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的不斷進步，我國的海洋油氣行業(yè)正在快速地向深水邁進。海洋油氣資源的大力勘探、開發(fā)和利用，在保障國家能源安全的同時，也帶來了一系列的潛在環(huán)境安全問題，比如深海油氣泄漏等。

由于水下油氣田比較偏遠，同時位于海底，水下生產設備一般處于無人監(jiān)控狀態(tài)。水下智能泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可以在線監(jiān)測各種泄漏事故的發(fā)生，以便快速處理，控制和降低事故的風險。

本文主要介紹一種基于聲納技術的水下智能聲納監(jiān)測系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的工作原理、結構組成以及水池試驗驗證內容等[1-3]。

1 水下智能泄漏監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

對于泄漏監(jiān)測系統(tǒng)而言，其首要技術指標即提前預警或快速響應，在保證時間的前提下還需降低錯誤報警的發(fā)生率。

本水下智能泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用的是聲吶技術，基于功率譜的聲信號頻帶確定泄漏的發(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，有最大的功率譜值，因此5 000 Hz附近應是泄漏信號的主要頻帶區(qū)。本系統(tǒng)主要基于頻譜互相關分析的信號檢測，利用信號的自相關，可判定信號是否含有周期成分，并判定信號源位置。

2 系統(tǒng)構成

基于聲吶技術的水下泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采取的是模塊化設計，總體結構如圖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。整體結構通過吊裝芯軸進行海洋水下安裝和回收，電子艙所采集到的數(shù)據(jù)處理后通過電接頭連接的海底電纜輸出傳回海洋平臺中控室。

圖1 水下油氣泄漏聲吶監(jiān)測系統(tǒng)

整個系統(tǒng)安裝于待測設備如水下采油樹、管匯。聲吶與電子艙通過屏蔽雙絞電纜連接。信號采集處理系統(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)軟件開發(fā)采用虛擬儀器圖形軟件開發(fā)平臺LabVIEW。泄漏分析參數(shù)設置如生產介質(油、氣)的選擇、生產壓力、溫度、流量等。聲吶(水聽器)參數(shù)設置包含實施功率譜計算、頻域窗函數(shù)選擇、信號接收靈敏度校準補償設置等。其他功能包括信號監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)查詢、信號報警、報警信息統(tǒng)計及系統(tǒng)運行監(jiān)控等。

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

3 水池試驗驗證

為驗證該系統(tǒng)的功能及可靠性，利用項目研發(fā)的樣機進行了一系列水池試驗，內容包括：(1)聲源信號采集定位試驗；(2)背景噪聲試驗；(3)誤報警試驗；(4)監(jiān)測靈敏度試驗。

3.1 試驗布置

水池試驗設施包含測試水池、氣源動力站、模擬水下采油樹所用的5寸液控閘閥(2臺)、供電單元、主控臺以及研發(fā)的上位機軟件程序等。水下智能油氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的聲吶傳感器設置于距閘閥1.5 m處。

水池試驗時，利用氣源動力站向一臺5寸單閘閥打壓，閘閥法蘭出口設置1/2″孔徑針閥，打開針閥模擬氣體泄漏，以進行單閘閥聲源定位信號采集測試。

為驗證系統(tǒng)在背景噪聲信號擾動狀態(tài)下的信號接收可靠性，利用雙閘閥進行背景噪聲試驗，一臺5寸閘閥模擬閥門泄漏，操作另一臺5寸液控閘閥開閉以模擬背景噪聲。

3.2 聲源信號采集定位試驗

聲源信號采集波形圖如圖2所示。為驗證設計的聲源定位系統(tǒng)的性能，在水池環(huán)境下進行了實際測試。測試的物理條件：采樣率44.1 kHz，5寸閘閥，泄漏點設置1/2″孔徑針閥，閘閥內通壓縮空氣，氣壓2 MPa，泄漏點距離水聽器1.5 m。

圖2 聲源信號采集波形圖

首先檢測到在該閘閥上有漏點存在，然后對閘閥的泄漏聲信號進行多次采集并進行時延估計以確定漏點位置。設置數(shù)字濾波器的截止頻率，經過去噪處理之后用廣義互相關法分析泄漏聲信號得出時延值是2.687 ms，由此算出漏點距離水聽器1.492 m，與實際接近，重復以上過程10 min，測得所有泄漏時的譜線均基本一致。在相同條件下測了10次，得到10組數(shù)據(jù)，取其平均值為2.745 ms，由此算出漏點距離聲吶1.521 m，與實際情況十分吻合，誤差≈1.4%，說明廣義互相關算法有效。

3.3 背景噪聲試驗

為驗證系統(tǒng)設計在實際生產過程中的信號采集處理可靠性，在水池環(huán)境下用5寸液控閘閥的重復開閉動作來模擬環(huán)境背景噪聲。液控閘閥帶有液壓促動器，促動器為帶彈簧回復的液壓缸連桿機構。液壓缸通液壓時壓縮彈簧、活塞帶動閥桿下壓并打開閘閥；液壓缸泄壓時彈簧回復帶動閥桿上升關閉閘閥。閥門的開閉過程中液壓缸活塞、彈簧、閥桿運動產生振動，進而產生聲信號。

測試的物理條件：采樣率44.1 kHz；一臺5寸閘閥連接1/2″針閥，此時針閥關閉沒有氣體泄漏；一臺5寸液控閘閥。

3.4 誤報警試驗

誤報警試驗基于聲源信號定位采集試驗和背景噪聲試驗進行。誤報警試驗時，采用雙閘閥同時工作，一臺模擬閥門泄漏，泄漏點設置1/2″孔徑針閥，閘閥內通壓縮空氣，氣壓2 MPa，泄漏點距離水聽器1.5 m；另一臺模擬背景噪聲，重復開閉動作20次。

3.5 監(jiān)測靈敏度試驗

為驗證聲吶泄漏監(jiān)測系統(tǒng)工作可靠性，基于聲源定位氣體泄漏試驗設置氣體泄漏參數(shù)，調節(jié)氣壓及流量，對系統(tǒng)監(jiān)測信號并產生報警的靈敏度進行試驗。按照設置的不同氣體泄漏速率，測得系統(tǒng)監(jiān)測并產生報警的泄漏濃度最低可達75.2 mg/L (實際測量氣體泄漏速率8個氣泡/秒)，設計的聲吶泄漏監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度超過預設指標。

4 結語

通過海洋油氣田水下智能泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的應用，海上平臺控制中心可在第一時間內接收到海底石油、天然氣泄漏的警報，并根據(jù)系統(tǒng)設置進行智能化、自動化關井操作，在泄漏發(fā)生的早期即可發(fā)現(xiàn)并進行干預，及時控制災害的不斷蔓延擴大，避免水下油氣泄漏造成的海洋油氣生產重大安全事故的發(fā)生，降低由此造成的環(huán)境污染風險等。

本文基于聲吶監(jiān)測技術進行水下油氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設計，通過水池試驗進行聲源信號采集定位測試，確定系統(tǒng)監(jiān)測泄漏并定位泄漏源的功能；同時還進行了包括背景噪聲、誤報警以及監(jiān)測靈敏度等測試，確保該系統(tǒng)在實際服役時的可靠性。