管道监测的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种监测流体承载管道的方法，包括：询问沿所述管道的路径定位的光纤以提供分布式声感测；通过分布式声感测，沿所述光纤的长度测量多个离散纵向感测部分中的每一个处的声信号，以针对第一特性信号的存在监测所述光纤，所述第一特性信号指示所述光纤附近的地面隆陷；以及当在所述分布式声感测中测量到第一特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。
【专利说明】管道监测
[0001 ] 本发明涉及管道监测，特别地，本发明涉及管线监测。
[0002]管线广泛地用于运输流体资产，诸如油和气，并且，在世界范围内针对这些资产的分布存在这种管线的大型网络。考虑到这些流体资产的较高价值、这些管线的连续操作的重要性以及管线的潜在环境影响，对管线故障的早期和准确检测成为管线操作者主要关心的问题。
[0003]因此，期望提供一种改进的管线监测系统和方法，其能够准确地监测管线，以便准确地检测管线的任何故障。
[0004]根据本发明的一个方面，提供了一种监测流体承载管道的方法，包括:询问沿所述管道的路径定位的光纤以提供分布式声感测；针对第一特性信号的存在，沿所述光纤的长度监测多个离散纵向感测部分处的声信号，所述第一特性信号指示所述光纤附近的地面隆陷(heave);以及当在所述分布式声感测中检测到第一特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。
[0005]所述方法可以进一步包括通过确定所述光纤中所述第一特性信号的原点位置来确定所述管道中故障的位置。
[0006]所述第一特性信号可以包括来自所述光纤的感测部分的声响应(例如，低于几百赫兹(比如例如低于500Hz或低于IOOHz的频率处的响应)的低频分量的变化。在一些实施例中，感兴趣的低频响应可以是大约几十赫兹或更低，比如低于50Hz或低于IOHz。出于本说明书的目的，术语低频响应应当被视为包括DC处的响应。
[0007]该方法还可以包括:确定低频响应的变化的程度；以及估计泄漏流速。
[0008]该方法可以进一步包括:将时变压力变化引入到所述管线中的流体中；以及将所述多个离散纵向截面处的声信号与时变压力信号进行相关，以确定所述第一特性信号。
[0009]该方法可以进一步包括:针对第二特性信号的存在，沿所述光纤的长度监测多个离散纵向感测部分处的声信号，所述第二特性信号指示所述管道中的压力波，所述压力波在远离故障点的两个方向上沿所述管道移动；如果所述第一特性信号与所述第二特性信号相关，则当在所述分布式声感测中测量到第二特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。所述相关可以包括:确定所述光纤中所述第一特性信号的原点位置；确定所述光纤中所述第二特性信号的原点位置；以及比较所述第一位置和所述第二位置。当所述第一位置和所述第二位置被确定为处于预定范围内时，可以确定已经发生故障。所述预定范围可以小于50m。
[0010]该方法可以进一步包括:针对第三特性信号的存在，沿所述光纤的长度监测多个离散纵向感测部分中的每一个处的声信号，所述第三特性信号指示从所述管道漏出的流体的噪声；以及如果第三特性信号与所述第一和/或第二特性信号相关，则当离散的声传感器测量到第三特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。
[0011]所述第三特性信号可以是对应于可听撕撕声(audible hissing sound)的信号。所述相关可以包括:基于哪个纵向感测部分检测到所述第三特性信号来确定所述第三特性信号的原点位置；确定所述光纤中所述第一特性信号的原点位置，和/或确定所述光纤中所述第二特性信号的原点位置；以及将所确定的第三位置与所述第一和/或第二位置进行比较。当所述第三位置以及所述第一和/或第二位置被确定为处于预定范围内时，可以确定已经发生故障。所述预定范围可以小于50m。
[0012]该方法还可以包括将通过分布式声感测检测到的声信号与由至少一个其他传感器设备检测到的测量信号进行相关。
[0013]该方法还可以包括监测所述流体承载管道，该监测包括:将压力波引入到所述管道中；在分布式声传感器的多个离散纵向感测部分中的每一个处监测对所述压力波的响应；从所述多个测量导出管道状况简档；通过将另外的压力波引入到所述管道中来导出一个或多个另外的管道状况简档；以及比较管道状况简档以确定管道特性的变化。
[0014]该方法可以进一步包括:针对第四特性信号的存在，响应于声刺激，沿所述光纤的长度监测多个离散纵向感测部分中的每一个处的声信号，所述第四特性信号指示流速的变化；以及如果所述第三特性信号与所述第一和/或第二特性信号相关，则当离散的声传感器测量到第四特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。该方法可以包括分析所述管道中压力脉冲的传播速率，以便检测传播速度的突变。
[0015]该方法可以包括确定管道特性的变化的纵向位置。
[0016]该方法可以进一步包括:将管道特性的变化的纵向位置与通过感测所述光纤附近的地面隆陷确定的故障位置、和/或通过感测所述管道中压力波的存在确定的故障位置、和/或通过由离散的声传感器感测可听撕撕声确定的故障位置进行比较；以及当两个或更多个位置被确定为处于预定范围内时，确定已经发生故障。
[0017]所述光纤可以位于所述管道内。所述光纤可以邻近所述管道定位。所述分布式光纤传感器的空间分辨率可以小于或等于25m。所述分布式光纤传感器的长度可以大于或等于 20km。
[0018]根据本发明的另一个方面，提供了一种管道监测设备，包括:光纤询问器，所述光纤询问器被适配为询问沿管道的路径部署的光纤并提供分布式声感测；以及处理器，所述处理器被适配为从所述询问器接收感测的数据，以针对第一特性信号的存在监测所述光纤，所述第一特性信号指示所述光纤附近的地面隆陷，并且所述处理器被适配为当在所述分布式声感测中测量到第一特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。
[0019]该设备可以包括管线监测设备。
[0020]该处理器可以被适配为将所述感测的数据与被引入到所述管道中的时变压力变化进行相关，以确定所述第一特性信号。
[0021]该处理器可以进一步被适配为:从所述询问器接收感测的数据，以针对第二特性信号的存在监测所述光纤，所述第二特性信号指示所述管道中的压力波，所述压力波在远离故障点的两个方向上沿所述管道移动；以及如果所述第一特性信号与所述第二特性信号相关，则当在所述分布式声感测中测量到第二特性信号时，确定在所述管线中已经发生故障。
[0022]该管线监测设备可以进一步包括沿所述管道(例如管线)的路径分布的离散声传感器的阵列；以及所述处理器被适配为:从所述离散声传感器接收数据，以针对第三特性信号的存在进行监测，所述第三特性信号对应于可听撕撕声；以及如果第三特性信号与第一和/或第二特性信号相关，则当离散声传感器检测到第三特性信号时，确定在所述管线中已经发生故障。
[0023]该管道监测设备还可以包括用于将时变压力变化引入到所述管道(例如管线)中的流体中的装置。所述用于将时变压力变化引入到所述管线中的流体中的装置可以被适配为在管线中所包含的流体中产生压力脉冲；以及该处理器可以被适配为:响应于所述压力脉冲从所述询问器接收感测的数据；以及从所述感测的数据导出管线状况简档；以及通过将另外的压力波引入到所述管线中来导出一个或多个另外的管道状况简档；比较管道状况简档以确定管道特性的变化；以及当确定存在管线状况简档的变化时，确定在所述管线中已经发生故障。
[0024]还提供了一种包括计算机可执行指令的计算机程序，所述计算机可执行指令在被计算机执行时使所述计算机执行上述方法。
[0025]本发明可以包括本文提及的特征和/或限制的任意组合，除非这种特征的组合是相互排斥的。
[0026]现在，将参照附图，作为示例，描述本发明的实施例，在附图中:
[0027]图1示意了分布式光纤传感器的基本组件；
[0028]图2示出了沿管线的长度布置的光纤传感器；
[0029]图3示出了管线和感测光纤的横截面；
[0030]图4示出了管线监测数据输出；
[0031]图5示出了响应于模拟气体管线泄漏而来自DAS传感器的数据；以及
[0032]图6a_c示出了来自进一步试验的数据。
[0033]本发明的实施例使用分布式声感测(DAS)来提供管道的泄漏检测。分布式声感测是一种已知类型的感测，其中，将光纤部署为感测光纤，并且利用电磁辐射来重复询问光纤，以提供沿其长度对声活动的感测。典型地，将辐射的一个或多个输入脉冲发射到光纤中。通过分析从光纤内背向散射的辐射，可以有效地将光纤分成多个离散的感测部分，这些感测部分可以是(但不必须是)邻接的。在每个离散的感测部分内，光纤的机械扰动(例如由于入射声波而引起)造成从该部分背向散射的辐射的属性的变化。可以检测和分析该变化，并使用该变化来给出在该感测部分处对光纤的扰动强度的测量。因此，DAS传感器有效地充当光纤的声感测部分的线性感测阵列。光纤的感测部分的长度由询问辐射的特性和对背向散射信号应用的处理确定，但是，典型地，可以使用大约几米至几十米的量级的感测部分。如本说明书中所使用的那样，术语“分布式声感测”将被视为表示通过询问光纤来感测以提供沿光纤纵向分布的多个离散的声感测部分，并且术语“分布式声传感器”应当被相应地解释。术语“声”应当表示可能导致光纤上的应变的改变的任何类型的压力波或机械扰动，并且为了避免疑义，术语“声”应当被视为包括超声和次声波以及地震波。
[0034]图1示出了分布式光纤分布式声感测(DAS)装置的示意图。感测光纤104(其可以是诸如在电信应用中使用的标准光纤)的长度在一端连接到询问器106。来自询问器106的输出被传递到信号处理器108，并且可选地，被传递到用户接口，该用户接口在实践中可以由适当指定的PC实现。感测光纤在长度上可以是很多公里，并且在该示例中大约40km长。
[0035]询问器106将询问光信号发射到感测光纤中，该询问光信号可以例如包括具有所选频率模式的一连串脉冲。在DAS传感器的一个实施例中，瑞利背向散射的现象导致向光纤中输入的光的一小部分被反射回到询问器，在该询问器中，对其进行检测以提供表示光纤附近的声扰动的输出信号。光输入的形式和检测方法允许单个连续光纤在空间上被分解为离散的感测长度。也就是说，在一个感测长度处感测的声信号可以是基本上与邻近长度处感测的信号无关地提供的。本示例中的空间分辨率是大约10m，导致询问器的输出采用4000个独立数据信道的形式。基于其他类型的散射的DAS传感器也是已知的。
[0036]该分布式声传感器可以例如是诸如在英国专利申请公开N0.2，442，745中描述的分布式声传感器，该英国专利申请公开的内容通过引用并入本文。如在GB2，442，745中描述的分布式声传感器通过确定光纤上的相位变化来确定光纤上的声感应应变。将光纤中的相位变化用作对扰动的测量允许光纤上的低频应变被检测到，这在本发明的实施例中是特别有利的。
[0037]这样，单个感测光纤可以提供感测的数据，该数据与邻近传感器的复用阵列类似，被布置在线性路径中，根据应用，该线性路径可以是直的或弯曲的。
[0038]图2示出了根据本发明的布置，其中，感测光纤202(以及关联的询问器和/或处理器204)沿管道的路径布置，在该示例中，该管道是管线206。可以检测到入射到光纤的感测部分上的声信号。例如，沿管线206行进的压力脉冲可以由感测光纤202检测到，并且该压力脉冲将造成感测光纤的应变的局部化改变，这将进而影响感测光纤中此时的背向散射辐射的特性。
[0039]该光纤优选地被布置为遵循管线的路径。这样，光纤的各个离散感测部分直接对应于管的纵截面。然而，可以使用其他光纤布置，在这种情况下，可能必须知道光纤相对于管线的布置，以允许管线内的跟踪。光纤可以被定位在管道内部或外部，并可以与管壁直接接触或者不直接接触。
[0040]图3示出了管302的横截面，其中，感测光纤的可能位置能够检测该管中的脉冲的响应。
[0041]本示例中的管具有1200mm的内径和50mm的碳钢壁，其承载处于大约80巴(bar)的天然气。该管可以被埋在表面之下大约l-2m，在特定情形中，该表面可以是地平面或海底。光纤304不意了位于管302的内孔内的光纤,其倚靠在该管的底部上。光纤306不意了接合到该管外部的光纤，而光纤308示意了位于分开的线缆承载管道310中的光纤，线缆承载管道310位于距气体输送管线的中心线大约1.5m。典型地，在安装管线时放置管道310，以承载通信和/或SCADA线。光纤312示意了被直接埋在地里与管线并排、距管中心线大约Im的光纤。
[0042]将理解的是，对每个不同的光纤安置来说，对源自管内的声信号的所测量到的响应将是不同的，并将取决于不同的因素。例如，光纤308所感测到的信号将取决于管302和管道310之间的地的传输特性，而感测光纤304和306将较少地受影响。
[0043]光纤优选地沿希望其跟踪的管线的长度延伸。已经在达到和超过40km的光纤长度中演示了分布式声感测。因而，单个分布式声传感器可以提供在40km的管线上的监测。一连串的分布式声传感器可以被布置以提供在更长长度的管线上的监测。对大约80km的量级的管线长度来说，可以沿在光纤的每一端处布置有分布式声传感器的光纤的长度使用单个光纤。然而，对更短的管线长度来说，光纤路径可以沿管线原路返回(double back)，以提供用于监测的附加传感器。[0044]再次参照图2，示出了管线206，在沿管线206的长度的位置处具有故障208。故障208可以是管壁中的断裂或者可导致来自管线的流体资产(诸如油/气)丢失的任何其他故障。
[0045]故障208会使油/气从管线206流动以泄漏到管线被埋在其中的管线周围的地里。当油/气聚集或流动到该环境中时，这种泄漏的油/气会造成地的局部化膨胀或移动，其被称作隆陷。这种效应将在以高压承载流体的管道中特别明显，例如，以高压沿管线向下输送气体以增加流速的气体管线。高压气体在从管线泄漏时将在围住地面隆陷的地中快速扩张。也可以对油管线施压，并且流动到地中的大容量的油可能造成显著的地面隆陷。
[0046]管线故障附近的局部化地面隆陷会使局部化应变被施加于光纤202。光纤上的这种应变会造成光纤内的散射点的变化，并在诸如GB2，442，745中所描述的传感器中会造成路径长度的变化，从而导致从光纤的相关截面的可检测到的相位变化。
[0047]因此，通过询问光纤202，可以使用分布式声感测、通过检测由地面隆陷造成的特性信号来检测该地面隆陷。典型地，这将是光纤的一个或多个相关感测部分上的相对强烈的低频信号。根据光纤的感测部分的长度，可以将地面隆陷的效应局部化到光纤的仅几个截面。
[0048]如所提及的那样，典型地，地面隆陷的效应将被检测，作为从DAS传感器检测的信号的低频分量的变化。该地面隆陷可能导致应变的连续变化，这将被反映在DAS传感器的低频信号中。低频响应将是低于比如几百赫兹的频率处的响应，并且最感兴趣的响应可以处于大约几十赫兹或更低的频率，比如低于50Hz或低于10Hz。为了避免疑义，如本说明书中所使用的那样，术语低频响应应当被视为包括DC处的响应，其可以指示光纤上的连续应变。
[0049]因此，信号处理器可以分析检测到的声信号，并寻找低频响应的任何显著变化，作为指示光纤上的显著的相对连续的应变变化，该应变变化可以指示地面隆陷。
[0050]为了演示通过使用DAS检测管线泄漏以检测指示地面隆陷的信号的能力，对气体管线故障事件进行了仿真。在地里埋入了类似于管道截面的容器，其与压缩气体的供给流体连通。在管道的孔上定位了爆裂膜，即，被设计为在达到指定压力水平时爆裂的膜。利用压缩气体来缓慢地对容器增压，直到达到爆裂阈值压力(在该示例中，70巴或7X1010)以及爆裂膜破裂。这仿真了增压的气体管线中的突然泄漏。将光纤光缆埋在测试容器附近，并利用DAS询问器来询问光纤光缆。
[0051]图5示出了在对容器增压且达到爆裂阈值时检测到的声信号的低频响应。图5示出了低频信号的一般强度相对于时间的变化。可以看到，在达到爆裂压力阈值(在50s周围)之前，低频信号相对恒定，并仅展示了随时间逐步发生的相对较小的变化。然而，当膜爆裂时，随着持续显著时间长度的检测到的强度的快速变化，在检测到的信号中存在较大摆动。
[0052]图5中所示的数据是使用DAS传感器在相对有限的动态范围的情况下以及在入射应变和由此检测到的强度之间不存在显著线性的情况下获取的。如本领域技术人员将意识到的那样，来自光纤的任何给定感测部分的背向散射的强度取决于来自该给定感测部分的随机背向散射，并且还取决于由入射应变造成的路径长度变化。在不具有锁相(即，测量信号的相位的变化未被精确地跟踪)的DAS传感器中，较大的应变变化可能超过传感器的动态范围。
[0053]图6a_c示出了从由DAS传感器检测到的被释放到地里的增压气体获取的数据，其确定了所测量到的声信号的相位。图6a示出了在向容器的流速是每分钟100标准升(SLPM)时检测到的返回值。再一次可以看到，在破裂之前，低频响应相对恒定，仅具有相对较低的变化。当破裂发生时，在应变中存在突然的增加，然后持续。这对应于导致增加连续应变的地面隆陷。在大约200秒处，该流被停止，并且低频处增加的强度快速降回到大约先前水平。图6b示出了来自类似试验的结果，但具有50SLPM流速。可以看到，检测到相同的总体图案，但是，与图6a中所示的数据相比，低频信号的强度的相对增加是大约一半。图6c示出了来自使用了 25SLPM流速的进一步试验的数据。再一次，能够观察到相同的图案，虽然地面隆陷由于降低的流速而不那么快。强度的最大增加是在图6c中所示的数据中观察到的增加的大约一半。
[0054]该数据示出:可以通过从DAS传感器的低频响应中检测到由漏出到地里的增压流体产生的地面隆陷。进一步可以看到，在具有锁相的DAS传感器中，所检测到的强度变化在定量上与流速相关，并因此在定量上与地面隆陷的量相关。
[0055]因此，当检测到低频响应的突然增加并且将其用于指示泄漏时，可以通过查看DAS传感器的检测到的强度的变化来估计泄漏的严重性，即，泄漏流速。
[0056]这种方法的潜在限制在于:如果管线的故障导致流体缓慢泄漏到周围的地里，则可能难以将由泄漏造成的地面隆陷与地里的自然变化(诸如，可能由太阳能加热或者进入地的水吸收(诸如雨，特别是在地接近饱和的情况下)造成)进行区分。光纤的热变化也可能导致与由于地面隆陷而引起的信号类似的信号。进一步，即使新的泄漏造成可能在正常环境噪声之上可检测到的、突然的、显著的隆陷，这种事件也可能是一次性事件。只要泄漏继续，流体向地里的连续流动就可以维持地面隆陷的水平。可替换地，流体将趋向于找到某漏出路线，并且，地可以缓慢地沉降到某稳态位置。因此，在泄漏的情况下由于地面隆陷而引起的信号可以是来自光纤的声响应的一次性变化。
[0057]因此，可能期望使用附加的度量来更精确地识别在管线中是否已经发生故障。
[0058]另一种方法可以是:针对管线中的压力脉冲来监测管线，该压力脉冲可能由管线206中的突然断裂/故障或泄漏造成。由突然故障造成的这种结果压力脉冲可以由感测光纤202检测，并可以用于识别和/或定位故障208的源并因此识别和/或定位故障208的位置。
[0059]由故障208生成的压力脉冲将在远离故障点的沿着管的两个方向上行进。管线206充当波导，并且该压力脉冲可以在未被过度衰减的情况下行进数十公里。
[0060]当压力脉冲经过任何特定长度的管时，其造成可由分布式光纤传感器202/204检测到的声扰动。
[0061]图4示出了柱状图和关联的瀑布图，其示意了响应于在邻近管线中传播的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轴是沿感测光纤(在这种情况下，其具有大约40km的总体长度)的长度的位置。由于光纤具有遵循管线的路径，因而X轴也对应于沿管线的位置。
[0062]柱状图以时刻示出了从感测光纤返回的所感测到的声信号的幅度。为了能够查看所有4000个信道，图中的每个条表示来自IOm截面的组的峰值幅度。如果期望的话，可以查看各个IOm截面。下部的曲线图是具有0.05秒更新速率的瀑布图的表示，其示出了声强度相对于距离和时间的变化。沿瀑布的y轴绘制时间，其中，在顶部处绘制最近的数据。再一次，X轴是沿光纤的距离，并因此是沿管线的距离，以及声强度。这里为了解释的目的，可以认为图4的瀑布示出了作为沿光纤的距离的函数的声扰动相对于时间的变化。
[0063]可以从瀑布图中看到两个主要特征。第一个特征是在402处向着曲线图左侧的恒定声扰动的区域，其对应于感测光纤的大约4000m的长度。这可归因于位于光纤的该截面上的工业单元，其产生稳定的振动噪声。其次，远离该工业单元的恒定噪声，可以看到明显的人字形(即V形)图案，在区域404中最清楚。该人字形图案是在管线中传播的压力波的存在的特性信号。
[0064]人字形的顶点位于沿光纤的点406处，对应于压力脉冲的原点，对于由于管线故障而引起的压力脉冲，该原点对应于故障点208。曲线图的“V”形对应于在远离脉冲源的两个方向上沿管移动的压力脉冲，并且“V”形的斜率对应于管内所包含的增压流体中的声速，在这种情况下，其为大约^Oms—1 (假定光纤的声信道沿管线的路径均匀地分布)。
[0065]因此，可以看到，使用分布式声传感器可在管线中清楚地检测到由突然管线故障造成的压力脉冲。
[0066]管线中脉冲的传播还可以潜在地提供与泄漏的性质有关的一些信息，即，相对强度可以潜在地指示泄漏的严重性。此外，在发生管线故障时流体的流速或温度的任何快速变化可能影响压力脉冲的传播速度，并因而更改在瀑布图中可观察到的“V”特征的总体形状。
[0067]如将对本领域技术人员来说显而易见的那样，可以使用相对简单的算法将瀑布图中的V形传播特征(或者等效地，从公共原点在相反方向上沿管线行进的两个移动的声扰动)用作检测特征。
[0068]在本发明的实施例中， 为了检测管线中的故障，监测系统可以监测地面隆陷以及管线中突然压力脉冲的存在这两者。例如，可以一起使用对在管线中传播的自发压力脉冲的检测、后跟对指示地面隆陷的信号的检测，来在比单独使用任一技术具有更好的辨别力的情况下识别泄漏。这种系统可以确定地面隆陷和压力波的相应原点，并比较这两个位置。如果这两个位置是一致的或者落在预定范围内，则可以假定造成地面膨胀的事件和压力脉冲相联系，并且因而可以以更大的确定性检测管线中的故障。预定范围可以是IOOm或更小，并且更优选地，可以是50m或更小。该方法还可以涉及比较检测压力脉冲和地面隆陷的相对时间。确定压力脉冲的原点还可以包括确定压力脉冲的原点时间。然后，可以将首先生成压力脉冲的时间与检测到指示地面隆陷的信号的时间相比较。
[0069]虽然上面描述了能够检测管线中的突然故障的可能性，但是如果该故障是渐变故障，其中相对少量的油/气漏出管并渗透到管线的故障点周围的地里，并且未提供足够大以检测到的沿管线向下的压力波，那么可能未检测到渐变故障。
[0070]因此，可能期望利用对特性V形的检测的附加或可替换的度量来更精确地识别是否在管线中已经发生故障。
[0071]一种这样的方法可以是检测从管线漏出的油/气的噪声。增压油或气从管线的漏出可能造成噪声，例如可听撕撕型声音。因此，在与对音响噪声的增大且持续的增加的检测相同的位置处对地面隆陷的检测可以指示泄漏。可以通过使用沿管线的路径定位的离散声传感器(例如麦克风)的附加阵列来监测噪声，例如与泄漏相关联的撕撕声，尽管在优先实施例中，使用离散声传感器的离散感测信道来针对与泄漏相关联的噪声进行监测。该方法可以包括针对具有例如与例如高压气体从管线的漏出相关联的特定频率的噪声签名进行监测。
[0072]如将对本领域技术人员来说显而易见的那样，可以以多种方式确定撕撕声的位置。
[0073]在本发明的实施例中，为了检测管线中的故障，监测系统可以监测地面隆陷、管线中突然压力脉冲的存在和/或指示流体从管线的漏出的噪声(诸如可听撕撕声)的存在。这种系统可以确定地面隆陷、压力波和撕撕声的相应原点，并可以比较这些位置中的两个或更多个。如果这些位置中的两个或更多个是一致的或者落入预定范围内，则可以假定造成地面膨胀的事件和压力脉冲相联系，并且因此可以以更大的确定性检测管线中的故障。该预定范围可以是IOOm或更小，并且更优选地，可以是50m或更小。还可以将指示各种度量的信号的检测时间进行相关。
[0074]可以使用上面讨论的所有度量来连续处理来自分布式声传感器的返回值。然而，在一些实施例中，最初可以使用这些度量中的仅一些来处理返回值。例如，如果最初检测到指示地面隆陷的信号，那么随后可以处理来自光纤的相同截面的返回值以查找指示从管线漏出的流体的增加的声扰动，和/或可以处理来自首先检测到可能的地面隆陷的时间周围的返回值以查找在相反方向上流动的压力脉冲的传播。这可以涉及:在至少短时间段内缓冲所有数据，使得然后在光纤的特定位置处检测到一个度量的情况下，可以使用其他度量来分析针对该光纤截面的相关缓冲信号。
[0075]因此，本发明的实施例可以使用指示管线故障的一个或多个度量作为正常处理的一部分，并且，如果检测到指示潜在故障的信号，那么可以执行使用一个或多个附加度量的随后处理，以帮助将该检测分类为管线故障或不是管线故障。仅最初使用某度量可以减少正常处理负担，但是显然，应当使用最可靠的度量。例如，如果每个显著的故障产生可检测到的压力脉冲(通过检测从故障点在相反方向上在管线中移动的两个脉冲)，那么可以将其用作可能故障的最初指示。为了减少假警报的可能性，对压力脉冲的检测可能导致用于检测相同附近区域中的地面隆陷以及可选地检测诸如撕撕之类的噪声的存在的处理。
[0076]在一些实例中，还可以将来自DAS传感器的数据与来自其他传感器的数据进行相关，以检测泄漏。这种其他传感器可以包括温度传感器(诸如光纤分布式温度传感器)、流速监测器(在管道内)和/或加速度计等中的一个或多个。如果存在温度的突变(针对漏出增压气体的冷却、针对漏出加热油的加热)、或流的突然下降、或突然加速，并且位置和时间与DAS度量中的任一个相关，则这可以指示泄漏。
[0077]可用于更精确地检测管线中故障的存在的另一种方法是:将时变压力变化引入到管线中的流体中(例如，将压力波循环引入到管线中)，并且使用分布式声感测来测量对该压力波的声响应。特别地，该方法可以涉及针对指示地面隆陷的信号中的对应变化进行监测。
[0078]如上所述，在埋藏的管线中存在泄漏的情况下，增压油或气向周围的地里的漏出可能造成地面隆陷，但是这种地面隆陷可能是一次性事件。本发明的该实施例将时变压力引入到管线中的流体。[0079]如本领域技术人员将意识到的那样，由于泄漏而从管线漏出到地里的流体的量将取决于泄漏的性质，而且还取决于管线的相关截面中流体的压力。如果管线内的压力以时变方式变化，则这些压力变化将趋向于沿管线传播。因此，在具有泄漏的管线的截面处流体的压力也会以基本上相同的方式变化。因此，流动到周围的地里的流体的量也会变化，这会对地面隆陷的量具有对应的影响。因此，造成在管线内流体的压力的时间变化可能导致由于地面隆陷而引起的低频应变信号的对应时间变化。因此，通过将指示地面隆陷的信号与管线内压力的时间变化进行相关，可以将由于来自泄漏的地面隆陷而引起的信号与由于背景效应(诸如，天气相关的地面隆陷或光纤的热变化)而引起的信号进行鉴别。
[0080]因此，该实施例可以包括利用时变分量针对指示地面隆陷的信号进行监测。该方法可以包括将来自光纤的信道的信号与指示管线中的时变压力变化的信号进行相关。
[0081]可以通过改变泵站处的控制参数等等来容易地实现以这种方式改变管线中流体的压力。然而，显然，压力变化应当保持处于管线的安全操作界限内。因此，压力变化可以涉及周期性地减小管线内的压力。
[0082]为了允许针对泄漏进行连续监测，可以在管线的正常操作期间施加时变压力变化，并且因此，如上所述，可以在考虑压力变化的情况下(即，通过将低频响应与压力变化进行相关)分析来自光纤的返回值。然而，与相对稳定压力处的操作相比，对管线施加压力变化可以潜在地降低流速，和/或管线内的压力变化可以增加各种管线组件上的应力。因此，为了减少管线内的压力变化的量，可以仅周期性地施加压力变化。可以以所设置的间隔引入压力变化，以检验泄漏。例如，不时地，可以在特定测试持续时间内将循环压力变化施加于管线中的流体。在该时间期间，可以将来自分布式声传感器的声信道的信号与压力变化进行相关，以检测泄漏。附加地或可替换地，可以采用另一种方法来不断地针对故障监测管线，诸如上述其他实施例中的任一个，并且，在检测到可能的泄漏的情况下，可以将压力变化引入到管线中的流体中，并将该压力变化与来自分布式声传感器的信号进行相关，以帮助确认是否已经发生泄漏。
[0083]在可以将压力变化引入到管线中的流体中以确定泄漏的实施例中，可以附加地使用对压力脉冲的声响应来确定管线的状况简档。因此，该方法可以包括:将压力脉冲引入到管线中；以及询问沿管线的路径定位的光纤。通过测量对沿管线的压力脉冲的响应，可以导出作为管线的当前状态的特性的管线状况简档。
[0084]通过引入另外的压力脉冲并导出另外的管线状况简档，可以确定管线的状况的任何变化。
[0085]如果在管线中发生故障，则所测量到的管线特性会改变。通过周期性地沿管线向下发送压力脉冲并监测对该压力脉冲的响应，可以通过比较当前测量的管线状况简档与预期的管线状况简档来确定管线中的任何故障。可以使用将对本领域技术人员来说显而易见的方法来确定管道特性的变化的纵向位置。
[0086]在本发明的实施例中，为了检测管线中的故障，监测系统可以监测地面隆陷、管线中的突然压力脉冲的存在、和/或可听撕撕声和/或管道状况简档的存在。这种系统可以确定地面隆陷、压力波、可听撕撕声的相应原点以及管道状况简档的变化的位置，并可以比较这些位置中的两个或更多个。如果这些位置中的两个或更多个是一致的或者落入预定范围内，则可以假定造成地面膨胀的事件和压力脉冲相联系，并且因此可以以更大的确定性检测管线中的故障。该预定范围可以是IOOm或更小，并且更优选地，可以是50m或更小。
[0087]监测对被引入到管线中的声压力刺激的响应还可以用于通过检测管线内的流速的变化来确定泄漏。在泄漏时，流体会从管线漏出。因此，与泄漏上游的流速相比，在泄漏的下游，流体流速可能降低。流体的流速将对在管线的流体中传播的任何压力脉冲的传播速度具有较小影响。通过监测对管线中的声刺激的响应，可以监测管线中流体的流速，并且因此可以使用流速的突变的任何区域来指示泄漏。
[0088]在相对简单的实施例中，可以监测压力脉冲沿管线的传播的速率，并且可以使用传播速度的任何相对突然的变化作为对泄漏的指示。当然，将意识到的是，例如由于温度变化而引起的管线中的流体内的声速的变化会导致压力脉冲的检测到的传播速度的变化，但是这种变化可以预期是相对渐变的。为了计及声速变化，可以在管线的相同伸展上监测在管线中在两个方向上行进的脉冲的传播速率。在这种情况下，对在与流相同的方向上行进的脉冲和与流相对地行进的脉冲这两者来说，声速将是相同的。然而，在与流速相关的两个方向上的传播的速率中将存在差异。
[0089]在另一个实施例中，可以在管线中的两个方向上都引起给定频率处的压力波，以创建驻波。驻波的波节和/或波腹的位置将取决于频率，并且还取决于流速。因此，检测管线的各种截面中的波节/波腹之间的距离可以指示这些截面中的流速。
[0090]如将理解的那样，可以隔离地或以任何适当组合使用上述用于检测管线中的故障的方法中的任一种，以满足特定管线上的感测需求。还可以将上述方法中的任一种与用于检测管线泄漏(例如诸如，测量温度变化和/或使用流速检测器等等)的其他非声学方法进行组合。
[0091]将理解的是，上面仅仅通过示例描述了本发明，并且可以在本发明的范围内进行对细节的修改。
[0092]可以独立地或以任何适当组合提供说明书以及(在适当时)权利要求和附图中公开的每个特征。
【权利要求】
1.一种监测流体承载管道的方法，包括: 询问沿所述管道的路径定位的光纤以提供分布式声感测； 针对第一特性信号的存在，沿所述光纤的长度监测多个离散纵向感测部分处的声信号，所述第一特性信号指示所述光纤附近的地面隆陷；以及 当在所述分布式声感测中检测到第一特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一特性信号包括来自所述光纤的感测部分的声响应的低频分量的变化。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括: 确定低频响应中的变化的程度；以及估计泄漏流速。
4.根据前述任一权利要求所述的方法，进一步包括: 通过确定所述光纤中所述第一特性信号的原点位置来确定所述管道中故障的位置。
5.根据前述任一权利要求所述的方法，进一步包括: 将时变压力变化引入到所述管线中的流体中；以及 将所述多个离散纵向截面处的声信号与时变压力信号进行相关，以确定所述第一特性信号。
6.根据前述任一权利要求`所述的方法，进一步包括: 针对第二特性信号的存在，沿所述光纤的长度监测多个离散纵向感测部分处的声信号，所述第二特性信号指示所述管道中的压力波，所述压力波在远离故障点的两个方向上沿所述管道移动； 如果所述第一特性信号与所述第二特性信号相关，则当在所述分布式声感测中测量到第二特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述相关包括: 确定所述光纤中所述第一特性信号的原点位置； 确定所述光纤中所述第二特性信号的原点位置；以及 比较第一和第二位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中当所述第一和第二位置被确定为处于预定范围内时，确定已经发生故障。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述预定范围小于50m。
10.根据前述任一权利要求所述的方法，进一步包括: 针对第三特性信号的存在，沿所述光纤的长度监测多个离散纵向感测部分中的每一个处的声信号，所述第三特性信号指示从所述管道漏出的流体的噪声；以及 如果第三特性信号与所述第一和/或第二特性信号相关，则当离散的声传感器测量到第三特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第三特性信号对应于可听撕撕声。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述相关包括: 基于哪个纵向感测部分检测到所述第三特性信号来确定所述第三特性信号的原点位置； 确定所述光纤中所述第一特性信号的原点位置，和/或确定所述光纤中所述第二特性信号的原点位置；以及将所确定的第三位置与所述第一和/或第二位置进行比较。
13.根据权利要求12所述的方法，其中当所述第三位置以及所述第一和/或第二位置被确定为处于预定范围内时，确定已经发生故障。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述预定范围小于50m。
15.根据前述任一权利要求所述的方法，进一步包括监测所述流体承载管道，所述监测包括: 将压力脉冲引入到所述管道中； 在分布式声传感器的多个离散纵向感测部分中的每一个处监测对所述压力脉冲的响应； 从所述多个测量导出管道状况简档； 通过将另外的压力脉冲引入到所述管道中来导出一个或多个另外的管道状况简档；以及 比较管道状况简档以确定管道特性的变化。
16.根据权利要求15所述的方法，包括:确定管道特性的变化的纵向位置；以及将管道特性的变化的位置与所述第一特性信号的原点位置进行相关。
17.根据前述任一权利要求所述的方法，进一步包括: 针对第四特性信号的存在，响应于声刺激，沿所述光纤的长度监测多个离散纵向感测部分中的每一个处的声信号，所述第四特性信号指示流速的变化；以及 如果所述第三特性信号与所述第一和/或第二特性信号相关，则当离散的声传感器测量到第四特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。
18.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述方法包括:分析所述管道中压力脉冲的传播速率，以检测传播速度的突变。
19.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述光纤位于所述管道内。
20.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述光纤邻近所述管道定位。
21.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述分布式光纤传感器的空间分辨率小于或等于25m。
22.根据前述任一权利要求所述的方法,其中所述分布式光纤传感器的长度大于或等于 20km。
23.一种管线监测设备，包括: 光纤询问器，所述光纤询问器被适配为询问光纤并提供分布式声感测；以及处理器，所述处理器被适配为从所述询问器接收感测的数据，以针对第一特性信号的存在监测所述光纤，所述第一特性信号指示所述光纤附近的地面隆陷，并且所述处理器被适配为当在所述分布式声感测中测量到第一特性信号时，确定在所述管道中已经发生故障。
24.根据权利要求23所述的管线监测设备，其中所述处理器进一步被适配为将所述感测的数据与被引入到所述管道中的时变压力变化进行相关，以确定所述第一特性信号。
25.根据权利要求23或权利要求24所述的管线监测设备，其中所述处理器进一步被适配为:从所述询问器接收感测的数据，以针对第二特性信号的存在监测所述光纤，所述第二特性信号指示所述管道中的压力波，所述压力波在远离故障点的两个方向上沿所述管道移动；以及如果所述第一特性信号与所述第二特性信号相关，则当在所述分布式声感测中测量到第二特性信号时，确定在所述管线中已经发生故障。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的管线监测设备，其中 所述处理器被适配为:从询问器接收感测的数据，以针对第三特性信号的存在进行监测，所述第三特性信号对应于可听撕撕声；以及如果第三特性信号与第一和/或第二特性信号相关，则当离散声传感器测量到第三特性信号时，确定在所述管线中已经发生故障。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的管线监测设备，进一步包括: 用于将时变压力变化引入到所述管线中的流体中的装置。
28.根据权利要求27所述的管线监测设备，其中: 所述用于将时变压力变化引入到所述管线中的流体中的装置被配置成将压力脉冲引入到所述管线中的流体中；以及 所述处理器被适配为:响应于所述压力脉冲从所述询问器接收感测的数据；以及从所述感测的数据导出管线状况简档；以及通过将另外的压力波引入到所述管线中来导出一个或多个另外的管道状况简档；比较管道状况简档以确定管道特性的变化；以及当确定存在管线状况简档的变化时，确定在所述管线中已经发生故障。
29.—种包括计算机可执行指令的计算机程序，所述计算机可执行指令在被计算机执行时使所述计算机执行根据权利要求1至22中任一项所述的方法。
30.一种实质上如本 文中参照附图描述的管线监测设备和方法。
【文档编号】G01M3/24GK103492849SQ201280011217
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年3月1日 优先权日:2011年3月1日
【发明者】A·戈德弗里, P·N·温德 申请人:光学感应器控股有限公司