李 博 葛 斐 郭 宏 郭江艳 卢 靖 王松峰

(1. 中国海洋石油国际有限公司 北京 100027； 2. 北京力合大科科技有限公司 北京 100083； 3. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

随着海洋油气开发不断走向深水，水下生产系统以其显著的技术优势、可观的经济效益得到了广泛应用[1]。脐带缆作为海洋平台水下生产控制系统的关键设备之一，为水下油井提供液压、电力、信号控制及化学药剂等。长期以来，脐带缆内液体发生泄漏后的查找和定位一直是水下生产控制系统难以解决的一个技术问题。如我国流花4-1油田高压液控系统于2013年5月发生泄漏，其中一条高压油路一天泄漏量约140 L，测试确认漏点位于水下，为了找到具体漏点，曾尝试向液压油里添加染色剂，但一直未能发现具体漏点。

由于脐带缆的液压通道与海底管道所处环境相似、内部介质相似，故脐带缆泄漏检测或可参考海底管道的泄漏检测方法。目前，国内外有多种海底管道泄漏检测和定位方法,按照检测部位的不同分为内部检测和外部检测[2]。管道内部检测通常要利用各种管道内检测器(如爬机和管内探测球)来完成，由管内流体推动其在管道内移动，在移动过程中利用某种检测原理对管道进行检测，最后进行数据分析和处理，从而比较准确地进行危险点或泄漏点的定位。管道内部检测常使用漏磁法、超声波法、射线检测法、高频涡流法和电磁声传感器法[3]。国际上较早从事海上油气开发的国家在海底管道检测装备技术方面已经具有相当丰富的经验，如美国已研制出可追踪海底管道的海底潜水车和雷达定位系统，同时采用漏磁等技术进行管内探漏[4-6]。我国海底管道也已经陆续开始实施内检测作业，中国海油研制的海底管道漏磁内检测器已在渤海某油田海试成功[7]。管道内部检测法具有定位精度高和误报率较低的特点，但投资巨大，只适用于较大口径管道，而且极易发生管道堵塞、停运等严重事故，不适合脐带缆的泄漏检测。

海底管道外部检测主要借助各类水下声学设备、遥控潜水器(Remote Operated Vehicle，ROV)、潜水员操作来完成，其中应用较多的声学设备有底部剖面仪、侧向扫描声纳、回声探测器等[8]。基于管道内压力、温度、流量、声音以及振动等物理参数发生变化，并借助各类水下声学设备、ROV来判断泄漏位置[9-10]。外部检测法由于受水下环境条件的约束，成功观测到泄漏的概率较低，即使检测到泄漏，也非常耗时，一天只能检测十几米至几十米长的管道，而水下特别是深水(水深大于1 500 m)脐带缆长度可能有数十公里，ROV检测效率低，无法满足工程需求。

本文提出了一种基于SimulationX仿真试验[11]的水下脐带缆泄漏检测与定位方法,以流花4-1油田某水下高压液控系统为例，基于SimulationX仿真软件开发了脐带缆液控管线高精度仿真模型，通过模型对标及泄漏仿真试验，提取脐带缆泄漏样本特征；通过传感器监测脐带缆压力信号，获取系统动态参量，提取信号特征得到测试样本；最后构建数据模型对测试样本进行特征比对，实现对真实脐带缆单点泄漏的检测与定位。本文研究成果为我国深水动态脐带缆的泄漏故障诊断提供了一种新的技术方案。

1 脐带缆泄漏检测与定位原理

基于仿真试验的脐带缆泄漏检测与定位原理如图1所示，具体操作流程如下：

1) 基于模型仿真方法，构建脐带缆泄漏故障样本特征库，具体过程为：①建立脐带缆打压试验规范，制定打压试验工况；②基于多领域物理系统建模与仿真平台SimulationX的水下液压学科库，建立脐带缆液控系统仿真模型；③根据脐带缆液控系统仿真模型和打压试验的实测数据，标定仿真模型；④在仿真模型中在脐带缆的不同位置分别添加可能发生泄漏的泄漏点，构建脐带缆泄漏仿真模型；⑤根据仿真模型中脐带缆泄漏点的位置和等效漏孔的大小，开展若干组仿真试验，构建脐带缆的泄漏故障样本库。

图1 基于仿真试验的脐带缆泄漏检测与定位原理

2) 在脐带缆工作期间，根据传感器实时监测的状态信号，获取系统动态参量，包括液压泵出口压力、海洋平台上部压力和水下采油树端压力等。

3) 采用数据处理方法，提取信号特征，包括海洋平台上部压力、水下采油树端压力的变化率、稳态幅值以及油泵起停频率、周期和压力波动幅值等，得到脐带缆的运行状态特征即测试样本。

4) 根据脐带缆泄漏故障样本库和上一步得到的测试样本，对脐带缆进行泄漏故障特征比对，得到漏点定位结果。

2 仿真模型建立与校核

构建脐带缆液控系统高精度仿真模型是开展泄漏仿真试验的基础。以发生了脐带缆泄漏的流花4-1油田某高压液控系统为例，采用SimulationX软件中的水下液压模型库(Subsea Hydraulics Library),建立了流花4-1油田水下液控系统仿真模型，该仿真模型由4个子系统组成：水面液压动力单元(HPU)、脐带缆(Umbilical)、水下控制模块(SCM)和井下安全阀(SCSSV)(图2)。

图2 流花4-1油田水下高压液控系统仿真模型

对流花4-1油田正常工况下的水下高压液控系统进行仿真分析。该油田脐带缆内无泄漏发生时，高压系统供油压力为31.95 MPa、高压油经水下采油树给SCSSV供油的压力为35.05 MPa。水下液控系统仿真模型中计算得到的高压系统供油压力为31.95 MPa，SCSSV供油压力为35.12 MPa，仿真计算所得系统压力与油田实际压力相对误差仅0.2%，表明所建立的模型仿真计算结果具有较高的可靠性。

3 仿真试验结果分析与现场检测验证

3.1 仿真试验设计

开展仿真试验前，首先对流花油田平台现场开展打压试验，观测并记录水面和水下压力变化数据，如图3所示。选取HPU上部压力、水下SCM端压力为主要的特征分析对象，针对打压过程中的增压、保压和泄漏失压等3个阶段，开展泄漏仿真试验。初始时刻至20 min是增压阶段，高压泵为水下液控系统供油，脐带缆内压力升高；20～51 min是保压阶段，由于泄漏的发生，脐带缆内压力降低，高压泵为系统周期性补油，维持脐带缆内压力基本稳定；51 min后，高压泵关闭不再补油，由于泄漏系统压力逐渐降低，脐带缆处于泄漏失压段，113 min后，脐带缆内压力变化趋于稳定。51～113 min的压力变化曲线包含了漏点泄漏对系统压力变化的影响信息，故选取该段数据作为仿真试验特征对比的参照对象。

图3 流花4-1油田现场打压试验曲线

仿真试验中，在脐带缆不同位置分别添加单个漏点，模拟高压液控系统发生泄漏的工况。仿真试验设计有2个输入变量，即漏点距脐带缆水下末端UTH的位置L和漏孔等效直径Φ。根据目标脐带缆L、Φ值规划泄漏故障样本。其中，L从UTH处即0 km开始，每隔1 km设置一个采样点，即漏点定位精度可以达到1 km范围内；Φ的采样空间为[0.7 mm,1 mm]，间隔从0.02 mm开始，逐渐增大间隔。泄漏样本库包括(Φ，L)在其采样空间内的所有组合，表1列出了其中7组仿真样本示例。

表1 脐带缆仿真试验泄漏样本

3.2 仿真试验结果与现场试验曲线对比分析

依据规划好的泄漏样本进行参数化批量仿真，部分样本的仿真试验结果与现场试验曲线的对比如图4、5所示，可以看出：在增压阶段，仿真试验与现场试验曲线变化趋势一致；在保压阶段，除(0.95 mm，12 km)由于设置的泄漏孔径较大的工况外，其余仿真试验与现场试验曲线均保持稳定；在泄漏失压阶段，仿真试验各样本的变化趋势明显不同。

图4 流花4-1油田HPU上部压力仿真结果与

图5 流花4-1油田SCM端压力仿真结果与现场试验曲线对比

对仿真试验样本泄漏失压阶段的数据进行特征值分析。首先选取压力作为特征量，与试验数据进行特征匹配，计算每一样本的标准差，匹配分析结果如表2、3所示，结果显示，HPU上部压力及SCM端压力在特征样本为(0.76 mm，6 km)的泄漏失压段的标准差最小，是可能的漏点位置。

为了对比采用压力及压力一阶导数作为特征量的定位准确性，进一步选取压力一阶导数即压力变化率作为特征量，对仿真试验样本泄漏失压阶段的数据进行特征值分析，并与试验数据进行特征匹配，匹配分析结果如表4、5所示。结果显示，样本(0.72 mm，4 km)在泄漏失压段的标准差最小，是可能的漏点位置。

表2 流花4-1油田HPU上部压力特征线性匹配

表3 流花4-1油田SCM端压力特征线性匹配

表4 流花4-1油田HPU上部压力特征一阶导数匹配

表5 流花4-1油田SCM端压力特征一阶导数匹配

3.3 现场检测验证

根据上述仿真试验结果与现场打压试验曲线对比分析结果，确定了流花4-1油田脐带缆泄漏位置的范围。应用水下ROV对疑似泄漏位置附近的脐带缆开展了仔细巡查，发现在距主脐带缆末端4 km处出现了液压油泄漏,现场检测结果与采用压力一阶导数作为特征量的漏点定位结果一致。可见，选取压力一阶导数作为特征量时，脐带缆漏点定位准确性优于压力作为特征量的定位准确性，也证明了本文所提出的采用仿真试验与现场试验样本特征进行对比确定脐带缆泄漏位置的可靠性。

4结论

本文针对脐带缆内液体发生泄漏后的查找和定位难题，以流花4-1油田某水下高压液控系统为例，提出了一种脐带缆内发生单点泄漏的检测与定位方法。基于脐带缆高精度仿真模型，开展泄漏仿真试验，通过仿真与试验数据的特征分析与对比，结果表明采用压力一阶导数作为特征量，脐带缆漏点定位准确性优于采用压力作为特征量时的定位准确性。该方法已成功应用于流花4-1油田脐带缆泄漏的检测与定位，应用基于仿真试验的脐带缆泄漏检测技术，漏点定位达到了1 km范围内的精度，缩小了ROV检查的范围，缩短了查漏的时间，原计划3天查漏的时间，实际仅用1天完成。研究成果为我国深水动态脐带缆的泄漏故障诊断提供了一种新的技术方案。