CN113884247A - 一种油气管道综合监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气管道综合监测系统及方法，将光缆植入油气管道内，采用分布式光纤传感技术进行油气管道结构状态信息的综合监测，实现对油气管道泄漏的实时监测，同时通过将光缆植入油气管道，避免了置于管道外部或者土壤中容易产生的定位精度差、容易损坏的问题，相应节省了维护成本。另外，还可以通过定时分析监测数据为加温控制提供数据依据，通过主动加压监测，可以实现更精细的状态探测，实现预防效果。

Description

一种油气管道综合监测系统及方法

技术领域

本发明涉及油气运输工程领域，尤其涉及一种油气管道综合监测系统及方法。

背景技术

目前油气管道是石油天然气工程中的重要组成部分，由于腐蚀、焊缝缺陷、外界震动甚至偷盗破坏等原因引起的管道泄漏、防腐层破坏和法兰、螺纹扣及填料函等管道连接部位的泄漏和腐蚀变得愈加严重。管道发生泄漏不光会导致其输送受阻，更会对环境造成污染，甚至引发爆炸火灾等事故，需要耗费大量人力物力进行监测、维护、治理。所以对管道泄漏的提前预防、及时预警和定位有着非常重要的实际意义。

同时，油气在运输过程中需要进行加温以促进流动，加温装置将石油加热至一定温度然后在管道内运输。然而，过度的加温会造成资源浪费，增加油气运输成本，如何合理设置加温，对油气工程的能耗控制有重要意义。石油在管道内温度会降低，形成随运输距离递减的温度梯度，该温度的实时、分布式监测数值，能够作为加温反馈控制的重要依据，对于合理温度控制、降低运输能耗有重要作用。

传统的泄漏监测方法普遍存在预报不及时、定位精度差、费用高及误报率高等缺点。而大多数管道分布式光纤传感器虽能克服传统方法所具有的很多缺点，但一般都设置在管道外部，平行于管道设置几根，或者是直接埋在管道附近的土壤内，这些都不能完全贴合管道、准确反应管道信息，另外监测结果容易受环境干扰，监测结果不准确，外部环境也容易导致光纤容易老化断裂，维修复杂。

发明内容

为了解决现有技术中对油气管道监测方法预报不及时、定位精度差、费用高及误报率高的问题，本发明提出一种油气管道状态综合监测系统及方法，利用工程手段将光纤植入油气管道内，采用分布式光纤传感技术进行管内泄漏信息的综合监测，实现对油气管道泄漏实时监测。本发明方案主要包括：

一种油气管道综合监测系统，在油气管道内部设置有光缆，光缆连接光纤监测主机，光缆实时感应油气管道的振动信号，并传输给光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。其中，振动信号主要可反应外界的外界振动甚至偷盗破坏的情况。

优选地，光缆还实时感应油气管道的声波信号，并传输给光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。其中，声波信号主要可以反应内部泄漏的情况。

优选地，设置加压装置，将油气管道两侧的输入端和输出端均关闭并主动加压，光纤监测主机通过光缆对加压后的油气管道进行高精度声波监测分析，精细探测管道伤损状态。通过封闭加压，可以排除其他因素的干扰，更精准地探测泄漏情况。

优选地，光缆还实时感应油气管道内部的油气温度，并传输给光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的温度传导状态。其中，温度的骤变可以作为泄漏的一种判断条件，一般情况下，温度是梯度递减，如果骤然降低可能是有泄漏情况。

优选地，光缆还可设置于油井内，光缆实时感应油井内部的油温，并传输给光纤监测主机以探测采油井内的温度传导状态。实现产液剖面-采油管-加温装置-输油管线-计量间-中转站-联合站等的全过程分布式监测。

优选地，光缆还可以用于连接油井、计量间、中转站、联合站，实现油井、计量间、中转站、联合站之间的有线通信。

另一方面，本发明还提供一种油气管道综合监测方法，包括步骤：

在油气管道内部设置光缆，并将光缆连接至光纤监测主机；

光缆实时感应油气管道的振动信号，并传输给光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。

进一步地，光缆还实时感应油气管道的声波信号，并传输给光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。

进一步地，将油气管道两侧的输入端和输出端均关闭并主动加压，光纤监测主机通过光缆对加压后的油气管道进行高精度声波监测分析，精细探测管道伤损状态。

进一步地，光缆还实时感应油气管道内部的油气温度，并传输给光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的温度传导状态。

进一步地，根据温度传导状态，对油气管道进行加温操作。具体可以是对温度梯度进行定时分析，判断管道伤损状态、油气加温是否合理，为加温控制提供数据依据。

进一步地，光缆还实时感应采油井内部的油气温度，并传输给光纤监测主机以探测油井内部的温度传导状态。

进一步地，光缆还可以实现油井、计量间、中转站、联合站之间进行的有线通信。

本发明的有益效果是：本发明提出一种油气管道状态综合监测系统及方法，利用工程手段将光缆植入油气管道内，采用分布式光纤传感技术进行管内泄漏信息的综合监测，实现对油气管道泄漏的实时监测，同时通过将光缆植入油气管道，避免了置于管道外部或者土壤中容易产生的定位精度差，容易损坏的问题，相应节省了维护成本。

另外，还可以通过准静态监测为加温控制提供数据依据，通过静态主动监测，可以实现更精细的状态探测，实现预防效果。

附图说明

图1为本发明实施例一结构示意图；

图2为本发明实施例一分布式光纤振动监测原理示意图；

图3为本发明实施例一振动信号动态监测示意图；

图4为本发明实施例一振动信号准静态监测示意图；

图5为本发明实施例二声波信号动态监测示意图；

图6为本发明实施例二声波信号准静态监测示意图；

图7为本发明实施例三声波信号静态主动加压监测示意图；

图8为本发明实施例四油温信号动态监测示意图；

图9为本发明实施例四油温信号准静态监测示意图；

图10为本发明实施例四加温反馈示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是用于限制本发明。

实施例一

如图1所示，本发明公开一种油气管道综合监测系统实施例，具体如下：

将光缆内置于油气管道内，若是新建管线，光缆可在建设过程中放入管道内并通过专用法兰固定；若为投入生产的油管，光缆可通过爬行器或清洗球牵引，布置在管道内，在管道两端设置专用法兰，固定光缆并做好密封防护，同时，光缆可通过施加预应力的方式至平行布设，放置在管道内晃动，保证光缆与管道位置一一对应。光缆敷设在管道内之后，通过专用管道引出光缆，光缆拉直并施加预应力后，接入安装在计量间的分布式光纤监测主机。

进一步地，参考图1，光缆贴合于管道内壁，并且与管道的轴线平行。为了使得光缆可以贴合内壁，可以间隔地在光缆上设置固定装置，例如磁吸装置。考虑到成本，具体选择的固定装置，可以结合实际情况进行选择。

具体地，可以铺设实时感应油气管道的振动信号的光缆，并传输给光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。其中，振动信号主要可反应外界的外界振动甚至偷盗破坏的情况。例如，非法工程建设导致的地面挖掘，或者偷盗者实施的挖掘操作，都可以实时地通过振动信号传导至光纤监测主机。

具体地，基于振动信号进行外部环境监测的原理如下：

从光纤的一端注入窄线宽脉冲光，通过探测脉冲宽度范围内后向散射瑞利光的干涉结果来判断扰动，再通过测量输入脉冲与接收到信号的时间延迟来判断干扰点的位置。当光纤线路上受到外界干扰时，对应位置处光纤折射率将会发生变化，这将导致该位置处的光相位变化。光相位的变化又会引起后向瑞利散射相干涉的结果。因此，最终干涉的结果将直接反映出发生扰动的位置，这样就可以判断出外界干扰的具体位置。

参考图2，分布式光纤振动监测系统的原理如图2所示，窄线宽激光器发出的连续光，由声光调制器调制后产生光脉冲，首先由掺铒光纤放大器进行放大，再通过带通滤波器滤掉 ASE，通过一个光纤环形器进入传输光缆。并有拉曼放大器进行光信号的在线放大，反射回的瑞利散射干涉光先通过带通滤波器滤掉 ASE 和布里渊散射光，由光电探测器接收并放大，得到的电信号经数据采集卡进行数据采集，并将数据传给工控机进行数据处理，工控机通过算法，判断振动发生的时间、位置、强度、次数和可能的扰动类型等，将告警信息上传网管，网管软件根据设置判断是否声光告警，并以图形显示方式直观的表示出振动方式发生的地理位置。

进一步地，参考图3、图4，一方面可以利用实时动态监测实时获取管道每个位置的状态数据，对泄漏、偷盗事故进行即时报警；另一方面，还可以利用准静态监测分析对振动场变化进行定期定时定量分析，根据统计数据产生报表，从而判断管道伤损状态，定期进行预防。

具体地，振动信号实时动态监测的流程如下：

S101开启振动信号实时动态监测；

具体地，在旧管道改造或者新管道建设时，完成光缆的布设，此后即可开启振动信号的实时动态监测。

S102采集振动数据；

具体地，一旦开启实时动态监测，则开启了实时的振动数据采集，采集的数据使用同一光缆实时传输回计量间的光纤监测主机。

S103分析采集数据；

具体地，对实时采集的数据，进行计算，得到可以标识油气管道外部振动情况的特征数据。

S104判断实时振动数据是否异常，判断结果为是则进行步骤S105，若判断结果为否则继续进行步骤S103；

具体地，判断前述步骤得到的实时振动数据是否异常，例如图2所示的曲线跳变，该跳变标识了油气管道外部环境有振动，当该跳变数据到达某一阈值，则可以判断外部振动异常，此时可启动下一步骤的实时报警。

S105若S104的判决结果为是，则实时报警（提示油管外界异常振动）。

具体地，由于实时动态监测的是振动信号，而该信号主要标识油气管道外部的振动情况，所以，此时的实时报警主要内容就是提示油气管道外界的异常振动，这些提示可以反应管道附近的非法施工或者偷盗，甚至山洪泥石流等自然灾害导致的振动情况。

进一步地，振动信号准静态监测分析的流程如下：

S111开启振动信号准静态监测分析（限定期限）；

具体地，准静态检测分析是针对一定期限内的采集数据进行统计分析，对振动场变化进行定时分析，这样可以预先判断管道的伤损状态，产生提前预警，从而对油气管道进行预先的维护和保养。在开启准静态监测分析时，需要指定期限，例如两周、三个月内等等，具体期限可以根据实际监测的情况进行智能调整。

S112分析限定期限内的采集数据；

具体地，对实时采集的数据，进行计算，得到可以标识油气管道外部振动情况的特征数据。

S113形成限定期限内的数据报表；

具体地，对上述步骤产生的标识油气管道外部振动情况的数据进行统计，产生不同维度的数据报表，例如时间维度，空间维度，数据异常的频率等等，也可以形成可视化图形以便查看。

S114报表解读；

具体地，根据上述步骤产生的报表，进行解读分析，可以人工查看图表，也可以使用预置的实现特定算法的计算机程序进行解读，最终得到可标识振动事件的历史振动数据。

S115判断历史振动数据是否异常，判断结果为是则进行步骤S116，进行预警，若判断结果为否则进行步骤S117，结束本次准静态检测分析任务；

具体地，判断前述步骤得到的历史振动数据是否异常可以参考历史振动发生的频率。例如图2所示的曲线跳变，该跳变标识了油气管道外部环境有振动，当该跳变在指定期限内出现的频率达到某一阈值，则可以判断外部振动频繁，即便单次振动强度未达到报警的阈值，但是由于次数频繁，也可以认为此时的油气管道受到了多次轻微创伤，此时就可以进行提前预警，以便对油气管道进行预先的检修和保养。

S116提前预警（提示油管外界异常振动）；

具体地，由于准静态监测的是振动信号，而该信号主要标识油气管道外部的振动情况，所以，此时的提前预警主要内容还是提示油气管道外界的异常振动，这些提示可以反应管道附近的非法施工或者偷盗等情况，并且还提醒了异常振动发声的频率等，可以作为是否对油气管道进行预先的检修和保养的参考。

S117结束本次准静态分析任务。

具体地，由于准静态分析任务是指定期限，所以与实时动态检测不同，在一次执行完毕以后就结束，而不是一直反复执行。

实施例二

优选地，光缆还实时感应油气管道的声波信号，并传输给光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。其中，声波信号主要可以反应内部泄漏的情况。

具体的声波信号监测的原理与上述的振动信号监测原理类似，都是现在广泛应用的分布式光纤监测技术，在此不详细叙述。

进一步地，参考图5、图6，一方面可以实时获取管道每个位置的状态数据，对泄漏、偷盗事故进行即时报警；另一方面，还可以对声波场变化进行定期定时定量分析，根据统计数据产生报表，从而判断管道伤损状态，定期进行预防。

具体地，声波信号实时动态监测的流程如下：

S201开启声波信号实时动态监测；

S202采集声波数据；

S203分析采集数据；

S204判断实时振动数据是否异常，判断结果为是则进行步骤S205，若判断结果为否则继续进行步骤S203；

S205若S204的判决结果为是，则实时报警（提示油管内部异常泄漏）。

具体的声波信号实时动态监测的流程与上述的振动信号实时动态监测流程类似，在此不详细叙述，区别在于处理的数据是声波信号，而最终产生的实时报警是提示油管内部异常泄漏。

进一步地，声波信号准静态监测分析的流程如下：

S211开启声波信号准静态监测分析（限定期限）；

S212分析限定期限内的采集数据；

S213形成限定期限内的数据报表；

S214报表解读；

S215判断历史声波数据是否异常，判断结果为是则进行步骤S216，进行预警，若判断结果为否则进行步骤S217，结束本次准静态检测分析任务；

S216提前预警（提示油管内部异常泄漏）；

S217结束本次准静态分析任务。

具体的声波信号准静态监测的流程与上述的振动信号准静态监测流程类似，在此也不详细叙述，区别在于处理的数据是声波信号，而最终产生的提前预警是提示油管内部异常泄漏。

实施例三

优选地，还可以设置加压装置，将油气管道两侧的输入端和输出端均关闭并主动加压，光纤监测主机通过光缆对加压后的油气管道进行高精度声波监测分析，精细探测管道伤损状态。通过封闭加压，可以排除其他因素的干扰，更精准地探测泄漏情况。

具体地，可在井口和计量间对管道进行临时封闭并加压，同时系统对油气管道内的声波状态进行实时采集，如出现裂缝、损伤等泄漏点。由于加压气体外泄会引起特定频率的声波信号，具体的频率跟裂缝状态、压力、外部环境都有影响，因此可以从背景噪声中提取出有效声波，系统通过采集分析这类声波信号，即可对泄漏点进行精细化探测和高精度定位。

具体地，参考图7，声波信号主动加压监测的流程如下：

S221开启声波信号静态主动加压监测；

S222关闭油气管道两侧的输入端和输出端；

具体地，将油气管道两端关闭，确保没有其他空气流入。

S223主动加压；

具体地，参考图1，右上角的即为主动加压装置，通过该装置向油气管道内部主动加压。

S224采集声波数据；

具体地，在加压的同时实时采集声波信号。

S225分析采集数据；

S226判断实时声波数据是否异常；

S227当上述步骤判断结果为异常时，实时报警（提示油管内部细微伤损及泄漏）；

S228结束本次静态主动加压监测任务。

具体地，对于步骤S228，结束本次任务的时机可以是指定期限，也可以是人工确认。

以上步骤S225至S227与前述的声波信号实时动态监测类似，这里不再赘述，区别在于主动加压监测的是油管内部细微损伤，因此，在实时报警时的提示内容是油管内部细微伤损及泄漏。

实施例四

优选地，光缆还实时感应油气管道内部的油气温度，并传输给光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的温度传导状态。

具体地，与上述实施例中振动信号监测原理类似，温度信号的探测原理可以使用因拉曼散射原理。当管道由于油气泄漏等原因发生温变时，管道内的光纤温度发生变化，其拉曼散射光的斯托克斯光和反斯托克斯光强度发生变化，因此可通过该变化反映管道内的温变情况。目前温度信号的光纤感知技术是较为广泛应用的技术，具体采用何种技术可以根据实际情况选择，在此不再赘述。

具体地，油在运输时要达到60℃以上，在夏天，冬天温度变化各不同，一般几公里会呈梯度递减，冬天变化更快。因此，温度的骤变可以作为泄漏的一种判断条件，一般情况下，温度是梯度递减，如果部分位置出现温度骤然降低现象，则说明出现管道泄漏情况。

进一步地，一方面可以实时获取管道每个位置的状态数据，对泄漏、偷盗事故进行即时报警。具体的步骤流程图请参考图8，与前述的声波信号实时动态监测类似，在此不再赘述，区别在于监测的信号为油温信号。

另一方面，还可以对温度场变化进行定期定时定量分析，根据统计数据产生报表，从而判断管道伤损状态，定期进行预防。具体的步骤流程图请参考图9，与前述的声波信号准静态监测类似，在此不再赘述，区别在于监测的信号为油温信号。

再一方面，还可以通过实时温度场信号分析管道内的温度传导状态，并将温度信息反馈给加温装置，用于控制加温能耗，例如当前温度高于某一阈值（例如60℃），即可停止加温，分当前温度低于阈值，可以进行加温，分析当前温度开始加速下降（可能是天气变化导致外部温度骤降），可以开启预加温，防止油温突然下降。具体的流程图请参考图10，包括以下步骤：

S321开启油温梯度监测；

具体地，可以选择在加温时、外部气温变化时等开启油温梯度监测。

S322采集温度梯度数据；

具体地，油温是随着传输的距离会自然产生温度递减，采集实时的油温数据，并记录梯度，必要时可形成可视化报表。

S323分析油气运输加温效果；

具体地，根据油温梯度分析油气运输的加温效果，得到应该在何时进行加温，何时停止加温的加温条件，调整第一阈值第二阈值和第三阈值。例如，在冬天时温度升温较慢，此时可适当调低加温阈值，以便及时加温；在夏天时温度递减较慢，此时可以适当调高加温阈值，以便节省能源。

S324判断是否油温低于第一阈值，是则跳转至S328，否则进行下一步S325；

具体地，判断当前油温是低于第一阈值，例如低于60℃时，通知加温装置开启加温；判断当前油温不低于 60℃时，继续进行下一步判断。

S325判断是否油温高于第二阈值，是则跳转至S329，否则进行下一步S326；

具体地，判断当前油温是高于第二阈值，例如高于100度时，通知加温装置停止加温，以便节省能源；判断当前油温不高于第二阈值，继续进行下一步判断。

S326判断是否油温下降速度高于第三阈值，是则跳转至S327，否则跳转至S323；

具体地，判断油温梯度递减速度是高于第三阈值，说明此时外面温度骤降，通知加温装置开启预加温；判断当前油温不高于第三阈值，继续进行油气运输加温效果。

S327通知加温装置开启预加温；

S328通知加温装置开启加温；

S329通知加温装置停止加温。

实施例五

优选地，如前所述的实时动态监测和准静态监测还可以同时监测多种参数，综合进行判断。

具体地，组合方式可以多种，例如：

振动+温度；

振动+声波；

振动+声波+温度；

以上不同维度的组合保证了油气管道内部环境和外部环境的同时监测。基于以上组合，还可以在实时动态监测、准静态监测分析、静态主动加压监测等不同的监测模式之间进行组合。

其中，实时动态监测主要完成了对管道的振动、声波、温度进行实时高频分布式监测，实时获取管道每个位置的状态数据，对泄漏、偷盗事故进行即时报警。

准静态监测主要完成了对振动场变化、声波场变化、温度梯度变化进行定时分析，判断管道损伤状态、油气加温是否合理，为加温控制提供数据依据。

静态主动加压监测主要完成了定时或者人为控制下，将油气管道两侧输入和输出端关闭并主动加压，利用管内光纤对加压后的管道进行高精度声波监测分析，精细探测管道伤损状态，预防泄漏事故。

实施例六

优选地，光缆还可设置于油井内，光缆实时感应油井内部的油温，并传输给光纤监测主机以探测采油井内的温度传导状态。这样一来，不仅可以实时监测油气管道的状态，还可以实现产液剖面-采油管-加温装置-输油管线-计量间-中转站-联合站等的全过程分布式监测。

实施例七

优选地，光缆还可以用于连接油井、计量间、中转站、联合站，实现油井、计量间、中转站、联合站之间的有线通信，不需要额外铺设其他的有线链路或者无线通信设备，就可以控制井口的压力计、摄像头或其他安防设备，该实现方式比起无线网络更稳定，信息也更安全。

Claims (10)

1.一种油气管道综合监测系统，其特征在于，在油气管道内部设置有光缆，所述光缆连接光纤监测主机，所述光缆实时感应所述油气管道的振动信号，并传输给所述光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。

2.根据权利要求1所述的油气管道综合监测系统，其特征在于，所述光缆还实时感应所述油气管道的声波信号，并传输给所述光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。

3.根据权利要求1所述的油气管道综合监测系统，其特征在于，设置加压装置，将所述油气管道两侧的输入端和输出端均关闭并主动加压，所述光纤监测主机通过所述光缆对加压后的油气管道进行高精度声波监测分析，精细探测管道伤损状态。

4.根据权利要求1所述的油气管道综合监测系统，其特征在于，所述光缆还实时感应所述油气管道内部的油气温度，并传输给所述光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的温度传导状态。

5.根据权利要求1所述的油气管道综合监测系统，其特征在于，所述光缆还可设置于油井内，所述光缆实时感应油井内部的油温，并传输给所述光纤监测主机以探测采油井内的温度传导状态。

6.根据权利要求1所述的油气管道综合监测系统，其特征在于，在油井、计量间、中转站、联合站之间通过油气管道内的所述光缆进行有线通信。

7.一种油气管道综合监测方法，其特征在于，包括步骤：

在油气管道内部设置光缆，并将所述光缆连接至光纤监测主机；

所述光缆实时感应所述油气管道的振动信号，并传输给所述光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。

8.根据权利要求7所述的油气管道综合监测方法，其特征在于，所述光缆还实时感应所述油气管道的声波信号，并传输给所述光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的泄漏状态。

9.根据权利要求7所述的油气管道综合监测方法，其特征在于，将所述油气管道两侧的输入端和输出端均关闭并主动加压，所述光纤监测主机通过所述光缆对加压后的油气管道进行高精度声波监测分析，精细探测管道伤损状态。

10.根据权利要求7所述的油气管道综合监测方法，其特征在于，所述光缆还实时感应所述油气管道内部的油气温度，并传输给所述光纤监测主机以探测油气管道在不同位置的温度传导状态。

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