陆上油田原油管道泄漏在线监测技术难点分析

摘 要：【目的】管道输送是陆上油田原油输送的主要方式，由于管道会受到多种因素的影响而发生泄漏，所以及时发现泄漏情况对及时处置、避免产生安全环保问题具有重要的现实意义。目前国内外在管道泄漏在线监测技术方面已有大量研究，但在实际应用中仍存在很多问题，本研究旨在对监测技术难点进行归纳分析。【方法】本研究首先从原理和现场应用效果两个方面，总结陆上油田原油管道泄漏在线监测技术现状，然后针对各类常用技术，对应用中存在的5项难点问题进行分析。【结果】找出了制约管道泄漏监测准确性的根本原因，并提出解决建议。【结论】研究成果将有助于更好地了解管道泄漏在线监测技术的实际应用问题，为下一步研究提供思路和方向。

关键词：陆上油田；原油管道；泄漏监测；技术难点

中图分类号：TE832" "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）11-0049-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.010

Analysis of Technical Difficulties in On-Line Monitoring of Crude Oil Pipeline Leakage in Onshore Oil Fields

ZHANG Henan YANG Haotian WANG Honghao LANG Ying LIU Zhaoqi

（Shengli Oil Production Plant， Shengli Oilfield Company， SINOPEC， Dongying 257000， China）

Abstract： [Purposes] Pipeline transportation is the main way of crude oil transportation in onshore oil fields. Because the pipeline is affected by many factors， it is of great practical significance to find the leakage in time for timely disposal and avoid safety and environmental protection problems. At present， there have been a lot of researches on pipeline leakage on-line monitoring technology at home and abroad， but there are still many problems in practical application. This paper aims to summarize and analyze the difficulties in monitoring technology. [Methods] This paper firstly summarizes the current situation of on-line monitoring technology of oil pipeline leakage in onshore oil field from two aspects of principle and field application effect. Then， according to all kinds of common technologies， five difficult problems existing in the application are analyzed. [Findings] The root causes restricting the accuracy of pipeline leakage monitoring are found out， and the solutions are proposed. [Conclusions] The research results will help people to better understand the practical application of pipeline leakage monitoring technology， and provide ideas and directions for the next research.

Keywords： onshore oil field; crude oil pipeline; leakage monitoring; technological difficulty

0 引言

陆上油田原油输送管道作为运输油田产出原油的主要方式之一，其安全运行对油田开发生产具有重要的现实意义。近年来，安全环保质量管理愈发严格，以“气不上天、油不落地、水不外排”为原则，对油田原油输送管道的管理和技术提出了更高要求。

陆上油田原油输送管道主要承担四类节点之间的原油输送，分别为计转站、联合站、油库与石化厂站，短则数公里，长则百余公里，人工巡检无法实现全面覆盖。管道泄漏的因素可分为设备因素和人为因素，设备因素包括管线腐蚀、老化等，人为因素包括施工破坏、偷盗原油等。在实际生产中，管道泄漏难以避免，且规律难寻，而根据安全要求，必须做到泄漏及时发现、及时处置。因此，管道泄漏监测应利用信息化手段实现实时监测、精确识别和准确定位。

近年来，陆上油田在关键原油输送管道上建成了管道泄漏在线监测系统，并进行了应用改进。目前，在实际生产运行中，原油管道泄漏在线监测应用仍存在5项难点，其制约着管道泄漏的及时发现和处置，给油田的安全生产运行带来困扰。本研究将围绕这5项难点，结合原油管道泄漏在线监测技术进行分析，并提出下一步的改进方向。

1 陆上油田管道泄漏在线监测技术应用现状

管道泄漏检测可分为3个递进层次，一是识别是否存在泄漏；二是对泄漏发生的位置进行定位；三是对泄漏量进行估算。

目前，管道泄漏监测方法主要有负压波法、声波法、分布式光纤法、漏磁法、智能清管器法、信号分析法、数学建模法、人工智能等［1］。在现场应用中，技术的更新和实际应用有较大差距，存在普适性较差的问题，有些技术甚至无法应用于实际情况。

陆上油田原油输送管道泄漏监测应用最广的方式是负压波法［2］，其原理是通过计算负压波从泄漏点传播到泄漏点两侧压力传感器的时间差和负压波在管道中的传播速度，以便对原油输送管道泄漏进行检测。负压波法具有泄漏识别速度快、设备安装成本低、定位精度高的特点，但容易受环境噪声和工况干扰。

部分管道泄漏监测采用声波法［3-4］，其原理是利用泄漏点处高速射流液体与管壁相互作用产生震荡声波，根据声波传播特性进行管道泄漏检测。声波法具有检测速度快、定位较准确的特点，但是受工况影响较大。

分布式光纤法［5］是通过沿管线敷设光纤，实现对管道泄漏振动信号的采集，具有精度高、抗强电磁干扰的特点。但存在设备成本高、施工量大、后期维护费用高等缺点，因此应用并不广泛。

漏磁法［6］通过检测磁场畸变的分布范围、强度大小等数据来分析管道是否发生泄漏。缺点是只适用于铁磁性的管道检测，不适用于玻璃钢等无磁性管道检测，并且相关数据采集存储量大，分析处理方法较复杂。

清管器是清洁管道杂质的主要工具，智能清管器则是一种搭载多传感器技术的智能检测设备［6］。智能清管器主要依靠管道流体的动力前进，在清管作业的同时发射超声波信号，该信号被管壁上的缺陷反射回来，由携带的传感器接收该信号进行存储，从而得到管道内部的腐蚀等缺陷信息。但是，这种管道检测仪搭载的无线传感器网络检测节点所用的算法比较复杂，能耗较高。

信号分析法［7］利用自身所需的信号数据进行泄漏检测和定位，因而对于信号自身的条件，降噪效果和奇异点提取精度要求较高，现场环境噪声和设备噪声标准对降噪技术提出了较高的要求。同时，泄漏概率相对较高的管网往往建设早，运行时间长，这就导致了信号采集设备不能满足新技术对于信号质量的需求。

数学建模法［8］对目标管网进行精准建模，尽可能地利用管网所提供的全部数据进行模型搭建，以使所建模型能对目标管网进行精准描述，因而泄漏检测效果与定位精度受制于模型精度和目标管网的数据和硬件条件。在实际应用中，管网的历史信息和硬件条件往往参差不齐，精准建模难以实现，因此应用性不强，多用于实验室理论分析。

近年来，人工智能［9-10］在信号检测、模式识别等领域应用广泛，在管道泄漏监测领域常用的有神经网络、支持向量机、聚类等多种算法。但在实际生产中难以应用的原因有两点：一是管道泄漏数据库存在泄漏数据量少的问题，绝大多数样本是无泄漏时的数据，样本训练存在较大难度；二是每条管道的特性不同，不同管道的训练模型无法通用，每条管道都进行训练的工作量较大，并且管道只要进行改造，就需要重新收集数据、重新训练，该过程十分复杂，需要大量后期运维。所以，人工智能在管道泄漏在线监测的应用性还需进一步研究。

2 管道泄漏监测难点

2.1 不同泄漏情况的监测难点

根据泄漏情况划分，监测难度较大的情况包括小流量泄漏和边泄边注。

①小流量泄漏。这种现象出现时往往穿孔直径很小，在短时间泄漏量不大，尤其是埋地管道，泄漏原油渗入地下，摄像头、红外成像和人工巡检均难以发现。由于小泄漏量发生时流量和压力均有变化，所以在小泄漏出现的时刻相对较容易监测，但在泄漏过程中趋于平稳、差值很小，难以发现。所以一旦没有识别出泄漏时刻，后续很难再检测出泄漏。对于负压波法，小泄漏产生的负压波信号强度很小；对于声波法，小泄漏产生的震荡声波强度很小，容易被判断为正常波动，从而无法检测出泄漏。

②边泄边注。边泄边注往往在发生偷油盗油情况时，其通过在原油管线上钻取两个相距较近的小孔，一个往外放油，一个往管线中注水，以维持进出平衡。放油和注水的瞬间都会产生流量和压力波动，但在进出平衡时，流量回归平衡，难以检测出泄漏。由于放出油与注入水的密度不同，压力会产生较小的变化，但由于量很小时管道内流体整体密度变化很小，所以也难以检测出泄漏。

2.2 泄漏判断敏感度中的监测难点

泄漏判断往往需要设定多个参数，以负压波法为例，需要输入流量计系数、流体密度等参数。泄漏判断的灵敏度与设定参数有关，设定过严会导致判断过于敏感，造成误报；设定过松会导致判断敏感度不足，造成漏报。

①过度敏感造成误报。频繁的误报会对巡检人员造成很大误导，对每一次报警都需要采用其他方式进行确认，例如人工巡检等，这就会增加工作人员工作量，从而导致工作人员对泄漏监测系统出现信任问题。

②敏感度不足造成漏报。漏报会导致错过及时处置时间，造成安全环保问题。

2.3 仪器仪表的监测难点

仪器仪表主要包括流量计、脉冲发信器、压力变送器、温度变送器等测量管道中流体状态的相关设备。随着流量计的损坏更换，如果出现首末端流量计型号不同的情况，会产生一定输差，输差有可能是正数（首端gt;末端），也有可能是负数（首端lt;末端）。

①输差过大。当首末端输差过大时，易被误判为管道泄漏。当真正发生泄漏时，输差的波动会掩盖泄漏流量的变化，从而造成漏报。

②输差为负。当末端流量大于首端流量时，输差为负数。当发生泄漏时，输差在负数的基础上增加，负数会抵消输差增加的数值，使得输差变化可能低于泄漏判断阈值，从而造成漏报。

2.4 管道自身的监测难点

管道在实际建设过程中受地理因素的影响，往往不是一条直线，可能会有多个弯头，使管道走向发生变化。管线中途可能会有其他管线汇入，管径发生变化，这些管道发生的变化都会增加管道泄漏监测的难度。

①管道转向。在管道转向弯头处，流体的流速降低，压力降低。而加设弯头会对管道产生阻力，使管道直通部分的压力升高。这些流量、压力的变化都会对管道泄漏监测造成干扰，引起误报。

②管道变径。管径变粗会使上游管道压力降低，管径变细会使上游管道压力升高，上下游的管道压力不同，会影响管道泄漏监测的准确性。

2.5 工况的监测难点

①内部工况变化：输量变化。首端输量调整时，在管道中流体的反应过程需要一定时间，在这个过程中，压力、输差均会发生变化，从而影响管道泄漏监测的准确性。

②外部工况变化：周边施工、机械运转等影响。例如，周边施工引起的管线振动，产生环境噪声，影响监测准确性，尤其对声波法、信号分析法影响较大。

总之，管道泄漏监测技术的难点主要有5项：特殊的泄漏情况、泄漏判断敏感度的设定、不同仪器仪表之间的误差、管道自身沿程的变化、特殊工况。具体内容及对泄漏监测产生的影响见表1。

3 改进建议

针对目前管道泄漏在线监测存在的5项难点问题，本研究提出以下5项改进建议。

①针对小流量泄漏，管道泄漏在线监测系统要结合瞬时变化和变化后的一段时间内的数据进行综合分析来判断是否发生小流量泄漏，将小泄漏量通过多个相关参数进行放大，从而提高识别精度。在易发生边泄边注的区域，要注重提高瞬时变化的检测准确性，同时可借助摄像头辅助进行管线破坏行为的巡查，并研发自动周期性巡检和对偷盗油行为的自动识别功能。

②针对误报和漏报问题，管道泄漏在线监测系统所设定的参数要根据实际运行情况进行调整，在难以找到能同时避免漏报和误报的参数时，应优先避免漏报。

③对于管道泄漏在线监测的仪器仪表，首先应从设备选型、设备安装和设备维护等方面保证设备质量；其次在出现输差过大或为负数时，应及时排查设备问题，确保首末端设备的相对一致性。

④要解决管道自身问题造成的影响，一是从管道建设时避免管道大幅转向和大幅变径；二是从技术上将管道转向点和变径点的正常变化列为正常值。由于转向点和变径点的泄漏风险比直管段更高，更要精准区分正常变化和泄漏信号，这就需要针对转向和变径点的特点设计适用的算法。

⑤为避免人为输量调节造成的误报，可将管道泄漏监测与外输泵频率联动，消除因调节外输泵频率造成的漏报。对于易受外部工况影响的管道，在选用泄漏监测技术时应采用受环境影响较小的技术。再者，可将易受环境影响的管段采用与首末端输量变化联动的方式，在判断是否发生泄漏的算法中，赋予流量变化较大权重，从而辨别信号波动是由于管道泄漏还是环境噪声引起。此外，在管道重新规划和改造时，应尽量避开施工较多区域。

4 结语

通过分析可知，提高管道泄漏在线监测可靠性的根本是减少误报和漏报，主要从三方面解决：一是提高仪器仪表的测量精度；二是提升算法准确度；三是将泄漏监测系统与摄像头、红外成像等设备联动，综合分析判断管道是否发生泄漏。

下一步研究应在提高泄漏识别准确性的基础上，聚焦易于建设、运维简单、可靠性高、耐用性强、低成本、可扩展的管道泄漏在线监测系统。

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收稿日期：2023-12-03

作者简介：张赫男（1994—），男，硕士，助理工程师，研究方向：油气输送与运输、矿场油气集输与处理。