宋小海(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

隨著深海油氣鉆采技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)的海洋油氣行業(yè)正在快速地向深水邁進(jìn)。海洋油氣資源的大力勘探、開(kāi)發(fā)和利用，在保障國(guó)家能源安全的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列的潛在環(huán)境安全問(wèn)題，比如深海油氣泄漏等。

由于水下油氣田比較偏遠(yuǎn)，同時(shí)位于海底，水下生產(chǎn)設(shè)備一般處于無(wú)人監(jiān)控狀態(tài)。水下智能泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在線監(jiān)測(cè)各種泄漏事故的發(fā)生，以便快速處理，控制和降低事故的風(fēng)險(xiǎn)。

本文主要介紹一種基于聲納技術(shù)的水下智能聲納監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成以及水池試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容等[1-3]。

1 水下智能泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

對(duì)于泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，其首要技術(shù)指標(biāo)即提前預(yù)警或快速響應(yīng)，在保證時(shí)間的前提下還需降低錯(cuò)誤報(bào)警的發(fā)生率。

本水下智能泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是聲吶技術(shù)，基于功率譜的聲信號(hào)頻帶確定泄漏的發(fā)生。聲波在海水中的傳播速度約 1 500 m/s，而油氣泄漏的聲信號(hào)主要頻率集中在2 000～7 500 Hz這一頻率段。在5 000 Hz附近的頻帶范圍內(nèi)，有最大的功率譜值，因此5 000 Hz附近應(yīng)是泄漏信號(hào)的主要頻帶區(qū)。本系統(tǒng)主要基于頻譜互相關(guān)分析的信號(hào)檢測(cè)，利用信號(hào)的自相關(guān)，可判定信號(hào)是否含有周期成分，并判定信號(hào)源位置。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于聲吶技術(shù)的水下泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取的是模塊化設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模塊主要包括帶吊裝芯軸的安裝撬、聲吶模塊、水下濕插拔電接頭以及包含電子元器件的水密電子艙。整體結(jié)構(gòu)通過(guò)吊裝芯軸進(jìn)行海洋水下安裝和回收，電子艙所采集到的數(shù)據(jù)處理后通過(guò)電接頭連接的海底電纜輸出傳回海洋平臺(tái)中控室。

圖1 水下油氣泄漏聲吶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)安裝于待測(cè)設(shè)備如水下采油樹(shù)、管匯。聲吶與電子艙通過(guò)屏蔽雙絞電纜連接。信號(hào)采集處理系統(tǒng)采用虛擬儀器VI系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡、串／并口、 IEEE488接口卡、VXI控制器以及其他接口卡。

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)采用虛擬儀器圖形軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW。泄漏分析參數(shù)設(shè)置如生產(chǎn)介質(zhì)(油、氣)的選擇、生產(chǎn)壓力、溫度、流量等。聲吶(水聽(tīng)器)參數(shù)設(shè)置包含實(shí)施功率譜計(jì)算、頻域窗函數(shù)選擇、信號(hào)接收靈敏度校準(zhǔn)補(bǔ)償設(shè)置等。其他功能包括信號(hào)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)查詢、信號(hào)報(bào)警、報(bào)警信息統(tǒng)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控等。

背景干擾噪聲是影響系統(tǒng)可靠性的一大因素，因此需要進(jìn)行背景噪聲的抑制，本系統(tǒng)主要采用的噪聲抑制技術(shù)包括：(1)低頻聲吶，排除高頻干擾；(2)硬件信號(hào)濾波，收獲高信噪比；(3)信號(hào)互相關(guān)算法。

3 水池試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的功能及可靠性，利用項(xiàng)目研發(fā)的樣機(jī)進(jìn)行了一系列水池試驗(yàn)，內(nèi)容包括：(1)聲源信號(hào)采集定位試驗(yàn)；(2)背景噪聲試驗(yàn)；(3)誤報(bào)警試驗(yàn)；(4)監(jiān)測(cè)靈敏度試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)布置

水池試驗(yàn)設(shè)施包含測(cè)試水池、氣源動(dòng)力站、模擬水下采油樹(shù)所用的5寸液控閘閥(2臺(tái))、供電單元、主控臺(tái)以及研發(fā)的上位機(jī)軟件程序等。水下智能油氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的聲吶傳感器設(shè)置于距閘閥1.5 m處。

水池試驗(yàn)時(shí)，利用氣源動(dòng)力站向一臺(tái)5寸單閘閥打壓，閘閥法蘭出口設(shè)置1/2″孔徑針閥，打開(kāi)針閥模擬氣體泄漏，以進(jìn)行單閘閥聲源定位信號(hào)采集測(cè)試。

為驗(yàn)證系統(tǒng)在背景噪聲信號(hào)擾動(dòng)狀態(tài)下的信號(hào)接收可靠性，利用雙閘閥進(jìn)行背景噪聲試驗(yàn)，一臺(tái)5寸閘閥模擬閥門(mén)泄漏，操作另一臺(tái)5寸液控閘閥開(kāi)閉以模擬背景噪聲。

3.2 聲源信號(hào)采集定位試驗(yàn)

聲源信號(hào)采集波形圖如圖2所示。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的聲源定位系統(tǒng)的性能，在水池環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。測(cè)試的物理?xiàng)l件：采樣率44.1 kHz，5寸閘閥，泄漏點(diǎn)設(shè)置1/2″孔徑針閥，閘閥內(nèi)通壓縮空氣，氣壓2 MPa，泄漏點(diǎn)距離水聽(tīng)器1.5 m。

圖2 聲源信號(hào)采集波形圖

首先檢測(cè)到在該閘閥上有漏點(diǎn)存在，然后對(duì)閘閥的泄漏聲信號(hào)進(jìn)行多次采集并進(jìn)行時(shí)延估計(jì)以確定漏點(diǎn)位置。設(shè)置數(shù)字濾波器的截止頻率，經(jīng)過(guò)去噪處理之后用廣義互相關(guān)法分析泄漏聲信號(hào)得出時(shí)延值是2.687 ms，由此算出漏點(diǎn)距離水聽(tīng)器1.492 m，與實(shí)際接近，重復(fù)以上過(guò)程10 min，測(cè)得所有泄漏時(shí)的譜線均基本一致。在相同條件下測(cè)了10次，得到10組數(shù)據(jù)，取其平均值為2.745 ms，由此算出漏點(diǎn)距離聲吶1.521 m，與實(shí)際情況十分吻合，誤差≈1.4%，說(shuō)明廣義互相關(guān)算法有效。

3.3 背景噪聲試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的信號(hào)采集處理可靠性，在水池環(huán)境下用5寸液控閘閥的重復(fù)開(kāi)閉動(dòng)作來(lái)模擬環(huán)境背景噪聲。液控閘閥帶有液壓促動(dòng)器，促動(dòng)器為帶彈簧回復(fù)的液壓缸連桿機(jī)構(gòu)。液壓缸通液壓時(shí)壓縮彈簧、活塞帶動(dòng)閥桿下壓并打開(kāi)閘閥；液壓缸泄壓時(shí)彈簧回復(fù)帶動(dòng)閥桿上升關(guān)閉閘閥。閥門(mén)的開(kāi)閉過(guò)程中液壓缸活塞、彈簧、閥桿運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生聲信號(hào)。

測(cè)試的物理?xiàng)l件：采樣率44.1 kHz；一臺(tái)5寸閘閥連接1/2″針閥，此時(shí)針閥關(guān)閉沒(méi)有氣體泄漏；一臺(tái)5寸液控閘閥。

3.4 誤報(bào)警試驗(yàn)

誤報(bào)警試驗(yàn)基于聲源信號(hào)定位采集試驗(yàn)和背景噪聲試驗(yàn)進(jìn)行。誤報(bào)警試驗(yàn)時(shí)，采用雙閘閥同時(shí)工作，一臺(tái)模擬閥門(mén)泄漏，泄漏點(diǎn)設(shè)置1/2″孔徑針閥，閘閥內(nèi)通壓縮空氣，氣壓2 MPa，泄漏點(diǎn)距離水聽(tīng)器1.5 m；另一臺(tái)模擬背景噪聲，重復(fù)開(kāi)閉動(dòng)作20次。

3.5 監(jiān)測(cè)靈敏度試驗(yàn)

為驗(yàn)證聲吶泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作可靠性，基于聲源定位氣體泄漏試驗(yàn)設(shè)置氣體泄漏參數(shù)，調(diào)節(jié)氣壓及流量，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)并產(chǎn)生報(bào)警的靈敏度進(jìn)行試驗(yàn)。按照設(shè)置的不同氣體泄漏速率，測(cè)得系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并產(chǎn)生報(bào)警的泄漏濃度最低可達(dá)75.2 mg/L (實(shí)際測(cè)量氣體泄漏速率8個(gè)氣泡/秒)，設(shè)計(jì)的聲吶泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度超過(guò)預(yù)設(shè)指標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)海洋油氣田水下智能泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，海上平臺(tái)控制中心可在第一時(shí)間內(nèi)接收到海底石油、天然氣泄漏的警報(bào)，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行智能化、自動(dòng)化關(guān)井操作，在泄漏發(fā)生的早期即可發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行干預(yù)，及時(shí)控制災(zāi)害的不斷蔓延擴(kuò)大，避免水下油氣泄漏造成的海洋油氣生產(chǎn)重大安全事故的發(fā)生，降低由此造成的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)等。

本文基于聲吶監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行水下油氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)水池試驗(yàn)進(jìn)行聲源信號(hào)采集定位測(cè)試，確定系統(tǒng)監(jiān)測(cè)泄漏并定位泄漏源的功能；同時(shí)還進(jìn)行了包括背景噪聲、誤報(bào)警以及監(jiān)測(cè)靈敏度等測(cè)試，確保該系統(tǒng)在實(shí)際服役時(shí)的可靠性。