氣云成像泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)在海上鉆井平臺(tái)的應(yīng)用

冼敏元，薛晨亮，王 飛，蔣愛(ài)國(guó)

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北廊坊 065201）

0 引言

海上鉆井平臺(tái)是海上油田開(kāi)發(fā)的重要設(shè)施，承擔(dān)了油田的勘探開(kāi)發(fā)等多項(xiàng)任務(wù)。受空間和載荷等因素的限制，鉆井平臺(tái)具有設(shè)備設(shè)施集成度高、管線及閥門數(shù)量大、平臺(tái)分區(qū)和通風(fēng)設(shè)計(jì)復(fù)雜等特點(diǎn)。同時(shí)，鉆井平臺(tái)上有大量高溫高壓系統(tǒng)，一旦發(fā)生事故海上逃生和救援的難度均比陸地大很多。

氣體探測(cè)系統(tǒng)是應(yīng)對(duì)潛在氣體泄漏事故，提供可靠前期探測(cè)預(yù)警的有效手段。鉆井平臺(tái)在所有可燃或有毒氣體出現(xiàn)的設(shè)備和場(chǎng)所都布置了傳感器，一旦檢測(cè)到氣體泄漏將會(huì)自動(dòng)激活報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)連接ESD（Emergency Shutdown Device，緊急停車裝置）系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯執(zhí)行風(fēng)、油等設(shè)備切斷動(dòng)作，及時(shí)關(guān)斷風(fēng)險(xiǎn)源。

目前鉆井平臺(tái)所采用的氣體探測(cè)器仍以接觸式傳感器為主，單一類型的傳感器具有一定局限性。隨著技術(shù)的發(fā)展，氣云成像監(jiān)測(cè)技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，它可以更為精確地對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，具有同時(shí)檢測(cè)多種氣體、實(shí)時(shí)顯示氣體擴(kuò)散等優(yōu)勢(shì)，可以與現(xiàn)有火氣系統(tǒng)形成互補(bǔ)，進(jìn)一步提高油氣泄漏監(jiān)測(cè)的可靠性。

1 鉆井平臺(tái)常用氣體探測(cè)系統(tǒng)

鉆井平臺(tái)主要可燃?xì)怏w和有毒氣體來(lái)源以泥漿循環(huán)系統(tǒng)為主，存在于地層之中的氣體進(jìn)入泥漿循環(huán)系統(tǒng)后，隨鉆井液返出至平臺(tái)?？扇?xì)怏w主要為甲烷、乙烷等，有毒氣體主要為硫化氫和二氧化硫等，同時(shí)存在少量的其他有害氣體。與一般的油氣生產(chǎn)設(shè)施不同，泥漿循環(huán)系統(tǒng)是不封閉的，在鉆臺(tái)回流槽、振動(dòng)篩、泥漿池等地方都與大氣連通。雖然在泥漿回路上設(shè)置了真空除氣器，但在氣體量大的情況下難免會(huì)出現(xiàn)氣體外漏。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范，按照可燃?xì)怏w存在時(shí)間將平臺(tái)的區(qū)域分為3 個(gè)等級(jí)[1]：

0 區(qū)：易燃易爆氣體能夠持續(xù)或者長(zhǎng)時(shí)間存在的區(qū)域。

1 區(qū)：易燃易爆氣體在正常的操作過(guò)程中可能存在的區(qū)域。

氣體探測(cè)器的布置應(yīng)與危險(xiǎn)區(qū)域劃分相互對(duì)應(yīng)：監(jiān)測(cè)的區(qū)域至少包括鉆井甲板、鉆井液處理區(qū)和油氣井測(cè)試區(qū)；1 類和2類危險(xiǎn)區(qū)的圍蔽處所及其排風(fēng)口處；與其相鄰接的非危險(xiǎn)區(qū)域的通風(fēng)進(jìn)口處；井口、采油系統(tǒng)、油氣水處理及儲(chǔ)存裝置中有可能泄漏的地點(diǎn)；天然氣或原油為燃料的設(shè)備。盡可能地將探測(cè)器布置在潛在的可燃?xì)怏w釋放源處，從而在一定程度上提高探測(cè)器靈敏度的作用。此外，為防止有毒或可燃?xì)怏w進(jìn)入生活區(qū)，生活區(qū)的進(jìn)風(fēng)口也需要設(shè)置探測(cè)器。

目前鉆井平臺(tái)上的氣體探測(cè)器以接觸式為主，另外有催化燃燒式和電化學(xué)式等，紅外式和超聲波式探測(cè)器數(shù)量較少。

（1）催化燃燒式傳感器一般用于檢測(cè)可燃?xì)怏w。其工作原理是在監(jiān)測(cè)原件上配置催化劑，當(dāng)存在可燃?xì)怏w時(shí)，氣體在催化作用下發(fā)生無(wú)焰燃燒、改變電阻絲溫度，從而使其電阻值發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量電阻值的變化程度，可以計(jì)算出氣體濃度。催化燃燒式傳感器成本低、技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但因其催化燃燒的需要，檢測(cè)環(huán)境中必須有足夠氧氣，另外某些含鉛、硫（尤其是硫化氫）、硅、磷的化合物可能會(huì)使傳感器中毒失效，帶來(lái)安全隱患。

（2）電化學(xué)傳感器一般用于檢測(cè)有毒氣體。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，通過(guò)電流與目標(biāo)氣體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電信號(hào)來(lái)識(shí)別氣體。

在布置接觸式傳感器時(shí)，需要特別考慮檢測(cè)氣體的密度和檢測(cè)區(qū)域的空氣流動(dòng)方向：有泄漏源的密閉空間，通常將傳感器布置在泄漏源的下風(fēng)向；有吸入氣體可能的空間，通常將傳感器布置在進(jìn)風(fēng)口處；而室外開(kāi)放空間，還要考慮平臺(tái)常年的主風(fēng)向，由于平臺(tái)移動(dòng)作業(yè)，通常需要在多個(gè)方向上增加探頭的數(shù)量。當(dāng)有大量氣體泄漏時(shí)，泄漏方向也是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題[2]。

2 氣云成像技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 技術(shù)原理

氣云成像（Gas Cloud Imaging，GCI）技術(shù)基于成像光譜測(cè)定法原理，利用成像光譜儀快照方法進(jìn)行掃描。

成像光譜儀收集三個(gè)維度的數(shù)據(jù)，兩個(gè)空間（x，y）和一個(gè)光譜（λ），因此一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集通常被稱為數(shù)據(jù)立方。不同類型成像光譜儀分類的最常用方法是通過(guò)單個(gè)探測(cè)器讀數(shù)收集的數(shù)據(jù)立方的比例。擺掃式光譜儀采用探測(cè)器線性陣列一次收集單列數(shù)據(jù)立方，從而掃描數(shù)據(jù)立方的兩個(gè)空間維度[3]。圖1b）為快照設(shè)備在單個(gè)探測(cè)器集成周期內(nèi)收集的數(shù)據(jù)立方比例。

嶺南舊城更新改造規(guī)劃中的風(fēng)環(huán)境評(píng)估研究——以廣州市黃埔區(qū)魚(yú)珠舊城更新改造規(guī)劃為例 梁顥嚴(yán) 孟慶林 李曉暉 等2018/04 34

圖1 擺掃式光譜儀工作原理

氣云成像技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)紅外探測(cè)技術(shù)的一種迭代升級(jí)。其原理是以周圍物體的黑體輻射為光源，捕捉光譜特征的變化。

自然界中的任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的性質(zhì)，這些電磁波通常無(wú)法用人眼看到，但可以被攝像機(jī)捕捉到。當(dāng)黑體輻射發(fā)出的電磁波穿過(guò)氣體云時(shí)，不同的氣體對(duì)黑體輻射的吸收所在的波長(zhǎng)范圍和吸收峰是不同的。如甲烷（CH4）在7～8 μm，氨氣（NH3）在9～13 μm。GCI 攝像機(jī)的檢測(cè)范圍可達(dá)到3～14 μm，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)氣體泄漏的中波（3～8 μm）和長(zhǎng)波（8～15 μm）紅外波段。一旦發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，GCI 攝像機(jī)就會(huì)捕捉這些黑體輻射的特征值，并與已經(jīng)儲(chǔ)存在后臺(tái)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以此推斷泄漏氣體的種類。

用眼睛看到的光只是光譜的一小部分，即0.4～0.7 μm 的“可見(jiàn)”區(qū)域。在較短的波長(zhǎng)下是紫外線和X 射線，在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)下是紅外、微波和無(wú)線電波。

GCI 技術(shù)可以通過(guò)一臺(tái)攝像機(jī)，同時(shí)檢測(cè)多種氣體的泄漏（圖2），通過(guò)對(duì)泄漏前后不同輻射量變化的對(duì)比，可以分別測(cè)量出氣體云中的每一種氣體的濃度。

圖2 GCI 攝像機(jī)

測(cè)量泄漏氣體濃度單位通常為百萬(wàn)分之一。氣云成像技術(shù)測(cè)量濃度還要乘以氣云的大小，因此具體計(jì)算公式為：

測(cè)量氣體泄漏的常用單位為“立方英尺/分鐘”“千克/小時(shí)”或“克/分鐘”。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)接觸式傳感器相比，GCI 技術(shù)具有以下5 個(gè)優(yōu)勢(shì)。

（1）同時(shí)識(shí)別多種氣體。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)庫(kù)支持，GCI 技術(shù)可識(shí)別氣體種類達(dá)50 種以上，同一分析儀可同時(shí)檢測(cè)識(shí)別3～7種氣體。GCI 技術(shù)可識(shí)別的典型氣體有34 種，分別為丙酮、氨、苯、丙烷、丙烯、丁二烯、二氟乙烷、二甲苯、環(huán)氧乙烷、異丁烷、二氧化碳、甲苯、甲醇、甲烷、天然氣、六氟化硫、正丁烷、乙酸、乙烷、乙烯、異丁烯、正戊烷、亞硝酸甲酯、二氧化氮、氟利昂、四氟乙烯、偏二氟乙烯、丁烷、乙醇、異戊烷、二氧化硫、氯乙烯、對(duì)二甲苯（或間二甲苯）和硫化氫等。

（2）反應(yīng)快。傳統(tǒng)接觸式傳感器需要?dú)怏w接觸并達(dá)到一定濃度，根據(jù)風(fēng)向不同，反應(yīng)時(shí)間從1 min 到幾分鐘不等。GCI 技術(shù)不需要傳感器與氣體進(jìn)行接觸，因此反應(yīng)速度更快，一般響應(yīng)報(bào)警時(shí)間小于3 s。

（3）實(shí)時(shí)定位和顯示。鉆井平臺(tái)所用氣體探測(cè)系統(tǒng)通常將多個(gè)傳感器串聯(lián)在幾條回路中，報(bào)警時(shí)只能確定大概區(qū)域，難以精確定位[4]。GCI 技術(shù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)畫面確定泄漏點(diǎn)，并顯示氣體飄流方向，指導(dǎo)人員疏散和搶險(xiǎn)（圖3）。

圖3 合成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖像

（4）抗干擾能力強(qiáng)。目前世界領(lǐng)先的紅外識(shí)別技術(shù)可穿透雨、雪、霧等顆粒，在極端天氣下正常工作。傳統(tǒng)紅外探測(cè)技術(shù)因吸收光譜范圍窄，對(duì)水蒸汽會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)，而GCI 的吸收光譜范圍較寬，對(duì)水蒸汽有良好的識(shí)別能力，可有效降低海上潮濕環(huán)境導(dǎo)致的誤報(bào)（圖4）。

圖4 甲烷、氨和水蒸汽的吸收光譜范圍

（5）壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)便。由于采用非接觸式檢測(cè)方法，探測(cè)器本身與外界相對(duì)隔離；且采用非制冷紅外高光譜相機(jī)，不需要制冷機(jī)，所以維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，且防爆性能更好。

但GCI 技術(shù)也有不足：①GCI 技術(shù)對(duì)于探測(cè)算法、氣體光譜特征識(shí)別、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有著較高的技術(shù)要求，直接影響氣體的識(shí)別精度；②黑體輻射會(huì)被物體遮擋，對(duì)攝像機(jī)的視野有較高要求，不適用于空間狹小且遮擋較多的場(chǎng)所[4]；③目前的GCI 技術(shù)對(duì)于氫氣（H2）等單原子氣體的探測(cè)性能還不理想。

3 在海上鉆井平臺(tái)的應(yīng)用

GCI 單臺(tái)設(shè)備最遠(yuǎn)可探測(cè)1.5 km，配合攝像機(jī)360°旋轉(zhuǎn)，覆蓋面積達(dá)7 km2，非常適合大面積開(kāi)放區(qū)域的氣體檢測(cè)，已在四川和東北多個(gè)陸地石油項(xiàng)目上成功應(yīng)用，取得了較好的成果。

海上鉆井平臺(tái)的型長(zhǎng)和型寬一般不超過(guò)80 m，主甲板面積不大于4000 m2，理論上單個(gè)GCI 設(shè)備的覆蓋面積足夠。但平臺(tái)具有獨(dú)特的性質(zhì)：

（1）平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊，不僅有開(kāi)放的甲板、鉆臺(tái)區(qū)域，也有密閉和半密閉艙室，區(qū)間相互隔離。

（2）泥漿循環(huán)路徑為非封閉式，在振動(dòng)篩、泥漿池等地方長(zhǎng)期存在氣體外漏的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）海洋高濕度高鹽的環(huán)境可能對(duì)設(shè)備造成腐蝕，泥漿、油污和化學(xué)藥劑等都有可能影響傳感器的正常工作。

2020 年GCI 技術(shù)在某海上鉆井平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，為最大限度發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，選擇了主甲板、振動(dòng)篩房和泥漿池3 個(gè)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)（圖5、圖6）。該項(xiàng)測(cè)試的測(cè)試工具為8L 氣瓶，測(cè)試的氣體為甲烷和二氧化碳，測(cè)試結(jié)果均正確（表1）。

表1 GCI 系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目

圖5 系統(tǒng)布置方案

圖6 攝像機(jī)安裝情況

經(jīng)多次測(cè)試，GCI系統(tǒng)多次檢測(cè)到氣體泄漏，而同一場(chǎng)所內(nèi)的接觸式傳感器未發(fā)出警報(bào)（圖7）。

圖7 氣體泄漏成像圖

因此可以得到以下結(jié)論：①以上測(cè)試，系統(tǒng)均能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并能及時(shí)在電腦上看到渲染畫面和羽流軌跡；②報(bào)警事件記錄，畫面清楚、時(shí)間準(zhǔn)確、事件完整；③整個(gè)測(cè)試過(guò)程，符合測(cè)試規(guī)范，達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)，測(cè)試成功。

4 結(jié)論和展望

氣云成像泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種氣體監(jiān)測(cè)新技術(shù)，具有靈敏度高、監(jiān)測(cè)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這些特點(diǎn)可以與鉆井平臺(tái)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段形成互補(bǔ)，完善整個(gè)火氣系統(tǒng)。特別針對(duì)已知的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，氣云成像技術(shù)快速反應(yīng)的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早判斷、早控制，為平臺(tái)應(yīng)對(duì)處置提供寶貴的時(shí)間窗口，避免泄漏擴(kuò)大造成嚴(yán)重的后果。