基于文本挖掘技術(shù)的油田集輸管道失效誘因關(guān)聯(lián)分析

摘" " 要：為有效預(yù)防油田集輸管道失效事故的發(fā)生，以某油田2018—2021年管道失效記錄為基礎(chǔ)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法分析各類管道的失效特征，利用詞云圖和Apriori算法分析事故類型、常見誘因及誘因間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，再通過共現(xiàn)矩陣構(gòu)建共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，明確集輸管道失效事故發(fā)生的關(guān)鍵誘因項和不同誘因發(fā)生的加速項集合，最后采用多項文本挖掘技術(shù)確定事故發(fā)展的耦合關(guān)系。結(jié)果表明，位于高后果III級區(qū)域的原油低壓管段和天然氣中壓管段是風險管控的重點；管道泄漏、油氣聚集、油池火、閃火是常見事故類型，施工破壞、土壤腐蝕、防腐層破損、管道占壓、含有腐蝕性物質(zhì)等是常見的事故誘因；管道泄漏和油氣聚集具有強關(guān)聯(lián)性，在管道泄漏條件下，發(fā)生油氣聚集的概率為85.21%，兩者同時出現(xiàn)的概率為18.21%；施工破壞、土壤腐蝕、外加電流保護失效、管道占壓的共同出現(xiàn)是導(dǎo)致管道失效的主要因素；誘發(fā)土壤腐蝕和內(nèi)腐蝕加速的主控原因與多項誘因相關(guān)，在后續(xù)風險管控中應(yīng)盡量避免多項誘因的同時出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：集輸管道；誘因；文本挖掘；詞云圖；Apriori算法；共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

Correlation analysis of failure inducements of oil gathering and transportation pipelines based on text mining technology

CHEN Xihong1， LIU Ying2， SUN Wei3， WANG Lei1， LIANG Changjing1

1. Huagang Gas Group Co.， Ltd.， Renqiu 062552， China

2. China Petroleum Engineering amp; Construction Corp. North China Company， Renqiu 062552， China

3. Inspection and Testing Center of Petrochina Huabei Oilfield Company， Renqiu 062552， China

Abstract：In order to prevent the failure of oil gathering and transportation pipelines， based on the pipeline failure records of an oil field from 2018 to 2021， the failure characteristics of various pipelines were analyzed by mathematical statistics method， and the types of accidents， common inducements and rules of association among them analyzed by word cloud image and Apriori algorithm; then a co-occurrence network was constructed by co-occurrence matrix， to identify the key inducement items and acceleration items of different inducement items; and at last the coupling relation of accident development was determined by multiple text mining techniques. The results show that the low-pressure pipeline segment of crude oil and the medium-pressure pipeline segment of natural gas located in the high-consequence class III region are the focus of risk management and control. Pipeline leakage， oil and gas accumulation， oil pool fire， flash fire are common types of accident， construction damage， soil corrosion， corrosion layer damage， pipeline pressure， containing corrosive substances common causes of accidents; pipeline leakage is in strong correlation with oil and gas accumulation. Under pipeline leakage， the probability of oil and gas accumulation is 85.21%， and the probability of their simultaneous occurrence 18.21%. Co-occurrence of construction damage， soil corrosion， failure of applied current protection and pipeline pressure occupying are the main factors behind pipeline failure. The main causes of soil corrosion and internal corrosion acceleration are related to a number of inducements， and co-occurrence of multiple inducements should be avoided as far as possible in the subsequent risk management and control.

Keywords：gathering and transportation pipeline; inducement; text mining; word cloud map; Apriori algorithm; co-occurrence network

油田集輸管道承擔著油氣運輸?shù)闹匾氊?，受管輸介質(zhì)、沿線高程、所在地區(qū)等級、管理水平和占壓程度的影響，集輸管道時常發(fā)生穿孔泄漏事故，不僅導(dǎo)致管道停產(chǎn)檢修，也對生態(tài)環(huán)境造成一定影響[1-2]。目前，各搶維修隊伍及業(yè)主均會在管道失效后保留相關(guān)記錄，但在現(xiàn)場管道運行管理中對于此類記錄的利用率不高。因此，對集輸管道的失效數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)挖掘和數(shù)據(jù)分析，將非常有利于明確管道失效風險演化的過程和有效預(yù)防與控制此類事故的發(fā)生。

迄今為止，諸多學(xué)者針對管道失效從風險評估[3]、事故處理[4]、失效概率[5]和腐蝕速率預(yù)測[6]等方面進行了研究，但多從單一管道事故案例著手，且部分數(shù)據(jù)源于專家經(jīng)驗分析或人工判定，其結(jié)論不具備普適性和推廣性。文本挖掘技術(shù)是從文本類型的信息中獲取有效信息的一種挖掘分析手段，其結(jié)論完全遵循客觀規(guī)律和現(xiàn)場實際，目前已在尾礦生產(chǎn)[7]、地鐵施工[8]、物探作業(yè)[9]等領(lǐng)域應(yīng)用，但將其用于集輸管道失效事故分析領(lǐng)域還鮮有報道?；诖耍阅秤吞?018—2021年的管道失效記錄為數(shù)據(jù)源，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計、詞云圖、Apriori算法、共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析等多項文本挖掘技術(shù)，分析集輸管道失效事故的核心誘因及誘因間的相互關(guān)系，實現(xiàn)誘因可視化，以期為集輸管道的安全運行提供針對性的對策和建議。

1" " 數(shù)據(jù)來源及數(shù)理統(tǒng)計分析

1.1" " 數(shù)據(jù)來源

某油田1976年投入開發(fā)，截至2021年12月底，已建油井7 166口，其中開井5 282口；注水井2 826口，其中開井1 814口；原油集輸管道總里程約4 933 km，注水管道總里程約2 013 km，天然氣集輸管道總里程約1 809 km，聯(lián)合站32座，接轉(zhuǎn)站54座，其他站場311座。以原油集輸、注水和天然氣集輸管道為例，調(diào)研統(tǒng)計2018—2021年期間各采油廠的埋地管道失效記錄，考慮到人工記錄報告中存在缺乏規(guī)范性和一致性的問題，將記錄中的單位情況、改善措施、調(diào)查過程、處理過程等與失效誘因無關(guān)的信息予以剔除，保留與失效誘因相關(guān)的高后果區(qū)等級、外防腐層類型等失效信息共計2 648條。

以失效概率衡量不同失效特征的差異性，其計算公式如下：

[P=1nj=1nNjLj] （ 1 ）

式中：P為失效概率，次/（km·a）；n為統(tǒng)計年限；Lj為第j年的管道里程，km；Nj為第j年的管道失效次數(shù)，次。

1.2" " 數(shù)理統(tǒng)計分析

原油、注水和天然氣3種不同管道類型的失效次數(shù)和失效概率見圖1。由于原油管道的總里程較長，其失效次數(shù)高于其余兩種管道；雖然天然氣管道的失效次數(shù)居中，但其失效概率最大，且天然氣泄漏后的危害范圍和程度遠大于原油和采出水，故應(yīng)對其進行重點監(jiān)控；隨著年限的增長，不同類型管道的失效概率均有逐年降低的趨勢，說明該油田的管道完整性管理水平不斷提升?？紤]到國內(nèi)公開的管道事故數(shù)據(jù)非常少，遂參照美國管道及危險材料安全管理局（PHMSA）的統(tǒng)計結(jié)果進行對比[10]，1998—2017年其所轄的原油管道和集氣管道的失效概率分別為1.281×10-3次/（km·a）、0.411 × 10-3次/（km·a），遠低于案例油田的失效概率，說明該油田集輸管道需要實施基于風險的全生命周期完整性管理。此外，注水管道的介質(zhì)通常是采出水處理站處理合格后的污水，雖然注水壓力較高，但水質(zhì)中的成垢離子及腐蝕性離子已在水處理站得到有效抑制，故其失效次數(shù)和失效概率最小，后續(xù)單一失效特征分析時不再對其進行單獨分析。

1.2.1" " 高后果區(qū)等級與壓力等級

根據(jù)GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》的要求，將原油管道和天然氣管道按照高后果區(qū)識別準則分為I級、II級和III級管段；根據(jù)吳韜建等[5]對單管壓力和管徑的劃分，將管道分為低壓、中壓、高壓和特高壓等4種類型。不同高后果區(qū)等級和壓力等級的管道失效概率如圖2所示。隨著高后果區(qū)等級的提升，原油和天然氣管道的失效概率逐漸上升，其中III級管段的失效概率變化較大，這與III級管段所處地區(qū)人口密度較大、人類活動較頻繁等有關(guān)；隨著壓力等級的提升，兩類管道的失效概率均有所降低，原油管道在低壓（≤2.5 MPa）、天然氣管道在中壓（2.5～4.0 MPa）的失效概率最大，這是由于現(xiàn)場80%以上的管道直徑為DN50～200，小管徑管道的承壓能力有限，且現(xiàn)場區(qū)塊的產(chǎn)量逐年降低，管道長期處于不滿流狀態(tài)且流速較低，這些因素不利于控制管道腐蝕和人為故意破壞（主要為打孔盜油）。綜上分析，位于高后果III級區(qū)域的原油低壓管段和天然氣中壓管段是風險管控的重點，應(yīng)加大風險管理投入。

1.2.2" " 外防腐層類型

不同外防腐層類型的管道失效概率如圖3所示。當外防腐層采用3PE時，其失效概率遠低于石油瀝青和熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層，原因是3PE防腐層的絕緣電阻較高，在和陰極保護系統(tǒng)配合使用時，可在較小的陰極保護電流下保護較長的管段。綜上所述，對于新建及修復(fù)管道建議優(yōu)先采用3PE防腐層。

1.2.3" " 管道服役年限

不同服役年限的管道失效概率如圖4所示。在0～20 a內(nèi)集輸管道的失效概率與服役年限呈正比，并在第5年后失效概率快速增加，超過20 a后失效概率有所降低。這是由于超過20 a的管道多為早期建設(shè)的高壓和特高壓管道，這類管道主要敷設(shè)在人口分布稀疏、人員活動水平較低的區(qū)域，管道占壓、蓄意破壞、施工破壞的可能性較小，且管材、施工及運行質(zhì)量較好，故失效概率相對較低。

2" " 集輸管道失效誘因關(guān)聯(lián)分析

2.1" " 詞云圖分析

考慮對失效特征進行單一統(tǒng)計只能獲取某一類型的定性結(jié)論，故將2 648條失效記錄通過文本預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果可視化等操作，用詞云圖的方式表示失效誘因和事故后果，見圖5。其中，文本預(yù)處理首先通過Jieba庫將文本序列分割為一系列單獨的詞，并利用關(guān)鍵詞庫對其校正，防止專業(yè)詞匯切分誤差；然后，根據(jù)停用詞表將連詞、代詞、語氣詞及標點符號等無實際價值的詞匯剔除；最后，根據(jù)同義詞表將表述不規(guī)范的詞語進行規(guī)范統(tǒng)一，如“未編制安全技術(shù)措施”“管理混亂”“管理不徹底”等統(tǒng)一規(guī)范為“管理不到位”。圖5中詞語的字體越大，表示該項因素出現(xiàn)的頻率越高。從詞云圖中可知“管道泄漏”的出現(xiàn)頻率最高，管道泄漏、油氣聚集、油池火、閃火是常見事故類型；集輸管道失效事件發(fā)生的常見誘因為施工破壞、土壤腐蝕、防腐層破損、管道占壓、含有腐蝕性物質(zhì)等，這些誘因在集輸管道失效風險管控中應(yīng)予以重視。

2.2" " Apriori算法分析

利用Apriori算法對引發(fā)每一起集輸管道失效事故的誘因進行關(guān)聯(lián)分析，通過識別頻繁項集，構(gòu)造前項和后項之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則[11]?？紤]到集輸管道失效事故具有發(fā)生頻率低、事故后果嚴重的特點，故在實際操作中設(shè)置較低的閾值，防止關(guān)鍵信息遺漏。最終設(shè)置最小支持度為0.02，最小置信度為0.4，最小提升度和最小前項數(shù)均為1，得到58條強關(guān)聯(lián)規(guī)則，見表1。所有規(guī)則的提升度均超過1，說明前項和后項之間存在正相關(guān)，具有實際意義。

從表1中可知：

1）以第1條規(guī)則為例，在防腐層破損的條件下，發(fā)生管道泄漏的概率為51.27%，防腐層破損和管道泄漏同時發(fā)生的概率為2.15%，說明在日常運行中應(yīng)注意檢測防腐層的防腐性能、抗剝離性能和抗機械性能等特性，通過交流地電位梯度、直流地電位梯度等手段驗證防腐層整體性能和陰極保護有效性，避免管道泄漏事故發(fā)生；

2）在所有關(guān)聯(lián)規(guī)則中，支持度最高的是第15條，在管道泄漏條件下，發(fā)生油氣聚集的概率為85.21%，管道泄漏和油氣聚集同時發(fā)生的概率為18.21%，說明在管道泄漏后，特別是面對受限空間，應(yīng)做好通風和人員疏散工作，避免引發(fā)其他次生事故；

3）管道泄漏在關(guān)聯(lián)規(guī)則的后項中累計出現(xiàn)次數(shù)最多（40次），置信度在45.17%～85.21%之間，說明管道泄漏是最常見的事故后果，與詞云圖中的分析結(jié)果相符。

2.3" " 共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

詞云圖和Apriori算法可獨立呈現(xiàn)高頻失效誘因的特征信息，但難以體現(xiàn)失效誘因之間的耦合關(guān)系。在上述利用Jieba庫分詞的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計兩兩失效誘因的共現(xiàn)關(guān)系構(gòu)建共現(xiàn)矩陣，見表2。

隨后，利用Gephi軟件繪制集輸管道事故誘因網(wǎng)絡(luò)，見圖6。節(jié)點尺寸和線寬分別表示事故誘因重要性和出現(xiàn)頻率。其中，施工破壞、土壤腐蝕、外加電流保護失效、管道占壓、含有腐蝕性物質(zhì)、防腐層破損、內(nèi)防腐層脫落、低洼處存在積水、選材不當?shù)任挥诠铂F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圈的內(nèi)部，彼此之間存在較強的共現(xiàn)關(guān)系；前4項誘因之間的線較粗，說明大部分集輸管道失效事故受這4項誘因的共同影響，應(yīng)重點防控。施工破壞與管道占壓的耦合作用最強，占壓包括居民住房、材料堆放棚、廠房、水井、果園等，經(jīng)統(tǒng)計其中有地下基礎(chǔ)的占壓占總數(shù)的30.5%，管道正上方占壓占總數(shù)的11.5%，這些占壓會造成地面標識不明、管道巡護不力等安全隱患，進而增加第三方施工破壞的可能性。土壤腐蝕與選材不當?shù)鸟詈献饔幂^強，其次為外加電流保護失效，說明外腐蝕會引發(fā)管道壁厚減薄，承載力減弱，在陰極保護失效的作用下，加速腐蝕效應(yīng)的影響程度，使管道抗力達到極限，最后發(fā)生泄漏事故。此外，隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加速，高后果區(qū)管段逐漸增加，管道與周邊輸電線路、房屋和居民區(qū)的安全間距不足以及建筑物占壓、埋深不足等安全隱患也會增加管道的外部風險。

以土壤腐蝕節(jié)點為例，構(gòu)建以土壤腐蝕為中心的個體網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。以網(wǎng)絡(luò)總度衡量一個節(jié)點與其余節(jié)點之間的“連邊”總數(shù)，土壤腐蝕節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)總度為756，選材不當、防腐層破損、管道占壓、含有腐蝕性物質(zhì)、外加電流保護失效、低洼處存在積水等節(jié)點占該節(jié)點網(wǎng)絡(luò)總度的80%以上，說明這些因素是誘發(fā)土壤腐蝕加速的主要原因。依次類推，可得到含有腐蝕性物質(zhì)節(jié)點等其余關(guān)鍵節(jié)點的共現(xiàn)關(guān)系，當以上主要事故誘因同時發(fā)生時，則極有可能引發(fā)管道泄漏和油氣聚集事故。

3" " 結(jié)論

1）通過數(shù)理統(tǒng)計對不同管道類型的失效特征進行分析，位于高后果III級區(qū)域的原油低壓管段和天然氣中壓管段是風險管控的重點；對于新建及修復(fù)管道應(yīng)優(yōu)先采用3PE防腐層。

2）通過詞云圖確定管道泄漏、油氣聚集、油池火、閃火是常見事故類型，施工破壞、土壤腐蝕、防腐層破損、管道占壓、含有腐蝕性物質(zhì)等是常見的事故誘因；管道泄漏在Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則的后項中出現(xiàn)次數(shù)最多，其置信度在45.17%～85.21%之間，說明管道泄漏是最常見的事故后果，與詞云圖的分析結(jié)果相符。

3）通過共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析確定施工破壞、土壤腐蝕、外加電流保護失效、管道占壓的共同出現(xiàn)是導(dǎo)致管道失效的主要因素；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)總度可確定誘發(fā)土壤腐蝕和內(nèi)腐蝕加速的誘因，在后續(xù)風險管控中應(yīng)盡量避免多項事故誘因的同時出現(xiàn)。

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作者簡介：

陳喜鴻（1976—），男，河北任丘人，工程師，2009年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事天然氣城燃管道、長輸管道施工管理工作。Email：453861497@qq.com

收稿日期：2024-02-06