用于确定海底供电线的电导体上的绝缘故障位置的方法及定位系统

摘要

本发明涉及用于确定海底供电线的电导体上的绝缘故障位置的方法及定位系统。通过在电导体上施加电压，在金属导体材料和海水之间，在绝缘故障位置处发生电化学反应，所述电化学反应形成气体，其反过来与产生噪声有关。声传感器对海底供电线之内或之外的由此产生的声波进行捕捉并对测量信号进行估计，从而确定绝缘故障位置。替代或除了捕捉噪声之外，对发生于绝缘故障位置处的气泡像图案进行光学捕捉或分析，从而确定绝缘故障位置。

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定海底供电线的电导体上的绝缘故障位置的方法及定位系统。

背景技术

在深海油气开采中，电能，压力管道以及命令信息经由源于中央生产平台的分支式海底供电线(所谓的脐带)被提供给在海底的油气田。油气田的扩张是非常大的以使得单个海底供电线可达到上至150km的长度。

海底供电线失败不仅会导致由停产时间造成的重大经济损失，也会导致因变得不可控的生产设备而对环境、生产车间以及车间的人员造成很大风险。

因此，对海底供电线的损伤特别是海底供电线中运行的电导体上的绝缘故障进行识别并快速定位具有非常高的优先级，尤其是在供电线的范围内。

然而，用于解决此类安全性相关任务的可用技术受到深海环境所形成的特殊要求的限制。这解释了为什么海底供电线中运行的电导体上的绝缘故障大部分通过派遣潜水员、小型潜水艇和船只来手动定位。因此定位故障的花费和成本相应地都很高。

从现有技术已知用于借助于经反射的测量信号对电导体上的故障进行定位的时域反射法(TDR)。然而，利用当前可用技术，使用TDR技术似乎限于具有50km的最大长度的管道部分。

建立于以下实现：当电线在海水中延续时，在所施加的DC电压的影响下，在故障绝缘点处在暴露的金属导体材料(如铜)和含盐的海水之间发生电解过程，专利公开WO2014/128439A1中提出了再生方法，该方法使用用于修复绝缘故障位置的电化学反应。通过定期改变DC电压的幅值并通过可选择地改变极性，可对在电解期间在故障位置处形成气体的过程造成影响，从而可修复绝缘属性。绝缘故障位置的目标跟踪没有被公开。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种方法和定位系统，借助于此以可靠且经济可行的方式确定海底供电线的电导体上的绝缘故障位置。

对于可填充水的海底供电线，通过第一方法达到目的，其包括下面的方法步骤：在地与电导体之间施加电压，电化学反应在绝缘故障位置处在电导体的金属导体材料与海水之间发生，所述电化学反应形成气体，且电压由调制电压脉冲序列形成；捕捉由所形成的气泡产生的噪声的声波，使用在沿着海底供电线的预定位置处安装的声传感器对在海水填充中的海底供电线内传播的噪声的声波进行捕捉；以及对由声传感器提供的测量信号脉冲序列进行估计，从而确定绝缘故障位置。

目前在现有技术中还未使用的在金属导体材料和含盐的海水之间的电化学反应中的效果有以下效果：形成气泡的效果、产生自在围绕绝缘故障位置的海水中的气体形成的效果，以及观察与气泡形成有关的噪声产生的效果。

因此，根据本发明的第一方法的基本概念依赖于如下概念：气泡形成与噪声有关以及可使用声传感器在填充海水的海底供电线中对由此产生的声波进行捕捉。此第一方案假设海底供电线被填充海水，从而降低浮力并使得安装更容易。由于具有气体形成的电化学反应，在绝缘故障位置处的产生的气泡形成用作为声源，其发出的声波在海水填充中定向扩张且可使用声传感器进行捕捉。

由于电压由调制电压脉冲序列形成，则发生所施加的电压的时变，所述时变被显示于所捕捉的声波中(以及在所捕捉的气泡图案中，参见第三方法)。分别通过改变调制参数(如振幅、频率或相位)或归因于不同的调制方法，以如此方式影响电解过程以及因此的气泡形成：产生的噪声和气泡图案与其他可能的噪声以及气泡形成显著不同。

声传感器被安装于沿着海底供电线的已知的且预定的位置，所述声传感器记录声波并且将这些声波转换为测量信号脉冲序列。对这些测量信号脉冲序列进行算术估计，从而在充分意识到传感器位置并考虑声传播的速度的情况下，经由在噪声产生(在此假设与电压的施加同时发生)和噪声捕捉之间的运行时间测量确定绝缘故障位置。

在有益的实施例中，通过对经测量的测量信号脉冲序列与所施加的电压脉冲序列的相关性进行计算，对测量信号脉冲序列进行估计。

生成为调制电压脉冲序列的电压包括典型的时间进展，其反映在声波的时间和空间进展中。因此，由声传感器生成的测量信号脉冲序列也展示了典型的时间进展，从而可通过对经测量的测量信号脉冲序列与所施加的电压脉冲序列的相关性进行计算，识别接收到的声信号。

对于可填充海水的海底供电线，通过第二方法达到目的，其包括下面的方法步骤：在地与电导体之间施加电压，电化学反应在绝缘故障位置处在电导体的金属导体材料与海水之间发生，所述电化学反应形成气体，且所述电压由调制电压脉冲序列形成；捕捉由所形成的气泡产生的噪声的声波，使用在海水中的预定位置处安装的声传感器在海底供电线的外部捕捉噪声的声波；以及对由声传感器提供的测量信号脉冲序列进行估计，从而确定绝缘故障位置。

此第二方案也依赖于造成噪声传播的效果的概念，即在金属导体材料与含盐的海水之间的由调制电压造成的电化学反应的效果，含盐的海水紧接地围绕充满海水的海底供电线中的电导体。转而从其中产生的气泡形成导致在围绕电导体的海水中的声波生成。

然而，在此第二方法中观察的并非是海底供电线的海水填充中的定向声波传播，而是假设声波大部分还在海底供电线外部的海水中非定向传播。在此，使用在已知且预定位置处安装的声传感器对其进行捕捉。特别地，在具备通孔(用于充满海水的穿孔)的海底供电线中，声波不仅经由海底供电线的外壳的振动被间接地传播，而且直接从外壳的穿孔逸出。

在充分意识到传感器位置并考虑声传播的速度的情况下，经由噪声产生和噪声捕捉之间的运行时间测量，与第一方法类似地对由声传感器生成的测量信号脉冲序列进行算术估计，从而确定绝缘故障位置。

在方法的实施例中，通过对经测量的测量信号脉冲序列与所施加的电压脉冲序列之间的相关性进行计算，与第一方法类似地对测量信号脉冲序列进行估计。

对于包括具有通孔的外壳的海底供电线，通过第三方法达到目的，其包括下面的方法步骤：在地与电导体之间施加电压，电化学反应在绝缘故障位置处在电导体的金属导体材料与海水之间发生，所述电化学反应形成气体，且所述电压由调制电压脉冲序列形成；通过使用图像捕捉系统对沿着海底供电线的周围环境进行光学取样来对从外壳的通孔逸出的气泡进行捕捉；以及对像图案进行估计以用于识别气泡像图案并用于确定绝缘故障位置。

在此第三实施例中，本发明的概念也基于由调制电压造成的在金属导体材料和含盐的海水之间的电化学反应以及由此产生的气泡形成。

然而，在此第三方法中，不是声捕捉而是对从外壳的通孔逸出的气泡进行光捕捉来提供可能的绝缘故障位置的结论。

为此，使用可移动的图像捕捉系统来对沿着海底供电线的周围环境进行取样。关于与以调制电压脉冲序列传送(impressed)的典型气泡像图案的一致性对所捕捉的像图案进行估计。

在充分意识到捕捉位置的情况下，当一致性被识别时可确定绝缘故障位置。

有益地，通过对所捕捉的气泡像图案与所施加的电压脉冲序列的相关性进行计算来对像图案进行估计并对气泡像图案进行识别。

由于以调制电压脉冲序列传送的典型气泡图案，可通过对相关性进行计算从所捕捉的气泡之中可靠地识别出这些气泡图案。

还可通过各个定位系统达到本发明的目的。

第一定位系统执行用于确定可被海水填充的海底供电线的电导体上的绝缘故障位置的第一方法，并包括：用于生成调制电压脉冲序列的电压生成器，其连接在地与电导体之间；声传感器，其安装于沿着海底供电线的预定位置处，从而对在海水填充中的海底供电线内传播的声波进行捕捉；以及用于对由声传感器提供的测量信号脉冲序列进行估计以确定绝缘故障位置的估计装置。

第二定位系统执行用于确定可被海水填充的海底供电线的电导体上的绝缘故障位置的第二方法，并包括：用于生成调制电压脉冲序列的电压生成器，其可连接在地与电导体之间；声传感器，其安装于围绕海底供电线的海水填充中的预定位置处，从而在海底供电线的外部对由海底供电线发出的声波进行捕捉；以及用于对由声传感器提供的测量信号脉冲序列进行估计从而确定绝缘故障位置的估计装置。

第三定位系统执行用于确定包括具有通孔的外壳的海底供电线的电导体上的绝缘故障位置的第三方法，并包括：用于生成调制电压脉冲序列的电压生成器，其连接在地与电导体之间；图像捕捉系统，其通过对海底供电线的周围环境进行光学取样，对在绝缘故障位置处形成并从通孔逸出的气泡进行捕捉；以及用于对像图案进行估计从而识别气泡像图案并确定绝缘故障位置的图像估计装置。

在另一实施例中，图像捕捉系统和图像估计装置可实现为集成的自主导航图像处理系统。

此图像处理系统可以以自主的方式对海底供电线进行光学取样(扫描)，并在故障的情况下，即，当识别预期的气泡图案时，对绝缘故障位置的方位进行通信。

附图说明

本发明的其他有益的实施例可从下面的说明书和附图得到，其通过示例的方式解释了本发明的优选的实施例。图中：

图1展示关于本发明的应用领域的示意性概略图显示。

图2展示根据本发明的第一定位系统的示意性显示。

图3展示根据本发明的第二定位系统的示意性显示。

图4展示根据本发明的第三定位系统的示意性显示。

具体实施方式

图1在示意性概略图显示中展示本发明的应用领域。经由源于位于海面6上的中央生产平台8的海底供电线10，向海底4上的油气田的单元2提供电能、压力管道以及命令信息。海底供电线10包括用于提供电流的电导体11。

根据图1的概览中，展示了依赖于第一方法的示例性第一定位系统12，所述定位系统12源于被海水填充7充满并且被海水5围绕的海底供电线10。

第一定位系统12的电压生成器14以及估计装置16被布置于生产平台8上。声传感器18被连接至估计装置16，所述声传感器18被安装于沿着海底供电线10的预定位置处。这些声传感器18对声波20进行捕捉，在此显示(分别地，第一方法和第一定位系统12)中，声波在海水填充7中的海底供电线10内定向传播，源于电导体11上的绝缘故障位置40。

图2展示根据本发明的第一定位系统12的示意性显示。

定位系统12包括用于生成施加至地与海底供电线10的电导体11之间的电压的电压生成器14，以及估计装置16和布置于生产平台8的外部的声传感器18。

横截面24中展示了被海水填充7充满的海底供电线10，海底供电线10中展示了电导体11(连同两个其他导体26)，绝缘故障40发生于电导体11上。

由于在海底供电线10的海水填充7中形成气泡28，声波20,20c从绝缘故障位置40定向传播。在沿着海底供电线10的海底供电线10的外壳9上直接安装的声传感器18对这些声波20、20c进行捕捉。由声传感器18提供的测量信号脉冲序列被传送至估计装置16，从而确定绝缘故障位置40。

图3展示根据本发明的第二定位系统22的示意性视图。

如第一定位系统12(图2)，第二定位系统22包括用于生成被施加至地与海底供电线10的电导体11之间的电压的电压生成器14，以及估计装置16和布置于生产平台8的外部的声传感器18。

在此情况下，由于在电导体11上的绝缘故障位置40处在海水填充7中形成气泡28而生成的并且在海底供电线10的外部传播的声波20可使用声传感器18进行捕捉。因此，声传感器18不是直接布置于海底供电线10的外壳9上，而是可布置于距离海底供电线10一定距离的合适位置处。例如，优选的声传感器18可以是高灵敏性的微气压表。

假设海底供电线10的外壳9散布有通孔30(为了降低浮力且简化安装)，则不仅可直接捕捉经由外壳9的振动被间接传输的声波20a，还可直接捕捉通过通孔发出的声波20b。

图4展示根据本发明的第三定位系统32的示意性视图。

第三定位系统32包括用于生成被施加至地与海底供电线10的电导体11之间的电压的电压生成器14，以及图像估计装置36和布置于生产平台8的外部的图像捕捉系统38。

当使用此第三定位系统32时，假设海底供电线10，其外壳包括通孔30并因此被海水5充满。

为了捕捉从通孔30逸出的气泡28，使用可移动的图像捕捉系统38对沿着海底供电线10的周围环境进行光学取样(扫描)。可在图像估计装置36中关于与以调制电压脉冲序列传送的典型的气泡像图案的一致性对所捕捉的像图案进行估计。

图像捕捉系统38以及图像估计装置36可实现为集成的自主导航图像处理系统39，其对海底供电线10进行取样并测试是否发生预期的气泡像图案。

当气泡像图案被识别时，属于气泡像图案的拍摄位置可作为绝缘故障位置而被通信。