黃土塬地區(qū)油氣管道智能化預(yù)警建設(shè)探索

王昌堯 王斐 霍富永 王博 白劍鋒 朱源

長慶工程設(shè)計有限公司

數(shù)字化管道即在國家地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上，通過全球定位系統(tǒng)（GPS）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、業(yè)務(wù)管理信息系統(tǒng)（ERP）、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)等手段，獲得包括管線周圍的衛(wèi)星遙感影像、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、社區(qū)數(shù)據(jù)、環(huán)境資源數(shù)據(jù)、地面動態(tài)監(jiān)控視頻以及其他相關(guān)文檔管理等資料，并通過構(gòu)建一個數(shù)字化的平臺，利用局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)資料集成到該平臺上，從而實(shí)現(xiàn)管道的信息化。

智能化管道是指利用現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動控制技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，（SCADA）針對整個管線系統(tǒng)進(jìn)行智能整合，通過遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）或其他設(shè)備的輸入/輸出監(jiān)控數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時信息收集和反饋，達(dá)到進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時控制的目的。

管道實(shí)現(xiàn)智能化與數(shù)字化后，未來運(yùn)營過程中，通過與管道真實(shí)地理位置關(guān)聯(lián)檢索，可以獲得能充分反映管道一定范圍內(nèi)真實(shí)情況的二維、三維實(shí)時數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以在線路日常運(yùn)營管理、環(huán)保預(yù)警、風(fēng)險評估、搶險救災(zāi)等情況下為決策者和管理者提供及時而重要的依據(jù)[1-6]。

1 研究背景

長慶油田地處鄂爾多斯盆地，橫跨陜甘寧蒙晉5 省（區(qū)），自20 世紀(jì)70 年代以來，歷經(jīng)50 年勘探開發(fā)，先后開發(fā)了多個區(qū)塊，形成了“油氣并舉，協(xié)調(diào)發(fā)展”的格局，是我國重要的油氣生產(chǎn)基地。鄂爾多斯盆地北部是荒原大漠，南部是黃土高原，區(qū)域溝壑縱橫、梁峁交錯。水源、林緣、沙地、自然保護(hù)區(qū)較多，礦權(quán)范圍內(nèi)涉及環(huán)境敏感區(qū)多。

近年來長慶油田油氣管道建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期，沿線地貌以黃土梁峁及溝壑為主，地質(zhì)條件復(fù)雜，地勢起伏大且地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，傳統(tǒng)管理手段難以對黃土塬區(qū)管道運(yùn)行及建設(shè)風(fēng)險進(jìn)行有效辨識與管控。不同于沙漠及平原地區(qū)，長慶油田管線所處黃河上游水系特殊地理位置及梁峁溝壑縱橫的濕陷性地質(zhì)條件，管道失效泄漏造成的影響難以估量。因此，針對管道風(fēng)險管控的重難點(diǎn)問題，需要探索新的管理思路，利用智能化、信息化手段，助推管道管理水平持續(xù)提升，推動管道完整性管理[7-10]，降低管道運(yùn)行風(fēng)險。

2 黃土塬地區(qū)油氣管道管控難點(diǎn)

2.1 油田生態(tài)環(huán)境脆弱、社會環(huán)境復(fù)雜

長慶油田開發(fā)區(qū)域跨度大，區(qū)內(nèi)生態(tài)脆弱，敏感保護(hù)目標(biāo)眾多且保護(hù)范圍逐年擴(kuò)大，共涉及河流、水庫及水源保護(hù)區(qū)以及自然保護(hù)區(qū)。環(huán)境敏感區(qū)已建生產(chǎn)設(shè)施眾多，隨著修訂后的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》（2014 年修）和《中華人民共和國水污染防治法》（2017 年修）實(shí)施，對環(huán)境敏感區(qū)污染事故的執(zhí)法力度明顯加大，有部分生產(chǎn)設(shè)施位于環(huán)境敏感區(qū)、水源保護(hù)區(qū)附近及其上游，一旦發(fā)生原油泄漏，企業(yè)面臨巨大的法律風(fēng)險。

油區(qū)地質(zhì)地貌復(fù)雜，管道線路沿梁峁、河流或公路敷設(shè)，沿線地形復(fù)雜破碎。隨著開發(fā)時間延長，部分管道通過地段受到自然災(zāi)害的影響，容易導(dǎo)致泄漏，泄漏后易順坡匯集至河、溝等敏感區(qū)，并且受地形限制維搶修難度大。另外，隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、新農(nóng)村及工業(yè)園區(qū)建設(shè)的增加，高速公路、鐵路和村村通道路的修建，越來越多的管道被占壓，難以保證管道安全運(yùn)行。鄂力多斯地區(qū)環(huán)境敏感區(qū)分布如圖1 所示。

圖1 鄂爾多斯盆地環(huán)境敏感區(qū)分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of environmentally sensitive areas in the Ordos Basin

2.2 油田所處黃土高原極易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

油田管道建設(shè)主要揭露地層為新生界第四系，南部黃土高原經(jīng)過200 多萬年的風(fēng)雨滄桑，沉積了200 多米厚的第四系原生黃土，經(jīng)過洪積、沖積改造形成了次生黃土。其結(jié)構(gòu)松散、孔隙眾多、垂直節(jié)理、富含可溶性礦物，遇水極易沉陷，從而發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，給管道安全運(yùn)行帶來風(fēng)險。本油田地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致管道失效示意圖如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致管道失效示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline failure caused by geological disasters

地質(zhì)災(zāi)害主要分為崩塌、滑坡、地面淪陷以及水毀。

2.3 管道輸送介質(zhì)復(fù)雜，管線腐蝕嚴(yán)重

隨著部分主力油藏進(jìn)入開發(fā)中后期，油田綜合含水率上升至中高含水期，介質(zhì)發(fā)生變化導(dǎo)致腐蝕加速，造成管線腐蝕穿孔頻發(fā)。當(dāng)含水率＜60%時，形成油包水型乳狀液，發(fā)生腐蝕的傾向較??；當(dāng)水含率≥60%時，形成水包油型乳狀液，發(fā)生腐蝕的傾向較大。管道腐蝕穿孔如圖3 所示。

圖3 管道腐蝕穿孔Fig.3 Corrosion and perforation of pipeline

3 黃土塬地區(qū)油氣管道智能化建設(shè)

3.1 建設(shè)思路

充分貫徹管道完整性管理理念，依托數(shù)字化與智能化反映管道一定范圍內(nèi)真實(shí)情況的實(shí)時數(shù)據(jù)，做到合理可行、分類分級、風(fēng)險優(yōu)先、有序分析。突出“兩個優(yōu)先”與“四個結(jié)合”的建設(shè)思路，即優(yōu)先配套服役時間長的管道、優(yōu)先配套地質(zhì)災(zāi)害對管道安全造成較大影響的管道；與安全環(huán)保、生產(chǎn)運(yùn)行、敏感程度、城鎮(zhèn)規(guī)劃相結(jié)合。

3.2 建設(shè)實(shí)踐

（1）管道泄漏報警定位系統(tǒng)。單機(jī)版泄漏監(jiān)控系統(tǒng)大多在接轉(zhuǎn)站及以上級別輸油管道，其技術(shù)單一、可靠性低、誤報率高、投資高、適用工況范圍受限等問題突出[11]。集群化管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是采用“智能流量平衡+3D 水體力學(xué)+負(fù)壓波+機(jī)器學(xué)習(xí)”多技術(shù)為一體的綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)不斷優(yōu)化監(jiān)測模型，多算法融合提升監(jiān)測精度，解決了傳統(tǒng)的負(fù)壓波、流量平衡法應(yīng)用于長慶油田集輸管道泄漏監(jiān)測誤報率高、適用范圍受限等問題。

新系統(tǒng)融合了負(fù)壓波、流量平衡、水體力學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等多種算法為一體，可靠性更高，降低誤報率，改變了單點(diǎn)監(jiān)控模式，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控管理。報警信息多層級推送，處置環(huán)節(jié)閉合管理。以采油廠為單位，一次性建立廠級監(jiān)測系統(tǒng)，基于互聯(lián)網(wǎng)（WEB）的服務(wù)應(yīng)用，可滿足中心站、作業(yè)區(qū)、廠級調(diào)控中心、公司平臺的集中化監(jiān)控。泄漏監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸流程如圖4 所示。

圖4 泄漏監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸流程Fig.4 Data collection and transmission process of leakage monitoring system

（2）穿跨越視頻監(jiān)控系統(tǒng)。目前已實(shí)現(xiàn)部分高后果區(qū)的視頻監(jiān)控，但監(jiān)控率不足10%，近期通過對油氣管道高后果區(qū)安全風(fēng)險分析，識別出上千處穿跨越管線需要完善監(jiān)控覆蓋，并通過統(tǒng)一平臺完成視頻集成及分析預(yù)警。結(jié)合管線高后果區(qū)管理的整體需求和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為子系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)視頻圖像分析識別到人員、山體滑坡、大型車輛等異常闖入情況后，系統(tǒng)自動保存異常照片，生成預(yù)警信息，在入侵檢測報警中心模塊顯示，人員審核確認(rèn)后，可自動關(guān)聯(lián)到管道完整性管理系統(tǒng)，作為管道資料留存。

系統(tǒng)對高后果區(qū)實(shí)施視頻全覆蓋，消除監(jiān)控盲區(qū)；從人工巡查到個性化自動輪巡，有效節(jié)約人力，提高效率；從被動監(jiān)控到主動預(yù)警，減少損失，提高應(yīng)急處置能力。視頻統(tǒng)一管理，全局共享；打破系統(tǒng)互通壁壘，可視化輔助管道完整性管理。穿跨越視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 穿跨越視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Crossing video monitoring system architecture

（3）全自動水面溢油監(jiān)測系統(tǒng)。水源地保護(hù)責(zé)任大，風(fēng)險高；輸油（水）管線泄漏事件在汛期尤其突發(fā)、多發(fā)，不但造成了經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染同時面臨著環(huán)保追責(zé)，給油田帶來巨大負(fù)面影響。全自動水面浮油監(jiān)測報警系統(tǒng)，為黃土高原地區(qū)復(fù)雜惡劣的環(huán)境、氣候和水文條件下的河道溢油監(jiān)測提供了創(chuàng)新性解決辦法。系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺、現(xiàn)場監(jiān)測報警設(shè)備、供電及通信線路三部分組成，各平臺接入數(shù)據(jù)和權(quán)限管理可做不同設(shè)置。適應(yīng)野外惡劣環(huán)境，可現(xiàn)場監(jiān)測、遠(yuǎn)程報警、指揮調(diào)度，在緊急情況啟動攔油壩、關(guān)閉截止閥。水面溢油監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例如圖6 所示。

圖6 水面溢油監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例Fig.6 Application example of oil spill monitoring system on water surface

（4）腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。綜合技術(shù)原理、成本、應(yīng)用效果，腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)采用實(shí)物掛片為主了解腐蝕、結(jié)垢形態(tài)，電阻/電感探針實(shí)時監(jiān)測管輸介質(zhì)腐蝕速率，超聲波在線監(jiān)測實(shí)時監(jiān)控管道壁厚情況。將數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)器接入油田數(shù)字化系統(tǒng)，傳送到中央監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場腐蝕數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化和可視化，極大提高腐蝕監(jiān)測自動化水平。

遵循“區(qū)域性、代表性、系統(tǒng)性”原則，在集輸流程及注水系統(tǒng)安裝腐蝕監(jiān)測裝置，覆蓋油田主要區(qū)塊，初步形成腐蝕監(jiān)測分布圖。掌握油田管輸介質(zhì)腐蝕情況，區(qū)域腐蝕情況，為下步防腐施工提供依據(jù)。根據(jù)腐蝕監(jiān)測結(jié)果劃分風(fēng)險區(qū)，便于管道的分級管理，了解環(huán)境參數(shù)對管道腐蝕規(guī)律，評估腐蝕控制技術(shù)的有效性。遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測與控制系統(tǒng)示意圖如圖7 所示。

圖7 遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測與控制系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of remote corrosion monitoring and control system

（5）管道應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)。采用管道應(yīng)力在線檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對管道應(yīng)力變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，避免管道由于應(yīng)力作用發(fā)生破裂[12]。該技術(shù)是通過檢測管道在外力作用下的彎曲應(yīng)力或應(yīng)變，與容許應(yīng)力或容許應(yīng)變進(jìn)行比較，并分析評價管道的力學(xué)狀態(tài)，及時發(fā)布預(yù)警信息。檢測數(shù)據(jù)通過4G 無線傳輸方式上傳至監(jiān)控平臺，通過平臺實(shí)現(xiàn)管道應(yīng)力監(jiān)測，分級預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)存儲等功能。

（6）管道光纜振動預(yù)警在線監(jiān)測。管道安裝光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)，即利用管道同溝光纜作為傳感器，實(shí)時感應(yīng)管道沿線的土壤振動信號，通過智能識別分析，對威脅管道安全的機(jī)械施工、人工挖掘和自然災(zāi)害等危險事件進(jìn)行預(yù)警和定位，通知巡線人員趕赴現(xiàn)場查看，制止破壞事件進(jìn)一步惡化[13]。

滿足同溝敷設(shè)光纜的管道安裝定位型光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)，通過光纖感知振動信號，基于智能算法識別引起振動以及破壞光纜的危害事件，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)場所和氣田管道的入侵監(jiān)測，從而提高氣田管道的安全管控。

不滿足同溝敷設(shè)光纜條件的管道安裝防區(qū)型光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)，即在重點(diǎn)部位重新鋪設(shè)光纜，利用無線傳輸信號，實(shí)現(xiàn)氣田管道的入侵監(jiān)測，從而提高油氣管道的安全管控。

（7）智能設(shè)備巡線。無人機(jī)巡線時，將管線坐標(biāo)輸入飛控系統(tǒng)，無人機(jī)根據(jù)GPS 導(dǎo)航沿管線巡航。機(jī)體搭載測繪相機(jī)對管線地表地理信息進(jìn)行測繪，調(diào)控中心通過高清圖片對比，對管道占壓、管線裸露、標(biāo)識樁察驗、防風(fēng)固沙、防洪防汛等工作進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)異常及時組織人員進(jìn)行處置。

4 結(jié)論

根據(jù)黃土塬地區(qū)油氣管道管控難點(diǎn)，以及油田生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用中面臨的問題，針對性地給出了油氣管道的智能化探索實(shí)踐建設(shè)思路，形成了適用于區(qū)域特點(diǎn)的手段與方法，完善了管道完整性管理信息系統(tǒng)，針對性強(qiáng)。為油田各級管理部門、生產(chǎn)單位提供準(zhǔn)確、全面、可靠的技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)了如下三點(diǎn)建設(shè)目標(biāo)：

（1）管道完整性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)地理環(huán)境數(shù)據(jù)、管道空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、完整性數(shù)據(jù)、地物風(fēng)險要素等的集中存儲與管理。

（2）數(shù)據(jù)模型與管理流程規(guī)范化。強(qiáng)化管道的各類數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一規(guī)范以及管道完整性的循環(huán)閉合管理。

（3）系統(tǒng)分析降低人工依賴度。建立管道風(fēng)險評估算法體系，實(shí)現(xiàn)管道高后果區(qū)自動識別、管段自動劃分、失效分析、失效后果評估、管道風(fēng)險評級、效能評價。