МОНИТОРИНГ КАНАЛА
CHANNEL MONITORING

Настоящее изобретение относится к мониторингу и обследованию канала и, в частности, к мониторингу подземного трубопровода.
Трубопроводы являются наиболее экономически эффективным средством транспортировки текучих сред, обычно нефти и газа, но существуют и другие типы трубопроводов. В настоящее время существует обширная трубопроводная инфраструктура, предназначенная для сбора, транспортировки и распределения этих природных ресурсов, причем только в США проложено свыше трех четвертей миллиона километров нефте- и газопроводов. Поддержание безукоризненной работы этих трубопроводов имеет первостепенную важность, поскольку их отказы приводят к масштабным экономическим потерям, ущербу для окружающей среды, а также потенциально катастрофическим физическим повреждениям.
По этой причине прилагаются значительные усилия для мониторинга и обследования трубопроводов. Однако абсолютный размер многих трубопроводных сетей и тот факт, что многие километры трубопроводов состоят из подземных и подводных установок, делают эффективный и экономичный мониторинг трудной задачей.
Обычно обследование трубопровода осуществляют с использованием «умных» снарядов. Снаряды перемещаются по трубопроводу под действием давления транспортируемого продукта и выполняют такие задачи, как чистка, профилирование или обследование стенок трубопровода. Альтернативные методы мониторинга включают в себя простой обход трубопровода и обследование со спутников, когда трубы доступны. Также используются системы вычислительного мониторинга трубопровода (CPM), которые позволяют использовать информацию, собранную в полевых условиях, например давление, температуру и расход для оценки гидравлического поведения транспортируемого продукта.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного мониторинга канала.
В первом аспекте настоящее изобретение предусматривает способ мониторинга канала для текучей среды, содержащий этапы, на которых опрашивают оптическое волокно, расположенное вдоль пути канала, для обеспечения распределенного акустического измерения; вводят акустический импульс в канал; измеряют посредством распределенного акустического измерения отклик на акустический импульс на каждом из совокупности дискретных продольных измерительных участков и выводят из совокупности измерений профиль состояния канала.
Таким образом можно быстро и легко получить профиль состояния с минимальным нарушением трубопроводной инфраструктуры и содержащегося в ней потока. Существующие оптические волокна, проходящие вдоль пути трубы, можно использовать в целях измерения, подключив подходящее устройство опроса и обработки. Значительная часть трубопроводов имеет заранее существующие отрезки оптического волокна, проходящие вдоль пути трубопровода. Обычно - это кабели связи и/или кабели для SCADA (диспетчерского управления и сбора данных) трубопровода, заложенные вместе с трубопроводом по понятным логистическим причинам. В таких случаях, поскольку существующие кабели могут входить в состав устройства мониторинга, сравнительно длинные пролеты трубопровода можно отслеживать, осуществляя лишь ограниченный доступ к трубе.
В определенных вариантах осуществления акустический импульс вводится в текучую среду, содержащуюся в трубе, с помощью специализированного генератора импульсов или акустического преобразователя. Обычно он представляет собой гидроцилиндр, но для возбуждения волны давления в текучей среде, переносимой каналом, подлежащим мониторингу, можно использовать и другое устройство. Генератор импульсов может быть постоянно установлен в трубопроводе или может подключаться на существующем линейном арматурном узле или соединении. Было обнаружено, что такие импульсы давления способны распространяться по трубопроводам на большие расстояния с малым затуханием, поэтому одиночный источник импульсов может обеспечивать достаточный ввод для мониторинга 20, 30 или 40 км или более трубопровода. Импульсы можно вводить в текучую среду в ходе нормальной работы при поддержании нормальных условий потока в канале, создавая лишь небольшой простой или вовсе не создавая его для операций мониторинга. В одном варианте осуществления импульсы вводятся с интервалами 10 секунд и можно использовать интервалы от 5 до 20 секунд. Типичный период мониторинга может составлять 10 минут, но возможны и другие периоды, а также можно применять непрерывный мониторинг.
В качестве альтернативы специализированному генератору импульсов было обнаружено, что снаряд, перемещающийся по трубопроводу, может быть приспособлен для создания последовательности импульсов давления. Когда снаряд проходит каждый кольцевой сварной шов в трубе, он испытывает дополнительное сопротивление, и позади снаряда создается небольшое избыточное давление. После прохождения снарядом сварного шва возбуждается волна давления, распространяющаяся в обоих направлениях по трубе. Частота импульсов зависит от расстояния между сварными швами и скорости снаряда. В таких случаях очевидно, что позиция источника импульсов постепенно перемещается вдоль трубы, однако это не вредит мониторингу. Заметим также, что снаряд может генерировать более сильный акустический сигнал по мере развития дополнительных ограничений или неоднородностей в трубе с течением времени, например углеводородного нароста или механической деформации. Согласно вариантам осуществления их можно идентифицировать по локальным всплескам генерируемого акустического сигнала при повторных проходах снаряда.
Другим возможным источником акустического импульса или импульса давления в канале является внезапное возникновение трещины или утечки. Возникающий при этом импульс давления можно регистрировать и использовать для идентификации и/или определения положения источника и, следовательно, положения трещины или утечки. Таким образом, дополнительный аспект изобретения предусматривает способ мониторинга трубопровода для текучей среды, содержащий этапы, на которых опрашивают оптическое волокно, расположенное вдоль пути канала, для обеспечения распределенного акустического измерения; регистрируют акустический импульс на каждом из совокупности дискретных продольных измерительных участков и определяют источник зарегистрированного импульса.
Профиль состояния трубы не требуется явно анализировать для определения соответствующих физических характеристик (хотя это возможно). Дополнительное использование можно выводить путем мониторинга трубопровода в течение периода времени для получения одного или нескольких профилей и сравнения этих профилей для определения изменений характеристик. Таким образом можно получить два профиля трубопровода, соответствующие двум датам с известным разнесением по времени. Различия в профиле можно определить с использованием анализа данных для получения информации относительно того, какие участки трубы претерпели физические изменения и следовательно положения этих изменений. Более сложный статистический анализ профилей можно проводить, если в течение времени формируется набор из множественных профилей, и, с этой целью, профили обычно получают с регулярными интервалами. Дополнительно или альтернативно, профили можно брать до или после запланированных работ по обслуживанию или ремонту, чтобы охарактеризовать известные изменения в трубопроводе.
Таким образом, изменения в трубе (и, возможно, в состоянии грунта вокруг трубы) можно отслеживать в течение интервалов времени и можно обеспечивать информацию положения и характеризации, связанную с этими изменениями. Эта информация может побуждать к дальнейшим действиям, например обслуживанию, чистке, физическому обследованию или ремонту.
В некоторых вариантах осуществления измеряется амплитудный отклик на акустический импульс. Для этого можно осуществлять интегрирование по доступной полосе каждого канала. Однако в определенных вариантах осуществления дополнительный анализ данных, возвращаемых из распределенного измерения, позволяет обеспечивать спектральный состав каждого канала, что увеличивает возможности мониторинга состояния. Распределенное акустическое измерение согласно вариантам осуществления настоящего изобретения позволяет измерять сейсмические сигналы (волны давления P и сдвига S) в диапазоне от 0 Гц до 5 кГц. Однако более высокие частоты обычно сильно затухают и мониторинг обычно осуществляется в диапазоне от 0 Гц до 1 кГц.
Согласно различным вариантам осуществления измерительное волокно для распределенного измерения может располагаться внутри канала, на внешней поверхности канала, может быть непосредственно закопано рядом с каналом или в отдельном соседнем канале. Не существует предписанной позиции для измерительного волокна при условии, что его положение позволяет ему регистрировать достаточный отклик на акустический импульс. Вследствие высоких чувствительностей, возможных в волоконно-оптическом измерении, что позволяет измерять создаваемые разности фаз с использованием интерферометрического оборудования, потенциальные пределы позиционирования волокна или пределы выбора существующего волокна велики. Однако, вообще говоря, предпочтительно, чтобы волокно располагалось в пределах приблизительно 3 м от канала для текучей среды и, более предпочтительно, в пределах приблизительно 1,5 м от центральной линии канала, подлежащего мониторингу.
Во многих вариантах осуществления волоконно-оптическое распределенное акустическое измерение обеспечивается путем опрашивания волокна оптическими импульсами на разных частотах. Единичный отрезок волокна обычно является одномодовым волокном и, предпочтительно, не содержит никаких зеркал, отражателей, дифракционных решеток и изменения оптических свойств на протяжении своей длины. Это обеспечивает преимущество в том, что можно использовать немодифицированный, по существу непрерывный, отрезок стандартного волокна, для использования которого требуется небольшая или вовсе не требуется модификация или подготовка. Такие варианты осуществления обычно предусматривают регистрацию света, претерпевшего рэлеевское обратное рассеяние из измерительного волокна и использование частотного соотношения опрашивающих импульсов для определения акустических сигналов, падающих на волокно на протяжении его длины. Однако можно применять любой подходящий метод распределенного измерения. Подходящая система DAS описана, например, в GB 2442745.
Поскольку волокно не имеет разрывов, длина и конфигурация отрезков волокна, соответствующих каждому каналу, определяется путем опроса волокна. Их можно выбирать согласно физической конфигурации волокна, а также согласно необходимому типу мониторинга. Таким образом, расстояние вдоль волокна и длину каждого отрезка волокна, или канальное разрешение, можно легко изменять, регулируя опросчик, изменяющий ширину входного импульса и скважность входного импульса без каких-либо изменений волокна. Согласно вариантам осуществления данные из множественных каналов могут обеспечиваться, по существу, одновременно.
Пространственное разрешение распределенного волоконно-оптического измерения меньше или равно 30 м, и, в определенных вариантах осуществления, меньше или равно 20 м или 10 м. В определенных вариантах осуществления оптическое волокно опрашивается для обеспечения измеренных данных на расстоянии, большем или равном 20 км, и в других вариантах осуществления достижимы расстояния, большие или равные 30 км или 40 км.
Дополнительный аспект изобретения предусматривает устройство мониторинга трубопровода, содержащее волоконно-оптический опросчик, приспособленный опрашивать оптическое волокно и обеспечивать распределенное акустическое измерение; генератор импульсов, приспособленный вырабатывать импульсы давления в текучей среде, содержащейся в трубопроводе; и процессор, приспособленный принимать измеренные данные от опросчика в ответ на импульсы давления и выводить профиль состояния трубопровода из измеренных данных.
Изобретение также предусматривает компьютерную программу и компьютерный программный продукт для осуществления любого из описанных здесь способов и/или для реализации любого из описанных здесь признаков устройства и компьютерно-считываемый носитель, на котором хранится программа для осуществления любого из описанных здесь способов и/или для реализации любого из описанных здесь признаков устройства.
Изобретение распространяется на способы, устройство и/или использование, по существу, описанные здесь со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Любой признак в одном аспекте изобретения можно применять к другим аспектам изобретения в любой надлежащей комбинации. В частности, аспекты способа можно применять к аспектам устройства и наоборот.
Кроме того, признаки, реализованные аппаратными средствами, в общем случае, можно реализовать программными средствами и наоборот. Соответственно, допустима любая ссылка на программные и аппаратные признаки.
Ниже будут описаны предпочтительные признаки настоящего изобретения, исключительно в порядке примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
фиг.1 - основные компоненты распределенного волоконно-оптического датчика;
фиг.2 - волоконный датчик, размещенный на протяжении длины трубопровода;
фиг.3 - поперечное сечение трубопровода и измерительных волокон;
фиг.4 и 5 - выходные данные мониторинга трубопровода.
На фиг.1 показана схема распределенной конфигурации волоконно-оптического измерения. Отрезок измерительного волокна 104 одним концом подключен к опросчику 106. Выходной сигнал опросчика 106 поступает на процессор 108 сигнала и, в необязательном порядке, на пользовательский интерфейс, который на практике можно реализовать в виде надлежащим образом настроенного ПК. Измерительное волокно может иметь многокилометровую длину,  в этом примере имеет длину около 40 км.
Опросчик запускает в измерительное волокно опрашивающий оптический сигнал, который, например, может содержать последовательность импульсов, имеющих выбранный частотный шаблон. Явление рэлеевского обратного рассеяния приводит к тому, что некоторая доля света, входящего в волокно, отражается обратно к опросчику, где регистрируется для обеспечения выходного сигнала, выражающего акустические возмущения вблизи волокна. Форма оптического ввода и способ регистрации позволяют пространственно разрешать единое непрерывное волокно на дискретные измерительные отрезки. Таким образом, акустический сигнал, зарегистрированный на одном измерительном отрезке, может обеспечиваться, по существу, независимо от зарегистрированного сигнала на соседнем отрезке. Пространственное разрешение в данном примере составляет приблизительно 10 м, в результате чего выходной сигнал опросчика принимает форму 4000 независимых каналов данных.
Таким образом, единое измерительное волокно может обеспечивать измеренные данные аналогично мультиплексированному массиву соседних датчиков, размещенных на линейном пути.
На фиг.2 показана конфигурация для осуществления способа, отвечающего настоящему изобретению, в которой измерительное волокно 202 (и соответствующие опросчик и/или процессор 204) располагается вдоль пути трубопровода 206. Генератор 208 импульсов располагается в точке вдоль трубопровода и приспособлен вводить импульс давления в текучую среду в трубе. Генератор 208 импульсов может принимать различные формы, но в этом примере содержит гидроцилиндр. Сгенерированный импульс давления распространяется в обоих направлениях по трубе от генератора импульсов. Труба играет роль волновода, и было обнаружено, что импульс может распространяться на десятки километров без чрезмерного затухания.
Импульс, проходящий по любому конкретному отрезку трубы, создает акустическое возмущение, которое можно регистрировать с помощью распределенного волоконного датчика 202. На фиг.3 показано поперечное сечение трубы 302 с возможными положениями измерительного волокна, способного регистрировать отклик импульса в трубе.
Труба в данном примере имеет внутренний диаметр 1200 мм и стенки из углеродистой стали толщиной 50 мм и предназначена для транспортировки природного газа под давлением около 80 бар. Труба может быть заглублена приблизительно на 1-2 м под поверхностью, которая, в некоторых ситуациях, может быть уровнем грунта или морским дном. Волокно 304 располагается внутри внутреннего канала трубы 302, покоясь на дне трубы. Волокно 306 прикреплено к внешней поверхности трубы, а волокно 308 располагается в отдельном кабелепроводе 310, расположенном приблизительно в 1,5 м от центральной линии газопровода. Кабелепровод 310 обычно закладывается во время установки трубопровода для прокладки линий связи и/или SCADA. Волокно 312 закапывается непосредственно в грунт вдоль трубопровода приблизительно в 1 м от центральной линии трубы.
Очевидно, что для каждого отдельного размещения волокна измеренный отклик на импульс давления в трубе будет разным и будет зависеть от разных факторов. Сигнал, зарегистрированный волокном 308, будет зависеть от передаточных характеристик грунта, например, между трубой 302 и кабелепроводом 310, в то время как измерительные волокна 304 и 306 будут меньше подвержены воздействиям. Однако, как будет объяснено ниже, это не оказывает негативного влияния на настоящее изобретение и можно использовать любое размещение волокна, которое создает надежный отклик на импульс давления.
На фиг.4 показана гистограмма и соответствующий каскадный график, иллюстрирующие выход распределенного волоконного датчика в ответ на последовательность импульсов давления, введенных в соседний трубопровод. Данные на фиг.4 сгенерированы измерительным волокном в канале. По оси x гистограммы и каскада отложена длина измерительного волокна, которая в этом случае составляет приблизительно 40 км. Гистограмма показывает в момент времени амплитуду зарегистрированного акустического сигнала, возвращенного из измерительного волокна. В порядке, в котором можно просматривать все 4000 каналов, каждый штрих на диаграмме представляет пиковую амплитуду из группы 10-метровых отрезков. При желании можно рассмотреть отдельный 10-метровый отрезок. Нижний график представляет собой каскад со скоростью обновления 0,05 секунды, демонстрирующий интенсивность звука в зависимости от расстояния и времени, причем время отложено по оси y каскада, а самые последние данные отображены вверху.
На каскадном графике можно наблюдать два основных признака. Первый представляет собой область постоянной активности в левой части графика, обозначенную 402, соответствующую длине измерительного волокна приблизительно 4000 м. Она соответствует промышленной установке, находящейся над этим отрезком волокна, производящей постоянный вибрационный шум. Второй представляет собой различные картины шеврона, которые можно наиболее отчетливо наблюдать в области 404 на удалении от постоянного шума промышленной установки.
Вершина каждого шеврона располагается в точке 406 вдоль волокна, соответствующей положению генератора импульсов. V-образная форма графика соответствует импульсу давления, распространяющемуся вдоль трубы в обоих направлениях от источника импульса, и наклон V-образной формы соответствует скорости звука в газе под давлением, содержащемся в трубе, которая в этом случае равна приблизительно 400 м/с. Можно видеть, что последовательность импульсов давления вводится в газ и формируются множественные трассы. В верхнем графике, гистограмме, отдельные импульсы появляются в данный момент времени в своих соответствующих позициях, разнесенных вдоль волокна.
На фиг.5 показаны данные в форме, аналогичной представленной на фиг.4, но здесь оси гистограммы и нижнего каскадного графика аналогичным образом перемасштабированы. На фиг.5 ось x каскадного графика соответствует отрезку измерительного кабеля длиной около 4 км (в отличие от 40 км на фиг.4), и скорость обновления на фиг.5 задана равной 2 секундам (в отличие от 0,05 с на фиг.4).
Данные для фиг.5 поступают из той же конфигурации трубы и волокна, что и на фиг.4, но берутся в течение прогона очистки, и путь снаряда отчетливо наблюдается как диагональная трасса 502 в каскадном графике. В каскадном графике на фиг.5 также можно наблюдать последовательность вертикальных линий различной интенсивности. Линии соответствуют различным положениям на протяжении длины трубы и могут рассматриваться как отпечаток пальца или штрих-код трубы, причем картина линий соответствует физическим характеристикам или состоянию трубы и в некоторой степени ее непосредственному окружению (в этом случае грунту, в который она закопана).
Рассматривая профиль состояния, обеспеченный этим эффектом штрих-кода, понятно, что он соответствует эффекту шеврона, показанному на фиг.4, но наблюдаемому со сжатой осью времени. Импульсы давления, проходящие по трубе, можно рассматривать как акустически 'освещающие' каждый участок трубы, по которой они проходят, извлекающие отклик из трубы и ее окружения, благодаря чему отклик регистрируется распределенным измерительным волокном. Благодаря усреднению по времени можно видеть, что некоторые секции трубы имеют не такой отклик на импульсы, как другие. Возможные причины этих отличий включают в себя локальный углеводородный нарост на стенке трубы, дефект стенки трубы или изменение профиля стенки, или, например, изменение состава грунта вблизи трубы. Таким образом, график обеспечивает профиль состояния труба в данное время или день.
Заметим, что, в то время как импульсы давления, показанные на фиг.4, вырабатываются специализированным генератором импульсов, импульсы, показанные на фиг.5, которые обеспечивают профиль состояния трубы, формируются, когда снаряд проходит каждый кольцевой сварной шов в трубе, как объяснено выше.
Хотя это не показано, можно извлекать и обеспечивать спектральный состав измеренных данных. Это добавит дополнительное измерение графикам, показанным на фиг.4 и 5, и расширит возможности мониторинга состояния. Сейсмические сигналы обычно преобладают на частотах ниже 500 Гц вследствие высокого затухания более высоких частот в грунте.
Например, глядя на выбранную/ые полосу/ы частот, можно отфильтровать 'шум' от промышленной установки в области 402 на фиг.4. Вышеописанный профиль или штрих-код трубы, дополнительно разложенный на частотные составляющие, обеспечивает пользователю более детальную информацию и позволяет осуществлять более углубленный анализ. Например, разные типы физических явлений могут быть связаны с конкретными полосами частот. Например, изменения в более высоких полосах частот могут указывать на турбулентный поток в трубе, обусловленный наростом парафиновых отложений, тогда как изменения в более низкой полосе частот могут указывать на изменения состояния грунта, в котором залегает труба. Таким образом, интерпретированные результаты могут обеспечивать пользователю информацию большего объема и качества.
Очевидно, что настоящее изобретение было описано выше исключительно в порядке примера и допускает модификацию, касающуюся деталей, в рамках объема изобретения.
Каждый признак, раскрытый в описании и (в надлежащих случаях) в формуле изобретения и чертежах, может быть обеспечен независимо или в любой надлежащей комбинации.