摘 要：【目的】管道輸送是陸上油田原油輸送的主要方式，由于管道會受到多種因素的影響而發(fā)生泄漏，所以及時發(fā)現(xiàn)泄漏情況對及時處置、避免產(chǎn)生安全環(huán)保問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國內(nèi)外在管道泄漏在線監(jiān)測技術(shù)方面已有大量研究，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在很多問題，本研究旨在對監(jiān)測技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行歸納分析?！痉椒ā勘狙芯渴紫葟脑砗同F(xiàn)場應(yīng)用效果兩個方面，總結(jié)陸上油田原油管道泄漏在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀，然后針對各類常用技術(shù)，對應(yīng)用中存在的5項(xiàng)難點(diǎn)問題進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】找出了制約管道泄漏監(jiān)測準(zhǔn)確性的根本原因，并提出解決建議?！窘Y(jié)論】研究成果將有助于更好地了解管道泄漏在線監(jiān)測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用問題，為下一步研究提供思路和方向。

關(guān)鍵詞：陸上油田；原油管道；泄漏監(jiān)測；技術(shù)難點(diǎn)

中圖分類號：TE832" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0049-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.010

Analysis of Technical Difficulties in On-Line Monitoring of Crude Oil Pipeline Leakage in Onshore Oil Fields

ZHANG Henan YANG Haotian WANG Honghao LANG Ying LIU Zhaoqi

（Shengli Oil Production Plant， Shengli Oilfield Company， SINOPEC， Dongying 257000， China）

Abstract： [Purposes] Pipeline transportation is the main way of crude oil transportation in onshore oil fields. Because the pipeline is affected by many factors， it is of great practical significance to find the leakage in time for timely disposal and avoid safety and environmental protection problems. At present， there have been a lot of researches on pipeline leakage on-line monitoring technology at home and abroad， but there are still many problems in practical application. This paper aims to summarize and analyze the difficulties in monitoring technology. [Methods] This paper firstly summarizes the current situation of on-line monitoring technology of oil pipeline leakage in onshore oil field from two aspects of principle and field application effect. Then， according to all kinds of common technologies， five difficult problems existing in the application are analyzed. [Findings] The root causes restricting the accuracy of pipeline leakage monitoring are found out， and the solutions are proposed. [Conclusions] The research results will help people to better understand the practical application of pipeline leakage monitoring technology， and provide ideas and directions for the next research.

Keywords： onshore oil field; crude oil pipeline; leakage monitoring; technological difficulty

0 引言

陸上油田原油輸送管道作為運(yùn)輸油田產(chǎn)出原油的主要方式之一，其安全運(yùn)行對油田開發(fā)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，安全環(huán)保質(zhì)量管理愈發(fā)嚴(yán)格，以“氣不上天、油不落地、水不外排”為原則，對油田原油輸送管道的管理和技術(shù)提出了更高要求。

陸上油田原油輸送管道主要承擔(dān)四類節(jié)點(diǎn)之間的原油輸送，分別為計(jì)轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站、油庫與石化廠站，短則數(shù)公里，長則百余公里，人工巡檢無法實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。管道泄漏的因素可分為設(shè)備因素和人為因素，設(shè)備因素包括管線腐蝕、老化等，人為因素包括施工破壞、偷盜原油等。在實(shí)際生產(chǎn)中，管道泄漏難以避免，且規(guī)律難尋，而根據(jù)安全要求，必須做到泄漏及時發(fā)現(xiàn)、及時處置。因此，管道泄漏監(jiān)測應(yīng)利用信息化手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測、精確識別和準(zhǔn)確定位。

近年來，陸上油田在關(guān)鍵原油輸送管道上建成了管道泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行了應(yīng)用改進(jìn)。目前，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，原油管道泄漏在線監(jiān)測應(yīng)用仍存在5項(xiàng)難點(diǎn)，其制約著管道泄漏的及時發(fā)現(xiàn)和處置，給油田的安全生產(chǎn)運(yùn)行帶來困擾。本研究將圍繞這5項(xiàng)難點(diǎn)，結(jié)合原油管道泄漏在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行分析，并提出下一步的改進(jìn)方向。

1 陸上油田管道泄漏在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

管道泄漏檢測可分為3個遞進(jìn)層次，一是識別是否存在泄漏；二是對泄漏發(fā)生的位置進(jìn)行定位；三是對泄漏量進(jìn)行估算。

目前，管道泄漏監(jiān)測方法主要有負(fù)壓波法、聲波法、分布式光纖法、漏磁法、智能清管器法、信號分析法、數(shù)學(xué)建模法、人工智能等［1］。在現(xiàn)場應(yīng)用中，技術(shù)的更新和實(shí)際應(yīng)用有較大差距，存在普適性較差的問題，有些技術(shù)甚至無法應(yīng)用于實(shí)際情況。

陸上油田原油輸送管道泄漏監(jiān)測應(yīng)用最廣的方式是負(fù)壓波法［2］，其原理是通過計(jì)算負(fù)壓波從泄漏點(diǎn)傳播到泄漏點(diǎn)兩側(cè)壓力傳感器的時間差和負(fù)壓波在管道中的傳播速度，以便對原油輸送管道泄漏進(jìn)行檢測。負(fù)壓波法具有泄漏識別速度快、設(shè)備安裝成本低、定位精度高的特點(diǎn)，但容易受環(huán)境噪聲和工況干擾。

部分管道泄漏監(jiān)測采用聲波法［3-4］，其原理是利用泄漏點(diǎn)處高速射流液體與管壁相互作用產(chǎn)生震蕩聲波，根據(jù)聲波傳播特性進(jìn)行管道泄漏檢測。聲波法具有檢測速度快、定位較準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但是受工況影響較大。

分布式光纖法［5］是通過沿管線敷設(shè)光纖，實(shí)現(xiàn)對管道泄漏振動信號的采集，具有精度高、抗強(qiáng)電磁干擾的特點(diǎn)。但存在設(shè)備成本高、施工量大、后期維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，因此應(yīng)用并不廣泛。

漏磁法［6］通過檢測磁場畸變的分布范圍、強(qiáng)度大小等數(shù)據(jù)來分析管道是否發(fā)生泄漏。缺點(diǎn)是只適用于鐵磁性的管道檢測，不適用于玻璃鋼等無磁性管道檢測，并且相關(guān)數(shù)據(jù)采集存儲量大，分析處理方法較復(fù)雜。

清管器是清潔管道雜質(zhì)的主要工具，智能清管器則是一種搭載多傳感器技術(shù)的智能檢測設(shè)備［6］。智能清管器主要依靠管道流體的動力前進(jìn)，在清管作業(yè)的同時發(fā)射超聲波信號，該信號被管壁上的缺陷反射回來，由攜帶的傳感器接收該信號進(jìn)行存儲，從而得到管道內(nèi)部的腐蝕等缺陷信息。但是，這種管道檢測儀搭載的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測節(jié)點(diǎn)所用的算法比較復(fù)雜，能耗較高。

信號分析法［7］利用自身所需的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行泄漏檢測和定位，因而對于信號自身的條件，降噪效果和奇異點(diǎn)提取精度要求較高，現(xiàn)場環(huán)境噪聲和設(shè)備噪聲標(biāo)準(zhǔn)對降噪技術(shù)提出了較高的要求。同時，泄漏概率相對較高的管網(wǎng)往往建設(shè)早，運(yùn)行時間長，這就導(dǎo)致了信號采集設(shè)備不能滿足新技術(shù)對于信號質(zhì)量的需求。

數(shù)學(xué)建模法［8］對目標(biāo)管網(wǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)建模，盡可能地利用管網(wǎng)所提供的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行模型搭建，以使所建模型能對目標(biāo)管網(wǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)描述，因而泄漏檢測效果與定位精度受制于模型精度和目標(biāo)管網(wǎng)的數(shù)據(jù)和硬件條件。在實(shí)際應(yīng)用中，管網(wǎng)的歷史信息和硬件條件往往參差不齊，精準(zhǔn)建模難以實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用性不強(qiáng)，多用于實(shí)驗(yàn)室理論分析。

近年來，人工智能［9-10］在信號檢測、模式識別等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在管道泄漏監(jiān)測領(lǐng)域常用的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、聚類等多種算法。但在實(shí)際生產(chǎn)中難以應(yīng)用的原因有兩點(diǎn)：一是管道泄漏數(shù)據(jù)庫存在泄漏數(shù)據(jù)量少的問題，絕大多數(shù)樣本是無泄漏時的數(shù)據(jù)，樣本訓(xùn)練存在較大難度；二是每條管道的特性不同，不同管道的訓(xùn)練模型無法通用，每條管道都進(jìn)行訓(xùn)練的工作量較大，并且管道只要進(jìn)行改造，就需要重新收集數(shù)據(jù)、重新訓(xùn)練，該過程十分復(fù)雜，需要大量后期運(yùn)維。所以，人工智能在管道泄漏在線監(jiān)測的應(yīng)用性還需進(jìn)一步研究。

2 管道泄漏監(jiān)測難點(diǎn)

2.1 不同泄漏情況的監(jiān)測難點(diǎn)

根據(jù)泄漏情況劃分，監(jiān)測難度較大的情況包括小流量泄漏和邊泄邊注。

①小流量泄漏。這種現(xiàn)象出現(xiàn)時往往穿孔直徑很小，在短時間泄漏量不大，尤其是埋地管道，泄漏原油滲入地下，攝像頭、紅外成像和人工巡檢均難以發(fā)現(xiàn)。由于小泄漏量發(fā)生時流量和壓力均有變化，所以在小泄漏出現(xiàn)的時刻相對較容易監(jiān)測，但在泄漏過程中趨于平穩(wěn)、差值很小，難以發(fā)現(xiàn)。所以一旦沒有識別出泄漏時刻，后續(xù)很難再檢測出泄漏。對于負(fù)壓波法，小泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波信號強(qiáng)度很??；對于聲波法，小泄漏產(chǎn)生的震蕩聲波強(qiáng)度很小，容易被判斷為正常波動，從而無法檢測出泄漏。

②邊泄邊注。邊泄邊注往往在發(fā)生偷油盜油情況時，其通過在原油管線上鉆取兩個相距較近的小孔，一個往外放油，一個往管線中注水，以維持進(jìn)出平衡。放油和注水的瞬間都會產(chǎn)生流量和壓力波動，但在進(jìn)出平衡時，流量回歸平衡，難以檢測出泄漏。由于放出油與注入水的密度不同，壓力會產(chǎn)生較小的變化，但由于量很小時管道內(nèi)流體整體密度變化很小，所以也難以檢測出泄漏。

2.2 泄漏判斷敏感度中的監(jiān)測難點(diǎn)

泄漏判斷往往需要設(shè)定多個參數(shù)，以負(fù)壓波法為例，需要輸入流量計(jì)系數(shù)、流體密度等參數(shù)。泄漏判斷的靈敏度與設(shè)定參數(shù)有關(guān)，設(shè)定過嚴(yán)會導(dǎo)致判斷過于敏感，造成誤報；設(shè)定過松會導(dǎo)致判斷敏感度不足，造成漏報。

①過度敏感造成誤報。頻繁的誤報會對巡檢人員造成很大誤導(dǎo)，對每一次報警都需要采用其他方式進(jìn)行確認(rèn)，例如人工巡檢等，這就會增加工作人員工作量，從而導(dǎo)致工作人員對泄漏監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)信任問題。

②敏感度不足造成漏報。漏報會導(dǎo)致錯過及時處置時間，造成安全環(huán)保問題。

2.3 儀器儀表的監(jiān)測難點(diǎn)

儀器儀表主要包括流量計(jì)、脈沖發(fā)信器、壓力變送器、溫度變送器等測量管道中流體狀態(tài)的相關(guān)設(shè)備。隨著流量計(jì)的損壞更換，如果出現(xiàn)首末端流量計(jì)型號不同的情況，會產(chǎn)生一定輸差，輸差有可能是正數(shù)（首端gt;末端），也有可能是負(fù)數(shù)（首端lt;末端）。

①輸差過大。當(dāng)首末端輸差過大時，易被誤判為管道泄漏。當(dāng)真正發(fā)生泄漏時，輸差的波動會掩蓋泄漏流量的變化，從而造成漏報。

②輸差為負(fù)。當(dāng)末端流量大于首端流量時，輸差為負(fù)數(shù)。當(dāng)發(fā)生泄漏時，輸差在負(fù)數(shù)的基礎(chǔ)上增加，負(fù)數(shù)會抵消輸差增加的數(shù)值，使得輸差變化可能低于泄漏判斷閾值，從而造成漏報。

2.4 管道自身的監(jiān)測難點(diǎn)

管道在實(shí)際建設(shè)過程中受地理因素的影響，往往不是一條直線，可能會有多個彎頭，使管道走向發(fā)生變化。管線中途可能會有其他管線匯入，管徑發(fā)生變化，這些管道發(fā)生的變化都會增加管道泄漏監(jiān)測的難度。

①管道轉(zhuǎn)向。在管道轉(zhuǎn)向彎頭處，流體的流速降低，壓力降低。而加設(shè)彎頭會對管道產(chǎn)生阻力，使管道直通部分的壓力升高。這些流量、壓力的變化都會對管道泄漏監(jiān)測造成干擾，引起誤報。

②管道變徑。管徑變粗會使上游管道壓力降低，管徑變細(xì)會使上游管道壓力升高，上下游的管道壓力不同，會影響管道泄漏監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

2.5 工況的監(jiān)測難點(diǎn)

①內(nèi)部工況變化：輸量變化。首端輸量調(diào)整時，在管道中流體的反應(yīng)過程需要一定時間，在這個過程中，壓力、輸差均會發(fā)生變化，從而影響管道泄漏監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

②外部工況變化：周邊施工、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)等影響。例如，周邊施工引起的管線振動，產(chǎn)生環(huán)境噪聲，影響監(jiān)測準(zhǔn)確性，尤其對聲波法、信號分析法影響較大。

總之，管道泄漏監(jiān)測技術(shù)的難點(diǎn)主要有5項(xiàng)：特殊的泄漏情況、泄漏判斷敏感度的設(shè)定、不同儀器儀表之間的誤差、管道自身沿程的變化、特殊工況。具體內(nèi)容及對泄漏監(jiān)測產(chǎn)生的影響見表1。

3 改進(jìn)建議

針對目前管道泄漏在線監(jiān)測存在的5項(xiàng)難點(diǎn)問題，本研究提出以下5項(xiàng)改進(jìn)建議。

①針對小流量泄漏，管道泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)要結(jié)合瞬時變化和變化后的一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析來判斷是否發(fā)生小流量泄漏，將小泄漏量通過多個相關(guān)參數(shù)進(jìn)行放大，從而提高識別精度。在易發(fā)生邊泄邊注的區(qū)域，要注重提高瞬時變化的檢測準(zhǔn)確性，同時可借助攝像頭輔助進(jìn)行管線破壞行為的巡查，并研發(fā)自動周期性巡檢和對偷盜油行為的自動識別功能。

②針對誤報和漏報問題，管道泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)所設(shè)定的參數(shù)要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，在難以找到能同時避免漏報和誤報的參數(shù)時，應(yīng)優(yōu)先避免漏報。

③對于管道泄漏在線監(jiān)測的儀器儀表，首先應(yīng)從設(shè)備選型、設(shè)備安裝和設(shè)備維護(hù)等方面保證設(shè)備質(zhì)量；其次在出現(xiàn)輸差過大或?yàn)樨?fù)數(shù)時，應(yīng)及時排查設(shè)備問題，確保首末端設(shè)備的相對一致性。

④要解決管道自身問題造成的影響，一是從管道建設(shè)時避免管道大幅轉(zhuǎn)向和大幅變徑；二是從技術(shù)上將管道轉(zhuǎn)向點(diǎn)和變徑點(diǎn)的正常變化列為正常值。由于轉(zhuǎn)向點(diǎn)和變徑點(diǎn)的泄漏風(fēng)險比直管段更高，更要精準(zhǔn)區(qū)分正常變化和泄漏信號，這就需要針對轉(zhuǎn)向和變徑點(diǎn)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)適用的算法。

⑤為避免人為輸量調(diào)節(jié)造成的誤報，可將管道泄漏監(jiān)測與外輸泵頻率聯(lián)動，消除因調(diào)節(jié)外輸泵頻率造成的漏報。對于易受外部工況影響的管道，在選用泄漏監(jiān)測技術(shù)時應(yīng)采用受環(huán)境影響較小的技術(shù)。再者，可將易受環(huán)境影響的管段采用與首末端輸量變化聯(lián)動的方式，在判斷是否發(fā)生泄漏的算法中，賦予流量變化較大權(quán)重，從而辨別信號波動是由于管道泄漏還是環(huán)境噪聲引起。此外，在管道重新規(guī)劃和改造時，應(yīng)盡量避開施工較多區(qū)域。

4 結(jié)語

通過分析可知，提高管道泄漏在線監(jiān)測可靠性的根本是減少誤報和漏報，主要從三方面解決：一是提高儀器儀表的測量精度；二是提升算法準(zhǔn)確度；三是將泄漏監(jiān)測系統(tǒng)與攝像頭、紅外成像等設(shè)備聯(lián)動，綜合分析判斷管道是否發(fā)生泄漏。

下一步研究應(yīng)在提高泄漏識別準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，聚焦易于建設(shè)、運(yùn)維簡單、可靠性高、耐用性強(qiáng)、低成本、可擴(kuò)展的管道泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)。

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收稿日期：2023-12-03

作者簡介：張赫男（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向：油氣輸送與運(yùn)輸、礦場油氣集輸與處理。