油田管道風險及完整性評價體系構(gòu)建與應(yīng)用

任 悅, 劉鎧銘, 楊舒迪, 李林遠, 張會珍

(東北石油大學 電氣信息工程學院, 黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

目前, 由于大部分油田均為典型的老區(qū)油田, 地理環(huán)境復(fù)雜, 管道規(guī)格連續(xù), 管理環(huán)節(jié)點多面廣, 針對管道規(guī)定中有關(guān)標準[1-2], 油田公司并不能完全適應(yīng)當前大部分油田的現(xiàn)狀; 分級分類標準[3]較為粗糙, 不能有效劃分所有管道風險狀況; 層級風險評價標準針對性較弱, 管道參數(shù)中存在冗余信息, 且由于未能有效結(jié)合現(xiàn)場管理經(jīng)驗, 需進一步簡化高后果區(qū)的劃分標準。因此, 根據(jù)油田生產(chǎn)特點和管道的應(yīng)用狀況[4-7], 制定適宜油田生產(chǎn)實際的管道分類方法和分類界限, 形成適合的風險評價指標, 進而全面推進油田管道完整性管理[8-9], 控制埋地管道腐蝕, 對提高油田管理水平、 控制改造投資、 降低安全風險、 提供運行保障具有重要意義[10-11]。

筆者在給出確定的油田管道分級分類評價體系和獲得可信的油田管道數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上, 結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式, 通過數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)(GIS： Geographic Information System)圖形有效結(jié)合, 對油田管道的評價體系進行實際驗證, 確定了該評價體系能方便、 快捷、 直觀地表達出管道完整性的信息, 對實際生產(chǎn)具有良好的指導意義。

1 評價體系構(gòu)建

在對管道進行詳細分析前, 應(yīng)給出確定的管線評價體系。根據(jù)具體的評價體系確定管線的失效情況, 從而為管線的后期預(yù)防和防護做好基礎(chǔ)工作, 不斷改善識別到的不利影響因素, 從而將管道運行的風險水平控制在合理、 可接受的范圍內(nèi), 最終達到持續(xù)改進、 減少和預(yù)防管道事故發(fā)生和經(jīng)濟合理地保證管道安全運行的目的。筆者通過管道的分級分類模型和管道精細分類標準給出具體的評價體系。

1.1 管道分級分類模型

1.1.1 管道基礎(chǔ)分類標準

按照管線模型的相應(yīng)標準, 考慮介質(zhì)類型、 壓力等級和管徑等因素, 對管道進行初步分類, 劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類管道, 具體標準如表1～表4所示。

表1 采氣、 集氣、 注氣管道分類

表2 輸氣管道分類

表1, 表2中P為最近3年的最高運行壓力,dDN為公稱直徑。硫化氫含量≥5%的原料氣管道, 直接劃分為Ⅰ類管道; Ⅰ、 Ⅱ類管道長度小于3 km的, 類別下降一級; Ⅱ、Ⅲ類管道長度≥20 km的, 類別上升一級; Ⅲ類管道中的高后果區(qū)管道, 類別上升一級。

表3 出油、 集油和輸油管道分類

表3中輸油管道按Ⅰ類管道處理; 液化氣、 輕烴管道, 類別上升一級; Ⅰ、Ⅱ類管道長度小于3 km的, 類別下降一級; Ⅲ類管道中的高后果區(qū)管道, 類別上升一級。

表4 供水、 注入管道分類

1.1.2 管道精細分類標準

1) 油集輸管道細分。根據(jù)油集輸管道特殊情況, 對其進行再次細分。對Ⅲ類油系統(tǒng)管道進一步細分, 共劃分3級4類管道, 具體分類細則如表5所示。

2) 注入管道細分。將dDN<200的注入管道, 按照運行壓力和公稱直徑進一步細分, 具體規(guī)則如表6所示。

表5 油集輸管道細分規(guī)則

表6 注入管道細分規(guī)則

1.2 高后果區(qū)識別模型

1.2.1 地區(qū)等級劃分

沿油氣管線中心線兩側(cè)各200 m范圍內(nèi), 管線的長度任意劃分為2 km, 并在該長度范圍內(nèi)管線的沿線包括最大聚居戶數(shù)的若干地段, 按照規(guī)則劃分為4個等級。在某些特殊場所, 如鄉(xiāng)村人口聚集的村莊、 大院及住宅樓, 應(yīng)將每一獨立戶作為一個供人居住的建筑物計算。具體的地區(qū)等級按下列規(guī)則劃分：

1) 將無永久性人員居住及不經(jīng)常有人活動的地區(qū)劃分為1級1類地區(qū);

2) 將居住戶數(shù)≤15戶的區(qū)段定義為1級2類地區(qū);

3) 將15<戶數(shù)<100的區(qū)段定義為2級地區(qū);

4) 將戶數(shù)≥100的商業(yè)區(qū)、 工業(yè)區(qū)、 市郊居住區(qū)和規(guī)劃發(fā)展區(qū)以及達不到4級地區(qū)條件標準的人口稠密區(qū)等區(qū)段定義為3級地區(qū);

5) 將具有不計地下室層數(shù)的4層及4層以上樓房, 交通頻繁、 普遍比較集中和地下設(shè)施多的區(qū)段定義為4級地區(qū)。

1.2.2 油水管道識別項

在如表7所示的識別項中, 輸油管道經(jīng)過對應(yīng)的區(qū)域且符合其中任何一條的, 定義為高后果區(qū)。

表7 受輸油管道影響高后果區(qū)識別分級

1.2.3 輸氣管道識別項

在如表8所示的識別項中, 輸氣管道經(jīng)過對應(yīng)的區(qū)域并且符合任何一條的, 定義為高后果區(qū)。

1.2.4 特定場所分類

由于天然氣管道泄漏可能造成人員傷亡, 除3級、 4級地區(qū)以外, 還包括以下特定地區(qū)：

1) 托兒所、 幼兒園、 醫(yī)院、 學校、 養(yǎng)老院、 監(jiān)獄和商場等人群疏散困難的建筑區(qū)域為特定場所Ⅰ;

表8 輸氣管道高后果區(qū)管段識別分級

2) 在一年時間內(nèi), 不連貫計算至少有50天聚集30人及以上的區(qū)域為特定場所Ⅱ, 如集貿(mào)市場、 寺廟、 運動場、 廣場、 娛樂休閑地、 劇院和露營地等。

輸氣管道潛在影響半徑

其中d為管道外徑(單位： mm);p為管段最大允許操作壓力(單位： MPa);r為受影響區(qū)域半徑(單位： m)。系數(shù)0.099僅適用于天然氣管道。

1.3 風險等級評價模型

1.3.1 管道風險評價流程

圖1 油田管道風險評價流程圖Fig.1 Flow chart of oilfield pipeline risk assessment

針對油田管道開展風險評價, 主要包含以下步驟： 1) 確定評價對象; 2) 識別危害因素; 3) 數(shù)據(jù)采集與管段劃分; 4) 失效可能性分析; 5) 失效后果分析; 6) 風險等級判定; 7) 提出風險消減措施建議。詳細流程圖如圖1所示。

1.3.2 油田管道風險值計算規(guī)則

參照半定量風險評價程序, 按照失效后果評價和失效可能性評價兩方面計算管道風險。

1) 失效后果評價。失效后果主要考慮5個因素, 分別是輸送介質(zhì)、 敷設(shè)方式、 埋設(shè)地類、 管道類別和管道規(guī)格。在5個影響因素中, 根據(jù)輸送介質(zhì)從安全和環(huán)境影響兩方面評價失效后果, 要考慮敷設(shè)方式和埋設(shè)地類因素; 而從對生產(chǎn)的影響角度評估失效后果, 則考慮管道類別和管道規(guī)格因素。

2) 失效可能性評價。失效可能性從3方面的因素考慮, 即運行年限、 穿孔次數(shù)和陰極保護。

3) 權(quán)重與綜合風險評價。其主要包括失效后果因素權(quán)重和失效可能性權(quán)重, 對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)分別如表9和表10所示。

表9 失效后果因素權(quán)重系數(shù)

表10 失效可能性因素權(quán)重系數(shù)

按照風險的定義：R=CP, 根據(jù)單因素評價及確定的權(quán)重系數(shù), 進行綜合風險評價及風險值計算

R=(30C1+30C2+20C3+20C4)(40P1+40P2+20P3)

1.3.3 管道風險分級

圖2 風險等級分布比例示意圖Fig.2 Schematic diagram of risk gradedistribution proportion

按照風險評價R的計算結(jié)果, 根據(jù)風險值占總風險累計值比值的大小, 從高到低將比值最高的5%確定為特高風險, 其次的10%確定高風險, 后續(xù)的20%確定為中等風險, 再次的50%確定為低風險, 將最后的15%確定為特低風險。特高風險、 高風險、 中等風險、 低風險和特低風險的風險等級面積分布比例如圖2所示。

1.4 系統(tǒng)總體流程

為驗證管道模型, 需構(gòu)建具有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的管道數(shù)據(jù)模型, 該模型既要考慮各個數(shù)據(jù)的耦合關(guān)系, 又要考慮耦合數(shù)據(jù)的外延特性, 從而形成一個交錯網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學模型。系統(tǒng)總體流程如圖3所示。該系統(tǒng)以O(shè)racle 10g數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ), 并網(wǎng)絡(luò)發(fā)布(Internet信息服務(wù))為共享服務(wù)端, 將整個平臺構(gòu)建為包含各個模塊的油田管道完整性體系： 數(shù)據(jù)錄入計算模塊、 管線及周邊建筑的繪制模塊以及結(jié)合評價體系所對應(yīng)的管線分類模塊構(gòu)成了管道數(shù)據(jù)的獲取和計算功能; 結(jié)合WebGIS服務(wù)器的搭建, 形成管線和高后果區(qū)的拓撲結(jié)構(gòu); 根據(jù)前述的風險等級確定方法計算各段管道的風險等級模塊使圖形與數(shù)據(jù)有效結(jié)合, 從而構(gòu)建出以Internet+數(shù)據(jù)驅(qū)動的完備的管道完整性評價體系驗證平臺。

圖3 系統(tǒng)總體流程框圖Fig.3 Flow chart of the system

2 系統(tǒng)應(yīng)用

收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并充分利用油田自身生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 結(jié)合如圖4所示的數(shù)據(jù)單條錄入或整體導入的方式, 構(gòu)建主要包括介質(zhì)類型、 運行壓力、 運行溫度、 長度、 年限、 起終點、 管道經(jīng)過區(qū)域, 以及穿孔次數(shù)、 穿孔泄漏量、 穿孔影響范圍、 穿孔影響的產(chǎn)量、 陰極保護狀況等油田管道完整性數(shù)據(jù)支撐內(nèi)容, 開展油田高后果區(qū)現(xiàn)場識別, 確定高后果區(qū)分布。如圖5所示, 在綜合分析現(xiàn)有和輸入或?qū)氲母黜棓?shù)據(jù)后, 確定適用于油田的管道分類指標和界限, 計算管線分類與風險等級結(jié)果。針對管線及周邊建筑、 環(huán)境、 重要企業(yè)等內(nèi)容完成管線繪制, 確定高后果區(qū)。利用WebGIS服務(wù)器構(gòu)建管線與高后果區(qū)的拓撲模型, 以管道編號或管道周邊的屬性信息為關(guān)鍵字, 可顯示對應(yīng)管線的高后果區(qū)范圍及關(guān)聯(lián)的屬性信息(見圖6)。這對提升數(shù)據(jù)的可視化程度, 使用戶獲得對圖形和數(shù)據(jù)的直觀體會, 具有積極意義。相比傳統(tǒng)的管道完整性管理方式, 該系統(tǒng)既以可視化方式展示數(shù)據(jù), 又發(fā)揮Internet的優(yōu)勢, 使用戶不單純局限于臺式機前, 也可通過移動客戶端隨時掌握當前管道的運行狀況, 用數(shù)據(jù)實時指導生產(chǎn)。

圖4 管道數(shù)據(jù)錄入和導入功能Fig.4 Pipeline data type-in and import function

圖5 管線風險等級計算結(jié)果Fig.5 Calculation results of pipeline risk level

圖6 管線高后果區(qū)展示及查詢結(jié)果Fig.6 Pipeline high consequence area display and query results

3 結(jié) 語

筆者在綜合分析油田管道完整性評價體系的基礎(chǔ)上, 針對大量冗余數(shù)據(jù)進行有效篩選, 給出油田管道定性分析和定量計算方法, 通過互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)驅(qū)動的模式建立油田管道完整性數(shù)據(jù)管理平臺, 該平臺按風險評價方法和管道自動分類準則對其進行分類, 將管道風險評價結(jié)果以數(shù)據(jù)表格量化的方式表示, 為管理者的指揮和決策提供依據(jù)。同時, 利用地理信息技術(shù), 根據(jù)管線數(shù)據(jù)繪制高后果區(qū)地圖, 通過地圖中空間數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中屬性數(shù)據(jù)交叉匹配查詢, 對數(shù)據(jù)和圖形進行有效展示。這對于提升管道的管理水平和減小管道失效的影響, 具有積極的意義。