泄漏速率8个气泡/秒)，设计的声呐泄漏监测系统灵敏度超过预设指标。

4 结语

通过海洋油气田水下智能泄漏监测系统的应用，海上平台控制中心可在第一时间内接收到海底石油、天然气泄漏的警报，并根据系统设置进行智能化、自动化关井操作，在泄漏发生的早期即可发现并进行干预，及时控制灾害的不断蔓延扩大，避免水下油气泄漏造成的海洋油气生产重大安全事故的发生，降低由此造成的环境污染风险等。

本文基于声呐监测技术进行水下油气泄漏监测系统的设计，通过水池试验进行声源信号采集定位测试，确定系统监测泄漏并定位泄漏源的功能；同时还进行了包括背景噪声、误报警以及监测灵敏度等测试，确保该系统在实际服役时的可靠性。