基于仿真試驗樣本特征的臍帶纜泄漏檢測與定位方法*

李 博 葛 斐 郭 宏 郭江艷 盧 靖 王松峰

(1. 中國海洋石油國際有限公司 北京 100027； 2. 北京力合大科科技有限公司 北京 100083； 3. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

隨著海洋油氣開發不斷走向深水，水下生產系統以其顯著的技術優勢、可觀的經濟效益得到了廣泛應用[1]。臍帶纜作為海洋平臺水下生產控制系統的關鍵設備之一，為水下油井提供液壓、電力、信號控制及化學藥劑等。長期以來，臍帶纜內液體發生泄漏后的查找和定位一直是水下生產控制系統難以解決的一個技術問題。如我國流花4-1油田高壓液控系統于2013年5月發生泄漏，其中一條高壓油路一天泄漏量約140 L，測試確認漏點位于水下，為了找到具體漏點，曾嘗試向液壓油里添加染色劑，但一直未能發現具體漏點。

由于臍帶纜的液壓通道與海底管道所處環境相似、內部介質相似，故臍帶纜泄漏檢測或可參考海底管道的泄漏檢測方法。目前，國內外有多種海底管道泄漏檢測和定位方法,按照檢測部位的不同分為內部檢測和外部檢測[2]。管道內部檢測通常要利用各種管道內檢測器(如爬機和管內探測球)來完成，由管內流體推動其在管道內移動，在移動過程中利用某種檢測原理對管道進行檢測，最后進行數據分析和處理，從而比較準確地進行危險點或泄漏點的定位。管道內部檢測常使用漏磁法、超聲波法、射線檢測法、高頻渦流法和電磁聲傳感器法[3]。國際上較早從事海上油氣開發的國家在海底管道檢測裝備技術方面已經具有相當豐富的經驗，如美國已研制出可追蹤海底管道的海底潛水車和雷達定位系統，同時采用漏磁等技術進行管內探漏[4-6]。我國海底管道也已經陸續開始實施內檢測作業，中國海油研制的海底管道漏磁內檢測器已在渤海某油田海試成功[7]。管道內部檢測法具有定位精度高和誤報率較低的特點，但投資巨大，只適用于較大口徑管道，而且極易發生管道堵塞、停運等嚴重事故，不適合臍帶纜的泄漏檢測。

海底管道外部檢測主要借助各類水下聲學設備、遙控潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)、潛水員操作來完成，其中應用較多的聲學設備有底部剖面儀、側向掃描聲納、回聲探測器等[8]。基于管道內壓力、溫度、流量、聲音以及振動等物理參數發生變化，并借助各類水下聲學設備、ROV來判斷泄漏位置[9-10]。外部檢測法由于受水下環境條件的約束，成功觀測到泄漏的概率較低，即使檢測到泄漏，也非常耗時，一天只能檢測十幾米至幾十米長的管道，而水下特別是深水(水深大于1 500 m)臍帶纜長度可能有數十公里，ROV檢測效率低，無法滿足工程需求。

本文提出了一種基于SimulationX仿真試驗[11]的水下臍帶纜泄漏檢測與定位方法,以流花4-1油田某水下高壓液控系統為例，基于SimulationX仿真軟件開發了臍帶纜液控管線高精度仿真模型，通過模型對標及泄漏仿真試驗，提取臍帶纜泄漏樣本特征；通過傳感器監測臍帶纜壓力信號，獲取系統動態參量，提取信號特征得到測試樣本；最后構建數據模型對測試樣本進行特征比對，實現對真實臍帶纜單點泄漏的檢測與定位。本文研究成果為我國深水動態臍帶纜的泄漏故障診斷提供了一種新的技術方案。

1 臍帶纜泄漏檢測與定位原理

基于仿真試驗的臍帶纜泄漏檢測與定位原理如圖1所示，具體操作流程如下：

1) 基于模型仿真方法，構建臍帶纜泄漏故障樣本特征庫，具體過程為：①建立臍帶纜打壓試驗規范，制定打壓試驗工況；②基于多領域物理系統建模與仿真平臺SimulationX的水下液壓學科庫，建立臍帶纜液控系統仿真模型；③根據臍帶纜液控系統仿真模型和打壓試驗的實測數據，標定仿真模型；④在仿真模型中在臍帶纜的不同位置分別添加可能發生泄漏的泄漏點，構建臍帶纜泄漏仿真模型；⑤根據仿真模型中臍帶纜泄漏點的位置和等效漏孔的大小，開展若干組仿真試驗，構建臍帶纜的泄漏故障樣本庫。

圖1 基于仿真試驗的臍帶纜泄漏檢測與定位原理

2) 在臍帶纜工作期間，根據傳感器實時監測的狀態信號，獲取系統動態參量，包括液壓泵出口壓力、海洋平臺上部壓力和水下采油樹端壓力等。

3) 采用數據處理方法，提取信號特征，包括海洋平臺上部壓力、水下采油樹端壓力的變化率、穩態幅值以及油泵起停頻率、周期和壓力波動幅值等，得到臍帶纜的運行狀態特征即測試樣本。

4) 根據臍帶纜泄漏故障樣本庫和上一步得到的測試樣本，對臍帶纜進行泄漏故障特征比對，得到漏點定位結果。

2 仿真模型建立與校核

構建臍帶纜液控系統高精度仿真模型是開展泄漏仿真試驗的基礎。以發生了臍帶纜泄漏的流花4-1油田某高壓液控系統為例，采用SimulationX軟件中的水下液壓模型庫(Subsea Hydraulics Library),建立了流花4-1油田水下液控系統仿真模型，該仿真模型由4個子系統組成：水面液壓動力單元(HPU)、臍帶纜(Umbilical)、水下控制模塊(SCM)和井下安全閥(SCSSV)(圖2)。

圖2 流花4-1油田水下高壓液控系統仿真模型

對流花4-1油田正常工況下的水下高壓液控系統進行仿真分析。該油田臍帶纜內無泄漏發生時，高壓系統供油壓力為31.95 MPa、高壓油經水下采油樹給SCSSV供油的壓力為35.05 MPa。水下液控系統仿真模型中計算得到的高壓系統供油壓力為31.95 MPa，SCSSV供油壓力為35.12 MPa，仿真計算所得系統壓力與油田實際壓力相對誤差僅0.2%，表明所建立的模型仿真計算結果具有較高的可靠性。

3 仿真試驗結果分析與現場檢測驗證

3.1 仿真試驗設計

開展仿真試驗前，首先對流花油田平臺現場開展打壓試驗，觀測并記錄水面和水下壓力變化數據，如圖3所示。選取HPU上部壓力、水下SCM端壓力為主要的特征分析對象，針對打壓過程中的增壓、保壓和泄漏失壓等3個階段，開展泄漏仿真試驗。初始時刻至20 min是增壓階段，高壓泵為水下液控系統供油，臍帶纜內壓力升高；20～51 min是保壓階段，由于泄漏的發生，臍帶纜內壓力降低，高壓泵為系統周期性補油，維持臍帶纜內壓力基本穩定；51 min后，高壓泵關閉不再補油，由于泄漏系統壓力逐漸降低，臍帶纜處于泄漏失壓段，113 min后，臍帶纜內壓力變化趨于穩定。51～113 min的壓力變化曲線包含了漏點泄漏對系統壓力變化的影響信息，故選取該段數據作為仿真試驗特征對比的參照對象。

圖3 流花4-1油田現場打壓試驗曲線

仿真試驗中，在臍帶纜不同位置分別添加單個漏點，模擬高壓液控系統發生泄漏的工況。仿真試驗設計有2個輸入變量，即漏點距臍帶纜水下末端UTH的位置L和漏孔等效直徑Φ。根據目標臍帶纜L、Φ值規劃泄漏故障樣本。其中，L從UTH處即0 km開始，每隔1 km設置一個采樣點，即漏點定位精度可以達到1 km范圍內；Φ的采樣空間為[0.7 mm,1 mm]，間隔從0.02 mm開始，逐漸增大間隔。泄漏樣本庫包括(Φ，L)在其采樣空間內的所有組合，表1列出了其中7組仿真樣本示例。

表1 臍帶纜仿真試驗泄漏樣本

3.2 仿真試驗結果與現場試驗曲線對比分析

依據規劃好的泄漏樣本進行參數化批量仿真，部分樣本的仿真試驗結果與現場試驗曲線的對比如圖4、5所示，可以看出：在增壓階段，仿真試驗與現場試驗曲線變化趨勢一致；在保壓階段，除(0.95 mm，12 km)由于設置的泄漏孔徑較大的工況外，其余仿真試驗與現場試驗曲線均保持穩定；在泄漏失壓階段，仿真試驗各樣本的變化趨勢明顯不同。

圖4 流花4-1油田HPU上部壓力仿真結果與

圖5 流花4-1油田SCM端壓力仿真結果與現場試驗曲線對比

對仿真試驗樣本泄漏失壓階段的數據進行特征值分析。首先選取壓力作為特征量，與試驗數據進行特征匹配，計算每一樣本的標準差，匹配分析結果如表2、3所示，結果顯示，HPU上部壓力及SCM端壓力在特征樣本為(0.76 mm，6 km)的泄漏失壓段的標準差最小，是可能的漏點位置。

為了對比采用壓力及壓力一階導數作為特征量的定位準確性，進一步選取壓力一階導數即壓力變化率作為特征量，對仿真試驗樣本泄漏失壓階段的數據進行特征值分析，并與試驗數據進行特征匹配，匹配分析結果如表4、5所示。結果顯示，樣本(0.72 mm，4 km)在泄漏失壓段的標準差最小，是可能的漏點位置。

表2 流花4-1油田HPU上部壓力特征線性匹配

表3 流花4-1油田SCM端壓力特征線性匹配

表4 流花4-1油田HPU上部壓力特征一階導數匹配

表5 流花4-1油田SCM端壓力特征一階導數匹配

3.3 現場檢測驗證

根據上述仿真試驗結果與現場打壓試驗曲線對比分析結果，確定了流花4-1油田臍帶纜泄漏位置的范圍。應用水下ROV對疑似泄漏位置附近的臍帶纜開展了仔細巡查，發現在距主臍帶纜末端4 km處出現了液壓油泄漏,現場檢測結果與采用壓力一階導數作為特征量的漏點定位結果一致。可見，選取壓力一階導數作為特征量時，臍帶纜漏點定位準確性優于壓力作為特征量的定位準確性，也證明了本文所提出的采用仿真試驗與現場試驗樣本特征進行對比確定臍帶纜泄漏位置的可靠性。

4結論

本文針對臍帶纜內液體發生泄漏后的查找和定位難題，以流花4-1油田某水下高壓液控系統為例，提出了一種臍帶纜內發生單點泄漏的檢測與定位方法。基于臍帶纜高精度仿真模型，開展泄漏仿真試驗，通過仿真與試驗數據的特征分析與對比，結果表明采用壓力一階導數作為特征量，臍帶纜漏點定位準確性優于采用壓力作為特征量時的定位準確性。該方法已成功應用于流花4-1油田臍帶纜泄漏的檢測與定位，應用基于仿真試驗的臍帶纜泄漏檢測技術，漏點定位達到了1 km范圍內的精度，縮小了ROV檢查的范圍，縮短了查漏的時間，原計劃3天查漏的時間，實際僅用1天完成。研究成果為我國深水動態臍帶纜的泄漏故障診斷提供了一種新的技術方案。