泄漏報(bào)警技術(shù)在油氣田地面管道中的應(yīng)用

宋成立 高秋英 付安慶 葛鵬莉 朱原原

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2.中國(guó)石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011)

泄漏報(bào)警技術(shù)在油氣田地面管道中的應(yīng)用

宋成立1高秋英2付安慶1葛鵬莉2朱原原2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2.中國(guó)石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011)

通過對(duì)5種常用的管道泄漏報(bào)警技術(shù)原理和優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比分析，選擇較優(yōu)的次聲波法和分布式光纖法應(yīng)用于西部某油田管道的泄漏檢測(cè)報(bào)警中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：次聲波法可檢測(cè)到的最小泄漏孔徑為3mm，響應(yīng)時(shí)間不大于1min，定位精度小于50m；分布式光纖法的響應(yīng)時(shí)間不大于10s，定位精度小于20m。

泄漏報(bào)警技術(shù) 油氣田地面管道 次聲波法 分布式光纖法

油氣集輸管道是油田生產(chǎn)的生命線，其基本要求是安全、高效，一旦管道發(fā)生穿孔，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，而且還會(huì)帶來安全、環(huán)境污染等一系列問題。因此，及時(shí)快速地檢測(cè)油氣泄漏，并精確定位和報(bào)警，以便采取有效措施，將損失減小到最低，不僅是目前亟待解決的技術(shù)難題，也是管道安全環(huán)保生產(chǎn)運(yùn)行的主要任務(wù)，更是提高油氣田高效開發(fā)的技術(shù)保障。

西部某油田腐蝕環(huán)境惡劣，管道穿孔事故多發(fā)于高含水/高含硫管線、污水/注水管線及老管線等，并跨越河流、村莊和民族聚居區(qū)，導(dǎo)致油氣泄漏的潛在風(fēng)險(xiǎn)很高。因此，為提升管線隱患預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)管控及應(yīng)急指揮等管理水平，筆者在充分調(diào)研目前的泄漏報(bào)警技術(shù)后，引進(jìn)次聲波法和分布式光纖法兩種泄漏報(bào)警技術(shù)，并開展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期為油田進(jìn)一步推進(jìn)泄漏報(bào)警裝置的應(yīng)用進(jìn)而降低油氣泄漏環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)支持。

1 泄漏報(bào)警技術(shù)①

20世紀(jì)70年代，德國(guó)學(xué)者Rlsermann和Siebert H首次提出了一種通過流量和壓力信號(hào)檢測(cè)管道泄漏的方法，而直到80年代末才開始進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和商品化應(yīng)用階段[1]。早期的管道泄漏檢測(cè)方法主要基于硬件方法(連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受限)，而隨著現(xiàn)代控制理論和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，軟硬件相結(jié)合并以軟件為主的管道泄漏檢測(cè)方法逐漸成為研究熱點(diǎn)[2]，即利用控制理論、信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)技術(shù)等對(duì)壓力、流量、密度、粘度及溫度等管道和流體信息進(jìn)行采集、處理和估計(jì)，通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)信號(hào)降噪并提取故障特征，從而實(shí)現(xiàn)管道安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)和泄漏點(diǎn)定位報(bào)警[3]。

目前，油氣田采用的管道泄漏報(bào)警方法主要有5種，分別是次聲波泄漏檢測(cè)方法、負(fù)壓波泄漏檢測(cè)方法、分布式光纖泄漏檢測(cè)方法、紅外成像泄漏檢測(cè)方法和流量平衡檢測(cè)方法。對(duì)比不同方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)(表1)[4～6]可知，次聲波法的靈敏度、定位能力及費(fèi)用等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相對(duì)較優(yōu)，適合在油氣田推廣使用；分布式光纖法費(fèi)用較高，但其靈敏度、定位能力和保護(hù)距離都有優(yōu)勢(shì)，也適合在油氣田推廣使用。

2 次聲波法的測(cè)試應(yīng)用

2.1技術(shù)原理和系統(tǒng)組成

西部某油田根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，選擇一條典型原油管道作為次聲波法泄漏報(bào)警系統(tǒng)投運(yùn)前的測(cè)試對(duì)象。該管道長(zhǎng)約15km，規(guī)格φ323.9mm×7.1mm，管道首站有3個(gè)加壓泵，首站壓力1.3MPa，末站壓力0.7MPa。管道介質(zhì)為稠油，密度平均0.871 3g/cm3；粘度在5.33～419.62mm2/s之間，屬于常規(guī)原油，流動(dòng)性較好；含水量20%～30%，含少量氣體，起點(diǎn)輸送溫度70℃，輸量50～70m3/h。

次聲波法泄漏報(bào)警系統(tǒng)(圖1)包括基站(首站和末站)、中心站及通信網(wǎng)絡(luò)等部分。其工作原理是：在油氣泄漏的瞬間壓力平衡打破，引起瞬時(shí)音波振蕩，次聲波通過流體沿著管壁向首、末站擴(kuò)展[7]；聲波傳感器安裝在管道兩端，在線拾取次聲波信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換濾波后傳遞給中心站的上位機(jī)軟件；上位機(jī)軟件通過對(duì)次聲波信號(hào)進(jìn)行特征量提取來判斷泄漏發(fā)生的位置。

表1 5種泄漏報(bào)警方法的優(yōu)缺點(diǎn)

圖1 次聲波法泄漏報(bào)警系統(tǒng)

泄漏點(diǎn)位置x的計(jì)算式為：

式中L——首、末站傳感器的距離，m；

v——次聲波的傳播速度，m/s；

Δt——泄漏點(diǎn)次聲波傳播到A、B兩點(diǎn)的時(shí)間差，s。

系統(tǒng)共設(shè)置了兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即在A站出站管線和B站進(jìn)站管線上分別安裝了兩臺(tái)聲波信號(hào)傳感器，并在A站和B站非防爆區(qū)設(shè)置了兩個(gè)基站RTU(遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng))。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間同步，在首、末站各安裝了一套GPS，固定在離采集終端較近的屋頂，并超出屋頂30cm，且四周沒有遮擋物。系統(tǒng)通信方式選擇局域網(wǎng)。

2.2系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

在距離A站10km的管道上開孔設(shè)置放油閥，在放油閥出口分別墊入孔徑為3、5、7mm的墊片模擬泄漏孔徑。測(cè)試過程中孔板由較小孔徑逐漸更換至較大孔徑，每一孔徑下放油測(cè)試3次，每次放油時(shí)間5s，放油間隔不小于20min。測(cè)試人員分兩組，分別在操作現(xiàn)場(chǎng)和控制室，分別對(duì)放油時(shí)刻、報(bào)警時(shí)刻、放油位置和報(bào)警位置進(jìn)行記錄，測(cè)試結(jié)果見表2?？梢钥闯?，該系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)良好，具有較高的泄漏監(jiān)測(cè)和定位能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最小泄漏孔徑3mm的可靠檢測(cè)與定位，定位誤差小于50m；管道發(fā)生泄漏時(shí)，系統(tǒng)能在1min內(nèi)報(bào)警，而且泄漏孔徑越大，響應(yīng)時(shí)間越短。

表2 測(cè)試結(jié)果

3 分布式光纖法的測(cè)試應(yīng)用

3.1技術(shù)原理和系統(tǒng)組成

為了測(cè)試分布式光纖法的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)某天然氣管道開展應(yīng)用測(cè)試。該管道全長(zhǎng)4.6km，規(guī)格為φ168.3mm×12.0mm，介質(zhì)以氣態(tài)為主(占90%以上)，伴生氣(含C1、C2、C3)平均密度0.6g/cm3，C1平均含量92.80%，C2平均含量1.51%，C3平均含量0.47%，首站壓力4.9MPa，末站壓力2.1MPa，起點(diǎn)輸送溫度約40℃。

分布式光纖法泄漏報(bào)警系統(tǒng)(圖2)主要包括分布式光纖溫度傳感器、放大電路和數(shù)據(jù)采集模塊，其中在C站到D站沿管道鋪設(shè)一條感溫傳感光纖，在控制室安裝軟件運(yùn)行平臺(tái)(負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、管道狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理)，在C站配制光電檢測(cè)儀(負(fù)責(zé)光信號(hào)的收發(fā)與轉(zhuǎn)換處理，并將處理后的信號(hào)返回到計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析)。系統(tǒng)的工作原理為：激光光源向光纖注入激光脈沖，然后利用后向散射光(拉曼散射光)進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)分析處理，以獲取整根光纖的溫度應(yīng)變曲線；當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，油氣介質(zhì)溫度將會(huì)明顯高于周圍環(huán)境溫度，當(dāng)后向散射光返回至光纖入射端時(shí)，可測(cè)量到入射光和反射光之間的時(shí)間差t。則發(fā)生散射的位置(泄漏點(diǎn))距入射端的距離x′可表示為[8,9]：

式中c——真空中的光速，c=3×108m/s；

n——光纖的折射率。

圖2 分布式光纖法泄漏報(bào)警系統(tǒng)

3.2系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

選擇距C站620m處和D站光纜末端作為測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量3次，每次間隔不少于30min。測(cè)試過程中用毛巾包裹光纜，并通過在毛巾上澆注熱水(90～100℃)的方式對(duì)光纜進(jìn)行加熱，每次連續(xù)均勻澆注1min。同時(shí)，對(duì)測(cè)試過程中的加溫位置、報(bào)警位置、加溫時(shí)刻和報(bào)警時(shí)刻進(jìn)行記錄，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯植际焦饫w法泄漏報(bào)警系統(tǒng)具有較高的泄漏監(jiān)測(cè)和定位能力，系統(tǒng)能在10s內(nèi)發(fā)出警報(bào)，且定位精度小于20m。

表3 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

西部某油田選擇較優(yōu)的次聲波法和分布式光纖法開展了現(xiàn)場(chǎng)管道泄漏測(cè)試，并對(duì)各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。次聲波法可監(jiān)測(cè)到的最小泄漏孔徑為3mm，響應(yīng)時(shí)間不大于1min，定位精度小于50m；分布式光纖法的響應(yīng)時(shí)間不大于10s，定位精度小于20m。兩種方法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道的泄漏檢測(cè)和處理，尤其是分布式光纖法的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都較優(yōu)，但該方法需要沿線鋪設(shè)光纖，費(fèi)用相對(duì)較高。因此，建議對(duì)兩種泄漏檢測(cè)報(bào)警方法進(jìn)一步優(yōu)化，提高其定位精度并降低響應(yīng)時(shí)間，顯示泄漏點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，方便技術(shù)人員查找泄漏點(diǎn)，進(jìn)一步提高應(yīng)急快速反應(yīng)能力。由此可見，兩種方法各項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)良好，用于油田地面管道泄漏報(bào)警是可行的，為油田進(jìn)一步推廣管道泄漏報(bào)警技術(shù)提供了重要依據(jù)。

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LeakageAlarmforSurfacePipelinesinOil-GasFields

SONG Cheng-li1, GAO Qiu-ying2, FU An-qing1, GE Peng-li2, ZHU Yuan-yuan2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi’an710077,China; 2.EngineeringTechnologyResearchInstitute,SinopecNorthwestOilFieldBranchCompany,Urumqi830011,China)

Through comparatively analyzing the theory and the merits and the demerits of 5 leakage alarm methods for pipelines, the infrasonic wave method and a distributed optical fiber method were selected for pipeline leakage alarm in a western oilfield. The testing result in-situ shows that, the minimum leakage aperture that infrasonic wave method could monitor is 3mm with the response time ≤1min and the positioning accuracy <50m; the distributed optical fiber method can monitor a response time ≤10s with positioning accuracy <20m.

leakage alarm technology, surface pipelines in oil-gas fields, infrasonic wave method, distributed optical fiber method

TQ055.8

B

1000-3932(2016)12-1262-04

2016-06-20