RU2521717C1 - Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows - Google Patents
Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows Download PDFInfo
- Publication number
- RU2521717C1 RU2521717C1 RU2013103963/28A RU2013103963A RU2521717C1 RU 2521717 C1 RU2521717 C1 RU 2521717C1 RU 2013103963/28 A RU2013103963/28 A RU 2013103963/28A RU 2013103963 A RU2013103963 A RU 2013103963A RU 2521717 C1 RU2521717 C1 RU 2521717C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- bubbles
- acoustic
- signals
- antennas
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Examining Or Testing Airtightness (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к экологии, защите и мониторингу окружающей среды и может быть использовано для обнаружения утечек газа из газопроводов и технических систем добычи углеводородов, для локализации и исследований природных источников газов под водой, а также для количественной оценки объемов выходящих в области дна газов.The invention relates to ecology, protection and environmental monitoring and can be used to detect gas leaks from gas pipelines and technical hydrocarbon production systems, for localization and research of natural gas sources under water, as well as for a quantitative assessment of the volumes of gases released into the bottom area.
В настоящее время возросла потребность в методах обнаружения пузырьков газа, поступающих из областей морского дна в толщу воды. Важность обнаружения утечек из газовых емкостей, хранилищ и подводных газопроводов состоит в том, что, оставаясь незамеченными и неликвидированными, такие утечки могут приводить к огромным финансовым потерям и экологическим катастрофам. Это становится актуальным в связи с тем, что инфраструктура добычи и транспортировки газа быстро стареет в морских условиях. Поэтому достоверное и своевременное обнаружение неисправностей в любой части трубопроводной инфраструктуры является критическим моментом для гарантий надежности использования природного газа. Утечки газа могут поставить под угрозу морские экосистемы и циклы углеродного и метанового газообмена в океане. Также определение наличия пузырьков и их количества в дне и толще океана необходимо для оценки запасов газа в качестве топлива для человечества и оценки потока метана с морского дна в атмосферу (Judd A.G. The global importance and context of methane escape from the seabed. Geo-Mar. Lett. 2003, 23, 147-154, doi:10.1007/s00367-003-0136-z). Тепловой парниковый эффект за счет каждой молекулы газа метана в 20 раз больше, чем за счет молекулы углекислого газа, и любая оценка запасов газов в океане должна учитываться помноженная на коэффициент своего потенциального воздействия на изменение климата, связанного с нагреванием атмосферы. Предложенная в последние годы OOH крупномасштабная программа сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу дает импульс к разработке методов длительного мониторинга потоков газа со дна океанов.Currently, there is an increased need for methods for detecting gas bubbles coming from areas of the seabed into the water column. The importance of detecting leaks from gas tanks, storages and underwater gas pipelines is that, while undetected and illiquid, such leaks can lead to huge financial losses and environmental disasters. This becomes relevant due to the fact that the gas production and transportation infrastructure is rapidly aging in marine conditions. Therefore, reliable and timely detection of faults in any part of the pipeline infrastructure is a critical point to guarantee the reliability of the use of natural gas. Gas leaks can jeopardize marine ecosystems and the carbon and methane gas exchange cycles in the ocean. Also, the determination of the presence of bubbles and their quantity in the bottom and in the ocean is necessary for estimating gas reserves as a fuel for humanity and estimating the methane flow from the seabed to the atmosphere (Judd AG The global importance and context of methane escape from the seabed. Geo-Mar. Lett. 2003, 23, 147-154, doi: 10.1007 / s00367-003-0136-z). The thermal greenhouse effect due to each methane gas molecule is 20 times greater than due to the carbon dioxide molecule, and any estimate of the gas reserves in the ocean should be taken into account multiplied by the coefficient of its potential impact on climate change associated with heating of the atmosphere. The OOH proposed in recent years, a large-scale program to reduce greenhouse gas emissions into the atmosphere gives impetus to the development of methods for long-term monitoring of gas flows from the bottom of the oceans.
В промышленных секторах добычи и транспортировки газа и газожидкостных сред ведется разработка систем, способных обнаруживать утечки газа на всех стадиях от добычи до использования газа конечными потребителями. Разрабатываемые способы мониторинга газовых потоков в воде могут применяться как для исследований естественных метановых сипов, так и для контроля коммерческих газопроводов, проложенных в толще дна.In the industrial sectors of gas and gas-liquid media production and transportation, systems are being developed that can detect gas leaks at all stages from production to gas use by end users. The developed methods for monitoring gas flows in water can be used both for studies of natural methane vultures and for monitoring commercial gas pipelines laid in the bottom.
Акустические методы обнаружения и определения утечек газа из технических систем и выходов природных газов в области дна могут быть активными и пассивными.Acoustic methods for detecting and determining gas leaks from technical systems and natural gas outlets in the bottom can be active and passive.
В активных методах выполняется излучение акустических сигналов в исследуемую водную среду, происходит распространение акустических сигналов в водной среде с процессами отражения и преломления и затем осуществляется прием и регистрация отраженных и (или) преломленных в среде акустических сигналов. Формулируется модель распространения акустических сигналов в среде, и в рамках сформулированной модели зарегистрированные акустические сигналы анализируются и обрабатываются. По результатам обработки рассчитываются параметры газожидкостных потоков и определяются координаты источника пузырьков.In active methods, acoustic signals are emitted into the studied aqueous medium, acoustic signals propagate in the aqueous medium with reflection and refraction processes, and then the reflected and (or) refracted acoustic signals are received and recorded. A model of the propagation of acoustic signals in the medium is formulated, and within the framework of the formulated model, recorded acoustic signals are analyzed and processed. Based on the processing results, the parameters of gas-liquid flows are calculated and the coordinates of the bubble source are determined.
Пассивные акустические методы включают в себя регистрацию эмиссионного излучения пузырьков, выходящих из мест разрушения технических систем или от источников природных сипов на дне моря. Далее, формулируется модель акустической эмиссии для описания выходов газа из мест разрушения технических систем или от источников природных сипов. В рамках сформулированной модели производится анализ и обработка зарегистрированных акустических сигналов, а по результатам обработки осуществляют локализацию и расчет параметров газожидкостных потоков.Passive acoustic methods include the registration of emission radiation of bubbles emerging from the places of destruction of technical systems or from sources of natural vultures at the bottom of the sea. Next, an acoustic emission model is formulated to describe gas outflows from areas of destruction of technical systems or from sources of natural vultures. Within the framework of the formulated model, analysis and processing of recorded acoustic signals is performed, and according to the processing results, the parameters of gas-liquid flows are localized and calculated.
В работе [Wendelboe G., Barchard S.M., Maillard Е., Bjorno L. "High-resolution multibeam sonar for subsea leakage detection". Proceedings of the 11th European Conference on Underwater Acoustics (ECUA 2012: Edinburgh UK, 2nd - 6th July, 2012), p.894-901] предложен совмещенный активно-пассивный акустический метод на основе данных измерений обратного рассеяния и акустической эмиссии с помощью обратимого многолучевого сонара с высоким пространственным разрешением SEABAT 7128. Компактная антенна сонара состоит из 256 гидрофонов и имеет диаграмму направленности 1280 по горизонтали и 280 по вертикали с разрешением 0,5°. Метод и аппаратура позволили в активном режиме на частоте 400 кГц на расстояниях до 200 метров проводить визуализацию небольших утечек газа. В смешанном активно-пассивном акустическом режиме была выполнена идентификация, локализация и определение мест выхода газа в контролируемых условиях на дистанциях до 70 метров. Недостатком предложенного метода является использование одной (высокой) частоты при излучении и приеме акустических сигналов, что ограничивает дальность обнаружения утечек газа за счет высокого затухания звука в среде. Также в методе не предусмотрено определение объема выходящего газа по данным измерений.In [Wendelboe G., Barchard S.M., Maillard E., Bjorno L. "High-resolution multibeam sonar for subsea leakage detection". Proceedings of the 11th European Conference on Underwater Acoustics (ECUA 2012: Edinburgh UK, 2nd - 6th July, 2012), p.894-901] proposed a combined active-passive acoustic method based on measurements of backscattering and acoustic emission using reversible multipath sonar with high spatial resolution SEABAT 7128. The compact sonar antenna consists of 256 hydrophones and has a directivity pattern of 1280 horizontal and 280 vertical with a resolution of 0.5 °. The method and equipment made it possible to visualize small gas leaks in the active mode at a frequency of 400 kHz at distances up to 200 meters. In the mixed active-passive acoustic mode, identification, localization and determination of gas exit points were carried out under controlled conditions at distances up to 70 meters. The disadvantage of the proposed method is the use of one (high) frequency when emitting and receiving acoustic signals, which limits the detection range of gas leaks due to the high attenuation of sound in the medium. Also, the method does not provide for the determination of the volume of outgoing gas according to the measurement data.
В работе [Leigthon T.G. and White P.R. Quantification of undersea gas leaks from carbon capture and storage facilities, from pipelines and from methane seeps, by their acoustic emissions. J. Proc. R. Soc. A id: RSPA20110221. doi:10.1098/rspa.2011.0221] предложен метод непрерывного контроля углеводородных выбросов, герметичности газопроводов и исследования подводных областей со множеством природных сипов. Известный метод базируется на использовании сигналов пассивной акустической эмиссии газовых пузырьков, регистрируемых одиночными гидрофонами, для расчета функции распределения газовых пузырьков по размерам для источников в области дна. Регистрация сигнала эмиссионного акустического излучения образовавшихся при нарушениях герметичности технических систем или в результате выходов природных газов (сипов) пузырьков производится в области дна. Затем рассчитывается спектральная мощность принимаемого сигнала S(ω), выполняется инверсия данных спектрального анализа эмиссионного излучения (в рамках методики решения обратной задачи) и рассчитывается функция распределения пузырьков по размерам D(R0), поIn [Leigthon TG and White PR Quantification of undersea gas leaks from carbon capture and storage facilities, from pipelines and from methane seeps, by their acoustic emissions. J. Proc. R. Soc. A id: RSPA20110221. doi: 10.1098 / rspa.2011.0221] a method is proposed for continuous monitoring of hydrocarbon emissions, tightness of gas pipelines and the study of underwater areas with many natural vultures. The known method is based on the use of passive acoustic emission signals of gas bubbles recorded by single hydrophones to calculate the size distribution function of gas bubbles for sources in the bottom. The registration of the signal of acoustic emission radiation generated during leakage of technical systems or as a result of the release of natural gases (sipes) of bubbles is carried out in the bottom area. Then, the spectral power of the received signal S (ω) is calculated, the inversion of the data of the spectral analysis of emission radiation is performed (within the framework of the method for solving the inverse problem), and the size distribution function of the bubbles D (R 0 ) is calculated, according to
которой определяется объем выделяемого газа путем суммирования объемов всех газовых пузырьков. Предполагается, что эмиссионный сигнал сгенерирован в результате линейной суперпозиции сигналов от одиночных газовых пузырьков, которые совершают свободные монопольные колебания и не взаимодействуют между собой, с дном или техническими конструкциями.which determines the amount of gas released by summing the volumes of all gas bubbles. It is assumed that the emission signal is generated as a result of a linear superposition of signals from single gas bubbles that make free monopole oscillations and do not interact with each other, with the bottom or technical structures.
Система практического применения метода пассивного дистанционного обнаружения и контроля природных выходов и утечек газа из технических систем под водой предполагает наличие одиночного приемника или горизонтальной акустической приемной системы, размещаемых вблизи контролируемых подводных технических объектов или в районе выходов природных сипов. Метод выполняется путем приема сигнала эмиссионного излучения из области выхода пузырьков с помощью гидрофонов, передачи принятых сигналов в блок расчета спектров, откуда они передаются в блок расчета функции распределения пузырьков по размерам и объему газового потока. Отдельные блоки или вся система могут быть размещены на подводном или поверхностном носителе.The system of practical application of the method of passive remote detection and control of natural gas outlets and gas leaks from technical systems under water requires a single receiver or horizontal acoustic receiving system located near controlled underwater technical objects or in the area of natural sip exits. The method is performed by receiving a signal of emission radiation from the exit region of the bubbles using hydrophones, transmitting the received signals to the spectral calculation unit, from where they are transferred to the calculation unit for the distribution function of the bubbles in terms of size and volume of the gas stream. Separate blocks or the entire system can be placed on underwater or surface media.
Однако использование одиночных гидрофонов, локализованных в горизонтальной плоскости вблизи дна и не обладающих характеристиками направленности в пространстве, затрудняет определение точного положения областей источников пузырьков в случаях реальных профилей глубин. Не учитывается дипольный характер излучения пузырьков вблизи дна или технических систем во время утечек. Эмиссионный спектр в области выхода пузырьков является теоретическим и рассчитывается в соответствии с параметрами выбранной модели и дистанцией между гидрофонами и источниками, алгоритм определения которой в работе не приводится. Отмеченные выше недостатки приводят к ошибкам определения формы эмиссионного спектра и его конкретных значений и, как следствие, к снижению достоверности определения функции пузырьков по размерам в процессе решения обратной задачи. Для расчета функции распределения пузырьков по размерам используется модель эмиссионного излучения для случая небольшой объемной плотности пузырьков в момент их выхода из источника, что ограничивает применение метода в ситуациях техногенных утечек газа и для многих природных источников газа на дне, где наблюдаются большие объемные плотности пузырьков. Кроме этого используемая модель эмиссионного излучения пузырьков не учитывает их взаимной корреляции в звуковом поле, что приводит к погрешностям расчета спектральной плотности мощности акустического шума S(ω) в дальнем поле от облака пузырьков и не позволяет корректно провести инверсию полученных эмиссионных спектров.However, the use of single hydrophones localized in a horizontal plane near the bottom and not having directivity characteristics in space makes it difficult to determine the exact position of the areas of bubble sources in cases of real depth profiles. The dipole nature of the emission of bubbles near the bottom or of technical systems during leaks is not taken into account. The emission spectrum in the exit region of the bubbles is theoretical and is calculated in accordance with the parameters of the selected model and the distance between hydrophones and sources, an algorithm for determining which is not given in the work. The drawbacks noted above lead to errors in determining the shape of the emission spectrum and its specific values and, as a result, to a decrease in the reliability of determining the bubble function by size in the process of solving the inverse problem. To calculate the bubble size distribution function, we use the emission radiation model for the case of a small bulk density of bubbles at the moment of their exit from the source, which limits the application of the method in situations of technogenic gas leaks and for many natural gas sources at the bottom where large bulk densities of bubbles are observed. In addition, the used model of bubble emission radiation does not take into account their mutual correlation in the sound field, which leads to errors in calculating the spectral power density of acoustic noise S (ω) in the far field from the cloud of bubbles and does not allow the inversion of the obtained emission spectra to be correctly performed.
Наиболее близким к заявляемому методу является пассивный акустический метод для обнаружения утечек газожидкостных потоков из подводных трубопроводов (з.WO 02/025239 А1, МПК G01M 3/24).Closest to the claimed method is a passive acoustic method for detecting leaks of gas-liquid flows from underwater pipelines (s.WO 02/025239 A1, IPC
Метод включает прием акустического сигнала из области, окружающей подводный трубопровод, передачу упомянутого сигнала на устройство регистрации и последующую обработку полученного сигнала. Прием сигнала осуществляют гидрофоном с диаграммой направленности, определяемой внутренним давлением в трубопроводе и которая может быть веерообразной, конической или конической с регулируемой апертурой. Полученный сигнал поступает в блок передачи сигналов, из которого по кабелю передается в систему обработки сигнала, установленную на судне. Кабель исполняет функцию буксирующего элемента для герметичного погружаемого блока, включающего блок приема и передачи. В случае осмотров трубопроводов с использованием буксируемого подводного аппарата кабель не используется, и сигналы передаются на поверхность с помощью штатного кабеля аппарата. Стадия обработки зарегистрированного сигнала включает устранение из сигнала частот ниже 30 кГц и выше 70 кГц для получения рабочей полосы частот, последующий перенос рабочей полосы в область низких частот, получение двух квадратурных сигналов, имеющих относительно нулевой частоты половинные частоты, расположенные в области звуковых (0-20 кГц) частот, что позволяет использовать низкую частоту выборки аналого-цифрового преобразования сигнала и выполнять аудиоконтроль оператором. В пределах звуковой полосы частот каждую секунду выполняется вычисление и графическое отображение спектрограммы и амплитуды сигнала на мониторе. Одновременно на монитор выводится рассчитанный график мощности сигнала как функции частоты и времени. Используя сигналы со звукового устройства и графики на мониторе, оператор производит обнаружение сигналов утечек. Недостатками данного метода являются:The method includes receiving an acoustic signal from the area surrounding the underwater pipeline, transmitting said signal to a recording device, and then processing the received signal. The signal is received by a hydrophone with a radiation pattern determined by the internal pressure in the pipeline and which can be fan-shaped, conical or conical with an adjustable aperture. The received signal enters the signal transmission unit, from which it is transmitted via cable to the signal processing system installed on the vessel. The cable acts as a towing element for a sealed immersion unit, including a receiving and transmitting unit. In the case of inspections of pipelines using a towed underwater vehicle, the cable is not used, and signals are transmitted to the surface using the standard cable of the device. The stage of processing the registered signal includes eliminating frequencies below 30 kHz and above 70 kHz from the signal to obtain the working frequency band, then transferring the working band to the low-frequency region, obtaining two quadrature signals having half frequencies relatively relatively zero located in the audio (0- 20 kHz) frequencies, which allows you to use the low sampling frequency of the analog-to-digital signal conversion and perform audio monitoring by the operator. Within the limits of the audio frequency band, calculation and graphical display of the spectrogram and signal amplitude on the monitor are performed every second. At the same time, a calculated graph of the signal power as a function of frequency and time is displayed on the monitor. Using the signals from the sound device and graphics on the monitor, the operator detects leak signals. The disadvantages of this method are:
- низкая точность локализации источника акустической эмиссии из-за движения приемника и необходимости позиционирования в пространстве подводного измерительного блока,- low accuracy of localization of the source of acoustic emission due to the movement of the receiver and the need for positioning in the space of the underwater measuring unit,
- низкая чувствительность метода, зависящая от уровня окружающих шумов, обусловленных как движением самого приемника акустических сигналов, так и работой механизмов судна сопровождения,- low sensitivity of the method, depending on the level of ambient noise due to both the movement of the receiver of acoustic signals and the operation of the mechanisms of the escort vessel,
- низкая эффективность и принципиальные трудности локализации пульсирующих и «спящих» источников эмиссионных сигналов из-за неопределенности длительности, мест и моментов начала выходов газа на дне.- low efficiency and fundamental difficulties in the localization of pulsating and "sleeping" sources of emission signals due to the uncertainty of the duration, places and moments of the beginning of gas outflows at the bottom.
Кроме того, следует отметить, что известный метод не позволяет осуществлять мониторинг во времени и определять количество выходящего из источника газожидкостного потока.In addition, it should be noted that the known method does not allow monitoring over time and determining the amount of gas-liquid flow exiting the source.
Задача заявляемого изобретения - разработка эффективного метода пассивного обнаружения и мониторинга утечек газа из газопроводов и технических систем добычи углеводородов, локализации природных источников газов под водой, а также количественной оценки газовых потоков, выходящих в области дна.The objective of the invention is the development of an effective method for the passive detection and monitoring of gas leaks from pipelines and technical systems for hydrocarbon production, localization of natural gas sources under water, as well as a quantitative assessment of gas flows emerging in the bottom area.
Технический результат - повышение вероятности идентификации и точности определения координат мест выхода газожидкостных потоков в области дна, а также определение количественных параметров потоков в широком диапазоне концентраций газовых пузырьков, возможность мониторинга исследуемого объекта.The technical result is an increase in the probability of identification and accuracy in determining the coordinates of the exit points of gas-liquid flows in the bottom area, as well as the determination of quantitative parameters of flows in a wide range of gas bubble concentrations, the ability to monitor the object under study.
Поставленная задача решается предлагаемым методом акустического мониторинга придонных газожидкостных потоков путем приема сигналов акустической эмиссии в исследуемой области, их регистрации и обработки, при этом предварительно осуществляют калибровку систем приема сигналов в конкретном районе работ с использованием имитатора шумовых сигналов с равномерным спектром в области рабочих частот и записью калибровочного спектра, в качестве систем приема сигналов используют как минимум две, размещенные стационарно на известном расстоянии друг от друга, вертикальные антенны, имеющие круговые диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и веерную диаграмму направленности в вертикальной плоскости, регистрацию сигналов осуществляют со всех направлений веерной диаграммы направленности от каждой из антенн, затем с учетом калибровки выполняют измерение и нормировку эмиссионных спектров исследуемой области, проводят взаимно-корреляционный анализ полученных сигналов во времени, и определяют места выхода газа от источников акустического шума по максимумам функции корреляции между сигналами, полученными с различных направлений вертикальной диаграммы направленности приемных антенн и временным сдвигом между ними по формуле d1,2=Сзв×τ1,2, где d1,2 - расстояния от центров первой и второй антенн до источника, Сзв - скорость звука в воде, τ1,2 - времена сдвигов (лаги) для случая максимумов корреляционных функций каждой антенны, и объем выходящего потока путем суммирования объемов всех газовых пузырьков в функции распределения пузырьков по размерам ψ(n), полученной путем решения системы уравнений
Заявляемый метод за счет регистрации сигналов акустической эмиссии из места выхода пузырьков и из области газового «факела» с помощью двух стационарно установленных приемных антенн с веерной диаграммой направленности в вертикальной плоскости, более точного задания собственных частот излучения газовых пузырьков за счет учета взаимодействия пульсирующих пузырьков между собой и с дном, определения пространственной диаграммы направленности области акустической эмиссии, а также предварительной калибровки приемных систем позволяет повысить вероятность идентификации газожидкостных потоков в области дна, увеличить точность определения координат мест выхода, а также определить количественные параметры газового потока в широком диапазоне объемных концентраций пузырьков в потоках.The inventive method by recording acoustic emission signals from the exit point of the bubbles and from the gas "flame" using two stationary mounted receiving antennas with a fan radiation pattern in the vertical plane, more accurately setting the natural frequencies of the emission of gas bubbles by taking into account the interaction of pulsating bubbles with each other and with the bottom, determining the spatial radiation pattern of the acoustic emission region, as well as preliminary calibration of the receiving systems allows ysit probability of identification of gas-liquid flow in the bottom area, increase the accuracy of determining the coordinates of output locations, and determine the quantitative parameters of gas flow in a wide range of concentrations by volume of bubbles in the flow.
В заявляемом методе мониторинга придонных газожидкостных потоков учитывается взаимодействие пульсирующих и излучающих акустические сигналы пузырьков с дном, что приводит к изменению собственной частоты колебаний пузырьков, формирующих эмиссионный спектр в месте выхода газа, и структуры поля давления в дальней зоне, которая в этом случае имеет дипольной характер.In the inventive method for monitoring bottom gas-liquid flows, the interaction of the pulsating and emitting acoustic signals of the bubbles with the bottom is taken into account, which leads to a change in the natural frequency of the oscillations of the bubbles forming the emission spectrum at the gas outlet and the structure of the pressure field in the far zone, which in this case has a dipole character .
Действительно, радиус пузырьков, обнаруженных в сипах, составляет R0~0.25 см [Leifer I., Patro R.K. The bubble mechanism for methane transport from the shallow sea bed to the surface: A review and sensitive study // Cont. Shelf. Res. 2002. V. 22. P.2409-2428.], а их резонансная частота f0=(0.326/R0)(1+0.1·H)1/2 кГц (H - глубина в метрах) больше 1 кГц. Добротность пузырьков, рождающихся в сипах, Q~10 и время излучения составляет величину τ=Q/f0=0.03×R0(1+0.1·H)-1/2. Скорость пузырьков равна 14÷20 см/с. Таким образом, за время излучения пузырьки всплывают над дном на расстояние d=(4÷6)×R0(1+0.1·H)-1/2, что сопоставимо с их размерами, а длина акустической волны, излучаемой пузырьком, на порядки превосходит как размеры пузырька, так и расстояние до дна. Учет взаимодействия пузырька с дном выполняется с помощью введения мнимых источников - Фиг.1.Indeed, the radius of the bubbles found in the vultures is R 0 ~ 0.25 cm [Leifer I., Patro RK The bubble mechanism for methane transport from the shallow sea bed to the surface: A review and sensitive study // Cont. Shelf. Res. 2002. V. 22. P.2409-2428.], And their resonant frequency f 0 = (0.326 / R 0 ) (1 + 0.1 · H) 1/2 kHz (H - depth in meters) is greater than 1 kHz. The Q factor of the bubbles generated in sipes is Q ~ 10 and the radiation time is τ = Q / f 0 = 0.03 × R 0 (1 + 0.1 · H) -1/2 . The velocity of the bubbles is 14 ÷ 20 cm / s. Thus, during the emission time, the bubbles float above the bottom by a distance of d = (4 ÷ 6) × R 0 (1 + 0.1 · H) -1/2 , which is comparable to their size, and the length of the acoustic wave emitted by the bubble is orders of magnitude exceeds both the size of the bubble and the distance to the bottom. Accounting for the interaction of the bubble with the bottom is performed by introducing imaginary sources - Figure 1.
Учет взаимодействия пузырьков границами приводит к тому, что, во-первых, изменится собственная частота колебаний пузырька, которая будет описываться формулой:Taking into account the interaction of bubbles by the boundaries leads to the fact that, firstly, the eigenfrequency of the bubble oscillations will change, which will be described by the formula:
где f0 - собственная частота свободного пузырька, ρw - плотность воды, β=ρs(ν/1-ν), ρs - плотность осадков, ν - коэффициент Пуассона осадков. Выражение (1) используется в заявляемом методе для инверсии спектральной плотности эмиссионного излучения пузырьков и расчета объемных характеристик газового потока. Ранее указанное взаимодействие пузырьков не учитывалось и использовалось более простое соотношение
вместо поля монопольного источника, совпадающего с центром пузырька,
Для реализации способа выполняют прием акустических сигналов в районе работ с помощью как минимум двух антенн. Максимальное количество антенн практически неограниченно и определяется протяженностью контролируемых объектов или исследуемой площадью природного объекта, например для контроля линейных отрезков подводных газопроводов требуется не менее двух, а для контроля областей природных выходов газа или технических объектов, имеющих распределенную конфигурацию на дне, требуется не менее трех антенн. Антенны закрепляются стационарно на дне и имеют круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и многолучевую веерную диаграмму направленности в вертикальной плоскости. Перед началом работ проводится калибровка приемных антенн с помощью акустического излучателя - имитатора шумовых сигналов. В процессе калибровки и мониторинга заданного района принимаемые сигналы со всех направлений веерной диаграммы направленности от каждой антенны передаются в вычислительное многопроцессорное устройство (ВМУ), где выполняется взаимно-корреляционный анализ сигналов, полученных со всех лучей разных антенн. Определение координат мест выхода газовых пузырьков (источников акустического шума в области дна) осуществляют по максимумам и лагам взаимно-корреляционных функций и известным углам прихода сигналов. Определяют также реальные спектры мощности акустической эмиссии от области выхода пузырьков (два спектра с обеих антенн для случая трубопровода и три спектра с трех антенн для области выхода природного сипа). Определение реального эмиссионного спектра пульсирующих газовых пузырьков в области их выхода выполняют путем поиска ближайшей точки калибровки и нормировки полученных измеренных спектров с использованием спектра сигнала имитатора в данной точке. Критерием отсутствия ошибок измерений является близость значений нормированных спектров, определенных с помощью каждой антенны. Функция распределения пузырьков по размерам в области выхода газового потока в водную среду также определяется в ВМУ на основании алгоритма инверсии (АИ) нормированных спектров. Для увеличения достоверности идентификации выхода газа используют усредненный по всем антеннам спектр из области эмиссии, а также результаты анализа эмиссионного спектра на наличие низкочастотных составляющих, обусловленных коллективным взаимодействием газовых пузырьков в «факеле». Схема и комплекс устройств реализации предлагаемого метода для варианта мониторинга газопровода приведены на фиг.2, где 1 - вертикальные антенны с 2 - веерными диаграммами направленности, 3 - блок формирования характеристики направленности, 4 - пространство между антеннами, 5 - заданный объект контроля, 6 - точки положения имитатора акустического шума при калибровке, 7 - ВМУ, 8 - канал связи.To implement the method, acoustic signals are received in the work area using at least two antennas. The maximum number of antennas is almost unlimited and is determined by the length of the monitored objects or the investigated area of a natural object, for example, at least two are required to control the linear sections of underwater gas pipelines, and at least three antennas are required to control the areas of natural gas outlets or technical objects having a distributed configuration at the bottom . Antennas are fixed stationary at the bottom and have a circular radiation pattern in the horizontal plane and a multi-beam fan radiation pattern in the vertical plane. Before starting work, receiving antennas are calibrated using an acoustic emitter - a noise signal simulator. In the process of calibrating and monitoring a given area, the received signals from all directions of the fan radiation pattern from each antenna are transmitted to a computing multiprocessor device (VMU), where a cross-correlation analysis of signals received from all beams of different antennas is performed. The coordinates of the places of exit of gas bubbles (sources of acoustic noise in the bottom area) are determined by the maxima and lags of the cross-correlation functions and the known angles of arrival of the signals. The real acoustic emission power spectra from the bubble exit region are also determined (two spectra from both antennas for the pipeline case and three spectra from three antennas for the natural vulture exit region). Determination of the real emission spectrum of pulsating gas bubbles in the region of their exit is performed by searching for the nearest calibration point and normalizing the obtained measured spectra using the spectrum of the simulator signal at this point. The criterion for the absence of measurement errors is the proximity of the values of the normalized spectra determined using each antenna. The size distribution function of the bubbles in the region where the gas stream enters the aqueous medium is also determined in the VMF based on the inversion algorithm (AI) of the normalized spectra. To increase the reliability of identification of the gas outlet, use is made of the spectrum averaged over all antennas from the emission region, as well as the results of analysis of the emission spectrum for the presence of low-frequency components due to the collective interaction of gas bubbles in the “plume”. A diagram and a set of devices for implementing the proposed method for a gas pipeline monitoring option are shown in FIG. 2, where 1 is a vertical antenna with 2 fan patterns, 3 is a block for generating directivity patterns, 4 is the space between antennas, 5 is a given control object, 6 is points of position of the simulator of acoustic noise during calibration, 7 - VMU, 8 - communication channel.
Перед началом мониторинга заданного объекта 5, например газовой трубы или технических систем газопровода, производят акустическую калибровку района работ. Для этого источник акустического шума, энергетический спектр сигнала которого имеет известное постоянное значение в рабочем диапазоне частот от 500 Гц до 100 кГц, последовательно помещают в равноудаленные друг от друга точки пространства 6 вдоль трубопровода или в узловые точки трехмерной решетки, покрывающей область возможного выхода газа. Выполняют прием и передачу в блок 7 (ВМУ) сигналов белого шума, полученных со всех углов веерной диаграммы направленности с каждой из антенн 1 при нахождении имитатора в точках калибровки. В завершении процедуры калибровки выполняют интерполяцию измеренных спектров калибровки на промежуточные точки с учетом заданной пространственной точности измерений.Before starting monitoring a given
В режиме мониторинга выполняют прием сигналов эмиссионного излучения антеннами 1 из области пространства 4 между ними. Диаграмма направленности формируется с помощью блока 3 формирования характеристики направленности (ФХН). В блоке 3 за счет совместной цифровой обработки сигналов, регистрируемых каждым гидрофоном обеих вертикальных антенн, выполняется пространственная фильтрация акустических колебаний и формирование характеристики направленности антенны в вертикальной плоскости по углу α≤5° для диапазона частот принимаемых сигналов от 300 Гц до 100 кГц (пространственная фильтрация - общий термин линейной фильтрации принимаемых сигналов во временной и частотной областях, с целью формирования диаграммы направленности). Также в блоке 3 выполняется идентификация эмиссионных сигналов, полученных с различных направлений (углов), для каждой антенны. Сигналы и результаты их пространственно-временной идентификации передаются в блок 7 (ВМУ), где по результатам взаимно-корреляционной обработки сигналов во времени выполняется определение момента времени и места выхода газовых пузырьков путем поиска максимума функции корреляции между сигналами, полученными с различных направлений вертикальной диаграммы направленности приемных антенн, определение временных сдвигов для функций, имеющих максимумы, и определение дистанции до источника эмиссии d1,2=Сзв×τ1,2, где d1,2 - расстояния от каждой антенны до источника, Сзв - скорость звука в воде, τ1,2 - времена сдвигов (лаги) для случая максимумов корреляционных функций каждой антенны. Положение источника определяется как место пересечения двух окружностей, имеющих радиусы d1 и d2, которые выходят из центров первой и второй антенн, соответственно. Поскольку точек пересечения две, по числу корней, соответствующих этим окружностям уравнения, естественным выбором является положение точки источника в области дна.In the monitoring mode, emission signals are received by the antennas 1 from the area of
Параллельно с расчетом функций взаимной корреляции сигналов с двух антенн в блоке 7 (ВМУ) определяют спектры мощности этих же сигналов. Спектры мощности сигналов, корреляционные функции которых использовались для определения места выхода газового потока, после предварительной нормировки используют для определения функции распределения пузырьков по размерам. Нормировку спектров сигналов, принятых антеннами, выполняют путем умножения коэффициента передачи по спектру в области выхода газа на измеренный спектр сигнала акустической эмиссии. Коэффициент передачи определяется как обратная величина спектра принятого калибровочного сигнала (измеренного или интерполированного) из области выхода газа. Определение функции распределения пузырьков по размерам производится в блоке 7 на основании алгоритма инверсии (АИ). Данные измерений и результаты обработки со всех модулей передаются по каналу связи и энергообеспечения 8 в центр управления для оценки ситуации и принятия решений. В данной стационарной схеме измерений отсутствуют проблемы, связанные с позиционированием подвижных систем измерений и ограничения по времени измерений, за счет внешнего энергообеспечения 8 используемых систем.In parallel with the calculation of the cross-correlation functions of signals from two antennas in block 7 (VMU), the power spectra of the same signals are determined. The power spectra of the signals, the correlation functions of which were used to determine the exit location of the gas stream, after preliminary normalization are used to determine the size distribution function of the bubbles. The spectra of signals received by the antennas are normalized by multiplying the transmission coefficient over the spectrum in the gas outlet region by the measured spectrum of the acoustic emission signal. The transmission coefficient is defined as the reciprocal of the spectrum of the received calibration signal (measured or interpolated) from the gas outlet area. The determination of the bubble size distribution function is performed in
Алгоритм инверсии включает представление значений нормированного с учетом калибровки спектра эмиссионного сигнала в месте выхода газового потока Snorm(ω) в видеThe inversion algorithm includes the representation of the normalized values taking into account the calibration of the spectrum of the emission signal at the gas stream exit point S norm (ω) in the form
где D(R0) - распределение по размерам эмиссионных пузырьков как функция радиусов их резонансных радиусов R0, определяемая таким образом, что
где ρν - давление пара, σ - поверхностное натяжение жидкости, η - сдвиговая вязкость, k - индекс политропны изменяется между γ (отношение удельной теплоты газа при постоянном давлении к значению в постоянном объеме) и единицей в зависимости от того, ведет ли газ себя адиабатически, изотермически или некоторым промежуточным способом,
где r - это расстояние до точки измерения эмиссионного излучения, Rε0 - амплитуда осцилляции стенки пузырька i-го пузырька. Экспоненциальное затухание для пузырька, который осциллирует на собственной частоте ω0, имея начальную амплитуду Rε0i, описывается общим безразмерным коэффициентом затухания, δtot. Для оценки числа пузырьков по измерениям спектра мощности в дальнем поле решается уравнение (3) для D(R0) и нормированного Snorm(ω). Для этого производится дискретизация (3) на Nb конечных отрезка радиуса таких, что n-ый отрезок радиуса, имеющий центр на значении
Функция Ψ(n) отражает генерацию пузырьков в диапазоне дискретизации радиусов (то есть число пузырьков, образовывающихся в секунду в пределах энного отрезка радиуса) и может быть представлена в видеThe function Ψ (n) reflects the generation of bubbles in the range of discretization of radii (i.e., the number of bubbles produced per second within the nth segment of the radius) and can be represented as
Практически спектр Snorm(ω) рассматривается в дискретном виде по частотам, ωk, с диапазонами радиусов,
или в матричной формеor in matrix form
Здесь Σ - спектральная матрица с элементами
В отличие от известных алгоритмов, использующих инверсию эмиссионного спектра для определения функции распределения пузырьков по размерам, в предлагаемом методе используют сигналы акустической эмиссии от источников газовых пузырьков вблизи дна, полученные с помощью вертикальных приемных антенн с веерной диаграммой направленности в вертикальной плоскости, которые предварительно калибруются, с использованием источника шума с равномерным спектром в области рабочих частот, а для определения функции распределения пузырьков по размерам D(R0) и полного газового потока используют нормированные с учетом акустической калибровки спектры акустической эмиссии.In contrast to the known algorithms that use the inversion of the emission spectrum to determine the size distribution function of the bubbles, the proposed method uses acoustic emission signals from sources of gas bubbles near the bottom, obtained using vertical receiving antennas with a fan radiation pattern in the vertical plane, which are pre-calibrated, using a noise source with a uniform spectrum in the operating frequency region, and to determine the size distribution function of the bubbles D (R 0) and full gas flow is used with the normalized acoustic calibration of acoustic emission spectra.
Таким образом, использование предлагаемого метода пассивного акустического мониторинга придонных газожидкостных потоков позволяет повысить точность идентификации и определения положения источников акустической эмиссии (сипов и утечек газа из технических систем) в области дна за счет предложенного способа регистрации сигналов акустической эмиссии с использованием направленных вертикальных антенн, имеющих круговые диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и веерную диаграмму направленности в вертикальной плоскости, анализа эмиссионных спектров и формы характеристики направленности области излучения, определить количественные характеристики потоков газа со дна за счет использования нормированных спектров, полученных с учетом предварительной акустической калибровки района работ, а также позволяет осуществлять длительный мониторинг придонных районов с целью обнаружения выходов новых газовых потоков и контроля за действующими газожидкостными источниками на дне.Thus, the use of the proposed method of passive acoustic monitoring of bottom gas-liquid flows can improve the accuracy of identification and determination of the position of acoustic emission sources (gasps and gas leaks from technical systems) in the bottom area due to the proposed method for recording acoustic emission signals using directional vertical antennas with circular horizontal radiation patterns and a vertical fan pattern, an lysis of emission spectra and the shape of the directivity of the radiation region, to determine the quantitative characteristics of gas flows from the bottom through the use of normalized spectra obtained taking into account preliminary acoustic calibration of the work area, and also allows for long-term monitoring of the bottom areas in order to detect new gas flows and control operating gas-liquid sources at the bottom.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013103963/28A RU2521717C1 (en) | 2013-01-29 | 2013-01-29 | Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013103963/28A RU2521717C1 (en) | 2013-01-29 | 2013-01-29 | Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2521717C1 true RU2521717C1 (en) | 2014-07-10 |
Family
ID=51217055
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013103963/28A RU2521717C1 (en) | 2013-01-29 | 2013-01-29 | Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2521717C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2584721C1 (en) * | 2015-04-06 | 2016-05-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Passive-active acoustic method of detection and localisation of gas leaks in gas-liquid medium |
RU2611556C1 (en) * | 2015-11-09 | 2017-02-28 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method for determination of multiposition sonar system efficiency |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU851255A1 (en) * | 1979-07-03 | 1981-07-30 | Предприятие П/Я В-2539 | Device for measuring sea surface aerated layer characteristics |
JPS56168527A (en) * | 1980-05-30 | 1981-12-24 | Tokyo Gas Co Ltd | Method for detecting leaking point in pipeline |
RU2196931C2 (en) * | 2001-01-25 | 2003-01-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Method of detection of break in underwater pipe line |
RU2445594C1 (en) * | 2010-09-03 | 2012-03-20 | Открытое акционерное общество "Газпром" | Method of diagnosing main pipelines and device for realising said method |
RU2463203C2 (en) * | 2010-12-28 | 2012-10-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Towed underwater vehicle equipped with hydroacoustic equipment for sludged objects and pipelines |
-
2013
- 2013-01-29 RU RU2013103963/28A patent/RU2521717C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU851255A1 (en) * | 1979-07-03 | 1981-07-30 | Предприятие П/Я В-2539 | Device for measuring sea surface aerated layer characteristics |
JPS56168527A (en) * | 1980-05-30 | 1981-12-24 | Tokyo Gas Co Ltd | Method for detecting leaking point in pipeline |
RU2196931C2 (en) * | 2001-01-25 | 2003-01-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Method of detection of break in underwater pipe line |
RU2445594C1 (en) * | 2010-09-03 | 2012-03-20 | Открытое акционерное общество "Газпром" | Method of diagnosing main pipelines and device for realising said method |
RU2463203C2 (en) * | 2010-12-28 | 2012-10-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Towed underwater vehicle equipped with hydroacoustic equipment for sludged objects and pipelines |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2584721C1 (en) * | 2015-04-06 | 2016-05-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Passive-active acoustic method of detection and localisation of gas leaks in gas-liquid medium |
RU2611556C1 (en) * | 2015-11-09 | 2017-02-28 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method for determination of multiposition sonar system efficiency |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20210231800A1 (en) | Sound velocity profile inversion method based on inverted multi-beam echometer | |
Carey et al. | Ocean ambient noise: measurement and theory | |
RU2474793C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
RU2445594C1 (en) | Method of diagnosing main pipelines and device for realising said method | |
Li et al. | Broadband acoustic inversion for gas flux quantification—Application to a methane plume at Scanner Pockmark, central North Sea | |
Kawanisi et al. | Continuous measurements of flow rate in a shallow gravel‐bed river by a new acoustic system | |
CN104807512B (en) | A kind of method of ultrasonic measurement sea bottom percolation throughput | |
Zhao et al. | Theoretical analysis and numerical experiments of variational adjoint approach for refractivity estimation | |
Wang et al. | Review of underwater acoustic propagation models. | |
RU2536836C1 (en) | System for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment | |
RU2343502C2 (en) | Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium | |
US4924449A (en) | Acoustic sub-surface interrogator | |
RU2527136C1 (en) | Method of measuring depth of object using sonar | |
RU2466425C1 (en) | Method of measuring characteristics of wavy water surface | |
RU2451300C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
RU2521717C1 (en) | Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows | |
Cao et al. | Near-field target localisation based on the distributed acoustic sensing optical fibre in shallow water | |
RU2436134C1 (en) | Method for rapid investigation of atmosphere, earth's surface and ocean | |
CN109492281A (en) | A kind of shallow sea geoacoustic inversion method based on low frequency underwater propagation characteristic | |
RU2382270C1 (en) | Method for emergency diagnostics of trunk pipeline | |
RU2196931C2 (en) | Method of detection of break in underwater pipe line | |
RU2584721C1 (en) | Passive-active acoustic method of detection and localisation of gas leaks in gas-liquid medium | |
JP4342546B2 (en) | Turbidity monitoring method and turbidity monitoring device in water | |
RU2592741C1 (en) | Hydroacoustic station for detection and location of gas leaks | |
RU2463631C1 (en) | Method to detect earthquake sources by network of seismic stations |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210130 |