王昌堯 王斐 霍富永 王博 白劍鋒 朱源

長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司

數(shù)字化管道即在國(guó)家地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上，通過(guò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)等手段，獲得包括管線周?chē)男l(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(dòng)態(tài)監(jiān)控視頻以及其他相關(guān)文檔管理等資料，并通過(guò)構(gòu)建一個(gè)數(shù)字化的平臺(tái)，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(tái)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，（SCADA）針對(duì)整個(gè)管線系統(tǒng)進(jìn)行智能整合，通過(guò)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?cái)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息收集和反饋，達(dá)到進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的目的。

管道實(shí)現(xiàn)智能化與數(shù)字化后，未來(lái)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，通過(guò)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(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以在線路日常運(yùn)營(yíng)管理、環(huán)保預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、搶險(xiǎn)救災(zāi)等情況下為決策者和管理者提供及時(shí)而重要的依據(jù)[1-6]。

1 研究背景

長(zhǎng)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(lái)，歷經(jīng)50 年勘探開(kāi)發(fā)，先后開(kāi)發(fā)了多個(gè)區(qū)塊，形成了“油氣并舉，協(xié)調(diào)發(fā)展”的格局，是我國(guó)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(cuò)。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(lái)長(zhǎng)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(shì)起伏大且地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，傳統(tǒng)管理手段難以對(duì)黃土塬區(qū)管道運(yùn)行及建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效辨識(shí)與管控。不同于沙漠及平原地區(qū)，長(zhǎng)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(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)管控的重難點(diǎn)問(wèn)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(dòng)管道完整性管理[7-10]，降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

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(huì)環(huán)境復(fù)雜

長(zhǎng)慶油田開(kāi)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(kù)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(guó)環(huán)境保護(hù)法》（2014 年修）和《中華人民共和國(guó)水污染防治法》（2017 年修）實(shí)施，對(duì)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(xiǎn)。

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(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)，部分管道通過(guò)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(lái)越多的管道被占?jí)?，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(guò)200 多萬(wàn)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(guò)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(lái)風(fēng)險(xiǎn)。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(kāi)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(shí)，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(shí)，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(shí)數(shù)據(jù)，做到合理可行、分類分級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先、有序分析。突出“兩個(gè)優(yōu)先”與“四個(gè)結(jié)合”的建設(shè)思路，即優(yōu)先配套服役時(shí)間長(zhǎng)的管道、優(yōu)先配套地質(zhì)災(zāi)害對(duì)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(bào)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(jí)別輸油管道，其技術(shù)單一、可靠性低、誤報(bào)率高、投資高、適用工況范圍受限等問(wèn)題突出[11]。集群化管道泄漏監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)不斷優(yōu)化監(jiān)測(cè)模型，多算法融合提升監(jiān)測(cè)精度，解決了傳統(tǒng)的負(fù)壓波、流量平衡法應(yīng)用于長(zhǎng)慶油田集輸管道泄漏監(jiān)測(cè)誤報(bào)率高、適用范圍受限等問(wèn)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(bào)率，改變了單點(diǎn)監(jiān)控模式，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控管理。報(bào)警信息多層級(jí)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(jí)監(jiān)測(cè)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(jí)調(diào)控中心、公司平臺(tái)的集中化監(jiān)控。泄漏監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)對(duì)油氣管道高后果區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)分析，識(shí)別出上千處穿跨越管線需要完善監(jiān)控覆蓋，并通過(guò)統(tǒng)一平臺(tái)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(jì)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)視頻圖像分析識(shí)別到人員、山體滑坡、大型車(chē)輛等異常闖入情況后，系統(tǒng)自動(dòng)保存異常照片，生成預(yù)警信息，在入侵檢測(cè)報(bào)警中心模塊顯示，人員審核確認(rèn)后，可自動(dòng)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(duì)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(gè)性化自動(dòng)輪巡，有效節(jié)約人力，提高效率；從被動(dòng)監(jiān)控到主動(dòng)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(dòng)水面溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水源地保護(hù)責(zé)任大，風(fēng)險(xiǎn)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(shí)面臨著環(huán)保追責(zé)，給油田帶來(lái)巨大負(fù)面影響。全自動(dòng)水面浮油監(jiān)測(cè)報(bào)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(cè)提供了創(chuàng)新性解決辦法。系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)報(bào)警設(shè)備、供電及通信線路三部分組成，各平臺(tái)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(chǎng)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程報(bào)警、指揮調(diào)度，在緊急情況啟動(dòng)攔油壩、關(guān)閉截止閥。水面溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例如圖6 所示。

圖6 水面溢油監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)。綜合技術(shù)原理、成本、應(yīng)用效果，腐蝕監(jiān)測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)管輸介質(zhì)腐蝕速率，超聲波在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控管道壁厚情況。將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)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(chǎng)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(cè)自動(dòng)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(cè)裝置，覆蓋油田主要區(qū)塊，初步形成腐蝕監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果劃分風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，便于管道的分級(jí)管理，了解環(huán)境參數(shù)對(duì)管道腐蝕規(guī)律，評(píng)估腐蝕控制技術(shù)的有效性。遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)示意圖如圖7 所示。

圖7 遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)。采用管道應(yīng)力在線檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道應(yīng)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)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(guò)檢測(cè)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(píng)價(jià)管道的力學(xué)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)4G 無(wú)線傳輸方式上傳至監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)，分級(jí)預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

（6）管道光纜振動(dòng)預(yù)警在線監(jiān)測(cè)。管道安裝光纖振動(dòng)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(shí)感應(yīng)管道沿線的土壤振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)智能識(shí)別分析，對(duì)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(xiǎn)事件進(jìn)行預(yù)警和定位，通知巡線人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)光纖感知振動(dòng)信號(hào)，基于智能算法識(shí)別引起振動(dòng)以及破壞光纜的危害事件，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)場(chǎng)所和氣田管道的入侵監(jiān)測(cè)，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(dòng)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(wú)線傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)氣田管道的入侵監(jiān)測(cè)，從而提高油氣管道的安全管控。

（7）智能設(shè)備巡線。無(wú)人機(jī)巡線時(shí)，將管線坐標(biāo)輸入飛控系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)根據(jù)GPS 導(dǎo)航沿管線巡航。機(jī)體搭載測(cè)繪相機(jī)對(duì)管線地表地理信息進(jìn)行測(cè)繪，調(diào)控中心通過(guò)高清圖片對(duì)比，對(duì)管道占?jí)?、管線裸露、標(biāo)識(shí)樁察驗(yàn)、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(shí)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(chǎng)應(yīng)用中面臨的問(wèn)題，針對(duì)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(duì)性強(qiáng)。為油田各級(jí)管理部門(mén)、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(kù)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(xiǎn)要素等的集中存儲(chǔ)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(xiǎn)評(píng)估算法體系，實(shí)現(xiàn)管道高后果區(qū)自動(dòng)識(shí)別、管段自動(dòng)劃分、失效分析、失效后果評(píng)估、管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)、效能評(píng)價(jià)。