Устройство мониторинга состояния трубопроводов большой длины, в том числе подводных трубопроводов

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам, используемым в нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано для диагностики трубопроводов большой протяженности, в т.ч. подводных, с целью обнаружения утечек из них прокачиваемого материала. Устройство содержит высококогерентный лазер, импульсный модулятор, циркулятор, волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами, оптические усилители, сенсорный оптический участок, приемник сигнала, блок обработки принимаемого сигнала, два оптических переключателя N каналов, оптический усилитель, оптико-электрический преобразователь, аналогово-цифровой преобразователь, передающий оптический модем, приемный оптический модем. Технический результат - повышение длины мониторинга протяженного объекта, а также расширение полосы частот регистрируемых акустических колебаний. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам, используемым в нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано для диагностики трубопроводов большой протяженности, в т.ч. подводных, с целью обнаружения утечек из них прокачиваемого материала.

Уровень техники

Утечки прокачиваемого материала из трубопровода являются источниками акустических сигналов, которые воздействуют на оптическое волокно и могут быть зарегистрированы при помощи метода когерентной рефлектометрии. Метод и устройство реализации когерентной рефлектометрии детектирования акустических полей раскрыты в патенте US 5194847 Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing (МПК G01H 9/00; G01L 1/24; G01L 11/02, опубл. 16.03.1993) и включают следующие операции: - оснащение чувствительным оптическим волокном протяженного объекта; - производство импульсов когерентного оптического излучения; - подачу импульсов в чувствительное оптическое волокно, имеющее определенную длину, расположенное вдоль протяженного объекта; - прием сигналов обратного рассеяния и выделение сигнала, показывающего факт внешнего воздействия по возмущениям в указанном сигнале. Когерентное излучение в оптическом волокне при упругом рассеянии вследствие наличия хаотических микронеоднородностей, много меньших по размеру по сравнению с длиной волны излучения, дает в схеме рефлектометра хаотический по времени сигнал рассеяния (рефлектограмму), который остается неизменным при условии стабильности частоты и отсутствии воздействия на чувствительное оптическое волокно и изменяется при наличии тепловых или механических воздействий, которые в первую очередь проявляются при наличии утечек из трубопровода. По временному положению в рефлектограмме можно судить о координате местоположения воздействия на оптическое волокно.

Система мониторинга состояния протяженных объектов описана в наиболее близком аналоге предлагаемого устройства мониторинга состояния трубопроводов большой длины, в том числе подводных трубопроводов, устройстве мониторинга состояния протяженных объектов, преимущественно продуктопроводов, описанное в патенте RU 2287131 «Способ мониторинга состояния протяженных объектов, преимущественно продуктопроводов, и устройство для его осуществления» (МПК G01D 5/353, опубл. 10.11.2006). Устройство содержит последовательно включенные источник когерентного излучения, средство для организации рефлектометрического канала, чувствительное оптическое волокно, а также соединенные со средством для организации рефлектометрического канала фотоприемник с усилителем и блок таймирования и регистрации. При этом в состав устройства для мониторинга состояния протяженных объектов введен электронный импульсный модулятор, соединенный с блоком таймирования и регистрации и источником когерентного излучения, при этом источник когерентного излучения представляет собой полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью работы в импульсном режиме с длительностью импульса Т и шириной спектра оптического излучения порядка 1/Т, фотоприемник имеет временное разрешение не хуже длительности импульса Т, а блок таймирования и регистрации включен в схему устройства для мониторинга состояния протяженных объектов с возможностью регистрации последовательности рефлектограмм-амплитуд сигналов обратного рассеяния и отслеживания на основании локальных изменений сигнала указанной последовательности рефлектограмм координаты внешнего воздействия на оптическое волокно, которым оснащен диагностируемый протяженный объект.

Здесь тот же недостаток: протяженность трубопроводов, в том числе морских подводных, может быть в тысячи (а не в десятки) километров и задача повышения максимальной дальности мониторинга объекта представляется весьма актуальной.

В то же время протяженность трубопроводов, в том числе морских подводных, может быть в тысячи (а не в десятки) километров, и поэтому задача повышения максимальной дальности мониторинга объекта представляется весьма актуальной.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является существенное (возможно многократное) повышение длины мониторинга протяженного объекта (в том числе подводного трубопровода) за счет повышения чувствительности системы регистрации, а также расширения полосы частот регистрируемых акустических колебаний.

Технический результат достигается за счет того, что устройство мониторинга состояния трубопроводов большой длины содержит высококогерентный лазер, соединенный с импульсным модулятором для генерации зондирующих оптических импульсов, циркулятор, волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для передачи зондирующих оптических импульсов через оптические усилители в разрывах кабеля и через циркулятор в сенсорный оптический участок и волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для обратной передачи отраженного рассеянного оптического сигнала из сенсорного оптического участка через циркулятор и через оптические усилители в разрывах кабеля далее до приемника сигнала, блок обработки принимаемого сигнала. При этом импульсный модулятор является оптическим и расположен после лазера, а после модулятора установлен оптический переключатель N каналов и такой же второй оптический переключатель N каналов установлен для обратной передачи отраженных рассеянных оптических сигналов. Оба переключателя имеют возможность управления синхронным переключением своих каналов от общей системы управления переключений с пульта оператора устройства или автоматического управляющего устройства.

Каждая пара используемых каналов переключателей связана со своей отдельной унифицированной канальной частью, содержащей канальный волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для передачи зондирующих оптических импульсов через канальные оптические усилители и канальный циркулятор в канальный сенсорный оптический участок и канальный волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для обратной передачи отраженного рассеянного оптического сигнала из канального сенсорного оптического участка через канальный циркулятор и канальные оптические усилители; канальный сенсорный оптический участок соединен одним концом с канальным циркулятором и расположен вдоль своего участка трубопровода. Также есть канальная последовательная цепочка элементов для прохождения и преобразования обратного рассеянного оптического сигнала канала, состоящая из циркулятора, оптического усилителя, оптико-электрического преобразователя, аналогово-цифрового преобразователя и передающего оптического модема, выход этой цепочки через волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами и оптические усилители в разрывах кабеля состыкован со своим канальным входом второго переключателя. Единый выход второго переключателя состыкован через выходной оптико-электрический преобразователь и через приемный оптический модем с блоком обработки результирующего сигнала.

Часть устройства, состоящая из лазера, импульсного оптического модулятора, двух N-канальных оптических переключателей с системой управления синхронного переключения каналов, выходного оптико-электрического преобразователя, приемного оптического модема и блока обработки результирующего сигнала, имеет возможность расположения на большом расстоянии от трубопровода, а часть устройства, состоящая из унифицированной канальной последовательной цепочки элементов и канального сенсорного оптического участка, расположена вблизи и вдоль контролируемого участка трубопровода, эти части связаны длинными волоконно-оптическими кабелями с токоведущими жилами и с оптическими усилителями в разрывах кабелей.

Единый размер длины канального сенсорного оптического участка и соответственно практически такой же длины контролируемого участка трубопровода определяется по математической формуле: L_{чувст.уч}=c/(2·f·n), где L_{чувст.уч} - длина чувствительного участка (км), с - скорость света (300 000 км/с), f - частота следования зондирующих оптических импульсов (Гц), n - показатель преломления сенсорного оптического волокна.

Число используемых каналов оптических переключателей определятся отношением общей контролируемой длины трубопровода к единому размеру длины одного контролируемого участка.

Каждая унифицированная канальная последовательная цепочка элементов и каждый оптический усилитель уложены в отдельных малогабаритных гильзах. Для мониторинга подводных трубопроводов гильзы выполнены герметичными, с возможностью выдерживания высоких давлений воды, соответствующих глубинам расположения подводных трубопроводов и с возможностью свободного прохода вместе со своими внешними кабелями через соответствующие отверстия в стандартном корабельном оборудовании для укладки подводных кабелей.

Оптические циркуляторы, их оптические усилители, оптико-электрические преобразователи, аналогово-цифровые преобразователи и передающий оптический модем размещены в одной малогабаритной (способной пройти через стандартное корабельное оборудование для укладки кабеля и представляющей собой цилиндр с диаметром внутренних стенок 120 мм и длиной 600 мм) водонепроницаемой гильзе, к которой подведено электропитание.

Общая большая длина достигается за счет последовательного соединения сенсорных участков, которые параллельно подключены к блокам генерации импульсного излучения, а также блокам регистрации и обработки сигналов.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства мониторинга.

Осуществление изобретения

Устройство содержит лазер 1 с большой длиной когерентности, импульсный модулятор 2, оптические переключатели (1×N) - 3, оптические усилители 4, оптические циркуляторы 5, оптико-электрические преобразователи 6, аналогово-цифровые преобразователи 7, передающий оптический модем 8, приемный оптический модем 9, блок 10 обработки сигнала с выхода модема 9.

Лазер 1 последовательно соединен с модулятором 2, который осуществляет модуляцию непрерывного излучения в импульсное, далее излучение поступает на оптический переключатель (1×N), который осуществляет поочередное подключение отдельных сенсорных каналов. Далее в каждом канале излучение распространяется по оптическому волокну, при этом потери сигнала излучения компенсируются оптическими усилителями 4 (усилители размещены в малогабаритных водонепроницаемых гильзах, к которым подведено электропитание), далее излучение поступает на оптический циркулятор 5 (также размещенный в водонепроницаемой гильзе), после которого поступает на оптическое волокно, закрепленное на трубопроводе, ответное рассеянное излучение поступает через циркулятор 5 на оптический усилитель 4, после чего поступает на оптико-электрический преобразователь 6, далее электрический сигнал преобразуется аналогово-цифровым преобразователем 7 в цифровой вид и поступает на передающий оптический модем 8, осуществляющий преобразование цифрового электрического сигнала в цифровой оптический сигнал. Далее цифровой оптический сигнал усиливается усилителями 4 и поступает на переключатель 3 и затем - на приемник излучения 6. Далее сигнал регистрируется приемным оптическим модемом 9 и далее передается для анализа в блок 10 обработки цифрового сигнала.

Элементы 1, 2, 3, 6, 9, 10 устройства мониторинга входят в состав аппаратуры, размещенной у оператора мониторинга, например на берегу или на борту базового корабля.

Элементы 5, 4, 6, 7, 8 устройства мониторинга размещены в одной малогабаритной (способной пройти через стандартное корабельное оборудование для укладки подводного кабеля и представляющей собой цилиндр с внутренним диаметром 120 мм и длиной 600 мм) водонепроницаемой гильзе, к которой подведено электропитание.

Устройство мониторинга работает следующим образом.

Импульсное оптическое излучение подают на N канальный оптический переключатель, который последовательно осуществляет переключение на N последовательно расположенных на трубопроводе чувствительных оптических волокон. А оптический сигнал, получаемый в результате рассеяния излучения в оптическом волокне, регистрируется приемником излучения, расположенным в непосредственной близости от наблюдаемого участка, далее сразу преобразуется в цифровой вид и затем передается на блок обработки цифрового сигнала при помощи волоконно-оптической системы передачи цифровой информации.

Эффект повышения чувствительности и соответствующего увеличения дальности мониторинга достигается благодаря следующим факторам:

1) при помощи добавленных оптических усилителей усиливается мощный оптический сигнал, благодаря чему снижаются шумы.

2) обратно рассеянный сигнал регистрируется в непосредственной близости от чувствительного участка.

Эффект увеличения полосы частот достигается благодаря тому, что сокращается длина чувствительного участка, при этом верхняя граница полосы частот определятся как f=c/(2·L_{чувст.уч}·n), где L_{чувст.уч} - длина чувствительного участка, n - показатель преломления волокна, с - скорость света.

Сокращая длину чувствительного участка в N раз, практически в те же N раз расширяется полоса регистрируемого акустического сигнала.

Конкретные функциональные параметры промышленной применимости устройства:

Частота посылки импульсов: 5 кГц (звуковой диапазон от 1 до 20 кГц, максимум амплитуды спектра акустических колебаний при утечках из трубопровода - 4 кГц, а 5 кГц - с небольшим запасом). Частота опроса АЦП - 100 МГц.

Показатель преломления n=1,5 при длине волны оптического сигнала 1550 нм. По указанной формуле: 300000 км/с/(2·1,5·5000 Гц)=20 км - длина сенсорного участка. Если число каналов переключателей равно 64 и длина трубопровода 1200 км, то длина сенсорного участка как раз около 20 км (если число каналов равно 128 и длина трубопровода 1200 км, то длина сенсорного участка - около 10 км, что также вполне приемлемо).

Два типа гильз: большие для большого набора элементов и малые для промежуточных оптических усилителей. До больших гильз длинные кабели - оптико-электрические кабели, сплетенные совместно там, где это возможно. Размеры большой гильзы: диаметр 120 мм, длина 600 мм. Размеры элементов в ней: циркулятор - 70×3×3 мм (работает практически без потерь в проходящих оптических сигналах). Оптический усилитель - 100×50×20 мм. АЦП - 150×70×10 мм. Модем - 150×70×10 мм. Оптико-электрический преобразователь - 3×3 мм. Сама гильза расположена рядом с трубой (на расстоянии 3…5 м от начала сенсорного участка длиной 10…20 км). Сенсорные участки только оптические и расположены по отдельности каждый вдоль своего участка трубы.

В результате изобретено практическое решение задачи существенного повышения длины мониторинга протяженного объекта (до тысяч км длины и в том числе подводного трубопровода на больших глубинах) за счет повышения чувствительности системы регистрации, а также расширения полосы частот регистрируемых акустических колебаний.

1. Устройство мониторинга состояния трубопроводов большой длины, содержащее высококогерентный лазер, соединенный с импульсным модулятором для генерации зондирующих оптических импульсов, циркулятор, волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для передачи зондирующих оптических импульсов через оптические усилители в разрывах кабеля и через циркулятор в сенсорный оптический участок и волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для обратной передачи отраженного рассеянного оптического сигнала из сенсорного оптического участка через циркулятор и через оптические усилители в разрывах кабеля далее до приемника сигнала, блок обработки принимаемого сигнала, отличающееся тем, что импульсный модулятор является оптическим и расположен после лазера, а после модулятора установлен оптический переключатель N каналов и такой же второй оптический переключатель N каналов установлен для обратной передачи отраженных рассеянных оптических сигналов, при этом оба переключателя имеют возможность управления синхронным переключением своих каналов от общей системы управления переключений с пульта оператора устройства или автоматического управляющего устройства, каждая пара используемых каналов переключателей связана со своей отдельной унифицированной канальной частью, содержащей канальный волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для передачи зондирующих оптических импульсов через канальные оптические усилители и канальный циркулятор в канальный сенсорный оптический участок и канальный волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами для обратной передачи отраженного рассеянного оптического сигнала из канального сенсорного оптического участка через канальный циркулятор и канальные оптические усилители; канальный сенсорный оптический участок соединен одним концом с канальным циркулятором и расположен вдоль своего участка трубопровода; также есть канальная последовательная цепочка элементов для прохождения и преобразования обратного рассеянного оптического сигнала канала, состоящая из циркулятора, оптического усилителя, оптико-электрического преобразователя, аналогово-цифрового преобразователя и передающего оптического модема, выход этой цепочки через волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами и оптические усилители в разрывах кабеля состыкован со своим канальным входом второго переключателя; единый выход второго переключателя состыкован через выходной оптико-электрический преобразователь и через приемный оптический модем с блоком обработки результирующего сигнала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть устройства, состоящая из лазера, импульсного оптического модулятора, двух N-канальных оптических переключателей с системой управления синхронного переключения каналов, выходного оптико-электрического преобразователя, приемного оптического модема и блока обработки результирующего сигнала, имеет возможность расположения на большом расстоянии от трубопровода, а часть устройства, состоящая из унифицированной канальной последовательной цепочки элементов и канального сенсорного оптического участка, расположена вблизи и вдоль контролируемого участка трубопровода, эти части связаны длинными волоконно-оптическими кабелями с токоведущими жилами и с оптическими усилителями в разрывах кабелей.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что единый размер длины канального сенсорного оптического участка и соответственно практически такой же длины контролируемого участка трубопровода определяется по математической формуле: L_{чувст.уч}=с/(2·f·n), где L_{чувст.уч} - длина чувствительного участка (км), с - скорость света (300 000 км/с), f - частота следования зондирующих оптических импульсов (Гц), n - показатель преломления сенсорного оптического волокна.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что число используемых каналов оптических переключателей определятся отношением общей контролируемой длины трубопровода к единому размеру длины одного контролируемого участка.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая унифицированная канальная последовательная цепочка элементов и каждый оптический усилитель уложены в отдельных малогабаритных гильзах.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что для мониторинга подводных трубопроводов гильзы выполнены герметичными, с возможностью выдерживания высоких давлений воды, соответствующих глубинам расположения подводных трубопроводов, и с возможностью свободного прохода вместе со своими внешними кабелями через соответствующие отверстия в стандартном корабельном оборудовании для укладки подводных кабелей.