ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА И DAS В ДОБЫЧЕ

№ 4, 2014
АЛГОРИТМ БЕЗОПАСНОСТИ
12
ПРИМЕНЕНИЕ
ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА И DAS
В ДОБЫЧЕ НЕФТИ И ГАЗА
П. Демидов
ХК «Интра Тул»,
М. Дмитриенко
ООО «Оптилан»
роблема обнаружения утечек
при эксплуатации изношенно
го парка трубопроводных сис
тем становится все более актуальной, осо
бенно при транспортировке нефти со старых
месторождений, обновление оборудования
на которых не производилось многие деся
тилетия. Увеличение штрафов, огромные
затраты на рекультивацию почвы, потери
продукта – вот немногие экономические
факторы, которые требуют более эффектив
ных методов своевременного, а главное, бы
строго обнаружения утечек.
Технологии использования оптоволок
на в качестве датчика измерений (или как
его еще называют, распределенный мо
ниторинг с использованием оптоволокна),
находит себе применение в ряде задач неф
тегазовой отрасли уже на протяжении не
скольких лет. Недавнее развитие технологий
измерений и математических алгоритмов
обработки данных расширяют границы при
менения решений на базе оптоволоконных
измерений. Растущие потребности эффек
тивности производства и безопасности сти
мулируют развитие таких инновационных
технологических разработок, как распреде
ленный акустический мониторинг.
РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ
АКУСТИЧЕСКИЙ
МОНИТОРИНГ DAS
Первые системы распределенного акус
тического мониторинга (DAS) были установ
лены для обнаружения несанкционирован
ного доступа в охранную зону трубопроводов
в 2008 году. Уже несколько лет этот метод
показывает высокую эффективность для об
наружения несанкционированных действий
третьих лиц вблизи трубопровода. DAS дает
возможность предотвращения несанкцио
нированного доступа с возможностью пред
видеть события, которые могут привести к
потенциальному ущербу. Если существует
возможность определить проведение зем
ляных работ с применением тяжелой техни
ки, копку ручным способом, присутствие
транспорта и т.д. в охранной зоне трубопро
вода, возникает возможность определения
потенциального ущерба, а не фиксации фак
та уже нанесенного ущерба.
Сейчас же DAS применяется не только
для обеспечения защиты трубопроводов от
случайного или преднамеренного поврежде
ния, но и как инструмент мониторинга цело
стности, текущего состояния трубопровода,
позволяющий оператору контролировать
местонахождение и движение диагности
ческих снарядов и очистных скребков, а так
же как система обнаружения различных
видов утечек жидких, газообразных и разно
фазных продуктов в режиме реального вре
мени, в том числе крайне малых.
Технология DAS открыла возможности,
которых ранее нельзя было добиться дру
гими методами, а именно – возможность от
слеживать (детектировать) акустические из
менения непрерывно по всей длине волокна.
По сравнению с методом распределенного
волоконнооптического детектирования тем
пературы (DTS) он дает возможность понять,
что происходит, когда нет возможности уви
деть это, давая недоступный ранее уровень
надежности показаний, точности и степени
детализации. DAS не замещает распреде
ленное волоконнооптическое детектиро
вание. DAS подразумевает наличие динами
ческого датчика, в то время как датчик при
DTS – статический, и оба датчика могут ра
ботать параллельно.
Комбинация методов обнаружения
несанкционированного доступа с мульти
режимным обнаружением утечек предла
гает операторам трубопроводов отличную
возможность предотвращения ущерба и оп
ределения даже малых утечек, которые мо
гут возникнуть вследствие природных яв
лений, таких как образование свища изза
коррозии.
ПРИНЦИП РАБОТЫ DAS
Принцип DAS (изначально предложен
ный для систем обеспечения физической
безопасности) основан на явлении рассея
ния Релея, названном в честь британского
физика лорда Релея (Джон Уильям Страт,
18421919), открывшего данное явление.
В основе метода лежит оптическая рефлек
тометрия во временной области (OTDR). Оп
тический импульс, запущенный в волокно,
претерпевает обратное рассеяние Релея та
ким образом, что оптическая мощность от
раженного света может быть измерена дис
кретно при помощи быстродействующего
детектора. По полученным данным форми
руется распределенная характеристика оп
тических потерь в волокне на расстоянии
до нескольких десятков километров.
Система DAS преобразует стандартный
одномодовый волоконнооптический ка
бель, проложенный рядом с трубопроводом
(часто это тот же кабель, что используется
в качестве среды передачи технологичес
ких данных), в набор виртуальных микрофо
нов. Высокоустойчивый лазер выдает спе
циально смодулированные импульсы света
со скоростью 10 000 раз в секунду, при этом
ведется анализ рэлеевского обратного
рассеяния на предмет наличия «возмуще
ния» молекул оптоволокна. Это называется
когерентной оптической временной реф
лектометрией (COTDR), и мониторинг за от
кликами ведется единовременно для рас
познавания, обнаружения местоположения
и классификации деятельности в охранной
зоне трубопровода.
Оптические импульсы формируются при
помощи узкополосного лазера с высокой ко
герентностью, далее рассеянные возвратные
световые сигналы в результате интерферен
ции образуют пульсации, которые наклады
ваются на след потерь волокна. Данный про
цесс представлен на рисунке. Пульсации,
ввиду того, что они связаны с определенны
ми областями рассеивания внутри волокна,
являются статичными, пока статичны сами
волокна. Если волокно претерпевает какие
либо температурные изменения либо воз
действие внешних сил, которые приводят к
деформации волокна, то расположение об
ластей рассеивания меняется (расположе
ние интерференционных пульсаций).
Метод позволяет достичь дифферен
циальной чувствительности порядка не
скольких ангстрем, что в свою очередь от
крывает возможности для использования
технологии распределенного детектирова
ния, известной как когерентная оптическая
рефлектометрия во временной области
(COTDR) (в последнее время также известной
как акустическое волоконнооптическое де
тектирование (DAS)). Типичная длительность
импульса в современном оборудовании ва
рьируется от 10 до нескольких сотен нано
секунд. При рассмотрении импульса 100 на
носекунд разрешение внутри волокна
составляет 10 м. Таким образом, в волокне
длиной 10 км представлено 1000 отдельных
зон чувствительности датчика. Преимуще
ство здесь заключается в том, что стоимость
технологии фактически равна цене одномо
дового волокна.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ
И ОТСЛЕЖИВАНИЕ УТЕЧЕК
Применение технологии DAS для отсле
живания скребка или диагностического сна
ряда позволяет сэкономить время на про
ведение данной технологической операции.
Предоставление данной услуги облегчает
контроль за локальными значениями дав
ления внутри трубопровода для поддержа
ния оптимального расстояния между не
сколькими диагностическими снарядами или
регулирования скорости отдельного снаря
да для того, чтобы обезопасить себя от его
повреждения и лишения гарантии.
Распределенный мониторинг с исполь
зованием оптоволокна применяется для об
наружения температурных колебаний крио
генных продуктов, таких как сжиженный
природный газ. Это позволяет выявить
значительную разницу температур, возни
кающую в месте утечки, а также стало до
статочно распространенным решением для
приемных и отгрузочных терминалов.
Наиболее очевидным признаком утеч
ки трубопровода может быть нарушение це
лостности самой трубы. Явление разрыва и
последующее резкое падение давления при
вносит колебательную энергию в стенки тру
бы и транспортируемую жидкость и вызыва
ет распространяющуюся по трубе волну.
Подобно импульсам, исходящим от движения
очистного скребка, данная волна может рас
пространиться на километры.
Современное программное обеспечение
обнаружения утечек, основанное на техно
логии DAS, редко полагается только на один
параметр. Любые утечки или нарушения
герметичности отрицательно сказываются
на нескольких аспектах, в зависимости от
характеристик транспортируемого продукта
и других технологических условий. Объеди
няя данную информацию, подобные ком
плексные системы способны достоверно
обнаружить, классифицировать и иденти
фицировать такие события. Посредством
сопоставления определенного системой ме
ста утечки с расположением бригады тех
нического обслуживания, время их прибы
тия, скорость разлива и стоимость земляных
работ – то есть комплекса мероприятий по
устранению утечки – сокращаются до абсо
лютного минимума.
В дополнение к использованию техноло
гии DAS в качестве средства технической
охраны трубопроводов, данная технология
также применяется в качестве средства ре
шения ряда задач внутрискважинного мо
ниторинга.
Успех технологии оптоволоконного DAS
в нефтегазовой индустрии в значитель
ной мере обусловлен тем, что данные си
стемы являются относительно простыми
в развертывании, взрывобезопасными, не
требущими обслуживания и способными
работать в агрессивных средах с большим
разбросом температуры и давления, а
также доступны в малом формфакторе.
Это позволяет безопасно разворачивать
их на большие расстояния с редким или со
всем без дальнейшего обслуживания, так
как все активное оборудование по сбору и
обработке данных, как правило, располо
жено в безопасной среде.
В дальнейшем можно ожидать, что
тенденция установки оптоволоконных
датчиков распространится на новые обла
сти по мере возникновения новых задач.
Будущее оптоволоконного зондирования
представляется достаточно светлым.
Рис. На схеме работы DAS показан световой импульс, отправленный в распределенный волокон
нооптический датчик (волокно). След сигнала, претерпевающего обратное рассеяние Релея в
волокне, показан черной кривой. При наличии лазера с высокой когерентностью на следе си
гнала видны пульсации (красная кривая), которые являются следствием интерференции рассе
янного света
№ 4, 2014
ОПЕРАЦИОННАЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
Система DAS изначально разрабатыва
лась как средство обеспечения безопаснос
ти, и вследствие этого именно данная об
ласть применения является наиболее
состоявшейся и широко применяемой во
всем мире. На сегодняшний день такие сис
темы развернуты в большинстве регионов
мира, включая Южную Америку, Северную и
Западную Африку, Средний Восток, Европу
и Азию. Они способны распознавать, обнару
живать точное местоположение и классифи
цировать различного рода деятельность, та
кую как персонал, ручное и механическое
копание, туннелирование, автотранспортные
средства и даже низколетящие воздушные
суда. Однако практический опыт примене
ния показал, что большинство воздействий
не является злоумышленными. Картина ор
ганизованной преступной группы, выполня
ющей ряд мероприятий с целью установки
несанкционированной врезки в трубопро
вод и слива продукта перекачки, была до
вольно распространенной в прошлом. Впро
чем, достаточно распространенной угрозой
безопасной эксплуатации представляет из
себя и раскапывание мелиорационной тран
шеи для обводнения территории местным
фермером или копка экскаватором грунта
под фундамент строящегося здания.
Системы на основе DAS в настоящее вре
мя успешно развернуты на более чем
12 000 км трубопроводов и за последние
5 лет существенно модернизировались для
использования информации в качестве сред
ства более тонкого анализа, где предупреж
дения об опасности не только классифици
руются, но и располагаются в соответствии
с приоритетом потенциальной угрозы. Дея
тельность в охранной зоне трубопровода в
течение светлого времени суток зачастую
может не рассматриваться как угроза, но
точно такая же активность посреди глубокой
ночи – совсем другое дело! Аналогично, в
шумном городе это может считаться нор
мальным, но удаленное место, где редко что
либо происходит, имеет совершенно иной
уровень угрозы. Именно в период предвари
тельной консультации клиенту предостав
ляется помощь по разработке плана дей
ствий. Это включает интеграцию в другие
системы, такие как система оперативноди
спетчерского управления (SCADA) и распре
деленные системы управления (DCS), сис
темы видеонаблюдения (CCTV) или даже
интерфейс взаимодействия с беспилотными
летательными аппаратами (БПЛА). Наряду
с этим может иметь место расширенный
план, в котором будут оговариваться даль
нейшие действия по устранению угроз. Они
могут включать рассылку электронных со
общений (электронной почтой, SMS) опера
тивному персоналу групп быстрого реаги
рования или сотрудничество с местными
правоохранительными органами или пра
вительственными войсками для обеспече
ния безопасности объекта.
АЛГОРИТМ БЕЗОПАСНОСТИ
КОМПЛЕКСНЫЕ СИСТЕМЫ
13