陸上油田原油管道泄漏在線監測技術難點分析

摘 要：【目的】管道輸送是陸上油田原油輸送的主要方式，由于管道會受到多種因素的影響而發生泄漏，所以及時發現泄漏情況對及時處置、避免產生安全環保問題具有重要的現實意義。目前國內外在管道泄漏在線監測技術方面已有大量研究，但在實際應用中仍存在很多問題，本研究旨在對監測技術難點進行歸納分析。【方法】本研究首先從原理和現場應用效果兩個方面，總結陸上油田原油管道泄漏在線監測技術現狀，然后針對各類常用技術，對應用中存在的5項難點問題進行分析。【結果】找出了制約管道泄漏監測準確性的根本原因，并提出解決建議。【結論】研究成果將有助于更好地了解管道泄漏在線監測技術的實際應用問題，為下一步研究提供思路和方向。

關鍵詞：陸上油田；原油管道；泄漏監測；技術難點

中圖分類號：TE832" "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0049-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.010

Analysis of Technical Difficulties in On-Line Monitoring of Crude Oil Pipeline Leakage in Onshore Oil Fields

ZHANG Henan YANG Haotian WANG Honghao LANG Ying LIU Zhaoqi

（Shengli Oil Production Plant， Shengli Oilfield Company， SINOPEC， Dongying 257000， China）

Abstract： [Purposes] Pipeline transportation is the main way of crude oil transportation in onshore oil fields. Because the pipeline is affected by many factors， it is of great practical significance to find the leakage in time for timely disposal and avoid safety and environmental protection problems. At present， there have been a lot of researches on pipeline leakage on-line monitoring technology at home and abroad， but there are still many problems in practical application. This paper aims to summarize and analyze the difficulties in monitoring technology. [Methods] This paper firstly summarizes the current situation of on-line monitoring technology of oil pipeline leakage in onshore oil field from two aspects of principle and field application effect. Then， according to all kinds of common technologies， five difficult problems existing in the application are analyzed. [Findings] The root causes restricting the accuracy of pipeline leakage monitoring are found out， and the solutions are proposed. [Conclusions] The research results will help people to better understand the practical application of pipeline leakage monitoring technology， and provide ideas and directions for the next research.

Keywords： onshore oil field; crude oil pipeline; leakage monitoring; technological difficulty

0 引言

陸上油田原油輸送管道作為運輸油田產出原油的主要方式之一，其安全運行對油田開發生產具有重要的現實意義。近年來，安全環保質量管理愈發嚴格，以“氣不上天、油不落地、水不外排”為原則，對油田原油輸送管道的管理和技術提出了更高要求。

陸上油田原油輸送管道主要承擔四類節點之間的原油輸送，分別為計轉站、聯合站、油庫與石化廠站，短則數公里，長則百余公里，人工巡檢無法實現全面覆蓋。管道泄漏的因素可分為設備因素和人為因素，設備因素包括管線腐蝕、老化等，人為因素包括施工破壞、偷盜原油等。在實際生產中，管道泄漏難以避免，且規律難尋，而根據安全要求，必須做到泄漏及時發現、及時處置。因此，管道泄漏監測應利用信息化手段實現實時監測、精確識別和準確定位。

近年來，陸上油田在關鍵原油輸送管道上建成了管道泄漏在線監測系統，并進行了應用改進。目前，在實際生產運行中，原油管道泄漏在線監測應用仍存在5項難點，其制約著管道泄漏的及時發現和處置，給油田的安全生產運行帶來困擾。本研究將圍繞這5項難點，結合原油管道泄漏在線監測技術進行分析，并提出下一步的改進方向。

1 陸上油田管道泄漏在線監測技術應用現狀

管道泄漏檢測可分為3個遞進層次，一是識別是否存在泄漏；二是對泄漏發生的位置進行定位；三是對泄漏量進行估算。

目前，管道泄漏監測方法主要有負壓波法、聲波法、分布式光纖法、漏磁法、智能清管器法、信號分析法、數學建模法、人工智能等［1］。在現場應用中，技術的更新和實際應用有較大差距，存在普適性較差的問題，有些技術甚至無法應用于實際情況。

陸上油田原油輸送管道泄漏監測應用最廣的方式是負壓波法［2］，其原理是通過計算負壓波從泄漏點傳播到泄漏點兩側壓力傳感器的時間差和負壓波在管道中的傳播速度，以便對原油輸送管道泄漏進行檢測。負壓波法具有泄漏識別速度快、設備安裝成本低、定位精度高的特點，但容易受環境噪聲和工況干擾。

部分管道泄漏監測采用聲波法［3-4］，其原理是利用泄漏點處高速射流液體與管壁相互作用產生震蕩聲波，根據聲波傳播特性進行管道泄漏檢測。聲波法具有檢測速度快、定位較準確的特點，但是受工況影響較大。

分布式光纖法［5］是通過沿管線敷設光纖，實現對管道泄漏振動信號的采集，具有精度高、抗強電磁干擾的特點。但存在設備成本高、施工量大、后期維護費用高等缺點，因此應用并不廣泛。

漏磁法［6］通過檢測磁場畸變的分布范圍、強度大小等數據來分析管道是否發生泄漏。缺點是只適用于鐵磁性的管道檢測，不適用于玻璃鋼等無磁性管道檢測，并且相關數據采集存儲量大，分析處理方法較復雜。

清管器是清潔管道雜質的主要工具，智能清管器則是一種搭載多傳感器技術的智能檢測設備［6］。智能清管器主要依靠管道流體的動力前進，在清管作業的同時發射超聲波信號，該信號被管壁上的缺陷反射回來，由攜帶的傳感器接收該信號進行存儲，從而得到管道內部的腐蝕等缺陷信息。但是，這種管道檢測儀搭載的無線傳感器網絡檢測節點所用的算法比較復雜，能耗較高。

信號分析法［7］利用自身所需的信號數據進行泄漏檢測和定位，因而對于信號自身的條件，降噪效果和奇異點提取精度要求較高，現場環境噪聲和設備噪聲標準對降噪技術提出了較高的要求。同時，泄漏概率相對較高的管網往往建設早，運行時間長，這就導致了信號采集設備不能滿足新技術對于信號質量的需求。

數學建模法［8］對目標管網進行精準建模，盡可能地利用管網所提供的全部數據進行模型搭建，以使所建模型能對目標管網進行精準描述，因而泄漏檢測效果與定位精度受制于模型精度和目標管網的數據和硬件條件。在實際應用中，管網的歷史信息和硬件條件往往參差不齊，精準建模難以實現，因此應用性不強，多用于實驗室理論分析。

近年來，人工智能［9-10］在信號檢測、模式識別等領域應用廣泛，在管道泄漏監測領域常用的有神經網絡、支持向量機、聚類等多種算法。但在實際生產中難以應用的原因有兩點：一是管道泄漏數據庫存在泄漏數據量少的問題，絕大多數樣本是無泄漏時的數據，樣本訓練存在較大難度；二是每條管道的特性不同，不同管道的訓練模型無法通用，每條管道都進行訓練的工作量較大，并且管道只要進行改造，就需要重新收集數據、重新訓練，該過程十分復雜，需要大量后期運維。所以，人工智能在管道泄漏在線監測的應用性還需進一步研究。

2 管道泄漏監測難點

2.1 不同泄漏情況的監測難點

根據泄漏情況劃分，監測難度較大的情況包括小流量泄漏和邊泄邊注。

①小流量泄漏。這種現象出現時往往穿孔直徑很小，在短時間泄漏量不大，尤其是埋地管道，泄漏原油滲入地下，攝像頭、紅外成像和人工巡檢均難以發現。由于小泄漏量發生時流量和壓力均有變化，所以在小泄漏出現的時刻相對較容易監測，但在泄漏過程中趨于平穩、差值很小，難以發現。所以一旦沒有識別出泄漏時刻，后續很難再檢測出泄漏。對于負壓波法，小泄漏產生的負壓波信號強度很小；對于聲波法，小泄漏產生的震蕩聲波強度很小，容易被判斷為正常波動，從而無法檢測出泄漏。

②邊泄邊注。邊泄邊注往往在發生偷油盜油情況時，其通過在原油管線上鉆取兩個相距較近的小孔，一個往外放油，一個往管線中注水，以維持進出平衡。放油和注水的瞬間都會產生流量和壓力波動，但在進出平衡時，流量回歸平衡，難以檢測出泄漏。由于放出油與注入水的密度不同，壓力會產生較小的變化，但由于量很小時管道內流體整體密度變化很小，所以也難以檢測出泄漏。

2.2 泄漏判斷敏感度中的監測難點

泄漏判斷往往需要設定多個參數，以負壓波法為例，需要輸入流量計系數、流體密度等參數。泄漏判斷的靈敏度與設定參數有關，設定過嚴會導致判斷過于敏感，造成誤報；設定過松會導致判斷敏感度不足，造成漏報。

①過度敏感造成誤報。頻繁的誤報會對巡檢人員造成很大誤導，對每一次報警都需要采用其他方式進行確認，例如人工巡檢等，這就會增加工作人員工作量，從而導致工作人員對泄漏監測系統出現信任問題。

②敏感度不足造成漏報。漏報會導致錯過及時處置時間，造成安全環保問題。

2.3 儀器儀表的監測難點

儀器儀表主要包括流量計、脈沖發信器、壓力變送器、溫度變送器等測量管道中流體狀態的相關設備。隨著流量計的損壞更換，如果出現首末端流量計型號不同的情況，會產生一定輸差，輸差有可能是正數（首端gt;末端），也有可能是負數（首端lt;末端）。

①輸差過大。當首末端輸差過大時，易被誤判為管道泄漏。當真正發生泄漏時，輸差的波動會掩蓋泄漏流量的變化，從而造成漏報。

②輸差為負。當末端流量大于首端流量時，輸差為負數。當發生泄漏時，輸差在負數的基礎上增加，負數會抵消輸差增加的數值，使得輸差變化可能低于泄漏判斷閾值，從而造成漏報。

2.4 管道自身的監測難點

管道在實際建設過程中受地理因素的影響，往往不是一條直線，可能會有多個彎頭，使管道走向發生變化。管線中途可能會有其他管線匯入，管徑發生變化，這些管道發生的變化都會增加管道泄漏監測的難度。

①管道轉向。在管道轉向彎頭處，流體的流速降低，壓力降低。而加設彎頭會對管道產生阻力，使管道直通部分的壓力升高。這些流量、壓力的變化都會對管道泄漏監測造成干擾，引起誤報。

②管道變徑。管徑變粗會使上游管道壓力降低，管徑變細會使上游管道壓力升高，上下游的管道壓力不同，會影響管道泄漏監測的準確性。

2.5 工況的監測難點

①內部工況變化：輸量變化。首端輸量調整時，在管道中流體的反應過程需要一定時間，在這個過程中，壓力、輸差均會發生變化，從而影響管道泄漏監測的準確性。

②外部工況變化：周邊施工、機械運轉等影響。例如，周邊施工引起的管線振動，產生環境噪聲，影響監測準確性，尤其對聲波法、信號分析法影響較大。

總之，管道泄漏監測技術的難點主要有5項：特殊的泄漏情況、泄漏判斷敏感度的設定、不同儀器儀表之間的誤差、管道自身沿程的變化、特殊工況。具體內容及對泄漏監測產生的影響見表1。

3 改進建議

針對目前管道泄漏在線監測存在的5項難點問題，本研究提出以下5項改進建議。

①針對小流量泄漏，管道泄漏在線監測系統要結合瞬時變化和變化后的一段時間內的數據進行綜合分析來判斷是否發生小流量泄漏，將小泄漏量通過多個相關參數進行放大，從而提高識別精度。在易發生邊泄邊注的區域，要注重提高瞬時變化的檢測準確性，同時可借助攝像頭輔助進行管線破壞行為的巡查，并研發自動周期性巡檢和對偷盜油行為的自動識別功能。

②針對誤報和漏報問題，管道泄漏在線監測系統所設定的參數要根據實際運行情況進行調整，在難以找到能同時避免漏報和誤報的參數時，應優先避免漏報。

③對于管道泄漏在線監測的儀器儀表，首先應從設備選型、設備安裝和設備維護等方面保證設備質量；其次在出現輸差過大或為負數時，應及時排查設備問題，確保首末端設備的相對一致性。

④要解決管道自身問題造成的影響，一是從管道建設時避免管道大幅轉向和大幅變徑；二是從技術上將管道轉向點和變徑點的正常變化列為正常值。由于轉向點和變徑點的泄漏風險比直管段更高，更要精準區分正常變化和泄漏信號，這就需要針對轉向和變徑點的特點設計適用的算法。

⑤為避免人為輸量調節造成的誤報，可將管道泄漏監測與外輸泵頻率聯動，消除因調節外輸泵頻率造成的漏報。對于易受外部工況影響的管道，在選用泄漏監測技術時應采用受環境影響較小的技術。再者，可將易受環境影響的管段采用與首末端輸量變化聯動的方式，在判斷是否發生泄漏的算法中，賦予流量變化較大權重，從而辨別信號波動是由于管道泄漏還是環境噪聲引起。此外，在管道重新規劃和改造時，應盡量避開施工較多區域。

4 結語

通過分析可知，提高管道泄漏在線監測可靠性的根本是減少誤報和漏報，主要從三方面解決：一是提高儀器儀表的測量精度；二是提升算法準確度；三是將泄漏監測系統與攝像頭、紅外成像等設備聯動，綜合分析判斷管道是否發生泄漏。

下一步研究應在提高泄漏識別準確性的基礎上，聚焦易于建設、運維簡單、可靠性高、耐用性強、低成本、可擴展的管道泄漏在線監測系統。

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收稿日期：2023-12-03

作者簡介：張赫男（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向：油氣輸送與運輸、礦場油氣集輸與處理。