無人機巡檢系統(tǒng)在油田生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

新疆油田公司工程技術(shù)研究院

油田數(shù)字化管理相比傳統(tǒng)管理方式而言，可減員30%以上。目前部分油田分布在戈壁、鹽沼、高山、溝壑、低洼等區(qū)域，地理環(huán)境較為復(fù)雜，地面設(shè)備投產(chǎn)后其生產(chǎn)和維護(hù)管理完全依靠人工巡檢，不僅增加了人員的工作量和難度，也大幅增加了投入成本，影響油田的正常生產(chǎn)，已無法滿足數(shù)字化油田建設(shè)的要求。隨著無人機[1]的飛行控制、穩(wěn)定性、無線信息傳輸、路徑規(guī)劃、智能識別、快速高清成像等技術(shù)的發(fā)展，無人機開始在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，取得了顯著的成果[2-3]。無人機巡檢技術(shù)是利用可見光及紅外熱像儀等巡檢設(shè)備在無人駕駛的飛行器上進(jìn)行巡視檢查，其優(yōu)點[4-5]在于：實時獲取數(shù)據(jù)；受地理環(huán)境約束小；針對性強；安全性能高。無人機巡檢技術(shù)可完全替代人工巡檢，可識別電力、油井、管道等多種缺陷及隱患，獲取實時準(zhǔn)確的現(xiàn)場基礎(chǔ)資料，及時反饋，發(fā)揮了“無人機+巡檢”技術(shù)的優(yōu)勢，為油田的智能化建設(shè)與生產(chǎn)維護(hù)提供技術(shù)手段，在油田生產(chǎn)領(lǐng)域設(shè)備的系統(tǒng)維護(hù)中起到了關(guān)鍵性作用。

1 無人機巡檢系統(tǒng)

無人機巡檢系統(tǒng)是集合地理信息（GIS）、圖像識別、物理網(wǎng)、信息處理、航空、專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、氣象于一體的系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)建立在遙感技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，包括數(shù)據(jù)的獲取、無人機平臺、巡檢監(jiān)控管理、通信鏈路、安全生產(chǎn)系統(tǒng)以及地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[7]，其中巡檢監(jiān)控管理系統(tǒng)是無人機信息化與智能化的關(guān)鍵系統(tǒng)，由無人機臺賬管理、巡視作業(yè)全過程管理、機巡作業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析構(gòu)成，其具體內(nèi)容見圖1。

2 無人機巡檢技術(shù)

圖1 無人機巡檢監(jiān)控管理系統(tǒng)Fig.1 Monitoring and management system of unmanned aerial vehicle inspection

目前，無人機主要分為三大類：固定翼無人機、旋翼無人機、多旋翼無人機。多旋翼無人機[8]具有智能化程度高、系統(tǒng)性穩(wěn)定、機動靈活、實用性強的特點而被廣泛應(yīng)用，該無人機可實現(xiàn)長距離精細(xì)化巡檢任務(wù)，可根據(jù)油田生產(chǎn)需求進(jìn)行地形勘測與選址優(yōu)化、配電線路巡檢、管道巡檢、應(yīng)急搶險及綜治排查等作業(yè)，可將獲取的圖像數(shù)據(jù)實時發(fā)送到地面基站，地面基站可隨時傳輸指令，精準(zhǔn)到達(dá)指定地點采集拍攝數(shù)據(jù)，具有處理時間短和全方位檢測的功能。而長距離精細(xì)化機巡對無人機的續(xù)航時間、避障能力、承受風(fēng)速、海拔、搭載設(shè)備及懸停穩(wěn)定性提出了更高的要求。以中型“可見光+紅外線”巡檢無人機為例，其飛行器和搭載設(shè)備的參數(shù)和性能見表1、表2。飛行器使用RTP 可避免電磁干擾，IP43 防護(hù)等級，可在嚴(yán)苛環(huán)境下飛行；在低溫作業(yè)環(huán)境下電池可自加熱；飛行器可折疊，適應(yīng)單人攜帶；飛行器具有前向避障功能可保障作業(yè)安全。飛行器最大時速為10 m/s，可實現(xiàn)15.6 km 的長距離高溫點巡檢工作，與人工巡檢模式相比具有絕對的優(yōu)勢和可靠性。

（1）地形勘測與選址優(yōu)化。在油田產(chǎn)能建設(shè)過程中或在站址部署上，無人機因不受地形因素和區(qū)域限制可實行航拍，通過“無人機+專業(yè)軟件”繪制二維通道走廊拼接圖和三維地形圖，可根據(jù)油氣管線、水電路信的GPS（全球定位系統(tǒng)）坐標(biāo)在地圖上標(biāo)識出相應(yīng)完整的走向圖，可建立一套數(shù)字三維地形地貌圖，通過已建立或規(guī)劃的油氣管線、水電路信的走向圖，可優(yōu)化新建站址部署位置，為地面建設(shè)產(chǎn)能方案中的油氣走向、站址及水電路信設(shè)計的優(yōu)化提出論證依據(jù)，大幅減少了人工測繪的工作量。

表1 飛行器的主要參數(shù)和性能Tab.1 Main parameters and performance of aircraft

（2）配電線路巡檢。無人機配電線路巡檢技術(shù)在電力行業(yè)已廣泛應(yīng)用且技術(shù)成熟，通過多旋翼無人機可完成日常巡檢和精細(xì)化巡檢工作任務(wù)。日常巡檢可完成桿塔變形、絕緣子污穢、導(dǎo)線斷線、金具脫落跑位等工作，精細(xì)化巡檢可完成桿塔螺栓缺失、絕緣子破損、導(dǎo)線散股斷股、金具裂紋等工作，為油田巡檢技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)和處理故障點提供了技術(shù)途徑，實現(xiàn)了6/10 kV 線路、干架式變電站的快速精準(zhǔn)巡檢工作，巡檢效率大幅提高，減少了作業(yè)風(fēng)險，保障了油田電網(wǎng)安全、可靠、平穩(wěn)地運行。

表2 搭載設(shè)備的主要參數(shù)和性能Tab.2 Main parameters and performance of equipment

（3）管道巡檢。油田管線具有分布范圍廣、巡護(hù)工作量大、維護(hù)難度大等特點，管線一般掩埋在1.8～2 m 深度范圍內(nèi)，加之地形復(fù)雜多變給油田管線巡檢增加了困難，人工巡檢存在管理難、成本高、效果差等問題。而中型“可見光+紅外線”無人機巡檢可有效獲取站點及管線裸露部分的圖像數(shù)據(jù)、溫度及結(jié)構(gòu)特點，通過圖像數(shù)據(jù)可立即判斷事故點，提高了管線監(jiān)管效率、巡視質(zhì)量及安全性能。

（4）應(yīng)急搶險及綜治排查。油井在日常管理中大部分采用人工巡井方式，在井口數(shù)量多、分布不均及地域跨度大的油田中，人工巡井工作量倍增，而部分偏遠(yuǎn)井又缺乏實時監(jiān)控，導(dǎo)致井場運行管理差，影響油田正常產(chǎn)量；并且在油田設(shè)備運行過程中，會出現(xiàn)各種應(yīng)急突發(fā)情況，尤其是在高溫、高寒、地形崎嶇等地區(qū)，對設(shè)備運行提出了更高的要求，發(fā)生突發(fā)損壞會造成巨大的影響。而無人機巡檢技術(shù)為油田應(yīng)急搶險及綜治排查工作提供了一種便捷、高效、安全的方式，可實現(xiàn)白天和夜間的巡護(hù)工作，人員工作強度降低。作業(yè)以站點為中心（設(shè)立指揮部），向輸送至站點的所有井場設(shè)備進(jìn)行巡檢，使用GPS進(jìn)行航點飛行，一旦有緊急事件發(fā)生時，可迅速通過數(shù)據(jù)中心屏幕查看巡檢收集的圖像信息并進(jìn)行定位，從而縮短了應(yīng)急搶險及綜治排查的周期。

3 應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果

無人機巡檢技術(shù)可完全替代人工巡檢，為油田的智能化建設(shè)提供了技術(shù)手段，在地形勘測與選址優(yōu)化上，無人機能夠根據(jù)已繪制的二維通道走廊拼接圖和三維地形圖對油氣管網(wǎng)、站點、水電路信等設(shè)施開展飛行護(hù)航任務(wù)，并及時更新油氣管線、水電路信的走向圖，幫助油田生產(chǎn)管理人員準(zhǔn)確規(guī)劃地面產(chǎn)能建設(shè)和優(yōu)化選址。在配電線路巡檢中，無人機改變了油田電力設(shè)備維護(hù)工作模式，通過準(zhǔn)確識別電力線路缺陷部件及其位置，提高了檢修效率，保障了油田的正常生產(chǎn)。在油田管道巡檢中，無人機相比人工作業(yè)效率提升約9倍，耗時可縮減至原來的1/3，且可節(jié)約管道巡檢服務(wù)費和人員移動費用。在應(yīng)急搶險及綜治排查中，無人機將發(fā)現(xiàn)問題的圖像數(shù)據(jù)實時傳送到站點指揮部，工作人員可及時處理油井漏油、機械故障、自然災(zāi)害等應(yīng)急事件，有助于完善HSE（健康、安全、環(huán)保）體系，高效快速地實施應(yīng)急防護(hù)措施，提升油田的安全運行等級。

3.2 優(yōu)化

（1）無人機巡檢技術(shù)可根據(jù)不同的作業(yè)要求，分別建立不同機型和不同功能性的機型方案，以應(yīng)對更多的應(yīng)用領(lǐng)域，如建立大型特種作業(yè)無人機，實現(xiàn)油田物資轉(zhuǎn)移等專業(yè)負(fù)載功能，尤其適合高海拔區(qū)域作業(yè)。

（2）無人機路徑規(guī)劃是根據(jù)任務(wù)需要規(guī)劃從出發(fā)點到目標(biāo)點滿足約束條件的飛行路徑，應(yīng)結(jié)合實際應(yīng)用的環(huán)境建模，尋找最佳路徑及滿足避障要求，實現(xiàn)路徑平滑，安全抵達(dá)飛行目標(biāo)。

（3）無人機巡檢技術(shù)為適應(yīng)油田巡檢時遇到的惡劣環(huán)境，其外殼應(yīng)針對環(huán)境要求進(jìn)行防雨、防塵、防強電磁干擾、防風(fēng)沙等功能設(shè)計，實現(xiàn)不利環(huán)境下的作業(yè)要求。

（4）在無人機圖像傳輸方面，由于拍攝的均為高清圖像，圖像清晰度均為1080P以上，圖像數(shù)據(jù)文件較大，存在圖傳延時問題，影響傳輸效率，可運用“5G網(wǎng)絡(luò)+無人機巡檢技術(shù)”實現(xiàn)實時視頻圖像傳輸，及時掌握飛行動態(tài)。

4 結(jié)束語

無人機巡檢技術(shù)在地形勘測與選址優(yōu)化、配電線路巡檢、管道巡檢、應(yīng)急搶險及綜治排查等油田生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其突出的技術(shù)優(yōu)勢解決了人工巡檢成本高、效果差、安全性低的生產(chǎn)問題，更重要的是，其為實現(xiàn)油田智能化建設(shè)中的無人值守功能、高質(zhì)量數(shù)字化建設(shè)、新技術(shù)革新，以及為油氣田降本增效和可持續(xù)智能化發(fā)展提供了新的技術(shù)途徑。