基于仿真試驗樣本特征的臍帶纜泄漏檢測與定位方法*

李 博 葛 斐 郭 宏 郭江艷 盧 靖 王松峰

(1. 中國海洋石油國際有限公司 北京 100027； 2. 北京力合大科科技有限公司 北京 100083； 3. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

隨著海洋油氣開發(fā)不斷走向深水，水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其顯著的技術優(yōu)勢、可觀的經(jīng)濟效益得到了廣泛應用[1]。臍帶纜作為海洋平臺水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的關鍵設備之一，為水下油井提供液壓、電力、信號控制及化學藥劑等。長期以來，臍帶纜內(nèi)液體發(fā)生泄漏后的查找和定位一直是水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)難以解決的一個技術問題。如我國流花4-1油田高壓液控系統(tǒng)于2013年5月發(fā)生泄漏，其中一條高壓油路一天泄漏量約140 L，測試確認漏點位于水下，為了找到具體漏點，曾嘗試向液壓油里添加染色劑，但一直未能發(fā)現(xiàn)具體漏點。

由于臍帶纜的液壓通道與海底管道所處環(huán)境相似、內(nèi)部介質(zhì)相似，故臍帶纜泄漏檢測或可參考海底管道的泄漏檢測方法。目前，國內(nèi)外有多種海底管道泄漏檢測和定位方法,按照檢測部位的不同分為內(nèi)部檢測和外部檢測[2]。管道內(nèi)部檢測通常要利用各種管道內(nèi)檢測器(如爬機和管內(nèi)探測球)來完成，由管內(nèi)流體推動其在管道內(nèi)移動，在移動過程中利用某種檢測原理對管道進行檢測，最后進行數(shù)據(jù)分析和處理，從而比較準確地進行危險點或泄漏點的定位。管道內(nèi)部檢測常使用漏磁法、超聲波法、射線檢測法、高頻渦流法和電磁聲傳感器法[3]。國際上較早從事海上油氣開發(fā)的國家在海底管道檢測裝備技術方面已經(jīng)具有相當豐富的經(jīng)驗，如美國已研制出可追蹤海底管道的海底潛水車和雷達定位系統(tǒng)，同時采用漏磁等技術進行管內(nèi)探漏[4-6]。我國海底管道也已經(jīng)陸續(xù)開始實施內(nèi)檢測作業(yè)，中國海油研制的海底管道漏磁內(nèi)檢測器已在渤海某油田海試成功[7]。管道內(nèi)部檢測法具有定位精度高和誤報率較低的特點，但投資巨大，只適用于較大口徑管道，而且極易發(fā)生管道堵塞、停運等嚴重事故，不適合臍帶纜的泄漏檢測。

海底管道外部檢測主要借助各類水下聲學設備、遙控潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)、潛水員操作來完成，其中應用較多的聲學設備有底部剖面儀、側(cè)向掃描聲納、回聲探測器等[8]?；诠艿纼?nèi)壓力、溫度、流量、聲音以及振動等物理參數(shù)發(fā)生變化，并借助各類水下聲學設備、ROV來判斷泄漏位置[9-10]。外部檢測法由于受水下環(huán)境條件的約束，成功觀測到泄漏的概率較低，即使檢測到泄漏，也非常耗時，一天只能檢測十幾米至幾十米長的管道，而水下特別是深水(水深大于1 500 m)臍帶纜長度可能有數(shù)十公里，ROV檢測效率低，無法滿足工程需求。

本文提出了一種基于SimulationX仿真試驗[11]的水下臍帶纜泄漏檢測與定位方法,以流花4-1油田某水下高壓液控系統(tǒng)為例，基于SimulationX仿真軟件開發(fā)了臍帶纜液控管線高精度仿真模型，通過模型對標及泄漏仿真試驗，提取臍帶纜泄漏樣本特征；通過傳感器監(jiān)測臍帶纜壓力信號，獲取系統(tǒng)動態(tài)參量，提取信號特征得到測試樣本；最后構建數(shù)據(jù)模型對測試樣本進行特征比對，實現(xiàn)對真實臍帶纜單點泄漏的檢測與定位。本文研究成果為我國深水動態(tài)臍帶纜的泄漏故障診斷提供了一種新的技術方案。

1 臍帶纜泄漏檢測與定位原理

基于仿真試驗的臍帶纜泄漏檢測與定位原理如圖1所示，具體操作流程如下：

1) 基于模型仿真方法，構建臍帶纜泄漏故障樣本特征庫，具體過程為：①建立臍帶纜打壓試驗規(guī)范，制定打壓試驗工況；②基于多領域物理系統(tǒng)建模與仿真平臺SimulationX的水下液壓學科庫，建立臍帶纜液控系統(tǒng)仿真模型；③根據(jù)臍帶纜液控系統(tǒng)仿真模型和打壓試驗的實測數(shù)據(jù)，標定仿真模型；④在仿真模型中在臍帶纜的不同位置分別添加可能發(fā)生泄漏的泄漏點，構建臍帶纜泄漏仿真模型；⑤根據(jù)仿真模型中臍帶纜泄漏點的位置和等效漏孔的大小，開展若干組仿真試驗，構建臍帶纜的泄漏故障樣本庫。

圖1 基于仿真試驗的臍帶纜泄漏檢測與定位原理

2) 在臍帶纜工作期間，根據(jù)傳感器實時監(jiān)測的狀態(tài)信號，獲取系統(tǒng)動態(tài)參量，包括液壓泵出口壓力、海洋平臺上部壓力和水下采油樹端壓力等。

3) 采用數(shù)據(jù)處理方法，提取信號特征，包括海洋平臺上部壓力、水下采油樹端壓力的變化率、穩(wěn)態(tài)幅值以及油泵起停頻率、周期和壓力波動幅值等，得到臍帶纜的運行狀態(tài)特征即測試樣本。

4) 根據(jù)臍帶纜泄漏故障樣本庫和上一步得到的測試樣本，對臍帶纜進行泄漏故障特征比對，得到漏點定位結果。

2 仿真模型建立與校核

構建臍帶纜液控系統(tǒng)高精度仿真模型是開展泄漏仿真試驗的基礎。以發(fā)生了臍帶纜泄漏的流花4-1油田某高壓液控系統(tǒng)為例，采用SimulationX軟件中的水下液壓模型庫(Subsea Hydraulics Library),建立了流花4-1油田水下液控系統(tǒng)仿真模型，該仿真模型由4個子系統(tǒng)組成：水面液壓動力單元(HPU)、臍帶纜(Umbilical)、水下控制模塊(SCM)和井下安全閥(SCSSV)(圖2)。

圖2 流花4-1油田水下高壓液控系統(tǒng)仿真模型

對流花4-1油田正常工況下的水下高壓液控系統(tǒng)進行仿真分析。該油田臍帶纜內(nèi)無泄漏發(fā)生時，高壓系統(tǒng)供油壓力為31.95 MPa、高壓油經(jīng)水下采油樹給SCSSV供油的壓力為35.05 MPa。水下液控系統(tǒng)仿真模型中計算得到的高壓系統(tǒng)供油壓力為31.95 MPa，SCSSV供油壓力為35.12 MPa，仿真計算所得系統(tǒng)壓力與油田實際壓力相對誤差僅0.2%，表明所建立的模型仿真計算結果具有較高的可靠性。

3 仿真試驗結果分析與現(xiàn)場檢測驗證

3.1 仿真試驗設計

開展仿真試驗前，首先對流花油田平臺現(xiàn)場開展打壓試驗，觀測并記錄水面和水下壓力變化數(shù)據(jù)，如圖3所示。選取HPU上部壓力、水下SCM端壓力為主要的特征分析對象，針對打壓過程中的增壓、保壓和泄漏失壓等3個階段，開展泄漏仿真試驗。初始時刻至20 min是增壓階段，高壓泵為水下液控系統(tǒng)供油，臍帶纜內(nèi)壓力升高；20～51 min是保壓階段，由于泄漏的發(fā)生，臍帶纜內(nèi)壓力降低，高壓泵為系統(tǒng)周期性補油，維持臍帶纜內(nèi)壓力基本穩(wěn)定；51 min后，高壓泵關閉不再補油，由于泄漏系統(tǒng)壓力逐漸降低，臍帶纜處于泄漏失壓段，113 min后，臍帶纜內(nèi)壓力變化趨于穩(wěn)定。51～113 min的壓力變化曲線包含了漏點泄漏對系統(tǒng)壓力變化的影響信息，故選取該段數(shù)據(jù)作為仿真試驗特征對比的參照對象。

圖3 流花4-1油田現(xiàn)場打壓試驗曲線

仿真試驗中，在臍帶纜不同位置分別添加單個漏點，模擬高壓液控系統(tǒng)發(fā)生泄漏的工況。仿真試驗設計有2個輸入變量，即漏點距臍帶纜水下末端UTH的位置L和漏孔等效直徑Φ。根據(jù)目標臍帶纜L、Φ值規(guī)劃泄漏故障樣本。其中，L從UTH處即0 km開始，每隔1 km設置一個采樣點，即漏點定位精度可以達到1 km范圍內(nèi)；Φ的采樣空間為[0.7 mm,1 mm]，間隔從0.02 mm開始，逐漸增大間隔。泄漏樣本庫包括(Φ，L)在其采樣空間內(nèi)的所有組合，表1列出了其中7組仿真樣本示例。

表1 臍帶纜仿真試驗泄漏樣本

3.2 仿真試驗結果與現(xiàn)場試驗曲線對比分析

依據(jù)規(guī)劃好的泄漏樣本進行參數(shù)化批量仿真，部分樣本的仿真試驗結果與現(xiàn)場試驗曲線的對比如圖4、5所示，可以看出：在增壓階段，仿真試驗與現(xiàn)場試驗曲線變化趨勢一致；在保壓階段，除(0.95 mm，12 km)由于設置的泄漏孔徑較大的工況外，其余仿真試驗與現(xiàn)場試驗曲線均保持穩(wěn)定；在泄漏失壓階段，仿真試驗各樣本的變化趨勢明顯不同。

圖4 流花4-1油田HPU上部壓力仿真結果與

圖5 流花4-1油田SCM端壓力仿真結果與現(xiàn)場試驗曲線對比

對仿真試驗樣本泄漏失壓階段的數(shù)據(jù)進行特征值分析。首先選取壓力作為特征量，與試驗數(shù)據(jù)進行特征匹配，計算每一樣本的標準差，匹配分析結果如表2、3所示，結果顯示，HPU上部壓力及SCM端壓力在特征樣本為(0.76 mm，6 km)的泄漏失壓段的標準差最小，是可能的漏點位置。

為了對比采用壓力及壓力一階導數(shù)作為特征量的定位準確性，進一步選取壓力一階導數(shù)即壓力變化率作為特征量，對仿真試驗樣本泄漏失壓階段的數(shù)據(jù)進行特征值分析，并與試驗數(shù)據(jù)進行特征匹配，匹配分析結果如表4、5所示。結果顯示，樣本(0.72 mm，4 km)在泄漏失壓段的標準差最小，是可能的漏點位置。

表2 流花4-1油田HPU上部壓力特征線性匹配

表3 流花4-1油田SCM端壓力特征線性匹配

表4 流花4-1油田HPU上部壓力特征一階導數(shù)匹配

表5 流花4-1油田SCM端壓力特征一階導數(shù)匹配

3.3 現(xiàn)場檢測驗證

根據(jù)上述仿真試驗結果與現(xiàn)場打壓試驗曲線對比分析結果，確定了流花4-1油田臍帶纜泄漏位置的范圍。應用水下ROV對疑似泄漏位置附近的臍帶纜開展了仔細巡查，發(fā)現(xiàn)在距主臍帶纜末端4 km處出現(xiàn)了液壓油泄漏,現(xiàn)場檢測結果與采用壓力一階導數(shù)作為特征量的漏點定位結果一致?？梢?，選取壓力一階導數(shù)作為特征量時，臍帶纜漏點定位準確性優(yōu)于壓力作為特征量的定位準確性，也證明了本文所提出的采用仿真試驗與現(xiàn)場試驗樣本特征進行對比確定臍帶纜泄漏位置的可靠性。

4結論

本文針對臍帶纜內(nèi)液體發(fā)生泄漏后的查找和定位難題，以流花4-1油田某水下高壓液控系統(tǒng)為例，提出了一種臍帶纜內(nèi)發(fā)生單點泄漏的檢測與定位方法?；谀殠Ю|高精度仿真模型，開展泄漏仿真試驗，通過仿真與試驗數(shù)據(jù)的特征分析與對比，結果表明采用壓力一階導數(shù)作為特征量，臍帶纜漏點定位準確性優(yōu)于采用壓力作為特征量時的定位準確性。該方法已成功應用于流花4-1油田臍帶纜泄漏的檢測與定位，應用基于仿真試驗的臍帶纜泄漏檢測技術，漏點定位達到了1 km范圍內(nèi)的精度，縮小了ROV檢查的范圍，縮短了查漏的時間，原計劃3天查漏的時間，實際僅用1天完成。研究成果為我國深水動態(tài)臍帶纜的泄漏故障診斷提供了一種新的技術方案。