专利名称：跟踪管道中的对象的制作方法
技术领域：
本发明涉及跟踪管道中的对象，且更具体地涉及跟踪管线中的诸如清洁或检查设备的对象，例如清管器(pig)。
背景技术：
管线是运输流体物质(最通常是油和气体)的最经济可行的方法，但是也存在其他类型的管线。当今，存在负责收集、运输和分送这些自然资源的大量管线基础设施，其中仅在美国就有超过四分之三百万公里的油和气体管线。这些管线的连续适当操作是至关重要的，且故障带来巨大的经济损失、环境冲击以及还有潜在灾难性物理损坏。因此，做出了相当大的努力来维护、监控和检查管线。然而，规模庞大(sheer size)的很多管线网络、以及很多公里的管线由地下或海底装置(installation)组成的事实使得有效且高效的监控成为难题。为了监控、检查和维护管线，利用被插入到管线中且由其中流体的压力被承载通过管线的各种检查和维护工具。存在可以采用的通常被称为“清管器”的各种不同对象。简单的清洁清管器可以包含被整形为在其经过时洗刷或刮擦管线的内壁以提供清洁动作的对象。智能监控清管器可以包含各种传感器和机载处理器且可能是十分昂贵、十分复杂的仪器。清管器还通常在管线投运期间使用，例如用于从管线的内部去除碎屑且使管线的内部排水。使用清管器来进行检查或清洁通常被称为清管。清管常常在大量不间断的流体流动通过管线的情况下实施且因而是有利的，因为管线流动不需要停止以执行例行检查和维护。然而，清管器偶尔可能在管线中变得粘住。这可能由于很多原因而发生，例如清洁清管器可能刮擦管线壁以从中清洁任何材料。在油管线中，例如可能发生诸如蜡状或半固体残渣的各种碳氢化合物产品的积累(build up)。过剩残渣积累的区域可能给清管器带来太大的阻碍。而且，在正常操作中，来自清洁动作的碎屑在清管器的前面积累且在一些情况下可能阻隔清管器的通过。诸如凹陷或弯曲的对管线的损坏也可能造成内部尺寸的变化，从而防止清管器的容易通过。在管线中变得粘住的清管器明显对管线造成严重破坏。清管器可能阻隔一些或全部流动且可能导致管线关闭。明显地，期望的是尽可能清除这种阻隔。管线停工时间可能具有相当大的成本牵连且供应故障的后果影响在一些应用中可能是相当大的。此外，如前所述，一些检查清管器是十分昂贵的且可能存在在清管器本身不工作方面的成本牵连。为了清除阻隔，可能必须实际切入管线且去除损坏了的清管器。然而显然，存在对检测清管器变得粘住的需要。清管器正造成阻隔的事实可能可由流动监控设备检测，但是可能不能确定清管器是否仍在尽管缓慢地移动或者清管器是否已停止移动。对于简单清洁类型的清管器，典型的清管运行可以简单地涉及在管线中的清管器插入点处插入清管器且稍后在某一时间之后从下游提取点提取该清管器。检测清管器已变得粘住可以仅当清管器在它被插入之后在某一时间窗口内没有在提取点处出现时发生。而且，当确定清管器被粘住时，管线中的清管器的实际位置需要被识别。对于没有任何传感器或发射器的清管器，假定管线可能被掩埋且可能是很多公里长，定位该阻隔可能代表一个挑战。

发明内容
因此，本发明的目的是提供用于跟踪和/或定位在管道中移动的对象的方法和设备。在第一方面中，本发明提供一种跟踪管道中的对象移动的方法，该方法包含通过询问沿着所述管道的路径定位的光纤(optic fibre)以提供分布式声感测，取得对应于信号返回的数据；以及处理来自多个分立纵向感测部分中的每一个的返回以检测与所述管道中的所述对象的移动相关联的声特征(signature)且确定所述声特征的来源。本发明的该方面的方法使用分布式声感测来提供管道中的对象的跟踪，诸如管线中的清管器的跟踪。基于光纤的分布式声感测是已知的技术，其中通过使用光来询问光纤 (fibre)且检测由于振动而发射或反射的光中的变化，检测光纤的振动。信号被分析，使得光纤实际上提供光纤长度上分布的一系列独立的声传感器。在很多实施例中，通过使用以不同频率的光脉冲来询问光纤，提供光纤光学(fibre-optic)分布式声感测。这种实施例典型地通过检测来自感测光纤的瑞利反向散射光且使用询问脉冲的频率关系以确定沿光纤长度入射到光纤上的声信号来操作。然而可以采用任何合适的分布式感测技术。已提出了这种分布式光纤光学传感器用于周界监控以及还用于监控油和气体管线，例如以检测可能威胁管线的附近地面作业。本发明使用由管道中的对象移动所造成的特性特征以允许对象的检测以及因此跟踪。本发明因此不对作为声跟踪的正常方法的最响传感器类型方法进行操作，而是改为使用声特征来检测和跟踪对象。方便地检测声特征包含检测由管道中的对象行进所造成的压力脉冲(impulse)。 已发现，行进通过管线的清管器可以产生一系列压力脉冲。当清管器经过管子中的每个环形焊缝或接合点时，它遇到附加的阻力且在清管器后面建立稍微的过压。当清管器随后经过焊缝时，释放沿管子在两个方向上行进的压力波。脉冲的频率取决于焊缝的间距和清洁器的速度。当经过某些阀门时可能发生类似的效应。一般地，可能对对象移动产生较大阻力的、管道的内部属性中的任何变化可以导致压力积累，其当释放时可以产生压力脉冲。在管道中存在引起压力脉冲的若干位置(诸如管道片段之间的多个接合点)的情况下，对象的通过将引起一系列重复的压力脉冲。如所述的，管线应用中的脉冲的频率可以取决于清管器的速度以及焊缝、接合点和阀门等的频率。如果清管器以大致恒定的速度行进且接合点均勻地间隔开，则清管器的运动将产生可以用作声特征的、规则的一系列压力脉冲。因而， 可以通过定位将匹配一系列原先脉冲的、光纤的分立感测部分之一中的声干扰来确定清管器的位置。优选地，检测声特征的步骤包含检测由于因管道中的对象行进造成的压力脉冲所引起的传播通过管道的压力波。如所述的，压力脉冲将导致在管道中的两个方向上行进的压力波。压力脉冲可以行进相当大的距离，尤其在高压管线等中。因而，声特征可以包含在管道中的相反方向上彼此远离传播的第一和第二声干扰。换句话说，如果例如因清管器越过第一位置处的焊缝而造成压力脉冲，则这将在第一数据帧中导致对应于第一位置的光纤的感测部分中的声干扰。在后续帧中，可以在光纤的两个相邻感测部分中检测声干扰。在另一后续帧中，可以在每个方向上在光纤的下一部分中检测声干扰，且依此类推。查找该特性扩展分布允许即使在存在相对高的噪声时识别清管器。在压力波传播通过管道时，声干扰被光纤的多个感测部分检测且来自多个分立感测部分的返回可以用于检测对象。识别在相反的方向上传播的第一和第二声干扰还允许确定压力波的来源的位置， 因而在生成压力波的时候定位管道中的对象。使用在管道(例如管线)中生成的压力波来定位管道中的对象代表了本发明的该实施例的新颖方面。管道中的压力波的传播速度将取决于管道内的流体和流体的压力。典型地，沿着管道的压力波的速度将在每个方向上相同且因此第一和第二声干扰具有基本相同的速度。 因而，通过检查第一和第二声干扰沿着管道具有基本相同的速度，该方法可以区分由于对象引起的声干扰。该方法因此可以包含识别从公共来源点沿着管道在不同方向上传播的第一和第二声干扰。在一个轴上示出时间且在另一轴上示出沿着管道的位置且绘制声干扰的强度的瀑布型图中，由于压力波以基本恒定的速度沿管线在相反的方向上行进，压力波将看似为特性V形状。该V形状代表对象的声特征且可以用于检测和定位对象。在一个实施例中，处理这些返回的步骤包含以下步骤针对沿管道的多个测试位置中的每一个形成对应于来自与在测试位置的一侧上的管道部分对应的分立感测部分的多个数据帧的第一数据子集；形成对应于来自与在测试位置的相反一侧上的管道部分对应的分立感测部分的多个数据帧的第二数据子集；以及处理第一和第二子集以确定远离测试位置传播的第一和第二子集中的声干扰的存在。换句话说，该方法涉及针对沿管道的多个测试位置中的每一个，假设这种测试位置可以是压力脉冲的来源的位置。该方法可以针对每个测试位置迭代地或者并行地执行。 对于每个测试位置，形成分别代表来自在测试位置的第一和第二侧上的光纤感测部分的返回的第一和第二数据子集。每个子集然后被处理以确定是否存在远离测试位置传播的声干扰。方便地，数据帧的数目足够大以允许声干扰(如果存在的话)的检测，但是足够小使得在每个子集中仅预期一个压力波。如此处使用的术语数据帧被视为意指对应于特定时间周期的数据返回集——或者是光纤的单个询问或者是若干询问的综合结果。因而，选择足够短的周期，以预期对象将在这种周期期间只产生单个压力波。给定针对第一和第二数据子集中的每一个的合适数据选择，确定声干扰存在与否的步骤对应于检测干扰的线性图案的步骤，即检测对应于以恒定速度行进的单个声干扰的信号的步骤。因此在一个实施例中，该方法包含通过向针对每个测试位置的第一和第二子集中的每一个应用线性回归来处理第一和第二子集。如本领域技术人员所意识到的，线性回归确定与数据的最佳线性拟合且给出拟合和残差的测量，即拟合与数据有多接近的测量。在该实施例中，线性回归因此应用于对应于检测声干扰所在的从测试位置沿着管道的位置以及这种检测的时间的数据。针对每个子集的所得到的线性拟合然后可以被分析以确定数据有多接近地对应于远离测试位置传播的声干扰。
如所述的，在多个不同测试位置处执行该方法。光纤的每个不同感测部分可以作为测试位置被试验，即整个光纤被检查。备选地，测试位置可以位于由对象的位置或预期位置的原先知识所框定(band)的范围内。在一些应用中，对象何时何处被插入到管道中的知识可以用于限制初始搜索空间，且当对象被跟踪时，最后已知的位置可以用于限制对新检测的搜索。此外和备选地，至少一些第一位置可以在该位置处或其附近检测到声干扰时被选择。在试验了各个测试位置中的每一个之后，该方法可以包含识别具有最低残差的一个或更多测试位置，即具有最佳线性拟合的那些测试位置。导致最低残差或若干最低残差的测试位置可以被识别，或者具有低于阈值的残差的任何测试拟合可以被识别。识别的测试拟合指示用于测试位置的最可能的候选，其中对象造成了从该测试位置向外传播的压力波。然后可以检查针对这些测试位置中的每一个所确定的实际线性拟合。可以针对第一和第二子集的每一个的梯度检查线性拟合，这指示正远离测试位置传播的声干扰。在一些情况中，可以从管道内的流动状况的知识中和/或从传播的声干扰的原先检测中已知声干扰的预期速度范围，且因而该方法可以包括识别测试位置的步骤，其中第一集合的线性拟合具有第一预期范围内的梯度且第二集合的线性拟合具有第二预期范围内的梯度。如上所述，压力波的速度在每个方向上可以基本相同，且所以该方法可以包含识别测试位置的步骤，其中用于第一子集的线性拟合的梯度的幅度基本等于用于第二子集的线性拟合的梯度的幅度。在所有情况中，对两个数据子集的拟合应当具有低残差——以减少两个不相关压力波碰巧在测试位置处相交的可能性且残差可以与阈值比较。结果，可以识别匹配在测试位置处生成的压力波的预期声特征的声信号。这可以用作对象在特定时间处于测试位置的指示。然而方便地，可能由于对象引起的所识别的任何声信号可以与其他数据帧的处理结果相比较以确定对象跟踪。换句话说，若干不同数据帧集合的处理的结果可以用于细化对象的位置。要注意，在一些应用(诸如在管线中跟踪清管器的应用)中，待观察的管线部分中的对象的数目可能提前已知。例如，可能已知在管线中存在由特定分布式声传感器监控的清管器且仅一个清管器。该知识可以结合到跟踪算法中。如所述的，由移动通过管道的对象产生的压力波沿着管道行进且造成管道的声干扰。管道的每个不同部分处的声干扰可以持续可变的时间，例如一些管道部分可以回响 (ring)—会。因而，为了提供数据的归一化程度，该方法可以包含应用前缘检测步骤以识别由分立感测部分检测的任何声干扰的前缘。在前缘之后某一时间周期的任何数据可以被忽略以允许压力波的更清晰检测。本发明的该实施例因此提供一种使用光纤分布式声传感器来跟踪管道内的对象 (尤其是管线中的清管器)的移动的非常简单和容易的方法。通过连接合适的询问和处理设备，可以采用沿着管子的路径运行的现有光纤以用于感测目的。例如，相当大比例的管线将具有沿管线的路径运行的预先存在长度的光纤。这些典型地是通信线缆和/或用于出于明显后勤原因而与管线同时铺设的管线的SCADA (监视控制和数据采集)。在这些情况下，因为现有线缆可以被制成为形成监控设备的一部分， 所以仅需要对管子的有限访问就可以监控相对长的管线跨度。在各种不同的实施例中，用于分布式感测的感测光纤可以位于管道内部、位于管道的外表面上、直接掩埋在与管道相邻的地方或者位于分离的相邻管道中。相同的光纤可以至少部分地位于且至少部分地不位于管道内。对于感测光纤而言不存在规定的位置，只要其位置是使得其能够检测对管道内的压力脉冲的足够响应。因为光纤光学感测中可能的高灵敏度，由此可以使用干涉测量技术来测量诱导的相位差，用于定位光纤的潜在范围或者用于选择现有光纤的范围很大。然而，一般而言，优选的是光纤位于流体承载管道处或其约:3m内，且更优选地位于待被监控的管道的中心线处或者离其约1. 5m内。分布式光纤光学感测的空间分辨率在很多实施例中小于或等于30m，且在某些实施例中小于或等于20m或10m。在某些实施例中，光纤被询问以在大于或等于20km的距离上提供感测的数据，且在其他实施例中大于或等于30km或40km的距离是可实现的。本发明的该方面因此提供一种实时监控管道中的对象移动的方法。如技术人员将意识到的，光纤光学分布式声传感器可以在高达40km或更长的长度上以高采样速率进行采样。如上所述，若干数据帧可以被收集且然后被分析以确定对象的当前位置。管道内的对象速度也可以被确定。该方法可以包含如果对象停止移动和/或下降到速度阈值以下则生成警报。对象已停止移动的事实可以通过检测某一时间周期中声特征的缺失来确定。对于管线应用，对象已停止移动的事实可以指示例如清管器的对象在管线中已变得被粘住。 对象已缓慢到某一阈值速度以下的指示可以指示对象可能要变得被粘住。可以以很多方式生成警报，包括音响警报、视觉警报和/或生成电子消息等。管道自动化控制系统可以布置为在生成警报时采取某一动作，例如控制管道的流动参数。如果对象已停止且生成警报，则可以通过查看对象的最后已知位置来确定管道中的对象位置。在管线应用中，这将一般在管线的特定片段内即在接合点之间定位对象。因而，几乎可以立即确定清管器变得被粘住的事实以及清管器相对于管子的各个片段的位置。如上所述，当对象通过管道移动时，焊缝等的存在将随着对象移动经过焊缝而导致压力脉冲和相关联的压力波。当对象经过管道内的其他限制(诸如改变管道的内部轮廓的、管道的内壁上的材料积累或凹陷等)时，也可以生成这种压力波。在清管运行时，在焊缝、接合点、阀门等位置处预期压力脉冲，但是在管道的连续片段中不会预期压力脉冲。因而如上所述，对应于其中正常将预期没有压力波的管道片段的压力波的检测可以指示该点处管道的内表面的状况的变化。可以从管道内接合点和阀门等位置的知识中和/或从原先清管运行中采集的数据中已知压力脉冲的预期位置。例如，旨在用于管线检查的一些清管器包含一系列辐射延伸指状物，所述指状物布置为使得该指状物在对象通过管道的正常片段时基本不与管道壁接触，但是这种指状物可能将接触突入到管道的内空间中的管道片段，即如果管道未受损坏则指状物不接触这些壁，但是如果管道凹陷或弯曲则将接触这些壁。如果这种清管器要经过管道的凹陷片段，则指状物可能至少在经过凹陷片段时变形。这可能在清洁损坏片段时导致压力脉冲。该压力脉冲可以被检测且用于确定管道的损坏片段的位置。即使可检测的压力脉冲在对象经过管道的损坏片段或者在内壁上积累材料的管道片段时不被检测，对象通过这种片段可以生成声干扰。该声干扰可以被检测且与由于上述跟踪方法的清管器的已知位置一起用于确定可能劣化且可能需要另外检查的管道位置。该方法因此可以包含记录生成任何显著声干扰的对象位置的步骤。
该方法还可以包含在多个分立纵向感测部分中的每一个处确定对所述压力波的响应；以及从所述多个测量中导出管道状况轮廓(profile)。如所述的，由对象生成的压力波沿着管道的长度在两个方向上行进。如上所述，该压力波可以被检测且用于确定对象的位置。然而，在一个实施例中， 压力波还用于确定管道的状况轮廓。如前所述，已发现，这种压力脉冲能够以很少的衰减通过管线行进很大距离，且因此单个脉冲源可以提供用于监控20、30或40km或者更长的管道的足够激励。实际上，压力脉冲依次地声激励管道的每个片段，且响应可以被测量以确定状况轮廓。不需要明确地分析管道的状况轮廓以确定对应的物理特性(尽管这是可能的)。可以通过在一时间周期上监控管道以获得一个或多个轮廓且比较这些轮廓以确定特性中的变化，来导出更多的使用。因而，可以获得对应于具有已知时间分隔的两个日期的两个管道轮廓。例如，对于管线，第一轮廓可以在第一清管运行期间获得且与在某一时间后的另一清管运行期间获得的第二轮廓进行比较。轮廓中的差异可以使用数据分析技术来确定，以获得与管子的哪些部分经历了物理变化相关的信息以及因此这些改变的位置。如果随时间积累多个轮廓的集合，则可以进行对轮廓的更复杂的统计分析，且出于该目的将典型地在每个清管运行期间获得轮廓。此外或备选地，可以在计划的维护或维修工作之前或之后取得轮廓以特性化管线的已知变化。因此可以在时间间隔上监控管道(以及可能地管道周围的诸如地面的任何材料的状况)中的变化，且可以提供与那些改变相关的位置和特性化信息。该信息可以提示另外的动作，诸如维护、清洁、物理检查或维修。尽管管道内的诸如清管器的对象的移动可以提供用于管道状况监控的足够压力脉冲，但是还可以向管道提供用于在没有清管器在管线片段内移动时生成附加压力脉冲的脉冲。该脉冲发生器(impulser)可以是能够在管道内激励压力脉冲的任何东西。提供脉冲允许在没有安排清管时的周期中的管道状况监控。脉冲发生器还提供定位管道内的清管器的另一构件，因为其中具有清管器的管道片段对由脉冲给予的压力脉冲的响应将不同于其在不存在清管器时的正常响应。因而将压力脉冲引入到管道中且查找具有非标准响应的管道片段可以用作检测管道内的对象的另一方法。在一些实施例中，测量对脉冲波的幅度响应。这可以通过在针对每个信道的可用带宽上积分而执行。然而，在某些实施例中从分布式感测返回的数据的另外分析允许提供每个信道的频谱内容，以实现增强的状况监控能力。在本发明的实施例中的分布式声感测感测从0Hz-5kHz带宽内的地震信号(P压力波和S剪切振动波二者)。然而，更高的频率通常被强烈衰减，且更通常监控从OHz至IkHz的范围。假定对象通过管道行进，可以在对象经过之前和之后收集针对管道的特定片段的轮廓。例如，在第一片段上游的管线中的清管器在其经过管子中的接合点时一般将生成一个或多个压力波。向下游行进的压力波将在清管器行进通过管子的第一片段之前激励管子的片段。某一时间后，清管器将经过第一片段且将处于下游。由清管器生成的上游压力波将再次激励第一片段，以允许获得另一状况轮廓。以这种方式，可以在清管器经过之前和之后比较第一片段的状况。两个响应可以给出由清管器经过造成的变化的指示，例如清管器在从管线的内壁去除材料方面的有效程度的指示。该方法因此可以包含针对至少部分管道将来自对象经过之前的管道状况轮廓与对象经过之后的管道状况轮廓进行比较的步骤。如前所述，该方法具体地适合于跟踪管线中的清管器的移动。如在本说明书中使用的术语清管器被视为指代有意插入到管线中用于与管线的操作或构建(诸如例如检查、 维护和维修)相关的目的的任何设备或工具。该方法可以对由远程分布式声传感器采集的数据进行操作，或者为了定位已变得被粘住的清管器而对原先采集的数据进行操作。然而，如所述的，本方法可以实时或者近实时地执行。该方法可以包含询问所述光纤的步骤。询问所述光纤可以包含重复性地向光纤中发射多个光脉冲且检测从所述光纤瑞利反向散射的辐射。本发明还提供一种用于实施此处描述的任何方法和/或用于体现此处描述的任何设备特征的计算机程序和计算机程序产品、以及其上存储有用于实施此处描述的任何方法和/或用于体现此处描述的任何设备特征的程序的计算机可读介质。本发明的另外方面提供一种用于跟踪管线中的清管器的设备，其包含光纤询问器，适于询问光纤且提供分布式声感测；以及处理器，适于从所述询问器接收感测的数据且检测与所述管线中的所述清管器的移动相关联的声特征且适于确定所述清管器的位置。根据本发明的该方面的设备提供所有相同的优点且可以利用如上面参考本发明的第一方面所描述的所有相同的实施例。具体地，所述处理器可以适于检测由于管线中的清管器移动所造成的压力波。处理器可以适于如果清管器停止移动和/或下降到速度阈值之下则生成警报。警报优选地包含管线中的清管器的位置的指示。本发明延伸到基本如此处参考附图所描述的方法、设备和/或用途。在本发明的一个方面中的任何特征可以以任何合适的组合应用于本发明的其他方面。具体地，方法方面可以应用于设备方面，且反之亦然。而且，以硬件实现的特征一般可以以软件实现，且反之亦然。此处对软件和硬件特征的任何引用应当被相应地理解。


现在将参考附图，仅仅通过示例的方式描述本发明的优选特征，在附图中 图1说明分布式光纤光学传感器的基本部件；
图2示出沿着管线的长度布置的光纤传感器； 图3是管线和感测光纤的横截面； 图4和5示出管线监控数据输出；以及
图6a和6b示出根据本发明的实施例的来自数据跟踪算法的数据输出。
具体实施例方式图1示出分布式光纤光学感测布置的示意图。一段长度的感测光纤104在一端处连接到询问器106，该光纤104可以是诸如电信应用中使用的标准光纤。来自询问器106的输出被传送到信号处理器108以及可选地传送到用户接口，该用户接口实际上可以由适当指定的PC实现。该感测光纤在长度上可以是很多公里，且在该示例中约为40km长。
询问器向感测光纤中发射例如可以包含具有选定频率模式的一系列脉冲的询问光学信号。瑞利反向散射的现象导致到光纤中的某一部分光输入被反射回到询问器，其中它被检测以提供代表光纤附近的声干扰的输出信号。光学输入的形式和检测的方法允许把单个连续光纤空间上分解成分立感测长度。即，在一段感测长度处感测的声信号可以基本独立于在相邻长度处的感测信号来提供。本示例中的空间分辨率约为10m，导致询问器的输出采取4000个独立数据信道的形式。分布式声传感器例如可以是诸如英国专利申请公开号2，442，745中描述的分布式声传感器，其内容通过引用结合于此。以这种方式，单个感测光纤可以提供感测的数据，这类似于以线性路径布置的多路复用的相邻传感器阵列，该线性路径根据应用可以是直的或弯曲的。图2示出采用根据本发明的方法的布置，由此感测光纤202(以及相关联的询问器和/或处理器204)沿着管道(其在本示例中是管线206)的路径布置。光纤优选地布置为遵循管线的路径。以此方式，光纤的各个分立感测部分直接对应于管子的纵向片段。然而， 可以使用其他光纤布置——在这种情况下，可能必须知道光纤相对于管线的布置以允许在管线内跟踪。光纤可以处于管道内部或外部的位置。图3示出管子302的横截面以及感测光纤能够检测管子中的脉冲响应的可能位置。本示例中的管子具有1200mm和50mm碳钢壁的内径，以约80bar承载天然气。管子可以掩埋在可以是地平面或者在某些情形下是海床的表面之下约l_2m。光纤304说明位于管子302的内孔内部的、停留在管子的底部上的光纤。光纤306说明接合到管子的外部的光纤，而光纤308说明位于分离的电缆承载管道310中、位于离气体传输管线的中心线约 1. 5m的光纤。管道310典型地在安装管线以承载通信和/或SCADA线时铺设。光纤312说明以离管子中心线约Im直接掩埋在管线旁边的地面中的光纤。将理解，对于每个不同的光纤放置，对管子中的压力脉冲的测量响应将是不同的且将取决于不同的因素。例如，由光纤308感测的信号将取决于管子302和管道310之间的地面的传递特性，而感测光纤304和306将更少受影响。然而，如下面将解释的，这不会不利地影响本发明，且可以使用任何产生对压力脉冲的可靠响应的光纤放置。光纤优选地沿着它希望跟踪的管线的长度延伸。分布式声感测在高达或超过40km的光纤长度中得到证实。因而，单个分布式声传感器可以提供40km的管线内的清管器跟踪。一系列分布式声传感器可以布置为提供更长长度的管线上的跟踪。对于80km左右量级的管线长度，可以沿着光纤的长度使用单个光纤，其中分布式声传感器布置在光纤的每一端。然而对于较短长度的管线，光纤路径可以沿着管线折回以提供用于监控的附加传感器。回头参考图2，对象(在本实例中为清管器208)位于管线内，使得其通过管线内的流体流动的动作而在管线内在方向210上推进。清管器可以在设计为插入清管器的管线片段(未示出)处插入到管线中。已知用于不同目的的各种类型的清管器。例如清洁球是简单清管器的一个示例。 这些包含设计为通过管线推进且有效地刮擦管线的内壁以去除管子的内壁上的碳氢化合物214积累的材料球。复杂的检查清管器也是已知的。检查清管器可以是适于就可能导致管线故障的征兆或损坏或劣化而检查管线的复杂数据收集设备。清管器被插入在管线的上游片段中且一般通过管线承载的流体的动作而被推进通过管线。因而，可以在对管线的操作没有任何显著中断的情况下执行管线的检查或清洁。 清管器然后在管线的清管器取回片段(未示出)处收集且被去除。如所述的，清管器的通过常常旨在在不中断管线的操作的情况下发生。因此，清管器必须从插入点通过管线前进到提取点。然而有时，清管器可能在管线中变得被粘住。例如，在油管线中，可能发生蜡状或半固体碳氢化合物的积累114。如果大量这种材料在管子的内表面上积累，则清管器可能不能驱逐材料且可能变得被粘住。此外或备选地，由清管器在其行进通过管线时所驱逐的碎屑可能在清管器前面积累且妨碍清管器的移动。如果足够的碎屑积累，则清管器可能变得被粘住。此外如果管子片段216例如由于管线的损坏或者劣化而弯曲或变得凹陷，则清管器可能不能清除损坏的部分且再次可能变得被粘住。如果清管器变得被粘住，则它可能防止显著的流动量。这可能显著影响管线的操作且管线操作可能需要中止，直到清管器可以被驱逐或去除。显然，管线的停止操作可能具有显著的后果且因而期望尽快重启正常操作。因而，期望的是尽快去除清管器。然而，为了去除清管器，它必须被定位。在清管运行中被单个清管器覆盖的管线片段可以是几十公里长，且管线常常掩埋在地下。因而，发现和访问捕获的清管器不是一件小事。因此重要的是快速且准确地确定捕获的清管器所处的位置。即使清管器在粘住时不提供显著的流动阻碍(一些清管器可以布置为响应于显著的后压而打开清管器上的流量阀)，但是阻隔的清管器的存在显然对另外的清管运行产生了障碍。然而，这种清管器已变得被捕获的事实可能不是明显的，直到清管器不能在清管运行的预期时标内出现在提取点处(或者在检查点处)。而且，一些检查清管器是十分复杂且昂贵的设备，且当捕获在管线中时而不工作的这种清管器本身是显著的资源浪费。图2中示出的实施例能够实时检测清管器何时已变得被捕获且提供清管器的位置。图2中示出的实施例检测由管线内的清管器移动造成的管线206中的压力脉冲。管线206包含在接合点212处接合在一起的一系列连续管子片段。接合点212例如可以包含环形焊缝。这种焊缝将管子片段一起结合成连续的管线。然而，在接合点212 处，管子的内表面变化。已发现，当管线内的清管器横越焊缝时，它遇到其通过管线的附加阻力。这导致在清管器后面积累稍微的过压。当清管器清除焊缝时，压力释放造成作为压力波沿管线在两个方向上行进的脉冲。因而，当经过环形焊缝或其他限制时，压力脉冲在清管器的位置中产生声干扰。然而，该压力波还沿着管线传播相当大的距离。管子用作波导，且已发现该脉冲可以行进几十公里而不被过度地衰减。当脉冲经过任何特定长度的管子时，它创建可以被分布式光纤传感器202检测的声干扰。图4示出柱状图和相关联的瀑布图，其说明响应于引入到相邻管线中的一系列压力脉冲的分布式光纤传感器输出。图4中的数据由管道中的感测光纤产生。柱状图和瀑布图的χ轴是沿着感测光纤(其在这种情况下具有约为40km的总长度)的长度的位置。因为光纤具有遵循管线的路径，所以χ轴也对应于沿着管线的位置。该柱状图示出在时间上的某一时刻从感测光纤返回的感测声信号的幅度。为了可以查看所有4000个信道，图中的每个条代表来自一组IOm片段的峰值幅度。如果需要的话可以查看各个IOm片段。下图是对照距离和时间示出声强度的、更新速率为0. 05秒的瀑布图的表示。时间沿着瀑布图的y轴绘制，其中最近的数据绘制在顶部。χ轴再次是沿着光纤且因此沿着管线的距离，且声强度在合适的瀑布图中将由每个数据点的颜色/灰度值代表。然而用于解释目的，可以认为图4的瀑布图示出对照时间作为沿着光纤的距离的函数的声干扰。从瀑布图可以看出两个主要特征。首先是在402处朝向该图左边的对应于约 4000m长度的感测光纤的恒定声干扰区域。这可归因于位于该光纤片段上的、产生稳定振动噪声的工业单元。其次，可以在远离工业单元的恒定噪声的区域404中最显然地看出截然不同的V形(chevron)(即V形状)图案。每个V形的顶点位于对应于压力脉冲来源的沿着光纤的点406处。该图的‘V’形状对应于压力脉冲在两个方向上沿管子远离脉冲源移动，且‘V’形状的斜率对应于包含在管子内的增压流体中的声速度，其在这种情况下约为^Oms—1。可以看出，一系列压力脉冲被引入到流体(在该实例中为增压气体)中，且形成多个轨迹。在顶部柱状图上，在那个时刻各个脉冲出现在其相应位置中，沿着光纤隔开。因此可以看出，使用分布式声传感器，压力脉冲在管线中是清晰可检测的。当管线中的清管器的移动将生成一系列重复的压力脉冲时，这种重复系列可以用于定位管线内的清管器。然而优选地，由压力脉冲在管线内在两个方向上的传播所造成的特性V形状可以用作清管器的声特征。V形状传播可以用作使用相对简单算法的检测特征。首先，前缘算法用于检测由分布式声传感器的每个信道做出的第一检测。这提供数据的清除和归一化。将意识到，当压力脉冲经过管线片段时，它声激励那些片段且每个片段可以回响不同的时间周期。通过检测前缘，仅数据被归一化。图6a示出在清管运行期间从分布式声传感器获得的声数据在归一化后的瀑布图。时间绘制在y轴上，这次最近的数据在底部上(即，与图4相反)，且沿光纤的距离绘制在χ轴上。可以看出，归一化数据去除了来自数据的回响的效应。在该图中可以看出V形状轨迹。为了简化检测，数据窗口被选择为使得在该窗口期间仅预期一个压力脉冲。对于清管器跟踪算法，可以估计由清管器越过接合点或焊缝所造成的压力脉冲的预期频率且选择合适的窗口使得仅预期一个这种压力脉冲。因而，算法可以每N个帧运行，以查看原先采集的N个数据帧。对于N个帧的每个集合，信道(即声信道)的子集的搜索窗口被选择为搜索窗口。 减小搜索窗口中的信道数目减小了所需的处理。例如，可以应用200个声信道(即光纤的分立感测片段)的搜索窗口。在本示例中，每个声信道为IOm长且所以搜索窗口对应于监控的 40km长度的管线的2km的窗口。搜索窗口可以是基于原先检测或估计的清管器位置。对于特定搜索窗口，基于其相对于测试位置的位置，数据点被组织为第一和第二子集。第一子集包含对应于在测试位置一侧上的信道的数据且第二子集包含对应于在测试位置另一侧上的信道的数据，即对于特定测试位置X1，数据可以组织为紧邻位置X1上游的信道的集合以及紧邻X1下游的信道的集合。可以针对每个子集执行线性回归。该方法因此可以包含计算sum_X(求和X)、sum_ y (求和y)、sum_x2 (求和x2)、sum_y2 (求和y2)和sum xy (求和xy)，其中χ等于离测试位置的距离且y等于时间。对每个子集执行线性回归导致代表对每个集合的最佳拟合线和残差的等式。测试位置然后可以改变且该方法从新测试位置重复。以这种方式试验的测试位置的集合包括光纤的每个声信道，或者备选地，可能的测试位置的限制集合可以是基于清管器的预期或原先确定的位置。测试位置的集合还可以是基于其中检测出显著声干扰的位置。一旦分析了所有测试位置，该方法涉及识别具有偏离测试拟合最低残差的N个集合。然后可以计算该集合中的每个数据点与该线的垂直距离且与具有最差拟合的20%的数据点对应的数据点可以被丢弃以去除虚假离群值。然后可以重复针对每一个所识别的测试位置的计算。最后，分类步骤可以确定测试位置是否引起为可分类V形状的声信号。该分类可以涉及确定针对两个数据子集的最佳拟合线是否具有正确的梯度(即，在每种情况下干扰远离测试位置移动)且每个线是否具有最低残差。而且，该分类可以查找梯度是否匹配梯度的预期范围和/或每个线的梯度是否基本相等。给定管线材料的属性和/或原先检测的V 形状，分类步骤可以是基于预期梯度。针对两个拟合中的每一个的低残差的要求是必要的以排除不相关且在相反方向上行进的两个压力脉冲被误认为由清管器生成的压力脉冲。残差可以与阈值进行比较。图6b示出应用于图6a所示的数据的清管器跟踪算法的结果。可以看出，当清管器行进通过管线时，清管器在管线中的位置和前进基于由清管器产生的压力脉冲而被清晰地跟踪。由清管器的移动产生的压力波可以用作确定清管器的位置的声特征。这可以用于跟踪清管器的位置和速度。倘若由于通过管线的清管器移动所引起的压力脉冲不再被检测，这可以用作清管器已停止移动的指示，在这种情况下最后已知的位置可以用作清管器的位置的指示。传播通过管线的压力脉冲还可以用于提供管线的状况轮廓。图5示出以与图4类似的形式但是柱状图和下瀑布图二者的轴被类似地改比例的数据。在图5中，瀑布图的χ轴对应于约4km长(与图4的40km相对)的感测线缆片段且图 5的更新速率被设置为2秒(与图4的0. 05秒相对)。图5的数据来自于与图4中相同的管子和光纤布置，且在瀑布图中清晰地可见清管器的路径为对角线轨迹502。这说明重复系列的压力脉冲本身可以用于跟踪清管器的运动。在图5的瀑布图中还可见具有各种强度的一系列垂直线。这些线对应于沿着管子的长度的各种位置，且可以被认为是管子的指纹或条形码，线的图案对应于管子以及在一定程度上其紧邻的周围环境(在这种情况下是它所埋入的地面)的物理特性或状况。考虑到由该条形码效应提供的状况轮廓，将理解，这对应于图4的V形效应但是用压缩的时间轴进行查看。经过管子的压力脉冲可以被认为声‘照射’或激励它们经过的管子的每个部分、得出来自管子及其环境的响应，由此响应被分布式感测光纤检测。通过在时间上进行平均，可以看出管子的一些片段具有与其他片段不同的脉冲响应。这些差异的可能原因例如包括在管壁上的局部碳氢化合物积累、管壁中的弱点或者壁轮廓中的变化、或者管子附近的地面成分中的变化。以这种方式，该图提供了在给定时间或日期的管子的状况轮廓。尽管没有说明，但是感测数据的频谱内容可以被提取和提供。这将向图4和5的图添加额外的维度，且将实现增强的状况监控能力。由于较高频率通过地面的高度衰减，地震信号典型地以低于500Hz的频率为主。例如，通过查看一个或多个选定频带，来自图4的区域402中的工业装置(plant) 的‘噪声’可以被滤出。由频率附加分解的如上所述的管子轮廓或条形码向用户提供更多的细节且允许更复杂的分析。例如，不同类型的物理现象可以与特定频带相关联。例如，较高频带中的变化可能指示由蜡状沉积物的积累所造成的管子中的湍流，而较低频带中的变化可能指示在其中铺设管子的地面状况的变化。解析的结果因此可以向用户提供更大数量和更好质量的信息。为了在没有清管器运行发生时提供状况监控，脉冲发生器可以布置在沿管线的某一点处，且适于向管子中的流体引入压力脉冲。该脉冲发生器可以采取例如液压顶 (hydraulic ram)的各种形式。生成的压力脉冲远离脉冲发生器沿管子在两个方向上行进。将理解，上面仅通过示例的方式描述了本发明，且可以在本发明的范围内做出细节的修改。说明书以及(视情况而定)权利要求和附图中公开的每个特征可以独立地或以任何合适组合被提供。
权利要求
1.一种跟踪管道中的对象的移动的方法，包含通过询问沿着所述管道的路径定位的光纤以提供分布式声感测，取得对应于信号返回的数据；以及处理来自多个分立纵向感测部分中的每一个的返回以检测与所述管道中的所述对象的移动相关联的声特征且确定所述声特征的来源。
2.根据权利要求1所述的方法，其中检测声特征的步骤包含检测由管道中的对象的行进所造成的压力脉冲。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述声特征包含一系列重复的压力脉冲。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中检测声特征的步骤包含检测由管道中的对象的行进所造成的通过管道传播的压力波。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述声特征包含在管道中在相反的方向上彼此远离传播的第一和第二压力声干扰。
6.根据权利要求5所述的方法，其中第一和第二声干扰具有基本相同的速度。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中处理返回的步骤包含以下步骤针对沿着管道的多个测试位置中的每一个形成对应于来自与在测试位置一侧上的管道部分对应的分立感测部分的多个数据帧的第一数据子集；形成对应于来自与在测试位置相反一侧上的管道部分对应的分立感测部分的多个数据帧的第二数据子集；以及处理第一和第二子集以确定远离测试位置传播的第一和第二子集中的声干扰的存在。
8.根据权利要求7所述的方法，其中处理第一和第二子集包含针对每个测试位置向第一和第二子集中的每一个应用线性回归。
9.根据权利要求8所述的方法，包含识别具有最低残差的一个或更多测试位置。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，包含识别测试位置的步骤，其中第一集合的线性拟合具有第一预期范围内的梯度且第二集合的线性拟合具有第二预期范围内的梯度。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，包含识别测试位置的步骤，其中用于第一子集的线性拟合的梯度的幅度基本等于用于第二子集的线性拟合的梯度的幅度。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中处理返回的步骤包含应用前缘检测步骤以识别由分立感测部分检测的任何声干扰的前缘。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中至少部分光纤位于所述管道内部。
14.根据任一前述权利要求所述的方法，其中至少部分光纤与所述管道相邻定位。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述分布式光纤光学传感器的空间分辨率小于或等于25m。
16.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述分布式光纤光学传感器的长度大于或等于20km。
17.根据任一前述权利要求所述的方法，其中该方法包含实时跟踪对象的移动且如果对象停止移动和/或下降到速度阈值以下则生成警报。
18.根据任一前述权利要求所述的方法，包含记录其中生成任何显著声信号的对象位置的步骤。
19.根据权利要求4或者直接或间接从属于权利要求4的任何权利要求所述的方法， 其中该方法包含在多个分立纵向感测部分中的每一个处感测对所述压力波的响应；以及从所述多个测量中导出管道状况轮廓。
20.根据权利要求19所述的方法，包含针对至少部分管道将在对象通过之前获得的管道状况轮廓与在对象通过之后获得的管道状况轮廓进行比较的步骤。
21.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述管道是管线且所述对象是清管器。
22.根据任一前述权利要求所述的方法，包含询问所述光纤的步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其中询问所述光纤包括重复地发射多个光脉冲到光纤中且检测从所述光纤瑞利反向散射的辐射。
24.一种计算机程序，当运行在合适的计算机上时执行任一前述权利要求的方法。
25.一种用于跟踪管线中的清管器的设备，包含光纤询问器，适于询问光纤且提供分布式声感测；以及处理器，适于从所述询问器接收感测的数据且检测与所述管线内的所述清管器的移动相关联的声特征且适于确定所述清管器的位置。
26.根据权利要求25所述的设备，其中所述处理器适于检测由于管线中的清管器的运动所造成的压力波。
27.一种实时管线监控设备，包含根据权利要求25或权利要求26所述的设备，其中该处理器适于如果清管器停止移动和/或下降到速度阈值以下则生成警报。
28.根据权利要求27所述的设备，其中所述警报包含管线中的清管器的位置的指示。
全文摘要
用于跟踪管道中的对象尤其用于跟踪管线中的清管器的移动的方法和设备。分布式声感测用于从沿管道的长度铺设的光纤光缆的多个分立纵向感测部分中获得信号返回。该方法涉及检测对应于管道中移动的对象的声特征。声特征可以包含由对象横越管道中的接合点等所造成的一系列压力脉冲。优选地该方法涉及检测当对象通过管道移动时由对象造成的压力波。检测特性压力波信号提供对象与其他声干扰的区分。在管线应用中，可以实时跟踪清管器，如果清管器停止移动，则可以生成警报，且将已知清管器的位置。
文档编号G01S5/00GK102197287SQ200980141872
公开日2011年9月21日 申请日期2009年8月20日 优先权日2008年8月21日
发明者D·J·希尔, M·麦克尤恩-金 申请人:秦内蒂克有限公司