Система мониторинга подводного добычного комплекса
MONITORING SYSTEM OF UNDERWATER MINING COMPLEX

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано в эксплуатационных (добывающих и нагнетательных) скважинах, при транспортировке продукции скважин на пункты сбора и далее, при эксплуатации различного рода продуктопроводов для обнаружения утечек из них или несанкционированного отбора продукта, а также для обнаружения внешних воздействий на морские продуктопроводы и другие протяженные объекты.
Известно устройство мониторинга состояния трубопроводов (патент RU 2549540, МПК G01M 3/38, G01D 5/353 (2006.01)). Устройство содержит высококогерентный лазер, соединенный с импульсным модулятором для генерации зондирующих оптических импульсов, циркулятор, волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для передачи зондирующих оптических импульсов через оптические усилители в разрывах кабеля и через циркулятор в сенсорный оптический участок и волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для обратной передачи отраженного рассеянного оптического из сенсорного оптического участка до приемника сигнала с блоком его обработки. Регистрация амплитуды сигналов обратного рассеяния и сравнительный анализ указанных сигналов в последовательных рефлектограммах позволяет выделить в них локальные изменения, указывающие на наличие факта воздействия на протяженный объект, а координату местоположения воздействия определяют положением этих изменений на рефлектограмме. Изменение сигналов обратного рассеяния связано с изменением виброакустических характеристик трубопровода, т.е. устройство позволяет контролировать возмущения на трубопровод, которые изменяют эти характеристики. Вместе с тем для своевременного определения вероятной аварийной ситуации необходимо, например, производить анализ донного грунта в зоне расположения трубопровода с целью определения предпосылок для появления провисов трубопровода или замывов его участков грунтом или появления каких-либо потенциально опасных предметов. Важным фактором своевременного определения возможностей аварий является контроль процессов коррозии материала трубопровода и состояния других объектов подводного добычного комплекса. Такие измерения и оценки в известном устройстве не производятся, это ограничивает возможности мониторинга и является его существенным недостатком.
Наиболее близким по технической сущности у заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство контроля исправности трубопровода газоконденсата (патент RU 2464485, МПК F17D 5/02, F17D/ 5/06 (2006.01)).
Известное устройство контроля исправности морского продуктопровода содержит трубопровод, на который с заданным шагом установлены бугели с неподвижными герметичными стаканами, внутри которых расположены подвижные стаканы, прижимаемые пружиной к корпусу бугеля. На каждом из подвижных стаканов закреплены датчики вибрации, датчики определения вертикали к поверхности земли и датчики температуры, расположенные на электронной плате. В каждом из неподвижных стаканов, расположенных вдоль трубопровода, закреплены герметичные разъемы, соединяющие через кабель-вставку датчики вибрации, определения вертикали к поверхности земли и температуры через морские муфты с подводным кабелем, связанным с береговой аппаратурой обработки и регистрации, и блоком дистанционного питания. В морской муфте размещена электронная аппаратура, преобразующая электрические сигналы датчиков в оптические, передающие и приемные оптические модули, шифратор сигналов для передачи информации на берег и дешифратор команд, поступающих с берега на соответствующую морскую муфту. Кроме этого, в морской муфте расположен преобразователь высоковольтного постоянного напряжения, поступающего от дистанционного блока питания, в низковольтное, необходимое для питания электронной аппаратуры морской муфты и электронной платы с датчиками, установленными на бугеле.
Береговая аппаратура обработки состоит из приемного оптического модуля, усилительных устройств и преобразователей сигналов для связи с персональным компьютером.
Кроме этого, береговая аппаратура содержит командное устройство, с помощью которого формируются запросы получения информации от какого-либо или от всех по очереди бугелей, а также преобразователь электрического сигнала в оптический сигнал и передающий оптический модуль.
Блок дистанционного питания представляет из себя серийно выпускаемый высоковольтный источник постоянного тока с напряжением 1000 В и электрической мощностью 500 Вт.
Устройство работает следующим образом. Напряженное состояние трубопровода определяется с помощью датчиков вибрации, расположенных на корпусах бугелей. По изменению параметров вибрации трубопровода относительно ее значений, замеренных в начале эксплуатации трубопровода и хранящихся в устройстве хранения обработанной информации, определяется, на каком участке трубопровода может возникнуть аварийная ситуация. В случае появления утечки продукта из трубопровода путем корреляционной обработки сигналов, поступающих от двух соседних датчиков вибрации, локализуется место дефекта.
Расположение трубопровода на морском дне определяется с помощью датчиков отклонения вертикали от поверхности земли. В случае, когда в процессе эксплуатации трубопровода образовалось, например, его провисание за счет вымывания грунта, сигналы датчиков отклонения от вертикали свидетельствуют о появлении аварийной ситуации и дают расположение опасных участков трубопровода.
Датчик температуры является дополнительным устройством, контролирующим состояние трубопровода путем определения изменения температуры корпуса трубопровода относительно температуры окружающей среды. Температура окружающей среды составляет плюс (2…4)°С, тогда как температура корпуса трубопровода, при нарушении его герметичности, может достигать минус 10°С.
По результатам обработки информации, поступающей с датчиков, размещенных по трассе морского трубопровода, устройство позволяет предупредить о возможном возникновении утечки продукта и предотвратить экологическое загрязнение среды.
В известном устройстве перечисленные возмущения на трубопровод в виде изменения его расположения на морском дне, возникновения провисов трубопровода за счет вымывания морским течением грунта, а также изменения температуры трубопровода по отношению к окружающей среде контролируются после проявления их результата в виде возникновения аварийной ситуации. При этом, очевидно, уменьшается запас времени, который необходим для устранения этой ситуации, не давая ей распространиться в конкретную аварию. Это является недостатком известного устройства, так как отсутствует упреждающий контроль за причинами, которые могут привести к возникновению указанных возмущений на трубопровод.
Вторым недостатком известного устройства является отсутствие контроля за состоянием других важных объектов подводно-добычного комплекса (ПДК), кроме трубопроводов: фонтанной арматуры, шлангокабелей и манифольдов.
Существенную роль в повышении достоверности прогнозирования аварийных ситуаций на ПДК играет своевременное определение не только изменений пространственного положения трубопровода, но и определение геометрических размеров участков частичного или полного замыва (размыва) морского дна под объектами ПДК, включая области свободных пролетов трубопроводов и шлангокабелей. Повышение информативности мониторинга обеспечивается при своевременном обнаружении посторонних предметов на морском дне в контролируемой зоне, представляющих опасность для трубопроводов и других объектов ПДК. Указанный контроль в известном устройстве не предусмотрен, и это является его третьим недостатком.
Кроме этого, повышению надежности эксплуатации ПДК будет способствовать своевременное определение следующих характеристик ПДК:
- стационарность рельефа дна в зоне расположения объектов ПДК;
- глубина залегания трубопроводов в донном грунте;
- дефекты изоляции трубопровода, параметры анодной защиты на открытых участках и др.
В основу заявляемого изобретения поставлена задача исключить указанные недостатки и тем самым повысить достоверность результатов мониторинга состояния ПДК, за счет чего, в конечном итоге, своевременно предпринять необходимые ремонтные мероприятия на объектах ПДК, предупредить о возможном возникновении утечки продукта и предотвратить экологическое загрязнение среды.
Поставленная задача решается тем, что в систему контроля исправности морского продуктопровода, содержащую трубопровод, на который с заданным шагом установлены бугели с неподвижными герметичными стаканами, датчики вибрации, датчики определения вертикали к поверхности земли и датчики температуры, расположенные на электронной плате датчиков, береговую аппаратуру обработки и регистрации, блок дистанционного питания, а также подводный кабель, связанный с береговой аппаратурой обработки и регистрации и блоком дистанционного питания, дополнительно введены устройства приема-передачи информации по радиоканалу, автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА), донное причальное устройство, установленное на одном из объектов подводного добычного комплекса, например на манифольде, при этом на каждую электронную плату датчиков дополнительно установлены датчик катодного потенциала, ультразвуковой толщиномер, датчик утечки продукта, датчик утечки моноэтиленгликоля.
Указанная электронная плата датчиков совместно с дополнительно введенными устройством обработки и хранения информации от датчиков, встроенным автономным источником питания и первичным устройством приема-передачи для связи по радиоканалу с АНПА в системе реального времени объединены в модули автономных датчиков (МАД), которые имеют герметичное исполнение и установлены в неподвижные стаканы с фиксацией в них за счет сил гравитации. Неподвижные стаканы с установленными в них МАД размещены также на каждом из объектов подводного добычного комплекса - манифольде, фонтанной арматуре, опорах защитных конструкций.
Вторичное устройство приема-передачи информации в составе радиоканала, связывающего МАД и АНПА, расположено на АНПА, где размещен также комплект бортовых приборов в составе акустического профилографа, электромагнитного искателя, цифровой фотосистемы высокого разрешения, видеосистемы, многолучевого эхолота, а также гидролокатора бокового обзора. На борту АНПА установлена приемная часть системы бесконтактного заряда аккумуляторных батарей АНПА, а передающая часть системы бесконтактного заряда аккумуляторных батарей АНПА размещена на донном причальном устройстве, где расположен также блок информационной связи, выполняющий бесконтактный обмен информацией с АНПА и связанный посредством подводного кабеля с береговой аппаратурой обработки и регистрации, причем через этот кабель осуществляется передача как информации от блока информационной связи, так и электроснабжение передающей части системы бесконтактного заряда аккумуляторных батарей АНПА от берегового блока дистанционного питания.
В заявленной системе мониторинга подводного добычного комплекса общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:
- трубопровод;
- бугели с закрепленными на них неподвижными герметичными стаканами, установленные с заданным шагом на трубопровод;
- датчики вибрации, датчики определения вертикали к поверхности земли и датчики температуры, расположенные на электронной плате датчиков;
- береговая аппаратура обработки и регистрации;
- блок дистанционного питания;
- подводный кабель, связанный с береговой аппаратурой обработки и регистрации и блоком дистанционного питания.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленной системы и ее прототипа показывает, что первая в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:
- в систему введены датчики катодного потенциала, ультразвуковые толщиномеры, датчики утечки продукта, датчики утечки моноэтиленгликоля, которые установлены на каждую электронную плату датчиков;
- каждая электронная плата датчиков совместно с дополнительно введенным устройством обработки и хранения информации от датчиков, встроенным автономным источником питания и первичным устройством приема-передачи для связи по радиоканалу объединены в модули автономных датчиков;
- модули автономных датчиков имеют герметичное исполнение и установлены в неподвижные стаканы с фиксацией в них за счет сил гравитации;
- неподвижные стаканы с установленными в них модулями автономных датчиков размещены дополнительно также на каждом из объектов подводного добычного комплекса - манифольде, фонтанной арматуре, опорах защитных конструкций;
- в систему введен автономный необитаемый аппарат (АНПА) с установленном на его борту вторичным устройством приема-передачи информации по радиоканалу и комплектом бортовых приборов в составе акустического профилографа, электромагнитного искателя, цифровой фотосистемы высокого разрешения, видеосистемы, многолучевого эхолота, а также гидролокатора бокового обзора;
- обмен информацией между каждым из модулей автономных датчиков и АНПА осуществляется по радиоканалу в реальном времени за счет связи между первичным и вторичным устройствами приема-передачи;
- в систему введено донное причальное устройство, установленное на одном из объектов подводного добычного комплекса, например на манифольде;
- в систему введено устройство бесконтактной зарядки аккумуляторных батарей АНПА, передающая часть которого размещена на донном причальном устройстве, а приемная часть - на борту АНПА;
- в систему введен блок информационной связи, установленный на донном причальном устройстве и выполняющий бесконтактный обмен информацией с АНПА;
- передающая часть системы бесконтактной зарядки аккумуляторных батарей АНПА и блок информационной связи соединены посредством подводного кабеля с береговой аппаратурой обработки и регистрации и дистанционным блоком питания.
Указанные существенные признаки, отличающие заявленное зарядное устройство от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивают достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.
Признаки «... в систему введены датчики катодного потенциала, ультразвуковые толщиномеры, датчики утечки продукта, датчики утечки моноэтиленгликоля, которые установлены на каждую электронную плату датчиков» - обеспечивает своевременное получение информации о состоянии материала трубопровода с контролем процесса коррозии, что способствует своевременному определению критичного значения вероятности аварийной ситуации.
Признаки «… каждая электронная плата датчиков совместно с дополнительно введенным устройством обработки и хранения информации от датчиков, встроенным автономным источником питания и первичным устройством приема-передачи для связи по радиоканалу объединены в модули автономных датчиков; … модули автономных датчиков имеют герметичное исполнение и установлены в неподвижные стаканы с фиксацией в них за счет сил гравитации» - упрощают периодическую плановую замену модулей автономных датчиков с помощью специальных технических средств.
Признак «… неподвижные стаканы с установленными в них модулями автономных датчиков размещены дополнительно также на каждом из объектов подводного добычного комплекса - манифольде, фонтанной арматуре, опорах защитных конструкций» - расширяет функциональность системы мониторинга подводного добычного комплекса за счет контроля состояния не только трубопроводов, но и прочих объектов, оказывающих влияние на безаварийность комплекса.
Признаки «… в систему введен автономный необитаемый аппарат (АНПА) с установленном на его борту вторичным устройством приема-передачи информации по радиоканалу и комплектом бортовых приборов в составе акустического профилографа, электромагнитного искателя, цифровой фотосистемы высокого разрешения, видеосистемы, многолучевого эхолота, а также гидролокатора бокового обзора; … обмен информацией между каждым из модулей автономных датчиков и АНПА осуществляется по радиоканалу в реальном времени за счет связи между первичным и вторичным устройствами приема-передачи» - обеспечивает съем информации о состоянии объекта подводного добычного комплекса с модуля автономных датчиков в реальном времени с последующим обнулением устройств хранения этой информации, получение фотоизображения и акустической картины подводной обстановки в зоне трубопровода и других объектов комплекса, что повышает информативность процесса мониторинга за счет своевременного обнаружения предпосылок для появления провисов (или замывов) объектов подводного добычного комплекса, а также появления потенциально опасных предметов в зоне объектов комплекса.
Признаки «… в систему введено донное причальное устройство, установленное на одном из объектов подводного добычного комплекса, например на манифольде; … в систему введено устройство бесконтактной зарядки аккумуляторных батарей АНПА, передающая часть которого размещена на донном причальном устройстве, а приемная часть - на борту АНПА; … в систему введен блок информационной связи, установленный на донном причальном устройстве и выполняющий бесконтактный обмен информацией с АНПА; … передающая часть системы бесконтактной зарядки аккумуляторных батарей АНПА и блок информационной связи соединены посредством подводного кабеля с береговой аппаратурой обработки и регистрации и дистанционным блоком питания» - обеспечивают, при автоматическом причаливании аппарата к донному причальному устройству, передачу накопленной информации с АНПА на берег оператору и обратно, от оператора на АНПА, а также осуществлять автоматическую зарядку аккумуляторных батарей АНПА, обеспечивая его длительное подводное базирование в течение заданного интервала времени.
Таким образом, существенные признаки заявленной системы мониторинга подводного добычного комплекса обеспечивают достижение технического результата, т.е. находятся с техническим результатом в причинно-следственной связи и решают поставленную задачу.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема системы мониторинга подводного добычного комплекса.
Система мониторинга подводного добычного комплекса содержит трубопровод 1, на который с заданным шагом установлены бугели 2 с неподвижными герметичными стаканами 3, датчики вибрации, датчики определения вертикали к поверхности земли и датчики температуры, расположенные на электронной плате датчиков, береговую аппаратуру 4 обработки и регистрации, береговой блок 5 дистанционного питания, а также подводный кабель 6, связанный с береговой аппаратурой 4 обработки и регистрации и береговым блоком 5 дистанционного питания, автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) 7, донное причальное устройство 8, установленное на одном из объектов подводного добычного комплекса, например на манифольде 9, причем на каждую электронную плату датчиков установлены также датчик катодного потенциала, ультразвуковой толщиномер, датчик утечки продукта, датчик утечки моноэтиленгликоля, при этом электронная плата датчиков совместно с устройством обработки и хранения информации от датчиков, встроенным автономным источником питания и первичным устройством приема-передачи для связи в системе реального времени по радиоканалу с АНПА 7 объединены в модули автономных датчиков (МАД) 10, которые имеют герметичное исполнение и установлены в неподвижные стаканы 3 с фиксацией в них за счет сил гравитации, неподвижные стаканы 3 с установленными в них МАД 10 размещены также на каждом из объектов подводного добычного комплекса - манифольде 8, фонтанной арматуре 11, опорах защитных конструкций 12, при этом вторичное устройство 13 приема-передачи информации в составе радиоканала, связывающего МАД 10 и АНПА 7, расположено на АНПА 7, где размещен также комплект 14 бортовых приборов в составе акустического профилографа, электромагнитного искателя, цифровой фотосистемы высокого разрешения, видеосистемы, многолучевого эхолота, а также гидролокатора бокового обзора, на борту АНПА 7 установлена также приемная часть 15 системы бесконтактного заряда аккумуляторных батарей АНПА, а передающая часть 16 системы бесконтактного заряда аккумуляторных батарей АНПА размещена на донном причальном устройстве 8, где расположен также блок 17 информационной связи, выполняющий бесконтактный обмен информацией с АНПА 7 и связанный посредством подводного кабеля 6 с береговой аппаратурой 4 обработки и регистрации и береговым блоком 5 дистанционного питания, причем через этот кабель осуществляется передача как информации от блока 17 информационной связи, так и электропитание передающей части 16 системы бесконтактного заряда аккумуляторных батарей АНПА от берегового блока 5 дистанционного питания.
Система мониторинга подводного добычного комплекса работает следующим образом. При изменении напряженного состояния трубопровода, которое может являться следствием возникновения утечки продукта из трубопровода, появления провисов или замывов трубопровода за счет нестационарности гидрологии донной обстановки в зоне прокладки трубопровода, изменяются его виброакустические параметры, что регистрируется датчиком вибрации в составе МАД 10. Информация об этом явлении после необходимой обработки размещается в устройстве хранения, находящемся в составе МАД 10. При изменении пространственного положения трубопровода, которое может быть следствием уже указанных причин в виде появления провисов трубопровода или его замывов донным грунтом за счет действия подводных течений или тектонических возмущений, наряду с изменением напряженного состояния трубопровода изменяется положение его вертикали, что регистрируется датчиком определения вертикали к поверхности земли, входящим в состав МАД 10. Эта информация после необходимой обработки размещается в устройстве хранения, находящемся в составе МАД 10. При возникновении утечки продукта из трубопровода в зоне аварии происходит понижение температуры по отношению к нормальным условиям, что регистрируется датчиком температуры в составе МАД 10, и, после необходимой обработки, информация об этом явлении размещается в устройстве хранения, находящемся в составе МАД 10. Процесс коррозии материала трубопровода и других объектов подводного добычного комплекса контролируется датчиками катодного потенциала и ультразвуковым толщиномером в составе МАД 10, информация от которых после необходимой обработки размещается в устройстве хранения, находящемся в МАД 10. Утечка химреактивов, подаваемых с берега на подводный добычный комплекс, регистрируется датчиком утечки моноэтиленгликоля в составе МАД 10, и, после необходимой обработки сигналов с выхода этого датчика, соответствующая информация помещается в устройство хранения, находящееся в МАД 10. С заданной периодичностью АНПА 7 начинает выполнение миссии, для чего стартует с донного причального устройства 8 и осуществляет движение вдоль трубопровода, используя информацию от электромагнитного искателя, а также цифровой фотосистемы высокого разрешения и видеосистемы в составе комплекта 14 бортовых приборов АНПА 7. При подходе АНПА 7 к месту расположения очередного МАД 9, расположенного на трубопроводе или на каком-либо из объектов подводного добычного комплекса, происходит его зависание и активация радиоканала, за счет чего информация их устройства хранения через первичное устройство приема-передачи в МАД 10 поступает на вторичное устройство приема-передачи 13 на борту АНПА 7 с соответствующим сохранением в этом устройстве в системе реального времени. Во время движения АНПА 7 производится с помощью цифровой фотосистемы высокого разрешения съемка обстановки в зоне расположения трубопровода и каждого из объектов подводного комплекса в составе манифольда 9, фонтанной арматуры 11, опор защитных конструкций 12. С помощью многолучевого эхолота, гидролокатора бокового обзора и акустического профилографа в составе комплекта 14 бортовых приборов АНПА 7 во время выполнения миссии аппарата осуществляется также регистрация акустической объемной обстановки в зоне расположения трубопровода 1 и каждого из объектов подводного комплекса в составе манифольда 9, фонтанной арматуры 11 и опор защитных конструкций 12 с целью определения изменения пространственного положения этих устройств, а также появления каких-либо потенциально опасных предметов в указанной зоне. Завершающим этапом миссии АНПА 7 является его причаливание к донному причальному устройству 8, установление связи по радиоканалу между вторичным устройством 13 приема-передачи на АНПА 7 и блоком 17 информационной связи с передачей в него информации, полученной на АНПА 7 в ходе выполнения его миссии. Блок 17 информационной связи подключен посредством подводного кабеля 6 к береговой аппаратуре 4 обработки и регистрации и береговому блоку 5 дистанционного питания. По информационным линиям подводного кабеля 6 осуществляется передача всей информации, собранной в ходе миссии АНПА 7, по командам, например, оператора. По электрическим линиям подводного 6 кабеля электроэнергия от берегового блока 5 дистанционного питания поступает на передающее устройство 16 системы бесконтактной зарядки аккумуляторных батарей АНПА 7, что при его совмещении с приемной частью 15 устройства этой системы в режиме причаливания АНПА 7 к донному причальному устройств 8 дает возможность осуществить зарядку аккумуляторных батарей аппарата 7 автоматически или по команде оператора. После окончания зарядки батарей АНПА 7 готов к выполнению очередной миссии по мониторингу подводного добычного комплекса.