CN102197294A - 管道监控 - Google Patents
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Abstract
一种用于通过向管道中引入声脉冲且询问沿着所述管道的路径定位的光纤以提供分布式声感测来监控流体承载管道的方法。通过在多个位置中的每一个处测量响应，可以导出管道状况轮廓。可以在对管线基础设施和所包含流造成最小破坏的情况下快速地且容易地获得状况轮廓。可以采用沿着管子的路径运行的现有光纤以用于感测目的，从而允许仅用对管子的有限访问来监控相对长的管线跨度。
Description
技术领域
本发明涉及管道监控和检查，且更具体地涉及地下管线监控。
背景技术
管线是运输流体物质（最普遍地是油和气体）的最经济可行的方法，但是也存在其他类型的管线。当今，存在负责收集、运输和分送这些自然资源的大量管线基础设施，其中仅在美国就有超过四分之三百万公里的油和气体管线。这些管线的连续适当操作是至关重要的，且故障带来巨大的经济损失、环境冲击以及还有潜在灾难性物理损坏。
因此，做出了相当大的努力来监控和检查管线。然而，规模庞大（sheer size）的很多管线网络、以及很多公里的管线由地下或海底装置（installation）组成的事实使得有效且高效的监控成为难题。
最普遍的管线检查技术是使用智能清管器（pig）。清管器沿着管线行进，由被运输的产品的压力驱动，且执行诸如清洁管线壁、描绘管线壁的轮廓或检查管线壁的任务。备选的监控技术包括简单地沿管线前进和卫星检查，其中管子是可访问的。也使用计算机管线监控（CPM）系统，由此现场收集的诸如压力、温度和流速的信息用于估计被运输的产品的液压行为。
发明内容
本发明的目的是提供改进的管道监控。
在第一方面中，本发明提供一种用于监控流体承载管道的方法，该方法包含：询问沿着所述管道的路径定位的光纤（optic fibre）以提供分布式声感测；将声脉冲引入到管道中；通过分布式声感测来测量在多个分立纵向感测部分中的每一个处对所述声脉冲的响应；以及从所述多个测量中导出管道状况轮廓（profile）。
以这种方式，可以在对管线基础设施和所包含流造成最小破环的情况下快速地且容易地获得状况轮廓。通过连接合适的询问和处理设备，可以采用沿着管子的路径运行的现有光纤以用于感测目的。相当大比例的管线将具有沿管线的路径运行的预先存在长度的光纤。这些典型地是通信线缆和/或用于出于明显后勤原因而与管线同时铺设的管线的SCADA（监视控制和数据采集）。在这些情况下，因为现有线缆可以被制成为形成监控设备的一部分，所以仅需要对管子的有限访问就可以监控相对长的管线跨度。
在某些实施例中，声脉冲由专用脉冲发生器（impulser）或声换能器引入到包含在管子中的流体中。这典型地可能采取液压顶（hydraulic ram）的形式，但是其他设备可以用于在由被监控的管道所承载的流体中诱导压力波。脉冲发生器可以永久地安装在管线中，或者可以应用在现有阀站或接点处。已发现，这种压力脉冲能够以很少的衰减通过管线行进很大距离，且因此单个脉冲源可以提供用于监控20、30或40km或者更长的管线的足够输入。脉冲可以在正常操作期间被引入到流体中，同时正常流动状况在管道中继续，导致用于监控操作的很少或没有停工期。在一个实施例中以10秒的间隔引入脉冲，且可能采用5秒和20秒之间的间隔。典型的监控周期可能是10分钟，但是其他周期也是可能的，且可以采用连续监控。
作为专用脉冲发生器的备选，已发现，通过管线行进的清管器可以布置为产生一系列压力脉冲。当清管器经过管子中的每个环形焊缝时，它遇到附加的电阻且在清管器后面建立稍微的过压。当清管器随后经过焊缝时，释放沿管子在两个方向上行进的压力波。脉冲的频率取决于焊缝的间距和清洁器的速度。在这种情况下，将理解，脉冲源的位置沿着管子逐渐移动，然而这不会不利地影响监控方法。此外注意，当随时间在管子中形成另外的约束或不均匀性，例如碳氢化合物积累（build up）或者机械变形时，清管器可以生成较高的声信号。在实施例中这些可以通过在重复的清洁器经过上查找所生成的声信号中的局部增加而得以识别。
管道中的声或压力脉冲的另外的可能源是突然的开裂或泄漏。所得到的压力脉冲可以被检测且用于识别和/或定位该源以及由此开裂或泄漏的位置。本发明的另外的方面因此提供一种用于监控流体承载管道的方法，该方法包含：询问沿着所述管道的路径定位的光纤以提供分布式声感测；在多个分立纵向感测部分中的每一个处检测声脉冲；以及确定所述检测脉冲的源。
管子的状况轮廓不需要明确地分析以确定对应的物理特性（尽管这是可能的）。可以通过在一时间周期上监控管线以获得一个或多个轮廓且比较这些轮廓以确定特性中的变化，来导出更多的使用。因而，可以获得对应于具有已知时间分隔的两个日期的两个管线轮廓。轮廓中的差异可以使用数据分析技术来确定，以获得与管子的哪些部分经历了物理变化相关的信息以及因此这些改变的位置。如果随时间积累多个轮廓的集合，则可以进行对轮廓的更复杂的统计分析，且出于该目的将典型地以规则的间隔获得轮廓。此外或备选地，可以在计划的维护或维修工作之前或之后取得轮廓以特性化管线的已知变化。
因此可以在时间间隔上监控管子（以及可能地管子周围的地面状况）中的变化，且可以提供与那些改变相关的位置和特性化信息。该信息可以提示另外的动作，诸如维护、清洁、物理检查或维修。
在一些实施例中，测量对声脉冲的幅度响应。这可以通过在针对每个信道的可用带宽上积分而执行。然而，在某些实施例中从分布式感测返回的数据的另外分析允许提供每个信道的频谱内容，以实现增强的状况监控能力。在本发明的实施例中的分布式声感测感测从0Hz-5kHz带宽内的地震信号（P压力波和S剪切振动波二者）。然而，更高的频率普遍地被强烈衰减，且更普遍地监控从0Hz至1kHz的范围。
在各种不同的实施例中，用于分布式感测的感测光纤（fibre）可以位于管道内部、位于管道的外表面上、直接埋在与管道相邻的地方或者位于分离的相邻管道中。对于感测光纤而言不存在规定的位置，只要其位置是使得其能够检测对声脉冲的足够响应。因为光纤光学（fibre optic）感测中可能的高灵敏度，由此可以使用干涉测量技术来测量诱导的相位差，用于定位光纤的潜在范围或者用于选择现有光纤的范围很大。然而，一般而言，优选的是光纤位于流体承载管道处或其约3m内，且更优选地位于待被监控的管道的中心线处或者离其约1.5m内。
在很多实施例中，通过用以不同频率的光脉冲询问光纤来提供光纤光学分布式声感测。单一长度的光纤典型地是单模光纤，且优选地没有任何反射镜、反射器、光栅或者光学属性沿着其长度的变化。这提供了这样的优点：可以使用未经修改、基本连续长度的标准光纤，至于使用而要求很少或没有修改或准备。这种实施例典型地通过检测来自感测光纤的瑞利（Rayleigh）反向散射光且使用询问脉冲的频率关系来确定沿着光纤长度入射到光纤上的声信号而进行操作。然而，可以采用任何合适的分布式感测技术。例如，在GB 2442745中描述合适的DAS系统。
由于光纤没有不连续性，所以对应于每个信道的光纤片段的长度和布置通过光纤的询问来确定。这些可以根据光纤的物理布置来选择，且也根据所需监控的类型来选择。以这种方式，可以通过对改变输入脉冲宽度和输入脉冲占空比的询问器的调节而对光纤没有任何改变，容易地改变沿着光纤的距离和每个光纤片段的长度或者信道分辨率。在实施例中，可以基本同时提供来自多个信道的数据。
分布式光纤光学感测的空间分辨率在很多实施例中小于或等于30m，且在某些实施例中小于或等于20m或10m。在某些实施例中，光纤被询问以在大于或等于20km的距离上提供感测的数据，且在其他实施例中大于或等于30km或40km的距离是可实现的。
本发明的另外的方面提供管线监控设备，其包含：光纤询问器，适于询问光纤且提供分布式光纤感测；脉冲发生器，适于在包含在管线中的流体中产生压力脉冲；以及处理器，适于响应于所述压力脉冲而从所述询问器接收感测的数据，且从所述感测的数据导出管道状况轮廓。
本发明还提供一种用于实施此处描述的任何方法和/或用于体现此处描述的任何设备特征的计算机程序和计算机程序产品、以及其上存储有用于实施此处描述的任何方法和/或用于体现此处描述的任何设备特征的程序的计算机可读介质。
本发明延伸到基本如此处参考附图所描述的方法、设备和/或用途。
在本发明的一个方面中的任何特征可以以任何合适的组合应用于本发明的其他方面。具体而言，方法方面可以应用于设备方面，且反之亦然。
而且，以硬件实现的特征一般可以以软件实现，且反之亦然。此处对软件和硬件特征的任何引用应当被相应地解释。
附图说明
现在参考附图，将仅仅通过示例的方式描述本发明的优选特征，在附图中:
图1说明分布式光纤光学传感器的基本部件
图2示出沿着管线的长度布置的光纤传感器
图3是管线和感测光纤的横截面
图4和5示出管线监控数据输出。
具体实施方式
图1示出分布式光纤光学感测布置的示意图。一段长度的感测光纤104在一端处连接到询问器106。来自询问器106的输出被传送到信号处理器108以及可选地传送到用户接口，该用户接口实际上可以由适当指定的PC实现。该感测光纤在长度上可以是很多公里，且在该示例中约为40km长。
询问器向感测光纤中发射例如可以包含具有选定频率模式的一系列脉冲的询问光学信号。瑞利反向散射现象导致输入到光纤中的某一部分光被反射回到询问器，其中它被检测以提供代表光纤附近的声干扰的输出信号。光学输入的形式和检测的方法允许把单个连续光纤空间上分解成分立感测长度。即，在一段感测长度处感测的声信号可以基本独立于在相邻长度处的感测信号来提供。本示例中的空间分辨率约为10m，导致询问器的输出采取4000个独立数据信道的形式。
以这种方式，单个感测光纤可以提供感测的数据，这类似于以线性路径布置的多路复用的相邻传感器阵列。
图2示出采用根据本发明的方法的布置，由此感测光纤202（以及相关联的询问器和/或处理器204）沿着管线206的路径布置。脉冲发生器208布置在沿着管线的一点处，且适于向管子中的流体引入压力脉冲。脉冲发生器208可以采取各种形式，但是在该示例中包含液压顶。生成的压力脉冲在沿着管子的两个方向上远离脉冲发生器行进。管子用作波导，且已发现该脉冲可以行进几十公里而不被过度地衰减。
当脉冲经过任何特定长度的管子时，它产生可以被分布式光纤传感器202检测的声干扰。图3示出管子302的横截面以及感测光纤能够检测管子中的脉冲响应的可能位置。
本示例中的管子具有1200mm和50mm碳钢壁的内径，以约80bar承载天然气。管子可以埋在可以是地平面或者在某些情形下是海床的表面之下约1-2m。光纤304位于管子302的内孔内部，停留在管子的底部上。光纤306接合到管子的外部，而光纤308位于分离的线缆承载管道310中，位于离气体传输管线的中心线约1.5m。管道310典型地在安装管线以承载通信和/或SCADA线时铺设。光纤312直接埋在管线旁边的地面中，处于离管子中心线约1m。
将理解，对于每个不同的光纤放置，对管子中的压力脉冲的测量响应将是不同的且将取决于不同的因素。例如，由光纤308感测的信号将取决于管子302和管道310之间的地面的传递特性，而感测光纤304和306将更少受影响。然而，如下面将解释的，这不会不利地影响本发明，且可以使用任何产生对压力脉冲的可靠响应的光纤放置。
图4示出柱状图和相关联的瀑布图，其说明响应于引入到相邻管线中的一系列压力脉冲的分布式光纤传感器输出。图4中的数据由管道中的感测光纤产生。柱状图和瀑布图的x轴是感测光纤的长度，该长度在这种情况下约为40km。该柱状图示出在时间上的某一时刻从感测光纤返回的感测声信号的幅度。为了可以查看所有4000个信道，图中的每个条代表来自一组10m片段的峰值幅度。如果需要的话可以查看各个10m。下图是对照距离和时间示出声强度的、更新速率为0.05秒的瀑布图，时间沿着瀑布图的y轴绘制，最近的数据绘制在顶部。
从瀑布图可以看出两个主要特征。首先是在402处朝向该图左边的对应于约4000m长度的感测光纤的恒定活动区域。这可归因于位于该光纤片段上的、产生稳定振动噪声的工业单元。其次，可以在远离工业单元的恒定噪声的区域404中最清楚地看出截然不同的V形（chevron）图案。
每个V形的顶点位于对应于脉冲发生器的位置的沿着光纤的点406处。该图的‘V’形状对应于压力脉冲在两个方向上沿管子远离脉冲源移动，且‘V’形状的斜率对应于包含在管子内的增压气体的声速度，其在这种情况下约为400ms-1。可以看出，一系列压力脉冲被引入到气体中，且形成多个轨迹。在顶部柱状图上，在那个时刻各个脉冲出现在其相应位置中，沿着光纤隔开。
图5示出以与图4类似的形式但是柱状图和下瀑布图二者的轴被类似地改比例的数据。在图5中，瀑布图的x轴对应于约4km长（与图4的40km相对）的感测线缆片段且图5的更新速率被设置为2秒（与图4的0.05秒相对）。
图5的数据来自于与图4中相同的管子和光纤布置，但是在清管运行期间获取，且在瀑布图中清楚地可见清管器的路径为对角线轨迹502。在图5的瀑布图中还可见具有各种强度的一系列垂直线。这些线对应于沿着管子的长度的各种位置，且可以被认为是管子的指纹或条形码，线的图案对应于管子以及在一定程度上其紧邻的周围环境（在这种情况下是它所埋入的地面）的物理特性或状况。
考虑到由该条形码效应提供的状况轮廓，将理解，这对应于图4的V形效应但是用压缩的时间轴进行查看。经过管子的压力脉冲可以被认为声‘照射’它们经过的管子的每个部分、得出来自管子及其环境的响应，由此响应被分布式感测光纤检测。通过在时间上进行平均，可以看出管子的一些片段具有与其他片段不同的脉冲响应。这些差异的可能原因例如包括在管壁上的局部碳氢化合物积累、管壁中的弱点或者壁轮廓中的变化、或者管子附近的地面成分中的变化。以这种方式，该图提供了在给定时间或日期的管子的状况轮廓。
注意，虽然图4中所示出的压力脉冲由专用脉冲发生器产生，但是如上所述，当清管器经过管子中的每个环形焊缝时产生导致管子的状况轮廓的图5中的脉冲。
尽管没有说明，但是感测数据的频谱内容可以被提取和提供。这将向图4和5的图添加额外的维度，且将实现增强的状况监控能力。由于较高频率通过地面的高度衰减，地震信号典型地以低于500Hz的频率为主。
例如，通过查看一个或多个选定频带，来自图4的区域402中的工业装置（plant）的‘噪声’可以被滤出。由频率附加分解的如上所述的管子轮廓或条形码向用户提供更多的细节且允许更复杂的分析。例如，不同类型的物理现象可以与特定频带相关联。例如，较高频带中的变化可能指示由蜡状沉积物的积累所引起的管子中的湍流，而较低频带中的变化可能指示在其中铺设管子的地面状况的变化。解析的结果因此可以向用户提供更大数量和更好质量的信息。
将理解，上面仅通过示例的方式描述了本发明，且可以在本发明的范围内做出细节的修改。
说明书以及（视情况而定）权利要求和附图中公开的每个特征可以独立地或以任何合适组合被提供。
Claims (12)
1. 一种用于监控流体承载管道的方法，包含：
询问沿着所述管道的路径定位的光纤以提供分布式声感测；
将声脉冲引入到该管道中；
在多个分立纵向感测部分中的每一个处通过分布式声感测来测量对所述声脉冲的响应；以及
从所述多个测量中导出管道状况轮廓。
2. 根据权利要求1所述的方法，包含导出一个或多个另外的管道轮廓以及将所述轮廓进行比较以确定管道特性中的变化。
3. 根据权利要求2所述的方法，包含确定管道特性中的变化的纵向位置。
4. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其中测量对所述声脉冲的响应的幅度。
5. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其中测量对所述声脉冲的响应的频谱内容。
6. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其中该分布式声光纤位于所述管道内部。
7. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其中该分布式声光纤位于与所述管道相邻。
8. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述分布式光纤光学传感器的空间分辨率小于或等于25m。
9. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述分布式光纤光学传感器的长度大于或等于20km。
10. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述脉冲由专用脉冲发生器引入。
11. 根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述脉冲通过清管器经过所述管线而引入。
12. 管线监控设备，包含：
光纤询问器，适于询问光纤且提供分布式声感测；
脉冲发生器，适于在包含在管线中的流体中产生压力脉冲；以及
处理器，适于响应于所述压力脉冲而从所述询问器接收感测的数据，且从所述感测的数据导出管道状况轮廓。
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