АКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СРЕДЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ACOUSTIC METHOD OF DEVICE FOR MEDIUM DETECTION AND DEFINING OF ITS CHARACTERISTICS

Область техники, к которой относится изобретение
Технология акустического резонанса (ART - технология) представляет собой технологию, в которой используется возможность применения акустической энергии для создания резонанса. Если пластину или трубу подвергают звуковому воздействию посредством импульса акустической энергии и акустическая энергия содержит волновые компоненты с частотами, соответствующими длинам волн, равным двойной или кратной толщине пластины или стенки трубы, то эти частоты создадут поперек пластины или стенки трубы стоячие волны. Когда импульс заканчивается, детектируют переизлученную резонансную энергию, обычно посредством гидрофона, расположенного на расстоянии от пластины.
Следует понимать, что в контексте приводимого здесь описания настоящего изобретения термин "резервуар" применим к любой конструкции, способной ограничивать среду относительно ее окружения, такой как, например, трубопровод, предназначенный для транспортировки нефти, газа или других сред, которые могут транспортироваться по системе труб.
Частоты, применяемые в импульсе акустической энергии, обычно будут на порядок или более ниже, чем частоты, применяемые в традиционных ультразвуковых технологиях, таким образом, имеется возможность проникать через слоистые материалы и обеспечивать определение характеристик различных сред. На энергосодержание в "резонансной части" энергии, возвращаемой после звукового воздействия, и полную отраженную энергию влияет среда, расположенная с обеих сторон пластины или стенки трубы. Среда снаружи подводных газопроводов обычно представляет собой морскую воду, в то время как среда, содержащаяся в трубопроводе, может представлять собой газ, конденсат или, иногда, гидрат. Акустические характеристики этих внутренних сред приведут к вариациям акустической энергии, возвращаемой от трубы при звуковом воздействии на нее акустической энергией.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что соответствующие акустические сопротивления газа, гидрата и конденсата отличаются друг от друга, и возвращаемая резонансная энергия, обладающая различными свойствами для этих, по меньшей мере, трех случаев, то есть газа, гидрата и конденсата, может использоваться для того, чтобы определить тип среды, находящейся в конкретном месте внутри резервуара, такого как труба.
Краткое описание изобретения.
Изобретение предлагает решение для обнаружения гидратной пробки или конденсата в резервуаре, а более конкретно в трубопроводе, посредством идентификации определенных характеристик акустического сигнала, испускаемого от (стенки) резервуара в ответ на спектрально широкий акустический сигнал, передаваемый от преобразователя по направлению к резервуару.
Решение согласно изобретению предусматривает способ, охарактеризованный в прилагаемом независимом пункте 1 формулы изобретения.
Решение согласно изобретению предусматривает устройство, охарактеризованное в прилагаемом независимом пункте 2 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1 представляет схему измерения, при котором преобразователь испускает акустическую энергию на часть стенки газовой трубы. Энергия, отраженная от внутренней части стенки трубы, будет отличаться в случае, если внутри находится гидрат, по сравнению с ситуацией, когда внутри трубы находится газ;
Фиг.2 представляет собой пример временной ряд отраженного сигнала от низкочастотного преобразовательного элемента (x);
Фиг.3 представляет собой пример временного ряда отраженного сигнала от низкочастотного преобразовательного элемента (y);
Фиг.4 представляет собой пример временного ряда отраженного сигнала от низкочастотного преобразовательного элемента (z);
Фиг.5 представляет собой пример спектра 'шлейфа' всех преобразовательных элементов, сведенных вместе;
Фиг.6 представляет собой пример спектра отражения всех преобразовательных элементов, сведенных вместе;
Фиг.7 представляет собой график, представляющий пример применения алгоритма согласно изобретению, примененного к спектру-образцу;
Фиг.8 представляет собой график, представляющий пример применения другого алгоритма согласно изобретению, примененного к спектру-образцу;
Фиг.9 показывает вариант с блоком обнаружения гидрата в виде стационарной установки;
Фиг.10 показывает пример блока обнаружения гидрата, смонтированного на подводном аппарате с дистанционным управлением; и
Фиг.11 показывает пример блока обнаружения гидрата, установленного в портативном блоке.
Спектр отражения: Этот спектр является результатом вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ) части временного ряда, начиная с номера n, намного более раннего, чем первая энергия первого отраженного импульса, достигшего приемника. Этот номер n зависит от импульса и от применяемого аналого-цифрового преобразователя. Пример показан на Фигуре 4, где сплошные, вертикальные (красные) линии указывают на пределы быстрого преобразования Фурье.
Спектр 'шлейфа': Этот спектр является результатом вычисления быстрого преобразования Фурье части временного ряда, содержащей резонансную энергию, испускаемую от стенки трубы. Быстрое преобразование Фурье начинается вслед за первым отраженным импульсом, отсчитав номер n от максимума первого отражения. Этот номер n зависит от импульса и от применяемого аналого-цифрового преобразователя. Примеры показаны на Фигурах 5 и 6, где пределы быстрого преобразования Фурье показаны как сплошные, вертикальные (красные) линии.
Оба спектра удобнее всего получать из первого полного отражения, достигающего приемника-преобразователя, но могут также быть результатом применения алгоритма быстрого преобразования Фурье на втором, третьем и последующих отражениях до тех пор, пока отношение "сигнал-шум" является допустимым.
Подробное описание изобретения.
Будучи отображенным на временной шкале, возвратившийся сигнал включает в себя энергию, представляющую ряд отражений, исходящих от передней стенки резервуара, в дополнение к дополнительной акустической энергии, исходящей от других границ между материалами, имеющими различные акустические сопротивления на соответствующих сторонах упомянутых границ. Также сюда включена возможная резонансная энергия, созданная внутри стенки трубы во время проникновения звука и позже переизлученная от границ.
Акустический сигнал, возвращенный от резервуара, представляет собой временной сигнал, который изменяется с течением времени, примеры показаны на Фигурах 4-6, и который обрабатывается с применением алгоритма быстрого преобразования Фурье к частям первого отражения, испускаемого от передней стенки с целью преобразования этой части временного сигнала в частотный спектр.
Дополнительные полученные спектры называются "спектром отражения" или "спектром шлейфа", зависящим от участка изменяющегося во время сигнала, к которому применяется быстрое преобразование Фурье.
Для определения присутствия в трубе газа, конденсата или гидрата к спектру, или спектрам, который был получен, как предложенному выше, применяются один или более алгоритмов. Алгоритмы предназначены для того, чтобы вычислять и извлекать конкретные параметры и соответствующие значения из "спектра отражения" или "спектра шлейфа", и результирующие значения этих параметров используются для определения типа среды, расположенной внутри трубы в том конкретном месте, в котором производится измерение. Алгоритмы могут быть применены к единственному измерению или к результирующему спектру отражения и 'шлейфа', получаемому при применении технологии сравнения и фильтрации, включающей в себя в качестве входных данных ряд измерений.
Настоящее изобретение предусматривает способ обнаружения гидратов газа в трубопроводах над выбранной областью резервуара, характеризующийся тем, что он включает в себя этапы, на которых:
1) генерируют широкополосные электрические сигналы возбуждения, которые включают в себя частотные составляющие в пределах рассматриваемой тестируемой области;
2) преобразуют вышеупомянутые широкополосные электрические сигналы возбуждения в широкополосные акустические сигналы;
3) передают вышеупомянутые широкополосные акустические сигналы внутрь измеряемого объекта;
4) принимают акустические ответные сигналы, исходящие от измеряемого объекта в ответ на вышеупомянутые переданные широкополосные акустические сигналы;
5) преобразуют вышеупомянутые акустические ответные сигналы, испускаемые упомянутым объектом, в электрические сигналы приемника;
6) доводят до кондиции вышеупомянутые сигналы приемника;
7) проводят анализ упомянутых доведенных до кондиции сигналов приемника для получения спектральных распределений энергии сигналов в вышеупомянутых доведенных до кондиции сигналах приемника;
8) применяют алгоритмы, которые классифицируют среду внутри трубы как 'газ', 'конденсат' или 'гидрат' на основе значений, выданных примененным алгоритмом (примененными алгоритмами).
Для хранения результатов измерений для последующей обработки или, например, для планирования и выполнения позже аналогичных исследований способ также включает сохранение различных результатов процесса классификации. Это означает сохранение временного ряда, записанного приемником-преобразователем, рассчитанного спектра отражения и «шлейфа», вычисленных значений примененного алгоритма (примененных алгоритмов) и классификации в качестве «газа», «гидрата» или «конденсата», которая является конечным результатом, связанным с каждым измерением.
Кроме того, для оператора или инспектора может быть полезно получить непосредственное представление результатов для того, чтобы, например, либо контролировать качество результатов, либо немедленно принимать решения о каких-либо мероприятиях, требующихся вследствие полученных результатов. Способ мог бы, следовательно, также включать в себя этап представления результатов с соответствующей обработкой для представления результатов подходящим для этого образом.
Генерирование широкополосных сигналов возбуждения обычно выполняется при помощи электронного генератора сигналов, который может быть настроен на подходящую форму сигнала и интенсивность сигнала, в предпочтительном варианте посредством блока управления, который контролирует отраженный эхо-сигнал. Подходящий сигнал возбуждения может быть охарактеризован следующим образом:
сигнал возбуждения разбит на ряд отдельных импульсов возбуждения:
каждый индивидуальный импульс возбуждения может иметь любую форму, которая имеет спектральный состав, который охватывает весь рассматриваемый диапазон частот;
примеры форм импульса включают в себя sin (x)/x, импульс с линейной частотной модуляцией, нестационарный и белый шум;
продолжительность каждого индивидуального импульса возбуждения отрегулирована таким образом, чтобы он не интерферировал с отраженным сигналом (откликом) от объекта, подвергаемого измерению;
промежуток времени между каждым импульсом возбуждения адаптирован таким образом, чтобы отраженный импульс от конструкции падал ниже заданного уровня;
энергетическое содержание в каждом индивидуальном импульсе регулируется, в предпочтительном варианте - автоматически, в заданных пределах до тех пор, пока мощность в отраженном сигнале не достигнет требуемого уровня;
характеристические параметры для импульса управляются программным обеспечением в блоке управления.
После звукового воздействия на объект, такой как труба, широкополосным акустическим импульсным сигналом типичный эхо-сигнал, который принят и обработан способом согласно изобретению, может быть охарактеризован следующим образом:
сигнал состоит из двух основных частей, "первичное отражение" и "шлейф";
для определения характеристики среды внутри трубы может быть использована любая из частей - "первичное отражение" и "шлейф";
программное обеспечение, выполняющееся на компьютере, который осуществляет анализ и вычисление, определяет на основе заданных критериев, какие части отраженного сигнала и "шлейфа" нужно учитывать при определении характеристики среды внутри анализируемой трубы;
уровень мощности части эхо-сигнала, которую желательно использовать для определения характеристики, приспосабливается к диапазону измерений аналого-цифровых преобразователей посредством управления испускаемой мощностью и/или регулирования усиления принятого эхо-сигнала;
благодаря чему способ выполняет регулирование амплитуды принятого эхо-сигнала под автоматическим управлением посредством программного обеспечения (автоматическое переключение пределов измерений).
Обработка сигналов и определение характеристики среды, выполняемые посредством способа согласно изобретению, могут включать в себя следующее:
берут БПФ (быстрое преобразование Фурье) участка эхо-сигнала, который желательно использовать при определении характеристики среды;
на основе быстрого преобразования Фурье формируют энергетический спектр, который описывает энергосодержание в эхо-сигнале как функцию частоты;
применяют один или более разработанных алгоритмов к одному или более вычисленным энергетическим спектром;
затем характеризуют среду в трубе в конкретном месте как «газ», «гидрат» или «конденсат»;
для дальнейшего улучшения измерений, необязательно, анализируют, в сочетании с энергетическими соображениями или отдельно, фазу в ответном сигнале.
Изобретение также предусматривает устройство для выполнения обнаружения или определения характеристики среды, расположенной в части объекта-резервуара, измеряемого над избранной частью этого резервуара, характеризующееся тем, что оно содержит:
1) генератор сигналов для генерирования широкополосного, электрического сигнала возбуждения;
2) широкополосный датчик, имеющий по меньшей мере один преобразователь для преобразования электрического сигнала возбуждения в акустический сигнал возбуждения, передачи упомянутого акустического сигнала возбуждения, приема акустического ответного сигнала и преобразования акустического ответного сигнала в электрический принятый сигнал;
3) средство обработки для доведения до требуемых параметров и спектрального анализа принятого сигнала;
4) вычислительное средство для того, чтобы применять по меньшей мере один алгоритм обнаружения или определения характеристики к выходным данным, из средства обработки, и тем самым характеризовать среду как 'газ', 'гидрат' или 'конденсат'; и
5) средство управления, функционально соединенное с упомянутыми источником сигналов, датчиком, средством обработки и вычислительным средством, для управления ими.
Для сохранения результатов измерений устройство будет также включать в себя одно или более записывающих средств, соединенных с упомянутыми средством управления и вычислительным средством. Для сохранения результатов может быть предусмотрено использование ряда различных устройств, таких как дисковое запоминающее устройство, машиночитаемые бумажные распечатки, перфоленты и тому подобное.
Для того чтобы иметь возможность наблюдать результаты на различных стадиях обработки сигналов, применения алгоритмов, и т.д., например, оператору или инспектору, устройство будет также включать в себя одно или более средств вывода данных, соединенных со средством управления и вычислительным средством для обработки и представления вычисленных характеристик среды. Устройства вывода, которые подходят для этой цели, могут, например, представлять собой принтеры для вывода на бумагу, экраны дисплеев, имеющие либо цветное или монохромное воспроизведение, относящиеся к электронно-лучевому типу, плазменному типу, жидкокристаллическому (LCD) типу, или тому подобное.
Преобразователи и их конфигурации, которые подходят для целей предоставления сигнала возбуждения или для приема акустического эхо-сигнала, могут также быть описаны следующим образом:
преобразовательный элемент может быть выполнен с возможностью либо только передавать, либо только принимать, или как передавать, так и принимать;
если требуется, то в датчике с множеством преобразователей может быть сделан выбор: осуществлять передачу на выбранных элементах и прием на других элементах;
импульс возбуждения может быть одновременно передан всем элементам датчика с множеством преобразователей или только выбранным преобразовательным элементам;
конфигурацией преобразователей возбуждения можно управлять посредством программного обеспечения в средстве управления.
Таким образом, первое преобразовательное средство для излучения сигнала возбуждения и второе преобразовательное средство для приема эхо-сигнала могут быть воплощены в едином преобразовательном средстве.
Ниже более подробно разъясняются алгоритмы, соответствующие изобретению.
Алгоритм 1
Алгоритм 1 будет разъяснен со ссылкой на фиг.6. Этот алгоритм применяется к спектру отражения, который показан на фиг.6, и рассчитывает отношение n-го максимума и соответствующего минимума, расположенного непосредственно слева от n-го максимума этого спектра отражения. Затем он сверяет результирующее значение с заранее заданными диапазонами, которые характеризуют различные среды.
A1=nMax/nMin
Алгоритм 2
Алгоритм 2 будет разъяснен со ссылкой на фиг.6. Этот алгоритм применяется к спектру отражения, который показан на фиг.6, и рассчитывает отношение n-го максимума и (n-го - k) максимума спектра отражения, где k представляет собой число в диапазоне от 1 до n. Это отношение представляет собой своего рода градиент части спектра. Это отношение сверяется с заранее заданными диапазонами чисел, которые характеризуют различные среды, которые могли бы находиться внутри конкретной трубы.
A2=nMax/(n-k)Max
Алгоритм 3
Алгоритм 3 будет разъяснен со ссылкой на фиг.5. Этот алгоритм применяется к спектру 'шлейфа', который показан на фиг.5, и рассчитывает разность между заранее заданным значением n-й гармоники, основанным на знании толщины трубы, и фактическим значением, извлеченным из спектра 'шлейфа', и сравнивает эту разность с заранее заданным диапазоном сдвигов частоты, характеризующим различные среды, которые могли бы находиться внутри конкретной трубы.
A3=fnТеоретическая-fnИзмеренная
Алгоритм 4
Алгоритм 4 будет разъяснен со ссылкой на фиг.5. Этот алгоритм применяется к спектру 'шлейфа', который показан на фиг.5, и рассчитывает уровень энергии n гармоник спектра 'шлейфа' и сравнивает результирующее значение с заранее заданным диапазоном значений, характеризующим различные возможные среды внутри конкретной трубы.
n
A4=ΣУровеньЭнергии (f), где n=0,1,…Максимальная Гармоника
Алгоритм 5
Алгоритм 5 будет разъяснен со ссылкой на фиг.5 и 6. Этот алгоритм применяется к спектру отражения или спектру 'шлейфа', которые показаны на фиг.5 и фиг.6, и рассчитывает стандартное отклонение результатов применения алгоритма 1, 2, 3 или 4 к множеству последовательно полученных спектров отражения или спектров 'шлейфа', и сравнивает результат с заранее заданным диапазоном значений, характеризующим различные среды.
m
A5=СТАНДАРТНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ (AN), где N=1,2,3 или 4, a m представляет собой количество результатов, используемых для вычисления стандартного отклонения
Алгоритм 6
Алгоритм 6 будет разъяснен со ссылкой на фиг.5 и 6. Этот алгоритм применяется к спектру отражения, спектру 'шлейфа', которые показаны на фиг.5 и фиг.6, или обоим из них и объединяет 2 или более из вышеперечисленных алгоритмов. Примером было бы:
A6=A1+A2
Пример
Этот пример разъясняется со ссылкой на фиг.1, фиг.6, фиг.8 и фиг.9. Для измерений на различных отрезках трубы, содержащих газ, конденсат и гидрат, был применен широкополосный акустический преобразователь, см. фиг.1. После доведения сигналов до требуемых параметров для получения спектров отражения, которые показаны на фиг.6, был применен алгоритм A1 с n=10 (номер 1) и n=11 (номер 2) и применен алгоритм A2 с n=11 и k=5 (номер 3). Результаты показаны на фиг.8 и фиг.9.
Обнаружение гидрата газа - Вариант 1
Вариант 1 будет разъяснен со ссылкой на фиг.9. На газопроводе в заранее определенных местах, которые определяются рассматриваемой нефтяной компанией, должен быть смонтирован комбинированный модуль преобразователя и электронной аппаратуры (предпочтительно также включающий в себя обработку сигналов). Закрепленный агрегат будет снабжать нефтяную компанию ценной информацией для того, чтобы быть в состоянии обнаружить гидратообразование на ранней стадии, таким образом, позволяя предпринять корректирующие меры, как, например, впрыскивание метанола, для того, чтобы предотвратить развитие гидратной пробки до размеров, когда она блокирует газовый поток.
Преобразовательный модуль может снабжаться энергией, например, от работающей на морской воде батареи, хотя более предпочтительным решением является индуктивное питание от модуля связи, опускаемого исследовательским судном, или от автономного подводного аппарата, также известного как AUV, или от подводного аппарата с дистанционным управлением, также известного как ROV. Предпочтительной связью между исследовательским судном, автономным подводным аппаратом или подводным аппаратом с дистанционным управлением и закрепленным преобразовательным модулем обычно может быть беспроводная связь с использованием связи на декамегаметровых волнах, также известной как ELF-связь.
Обнаружение гидрата газа - Вариант 2
Вариант 2 будет разъяснен со ссылкой на фиг.10. Предпочтительный способ для сканирования (при постоянной и переменной частоте повторения) и идентификация возможных гидратных пробок заключается в использовании подводного аппарата с дистанционным управлением, который «ползает» по верхней части трубопровода. На этом подводном аппарате с дистанционным управлением смонтирован датчик, содержащий матрицу преобразователей из одного или более преобразователей, расположенных таким образом, чтобы охватывать заранее определенный участок окружности трубопровода. Данные будут посылаться через связующее звено подводного аппарата с дистанционным управлением для выполняемой над водой обработки сигналов. Разделяющее расстояние между преобразователем и трубопроводом не является критически важным и может в предпочтительном варианте находиться между 50 мм и 300 мм.
Обнаружение гидрата газа - Вариант 3
Вариант 3 будет разъяснен со ссылкой на фиг.11. Преобразовательный и электронный модуль могут быть объединены с волноводным средством для передачи акустических сигналов, и могут использоваться в воздушной среде инспектором на трубах, подверженных образованию гидратов, например на нефтеперерабатывающих заводах. Этот блок должен находиться в контакте с трубой. Предпочтительная конструкция волновода может быть такой, как описано в общих чертах в норвежском патенте №314554. Обработка сигналов осуществляется средством обработки, заключенным в переносном блоке, и результаты могут отображаться на месте и в режиме реального времени.