CN113073971B - 一种水合物开采水下管道温压监测及控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水合物开采水下管道温压监测及控制系统及方法，其包括海底管道、缆线、DAS主机、脉冲激光发射器、DTS主机和计算机处理设备；所述缆线预先安装在所述海底管道内侧壁，所述缆线的端部分别与所述DAS主机、脉冲激光发射器、DTS主机连接；所述DAS主机和DTS主机都与所述计算机处理设备连接，由所述计算机处理设备控制工作。本发明能有效监测水下管道温度和压力，解决了光纤在管道内的安装、固定问题以及不同的情况下分布式传感器信号的表现形式。本发明可以广泛在天然气水合物开采技术领域中应用。

Description

一种水合物开采水下管道温压监测及控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物开采技术领域，特别是关于一种水合物开采水下管道温压监测及控制系统及方法。

背景技术

天然气水合物作为近年来新兴的非常规清洁能源，具有巨大的开发前景。而海底管道作为天然气水合物的主要运输方式，在其中扮演着重要的角色。同时，由于天然气水合物存在的特殊性质，对运输管道的温度、压力要求较高，需加强对管道温度、压力的监测。

目前，在南海已经有利用浮标进行海洋数据监测的案例，在此案例的基础上，有人提出利用此种方法进行海底管道的温度、压力等的数据监测。该方法的基本原理为通过浮标承载水上的数据处理设备以及其他水上设备，浮标通过系泊系统进行定位以及固定，温度、压力传感器通过与浮标连接的动态脐带缆下放到海水中，传感器固定在管道需要监测的位置进行监测，监测数据通过动态脐带缆传回水上设备，完成监测的整体流程。该方法存在的问题主要为两个方面：首先，该方法为管道的定点监测，无法实现全管段的实时监测，不利于实现管道运输天然气时水合物堵塞出现位置的监测；其次，受固定缆以及动态脐带缆在海洋环境中腐蚀等的影响，该方法使用期限较短，较难实现管道的长期监测。

分布式光纤声波传感技术(DAS)以及分布式光纤温度传感技术(DTS)是现在应用较多的信号连续分布式传感技术，可以准确监测管道压力、温度等实时变化。该技术存在的难点在于光纤在海底管道的内部的定位以及固定，现有的光纤多为外部安装，无法满足水合物运输管道的监测要求。

现有技术中的浮标方案无法满足全管段的实时监测要求，分布式光纤传感器可以满足全管段的监测，但是现有的光纤安装多为管道外安装，无法满足水合物运输的管道监测要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种水合物开采水下管道温压监测及控制系统及方法，其能通过在水合物开采水下管道内安装分布式光纤实现全管道实时监测管道内温度和压力波动，解决了光纤在管道内的安装、固定问题以及水合物开采水下管道内水合物二次生成、泄露及滞留液等情景判断。。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水合物开采水下管道温压监测及控制系统，其包括海底管道、缆线、DAS主机、脉冲激光发射器、DTS主机和计算机处理设备；所述缆线预先安装在所述海底管道内侧壁，所述缆线的端部分别与所述DAS主机、脉冲激光发射器、DTS主机连接；所述DAS主机和DTS主机都与所述计算机处理设备连接，由所述计算机处理设备控制工作。

进一步，所述缆线通过固定机构安装在所述海底管道内侧壁。

进一步，所述固定机构包括固定片和安装槽；在所述海底管道内侧壁上沿所述海底管道的长度方向开设有安装槽，所述缆线设置在所述安装槽内，并通过间隔设置的若干所述固定片将所述缆线固定在所述安装槽内。

进一步，各所述固定片均采用焊接的方式与所述安装槽固定。

进一步，所述缆线包括与所述DAS主机连接的光缆、与所述DTS主机连接的光缆、与所述脉冲激光发射器连接的光缆和备用光缆。

进一步，所述与所述DAS主机连接的光缆、与所述DTS主机连接的光缆、与所述脉冲激光发射器连接的光缆和备用光缆由铠装层包裹成一条铠装光缆。

一种水合物开采水下管道温压监测及控制方法，该方法基于上述水合物开采水下管道温压监测及控制系统实现，包括以下步骤：

步骤1、在海底管道的安装焊接阶段就将缆线放入海底管道的安装槽内，通过固定片将缆线固定；

步骤2、海底管道安装完成后，通过缆线实时监测管道内的温度和压力数据，并将实时监测的数据反馈至水上的DAS主机和DTS主机；

步骤3、DAS主机和DTS主机将接收到的数据进行预处理后传输至计算机处理设备，计算机处理设备根据接收到的数据得到管道中温度以及压力从开采处开始的温度和压力趋势变化判断图，根据趋势变化判断图可以判断出不同信号下，海底管道的损伤类型以及程度。

进一步，所述步骤1中，通过人工或ROV机器人完成固定片的焊接安装。

进一步，所述缆线为分布式光纤。

进一步，所述步骤3中，根据趋势变化判断图可以判断出不同信号下水合物开采水下管道内水合物生成、泄露及滞留液的存在位置和发生程度，具体为：

当某段管线温度图出现“凹陷”变化、强度图出现“凹陷”变化时，则判断为该段存在水合物二次生成；当某段管线温度图出现“V型”变化、强度图出现锯齿状振幅振动变化时，则判断为该段存在泄漏点；当某段管线温度图出现幅度连续上升变化、强度图出现锯齿状振幅振动变化时，则判断为该段管线处于爬坡处，且管线内存在滞留液。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明在管道内部预设有安装槽，将光缆放置在安装槽内，再通过固定片将光缆固定在管道内部，实现了光缆在管道内的安装，给出了监测数据。由于光缆的固定没有使用电磁铁等设备，天然气水合物资源运输过程中不会因电流等产生爆炸的危险。

2、本发明通过简单的结构来固定光缆，具有更长久的使用寿命以及可靠性。给出监测数据信号表达形式图，便于识别不同信号所对应得管道问题以及管道损伤程度。

3、本发明的多条光缆采用铠装层包裹为一条缆线，且内部存在备用光缆。本发明采用将多条缆线通过铠装层包裹为一条缆线，不仅可以增强缆线的抗腐蚀、抗老化的能力，而且一条缆线增加了安装的便利程度。备用光缆的存在使得主要工作光缆出现故障时，备用光缆可以接替故障光缆的工作，防止一条光缆故障导致整体监测的失效。

4、本发明在天然气水合物开采过程中，能有效监测运输水合物的水下管道温度和压力，并结合数据信号的表达形式以及出现位置，迅速准确的确定问题出现的位置及类型，防止天然气水合物资源在运输过程中出现水合物二次凝结、泄漏等问题。

5、本发明将现有的分布式光纤声波传感器以及分布式光纤温度传感器相结合来实现水合物资源运输管道内的温度、压力监测，主要完成温压监测系统的整体方案设计，给出光纤在管道内的安装、固定方案以及不同的情况下分布式传感器信号的表现形式。

附图说明

图1是本发明系统的整体结构示意图；

图2是本发明的光缆安装槽结构示意图；

图3是本发明监测的温度示意图；

图4是本发明监测的强度示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种水合物开采水下管道温压监测及控制系统，其包括海底管道1、缆线4、DAS主机5、脉冲激光发射器6、DTS主机7和计算机处理设备8。

缆线4预先安装在海底管道1内侧壁，缆线4的端部分别与DAS主机5、脉冲激光发射器6、DTS主机7连接；DAS主机5和DTS主机7都与计算机处理设备8连接，由计算机处理设备8控制工作。使用时，由脉冲激光发射器6发射激励信号，并由DAS主机5和DTS主机7接收光缆4反馈至的检测信号，经预处理后传输至计算机处理设备8，完成对水合物开采水下管道的温压监测及控制。

上述实施例中，缆线4通过固定机构安装在海底管道1内侧壁。固定机构包括固定片2和安装槽3；如图2所示，在海底管道1内侧壁上沿海底管道1的长度方向开设有安装槽3，缆线4设置在安装槽3内，并通过间隔设置的若干固定片2将缆线4固定在安装槽3内，以防止缆线4脱出安装槽3。

优选的，各固定片2均采用焊接的方式与安装槽3固定。

上述实施例中，缆线4包括铠装层、与DAS主机5连接的光缆、与DTS主机7连接的光缆、与脉冲激光发射器6连接的光缆和备用光缆。DAS主机5连接的光缆、与DTS主机7连接的光缆、与脉冲激光发射器6连接的光缆和备用光缆由铠装层包裹成为一条铠装光缆，其不仅可以增强缆线的抗腐蚀、抗老化的能力，而且增加了安装的便利程度。并且通过备用光缆可以防止一条光缆故障导致整体监测的失效。

基于上述系统，本发明还提供一种水合物开采水下管道温压监测及控制方法，其包括以下步骤：

步骤1、在海底管道1的安装焊接阶段就将缆线4放入海底管道1的安装槽3内，通过固定片2将缆线4固定；

在本实施例中，缆线4为分布式光纤。在下放焊接海底管道1的过程中，将已经连接在DAS主机5和DTS主机7上的缆线4放在海底管道1内部的安装槽3内，可以通过人工或ROV机器人完成固定片2的焊接安装，在海底管道1焊接安装完成后，分布式光纤就可以开始工作。

步骤2、海底管道安装完成后，通过缆线4实时监测管道内的温度和压力数据，并将实时监测的数据反馈至水上的DAS主机5和DTS主机7；

步骤3、DAS主机5和DTS主机7将接收到的数据进行预处理后传输至计算机处理设备8，计算机处理设备8根据接收到的数据得到管道中温度以及压力从开采处开始，随着管线的长度增加，温度和压力的变化趋势图，如图3、图4所示，完成对海底管道1内水合物二次生成、爬坡及泄漏点的监测。根据变化趋势图可以判断出不同信号下，海底管道1的损伤类型以及程度。

上述步骤3中，计算机处理设备8根据DAS主机5和DTS主机7传输至的数据，采用预置在计算机处理设备8内的现有成熟的分布式光纤传感数据处理器，对数据进行相应处理得到温度、压力的趋势变化判断图。

上述步骤3中，根据变化趋势图可以判断出不同信号下，海底管道1的损伤类型以及程度，具体为：

当海底管道1某一点处的温度、压力图出现波动时，可将出现的波动情况与所给的趋势变化判断图(如图3、图4所示)进行对比分析。当某段管线温度图出现“凹陷”变化、强度图出现“凹陷”变化时，则判断为该段存在水合物二次生成；当某段管线温度图出现“V型”变化、强度图出现锯齿状振幅振动变化时，则判断为该段存在泄漏点；当某段管线温度图出现幅度连续上升变化、强度图出现锯齿状振幅振动变化时，则判断为该段管线处于爬坡处，且管线内存在滞留液。

使用时，通过从图3、图4可以得到：温度随着管线从井口附近到陆上管道终端或生产平台管道端长度的增加而不断升高，在水合物二次生成段呈现为凹陷的波动状态，在泄露点呈现为V型的波动状态，在管线爬升段呈现为大幅度连续上升的波动状态；强度则随着管线从水下井口到陆上管道终端或生产平台管道端长度的增加而逐渐增加，在水合物二次生成段呈现为凹陷的波动状态，在泄露点呈现为大振幅振动的波动状态，在存在滞留液的管线段呈现为小振幅振动的波动状态。将图3、图4结合可以判断出不同温度和强度监测信号下，管道内水合物生成、泄露及滞留液的存在位置和发生程度。

综上所述，本发明完成温压监测系统的整体方案设计，给出光纤在管道内的安装、固定方案以及不同的情况下分布式传感器信号的表现形式。本发明通过在管道内壁增加了安装槽以及固定片，用以完成光缆在管道内部的安装以及固定，为实现分布式光缆在水平以及具有一定倾斜度的管道内工作创造了条件。同时，给出了管道运输中可能出现的情况所对应的监测信号的不同表达形式(如图3、图4所示)，便于识别处理。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (8)

1.一种水合物开采水下管道温压监测及控制系统，其特征在于，包括海底管道、缆线、DAS主机、脉冲激光发射器、DTS主机和计算机处理设备；

所述缆线预先安装在所述海底管道内侧壁，所述缆线的端部分别与所述DAS主机、脉冲激光发射器、DTS主机连接；所述DAS主机和DTS主机都与所述计算机处理设备连接，由所述计算机处理设备控制工作；

所述缆线通过固定机构安装在所述海底管道内侧壁；

所述固定机构包括固定片和安装槽；在所述海底管道内侧壁上沿所述海底管道的长度方向开设有安装槽，所述缆线设置在所述安装槽内，并通过间隔设置的若干所述固定片将所述缆线固定在所述安装槽内。

2.如权利要求1所述水合物开采水下管道温压监测及控制系统，其特征在于，各所述固定片均采用焊接的方式与所述安装槽固定。

3.如权利要求1所述水合物开采水下管道温压监测及控制系统，其特征在于，所述缆线包括与所述DAS主机连接的光缆、与所述DTS主机连接的光缆、与所述脉冲激光发射器连接的光缆和备用光缆。

4.如权利要求3所述水合物开采水下管道温压监测及控制系统，其特征在于，所述与所述DAS主机连接的光缆、与所述DTS主机连接的光缆、与所述脉冲激光发射器连接的光缆和备用光缆由铠装层包裹成一条铠装光缆。

5.一种水合物开采水下管道温压监测及控制方法，其特征在于，该方法基于如权利要求1至4任一项所述水合物开采水下管道温压监测及控制系统实现，包括以下步骤：

步骤1、在海底管道的安装焊接阶段就将缆线放入海底管道的安装槽内，通过固定片将缆线固定；

步骤2、海底管道安装完成后，通过缆线实时监测管道内的温度和压力数据，并将实时监测的数据反馈至水上的DAS主机和DTS主机；

步骤3、DAS主机和DTS主机将接收到的数据进行预处理后传输至计算机处理设备，计算机处理设备根据接收到的数据得到管道中温度以及压力，进而得到从开采处开始的温度和压力趋势变化判断图，根据趋势变化判断图可以判断出不同信号下，海底管道的损伤类型以及程度。

6.如权利要求5所述水合物开采水下管道温压监测及控制方法，其特征在于，所述步骤1中，通过人工或ROV机器人完成固定片的焊接安装。

7.如权利要求5所述水合物开采水下管道温压监测及控制方法，其特征在于，所述缆线为分布式光纤。

8.如权利要求5所述水合物开采水下管道温压监测及控制方法，其特征在于，所述步骤3中，根据趋势变化判断图可以判断出不同信号下水合物开采水下管道内水合物生成、泄露及滞留液的存在位置和发生程度，具体为：

当某段管线温度图出现“凹陷”变化、强度图出现“凹陷”变化时，则判断为该段存在水合物二次生成；当某段管线温度图出现“V型”变化、强度图出现锯齿状振幅振动变化时，则判断为该段存在泄漏点；当某段管线温度图出现幅度连续上升变化、强度图出现锯齿状振幅振动变化时，则判断为该段管线处于爬坡处，且管线内存在滞留液。

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