無人機(jī)在海外數(shù)字化油田中的應(yīng)用

萬里

(中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計分公司,北京 100085)

0 引言

眾所周知中東油田地表主要被沙漠及戈壁覆蓋,生產(chǎn)開發(fā)過程中還存在一些需要大量人力物力來完成的工作,如井位踏勘、外協(xié)事件調(diào)查、線路施工監(jiān)控、道路及線路巡查、突發(fā)事件處理、消防應(yīng)急響應(yīng)等。這一切都促使無人機(jī)應(yīng)用得以開發(fā)和提高,達(dá)到降低員工勞動強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險,提高生產(chǎn)管理效率的目的。同時隨著國外油田向著信息化、智能化轉(zhuǎn)型,傳統(tǒng)的油氣行業(yè)也正在經(jīng)歷一場數(shù)字化變革。無人機(jī)協(xié)助建立的應(yīng)用平臺信息系統(tǒng)使空間信息的展示更加豐富、逼真,使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化。無人機(jī)以其自身突出的優(yōu)點、高性價比等優(yōu)勢不斷在油田生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。

1 無人機(jī)的應(yīng)用

針對海外油田、單井?dāng)?shù)量龐大、分布廣泛的特點。要想實現(xiàn)無人機(jī)的多維度應(yīng)用,就要在項目設(shè)計初期做到標(biāo)準(zhǔn)化,與業(yè)主溝通給出適應(yīng)于現(xiàn)場特點的GIS平臺設(shè)計方案。這樣才能最大化節(jié)省人力勞動成本,減少巡檢工作的風(fēng)險。無人機(jī)的數(shù)字化應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下三方面[1]:

1.1 無人機(jī)參與完成的GIS(地理信息系統(tǒng))

無人機(jī)參與完成下的GIS系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)公用數(shù)字地圖的核心在于地理信息的及時更新且誤差≤1m,國外的大部分油田地區(qū)均不具備google地圖信息。傳統(tǒng)數(shù)字地圖缺點在于非定制化,不可編輯,并非專注于油田特點。本系統(tǒng)如圖1 所示,采用基于WebGL的Cesium開源三維WebGIS開發(fā)框架,瀏覽器應(yīng)用訪問;使用通用、開放的協(xié)議、數(shù)據(jù)庫類型,為后續(xù)數(shù)字化集成奠定基礎(chǔ)。GIS技術(shù)能將油田海量空間信息如:單井、底下油氣水管線、設(shè)備描述、環(huán)境道路等集成在一個公用數(shù)據(jù)庫。并且可實現(xiàn)權(quán)限劃分:安保部——關(guān)注道路及油區(qū)安防信息;生產(chǎn)&建設(shè)部——關(guān)注油井站場分布、底下管線走向及參數(shù)信息;電力部——主要關(guān)注站外架空線路日常巡檢,以及電廠設(shè)備參數(shù)信息[2]。

圖1 GIS系統(tǒng)Fig.1 GIS system

(1)基礎(chǔ)環(huán)境層:提供環(huán)境空間信息共享服務(wù)平臺的運(yùn)行支撐環(huán)境,滿足平臺所要達(dá)到的數(shù)據(jù)存儲能力、數(shù)據(jù)服務(wù)能力和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求,通過平臺的安裝部署,建成性能穩(wěn)定的軟硬件運(yùn)行支撐環(huán)境。(2)數(shù)據(jù)層:通過數(shù)據(jù)傳輸平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,并可在地理數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展,接入監(jiān)測的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層總體分為地理信息數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和接口數(shù)據(jù)庫。(3)支撐層:為平臺的中間層,其主要作用是支撐平臺的正常運(yùn)行。包括三維GIS平臺、報表展示平臺、通訊接口平臺。(4)應(yīng)用層分為三維可視化展示和綜合展示系統(tǒng)兩部分。應(yīng)用功能包括安全監(jiān)測、工藝推演,咨詢與培訓(xùn)等。

同時需要注意的是:無人機(jī)作業(yè)過程中,電池續(xù)航、天氣因素、操作精度及周邊信號干擾等都成為影響工作效率的因素。同時這些因素可以相互配合、也會相互制約[3]。不可忽視的是,抗干擾級別和數(shù)據(jù)速率均屬于連續(xù)變量,這兩種變量和成本以及任何給定的范圍均為反比關(guān)系。數(shù)據(jù)迭代技術(shù)不斷發(fā)展,對系統(tǒng)軟件和控制回路進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計可以靈活應(yīng)對操作效率降低所引起的時間延遲,同時在低傳輸數(shù)據(jù)速率下也能將任務(wù)順利完成。無人機(jī)在對需要勘測的地理信息時會將攝像頭捕捉的正射影像、GPS位置數(shù)據(jù)回傳地面數(shù)據(jù)接收終端,并同步修正航向、飛行姿態(tài)等。最終將重疊的高清圖像通過WebGIS進(jìn)行地理信息完善。

1.2 智能巡檢

作位巡檢使用的無人機(jī)更推薦固定翼結(jié)構(gòu)形式。具有航程大,續(xù)航時間久、操控簡單等優(yōu)勢,最大測區(qū)面積可達(dá)75km2。但同時,國外的一些區(qū)域飛行也需要提前向安保部門或者無線電委員會提前申請。固定翼式無人機(jī)巡檢作為一種新興的巡檢技術(shù)手段,具有高效快速、準(zhǔn)確全面的優(yōu)勢?？缮钊肴斯るy以抵達(dá)的區(qū)域,進(jìn)行實時的圖像回傳,提供數(shù)據(jù)支持。減輕人員現(xiàn)場排查工作量,保障管道、電力線路、井口平臺等設(shè)備的安全運(yùn)行,如圖2 所示。對比測試下,相同工況條件,無人機(jī)智能巡視效率可達(dá)到傳統(tǒng)巡檢的8～10倍。

圖2 無人機(jī)站場巡檢Fig.2 UAV station inspection

隨著工業(yè)級無人機(jī)的發(fā)展,現(xiàn)階段已經(jīng)可在正常工況下滿足:近1小時飛行續(xù)航、25km數(shù)據(jù)回傳,自動偏航修正等優(yōu)勢手段。同時全新的基于載波相位差分定位技術(shù)的無人機(jī)智能巡檢方法也開始逐漸被廣泛應(yīng)用于海外油田。該方法在載波相位差分高精度定位技術(shù)的支撐下,首先由人工操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行線路巡檢,再根據(jù)記錄的巡檢航跡提取航拍控制軌跡點精確的經(jīng)緯度、海拔高度和每一航拍點的攝像頭俯仰角度等信息,制定該線路的自主巡檢方案,無死角、無盲區(qū)。可根據(jù)預(yù)制目標(biāo)的GPS坐標(biāo)點進(jìn)行自動巡航飛行,這點更適應(yīng)于海外油田巡檢,實現(xiàn)無人機(jī)巡航的流程化和標(biāo)準(zhǔn)化。

應(yīng)對不同工況如:(1)電力線路巡檢。而無人機(jī)搭載雙光相機(jī)和紅外熱像儀進(jìn)行航拍,不受空間和地理位置的局限,既可采集判斷絕緣端子破損情況,熱像儀也可通過探測電塔端子處發(fā)出的紅外線,判斷是否出現(xiàn)短路過熱,可在能見度低及危險性區(qū)域探測,兩者技術(shù)的重疊能夠用于實現(xiàn)故障和隱患自動識別[4];(2)消防救援。無人機(jī)可掛載熱紅外成像儀、夜視儀、喊話器、探照燈。更加高效的完成救援工作或者應(yīng)對處理突發(fā)事件;(3)原油、天然氣管線巡檢[5]。除上述裝置掛載外,也可掛載X光掃描設(shè)備。對地表管線的腐蝕情況進(jìn)行排查。

在負(fù)載保障和續(xù)航滿足情況下,無人機(jī)可同時搭載數(shù)據(jù)采集裝置,與油田生產(chǎn)網(wǎng)互聯(lián),也可實現(xiàn)講無人機(jī)作為小型數(shù)據(jù)移動基站使用。這對于井口數(shù)據(jù)的輕量化采集,實現(xiàn)數(shù)據(jù)云同步有著重要意義。今后更完善更先進(jìn)的無人機(jī)應(yīng)用平臺的建立,將智能巡檢、數(shù)據(jù)中端采集續(xù)傳、應(yīng)急響應(yīng)等集成在一起。這也是無人機(jī)在未來數(shù)字化油田中所扮演的又一角色[6]。

1.3 三維建模及數(shù)據(jù)同步

隨著對生產(chǎn)運(yùn)營的水平要求越來越高,由GIS平臺衍生出了三維可視化甚至是全息影像開始逐漸應(yīng)用。結(jié)合設(shè)計圖紙、無人機(jī)三軸拍攝現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)、建立處理站與井場的數(shù)字化三維模型,并集成部分設(shè)備屬性信息,通過模型的優(yōu)化、處理和導(dǎo)入,集成到3D-GIS系統(tǒng)中,通過拖拽,可以輕松的創(chuàng)建各種油管、管匯、井口、油氣設(shè)備。這些設(shè)備也可以通過平臺進(jìn)行新增和修改,并保存在油田生產(chǎn)服務(wù)器中。經(jīng)過渲染器渲染后的場景即可展示在用戶面前,實現(xiàn)二維和三維結(jié)合的可視化方式展示,如圖3所示。使人們的視野從二維平面上升到三維立體空間,不再局限于二維平面圖、剖面圖等復(fù)雜、抽象的展現(xiàn)形式,而是通過三維實景、剖析仿真,直觀展示場站與設(shè)備外部結(jié)構(gòu)以及設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,快速查看實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),定位展示,使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化。結(jié)合原有的GIS系統(tǒng),3D系統(tǒng)也可將處理場站根據(jù)要求分割成如:油、氣、水、公共區(qū)域。更容易了解場站與設(shè)備內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,動態(tài)的生產(chǎn)流程演示也方便輔助進(jìn)行人員培訓(xùn)。對于設(shè)備的職能預(yù)定義,如各種探測器、報警器、CCTV的等級劃分,也更有助于操作員的電子巡檢及HSE安全排查[7]。

圖3 三維模型Fig.3 Three dimensional model

2 結(jié)語

無人機(jī)作為新技術(shù)在油田領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展近10年,不斷改進(jìn)完善。在拍攝測量出的影像具有客觀、真實、準(zhǔn)確的特點。而且無人機(jī)航拍還具有速度快、成本低的技術(shù)優(yōu)勢。但無人機(jī)本身并不能獨立實現(xiàn)所有功能,需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)、后臺數(shù)據(jù)分析、頻段抗干擾及材料IP防護(hù)等多方面支持,才能在特點明顯的海外油田工況下最大限度的節(jié)省日常巡檢成本,提高生產(chǎn)效率。