Геоакустический комплекс пассивного обнаружения придонных газожидкостных потоков

Комплекс предназначен 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. Комплекс выполнен стационарным и включает как минимум две установленные в районе работ вертикальные антенны, с блоком предварительной обработки сигнала, соединенным каналом энергообеспечения и связи с вычислительным устройством. Антенны имеют веерные характеристиками направленности в вертикальной плоскости и круговые характеристики направленности в горизонтальной плоскости. В качестве вычислительного устройства используют многопроцессорный вычислительный блок, реализующий алгоритмы корреляционного анализа, расчета и нормировки эмиссионных спектров и определения количественных характеристики потоков газа. Технический результат - расширение возможностей системы пассивного обнаружения за счет увеличения количества измеряемых параметров газожидкостных потоков, повышение точности локализации источника акустической эмиссии, чувствительности и эффективности работы системы.

Полезная модель относится к экологии, защите и мониторингу окружающей среды и может быть использована 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.

В промышленных секторах добычи и транспортировки газа и газожидкостных сред активно ведется разработка систем, способных обнаруживать утечки газа на всех стадиях от добычи до использования газа конечными потребителями. К таким системам относятся, например, пассивные акустические системы обнаружения утечек газа из технических систем и выходов природных газов в области дна, которые включают в себя регистрацию эмиссионного излучения пузырьков, выходящих из мест разрушения технических систем или от источников природных сипов на дне моря. Данные системы обычно используют измерители акустической эмиссии, для обнаружения утечек газа по производимому этими утечками акустическому шуму на фоне окружающего шума. Преимуществами таких систем является обнаружение мест утечек без нарушений целостности трубопровода. Кроме того, они легко модифицируются для труб различных размеров. Однако, необходимо большое количество акустических преобразователей для контроля большого количества трубопроводов.

Компания NAXYS [WWW.NAXYS.NO] разработала две системы пассивного обнаружения утечек в системах подводной добычи и транспортировки газа. Систему Naxys Single Acoustic Leak Detector (SALD) для оперативных разовых измерений и систему Naxys Acoustic Leak Detector (ALD) для длительных измерений и мониторинга оборудования подводных трубопроводов. Первая система (SALD), в качестве детектора акустической эмиссии, использует одиночный гидрофон и может устанавливаться на подводный автономный носитель или погружаться с поверхностного носителя. Сигнал с гидрофона регистрируется, затем поступает на вычислительное устройство, обрабатывается в вычислительном устройстве и результаты обработки передаются и отображаются на мониторе оператора на поверхностном носителе. Вторая система (ALD) - устанавливается стационарно в области проведения измерений и контроля подводного трубопроводного оборудования. В данной системе в качестве детектора акустической эмиссии используют 3-х мерную систему гидрофонов. Результаты обработки передаются в центр сбора и отображения результатов. Система ALD позволяет проводить мониторинг эмиссионных сигналов во времени и выполнять локализацию источников акустической эмиссии на дистанциях до 500 метров. Система SALD позволяет выполнять мониторинг утечек во времени, но имеются ограничения по длительности работы и точности локализации мест утечек из-за использования подводного или поверхностного носителя. Также ввиду использования одной антенны, вероятность идентификации и точность локализации сильно зависят от расстояния между источником эмиссии и антенной и уровня шумов других источников. Эффективность работы системы снижается с ростом расстояния до источников эмиссии. В обеих системах не предусмотрено определение объема выходящих из мест утечек газожидкостных сред, и системы не адаптированы для определения природных источников газожидкостных потоков в области дна.

Компания Weatherford [WWW.WEATHERFORD.COM] выпускает систему BigEars - пассивного акустического обнаружения утечек газа под водой. Система BigEars устанавливается на автономные подводные носители или управляется дайверами. В качестве детектора акустической эмиссии используется одиночный гидрофон. Из принятого гидрофоном сигнала в вычислительном устройстве удаляется окружающий шум, производится спектральная обработка сигнала и отображение результатов на мониторе, а также регистрация результатов на электронных носителях. Область применения системы - обеспечение строительства и обслуживание подводных технических систем (клапанов, задвижек, насосов и т.п.), с целью обнаружения утечек газожидкостных сред. Максимальная дистанция обнаружения утечек не превышает нескольких метров. Указанная система не позволяет производить мониторинг утечек во времени и определять объемы выходящих из источника газожидкостных потоков.

Компания NEPTUNE-OCEANOGRAPHICS LTD [www.neptuneoceanographics.com] создала подводную систему диагностики трубопроводов Acoustic Subsea Pipeline - Leak Detection System (APLD). В системе используется пассивный акустический метод и направленные гидрофоны для измерения шума, генерируемого пузырьками на частотах выше 50 кГц. Система состоит из приемного блока и блока обработки полученных сигналов. Приемный блок включает в себя направленный гидрофон, который обнаруживает ультразвук, порожденный утечками газа или жидкости, и блок обработки сигналов, включающий фильтры от шумов окружающей среды и механических шумов от подводного аппарата или вспомогательного судна. Сигналы передаются в вычислительное устройство, расположенное на подводном аппарате или судне. Диаграмма направленности приемного гидрофона имеет вид конуса с углом при вершине 24 градуса, рабочие глубины системы - от 10 до 1200 м. Дальность обнаружения утечек не менее 50 м. Система может работать автономно или под дистанционным управлением. Основными недостатками данной системы являются низкая эффективность локализации источников эмиссионного излучения из-за движения носителей системы, а также отсутствие возможности определения мест и времени начала выходов газа. Также не предусмотрена возможность длительного мониторинга областей выходов газа и определение объемов выхода газов из источников.

Известен детектор для обнаружения утечек газа из технических систем, находящихся в жидких средах, например из труб с газом в водной среде (п. США 4785659). Устройство основано на регистрации звуковых волн высокой частоты, которые возникают в процессе утечек и включает акустический приемник, с рабочей полосой частот выше 20 кГц. Недостатком известного детектора является зависимость процесса обнаружения и идентификации мест утечек от уровня окружающих шумов и необходимость перемещения детектора и определения его координат в пространстве для локализации мест выхода газожидкостных потоков.

В решении, описанном в патенте США 5557969 A, предлагается устройство и способ для обнаружения ультразвуковых волн, распространяющихся в пределах выбранного расстояния. Данное устройство может быть использовано для обнаружения сигналов от утечек в заданной области пространства. Сигналы принимаются синхронно в двух частотных диапазонах (высокочастотном и низкочастотном) и сравниваются по интенсивности с заданными пороговыми уровнями. При превышении этих уровней делается вывод о наличие в заданной геометрической области утечки. Наличие сигналов превышения уровня в заданном пространстве отображается на индикаторе и дублируется аудио выходом. Устройство включает два пьезоэлектрических приемника акустических сигналов, два преобразователя сигналов из аналоговой формы в цифровую форму, вычислительное устройство, с помощью которого производится сравнение уровней сигналов и производится транспонирование высокочастотных сигналов в область низких частот, цифровой дисплей для отображения информации в графическом виде, динамики и наушники для аудио контроля уровня шума и принятия решения оператором и регистрирующее устройство. Недостатком устройства является отсутствие характеристик направленности у приемников акустических сигналов, то есть невозможность определения направления на источник шума в области измерений. Низкая точность метода и устройства также обусловлена использованием в одном канале низкочастотного сигнала, уровень окружающих шумов в котором сильно зависит от района измерений.

Известна система для определения функции распределения газовых пузырьков по размерам и расчета газожидкостных потоков, состоящая из одиночных гидрофонов, расположенных в области дна [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: RSPA 20110221. doi: 10.1098/rspa.2011.0221]. Принятые гидрофонами сигналы акустической эмиссии из области выхода пузырьков передаются в блок расчета спектров, откуда они поступают в блок расчета функции распределения пузырьков по размерам и объема газового потока. Отдельные блоки или вся система могут быть размещены на подводном или поверхностном носителе. 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 и не позволяет получить точные спектры мощности сигналов из области выхода пузырьков для корректного расчета функции распределения их по размерам.

Наиболее близкой к заявляемой является пассивная акустическая система для обнаружения утечек газожидкостных потоков из подводных трубопроводов (з. WO 02/025239 А1, МПК G01M 3/24). Система включает подводный измерительный блок, состоящий из приемника акустических сигналов с горизонтальной диаграммой направленности в направлении дна, которая может быть веерообразной, конической или конической с регулируемой апертурой, и блока первичной обработки сигнала, из которого сигнал по кабелю передается в систему обработки сигнала, установленную на судне. По кабелю осуществляется энергообеспечение, и он же выполняет функцию буксирующего элемента для герметичного погружаемого измерительного блока 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.

Однако, движение приемника сигналов и необходимость позиционирования в пространстве подводного измерительного блока, а также окружающий шум, шум от работы механизмов судна сопровождения и шум, связанный с движением самой системы, снижает точность локализации источника акустической эмиссии, чувствительность при регистрации сигналов акустической эмиссии пузырьков газа и эффективность работы системы в целом. Кроме этого, система принципиально не позволяет осуществлять длительный мониторинг газожидкостных потоков во времени и определять объем газожидкостного потока, выходящего из источника.

Задача - расширение ассортимента систем пассивного обнаружения и мониторинга придонных газожидкостных потоков.

Технические результат - расширение возможностей системы пассивного обнаружения за счет увеличения количества измеряемых параметров газожидкостных потоков, повышение точности локализации источника акустической эмиссии, чувствительности и эффективности работы системы.

Поставленная задача решается геоакустическим комплексом пассивного обнаружения придонных газожидкостных потоков, в котором в качестве системы приема сигналов акустической эмиссии используют как минимум две стационарные вертикальные антенны (для контроля протяженных линейных объектов) и как минимум три антенны (для контроля выходов природных сипов) с веерными характеристиками направленности в вертикальной плоскости и круговыми характеристиками направленности в горизонтальной плоскости, соединенные с блоками предварительной обработки сигналов, которые соединены с вычислительным многопроцессорным устройством, реализующим алгоритмы корреляционного анализа, расчета и нормировки эмиссионных спектров и определения количественных характеристики потоков газа, и каналом энергообеспечения и связи для передачи информации.

Заявляемый комплекс за счет предлагаемой стационарной схемы вертикальной системы приема сигнала с веерной диаграммой направленности и реализации синхронной спектрально-корреляционной обработки сигналов, позволяет решить проблемы, связанные с позиционированием известных подвижных систем измерений, повысить точность локализации источника акустической эмиссии, чувствительность и эффективность системы за счет снижения уровня собственных шумов, выполнять определение количественных характеристик газожидкостных потоков, а также снять ограничения по времени измерений, за счет стационарного размещения источников энергообеспечения используемых систем.

Схема комплекса для варианта мониторинга газопровода, приведена на фиг, где 1 - вертикальные гидроакустические антенны с веерными диаграммами направленности - 2, 3 - блок первичной обработки сигнала, 4 - область выхода газожидкостного потока, 5 - заданный объект контроля (газопроводная труба), 6 - вычислительное многопроцессорное устройство (ВМУ), 7 - канал энергообеспечения и связи для передачи информации.

Работа комплекса осуществляется следующим образом. В заданном районе устанавливают снабженные блоком первичной обработки сигнала как минимум две антенны. Максимальное количество антенн практически неограниченно и определяется протяженностью контролируемых объектов или исследуемой площадью природного объекта, например, для контроля линейных отрезков подводных газопроводов небольшой протяженности требуется не более 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. Веерные диаграммы направленности приемных антенн формируются с помощью блока первичной обработки сигнала 3. Блоки первичной обработки сигналов приемных антенн соединяют кабелем с ВМУ, данные с которого передаются в центр сбора информации для принятия решений. Блок ВМУ может находиться как в районе измерений, так и на береговом посту. Перед началом мониторинга заданного объекта в районе работ производят акустическую калибровку приемных антенн. 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 вдоль трубопровода 5 или в узловые точки трехмерной решетки покрывающей область возможного выхода газа 4. Выполняют прием и передачу сигналов белого шума, полученных со всех углов веерной диаграммы направленности с каждой из антенн 1, при нахождении имитатора в точках калибровки, в блок 6 (ВМУ), где выполняют интерполяцию измеренных спектров калибровки на промежуточные точки с учетом заданной пространственной точности измерений и сохраняют полученные результаты с целью использования в последующих измерениях.

Затем осуществляют прием сигналов эмиссионного излучения антеннами 1 из области пространства 4 между ними. Веерные диаграммы направленности приемных антенн формируются с помощью блока первичной обработки сигнала 3. Также в блоке 3 производится идентификации эмиссионных сигналов, принятых с различных направлений (углов) для каждой антенны. Сигналы и результаты их пространственно-временной идентификации передаются в блок 6 (ВМУ), где по результатам взаимно корреляционной обработки сигналов во времени выполняется определение момента времени и места выхода газовых пузырьков. Параллельно с расчетом функций взаимной корреляции сигналов с двух антенн в блоке 6 (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 6 на основании алгоритма инверсии (АИ). Данные измерений и результаты обработки со всех модулей передаются по каналу связи и энергообеспечения 7 в центр управления для оценки ситуации и принятия решений.

В качестве аппаратурной реализации предлагаемого комплекса, на основе применяемых в настоящее время в подводной акустике технических устройств, могут быть использованы: многоэлементная вертикальная приемная антенна типа СИ ГАП «Нева-ИПФ» на базе цифровых гидрофонов ЦГП-3 с якорным устройством и гермоконтейнером с аппаратурой, имеющая частотный диапазон измерений от 5 Гц до 100 кГц, с возможностью передачи цифровых сигналов с гидрофонов антенны по кабелю связи в блок ВМУ, реализованный на базе вычислительной машины реального времени типа Audio Speedgoat Real-time Target Machine(s) и с использованием многопроцессорных (до 1000 процессоров) плат спектрально-корреляционной обработки типа NVIDIA Tesla® K20-K20X GPU Accelerators, работающих в среде MatLab, на основе параллельных вычислений и многопроцессорных алгоритмов CUDA для алгоритмов быстрого преобразования Фурье и корреляционной обработки сигналов.

Использование комплекса для мониторинга протяженных производственных объектов или участков дна с выходами сипов большой площади производится путем размещения дополнительных приемных антенн и их синхронизации во времени для совместной работы. Ввиду более высокой чувствительности и помехозащищенности при регистрации сигналов акустической эмиссии с помощью вертикальных антенн, обнаружение источников эмиссии, возможно на дистанциях значительно превышающих, аналогичные дистанции для систем, основанных на регистрации сигналов одиночными приемниками.

1. Геоакустический комплекс пассивного обнаружения придонных газожидкостных потоков, включающий систему приема сигнала акустической эмиссии с блоком предварительной обработки, вычислительное устройство и канал энергообеспечения связи, отличающийся тем, что комплекс выполнен стационарным, а блок предварительной обработки соединен с вычислительным устройством, подключенным к каналу энергообеспечения и связи, при этом в качестве системы приема сигналов используют как минимум две вертикальные антенны с веерными характеристиками направленности в вертикальной плоскости и круговыми характеристиками направленности в горизонтальной плоскости, а в качестве вычислительного устройства используют многопроцессорный вычислительный блок, реализующий алгоритмы корреляционного анализа, расчета и нормировки эмиссионных спектров и определения количественных характеристик потоков газа.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что в качестве системы приема сигналов используют как минимум три вертикальные антенны с веерными характеристиками направленности в вертикальной плоскости и круговыми характеристиками направленности в горизонтальной плоскости.