無人機巡檢系統在油田生產領域的應用研究

新疆油田公司工程技術研究院

油田數字化管理相比傳統管理方式而言，可減員30%以上。目前部分油田分布在戈壁、鹽沼、高山、溝壑、低洼等區域，地理環境較為復雜，地面設備投產后其生產和維護管理完全依靠人工巡檢，不僅增加了人員的工作量和難度，也大幅增加了投入成本，影響油田的正常生產，已無法滿足數字化油田建設的要求。隨著無人機[1]的飛行控制、穩定性、無線信息傳輸、路徑規劃、智能識別、快速高清成像等技術的發展，無人機開始在各行業得到廣泛的應用，取得了顯著的成果[2-3]。無人機巡檢技術是利用可見光及紅外熱像儀等巡檢設備在無人駕駛的飛行器上進行巡視檢查，其優點[4-5]在于：實時獲取數據；受地理環境約束小；針對性強；安全性能高。無人機巡檢技術可完全替代人工巡檢，可識別電力、油井、管道等多種缺陷及隱患，獲取實時準確的現場基礎資料，及時反饋，發揮了“無人機+巡檢”技術的優勢，為油田的智能化建設與生產維護提供技術手段，在油田生產領域設備的系統維護中起到了關鍵性作用。

1 無人機巡檢系統

無人機巡檢系統是集合地理信息（GIS）、圖像識別、物理網、信息處理、航空、專業基礎數據、氣象于一體的系統[6]，該系統建立在遙感技術應用的基礎上，包括數據的獲取、無人機平臺、巡檢監控管理、通信鏈路、安全生產系統以及地面數據處理系統[7]，其中巡檢監控管理系統是無人機信息化與智能化的關鍵系統，由無人機臺賬管理、巡視作業全過程管理、機巡作業監控、數據分析構成，其具體內容見圖1。

2 無人機巡檢技術

圖1 無人機巡檢監控管理系統Fig.1 Monitoring and management system of unmanned aerial vehicle inspection

目前，無人機主要分為三大類：固定翼無人機、旋翼無人機、多旋翼無人機。多旋翼無人機[8]具有智能化程度高、系統性穩定、機動靈活、實用性強的特點而被廣泛應用，該無人機可實現長距離精細化巡檢任務，可根據油田生產需求進行地形勘測與選址優化、配電線路巡檢、管道巡檢、應急搶險及綜治排查等作業，可將獲取的圖像數據實時發送到地面基站，地面基站可隨時傳輸指令，精準到達指定地點采集拍攝數據，具有處理時間短和全方位檢測的功能。而長距離精細化機巡對無人機的續航時間、避障能力、承受風速、海拔、搭載設備及懸停穩定性提出了更高的要求。以中型“可見光+紅外線”巡檢無人機為例，其飛行器和搭載設備的參數和性能見表1、表2。飛行器使用RTP 可避免電磁干擾，IP43 防護等級，可在嚴苛環境下飛行；在低溫作業環境下電池可自加熱；飛行器可折疊，適應單人攜帶；飛行器具有前向避障功能可保障作業安全。飛行器最大時速為10 m/s，可實現15.6 km 的長距離高溫點巡檢工作，與人工巡檢模式相比具有絕對的優勢和可靠性。

（1）地形勘測與選址優化。在油田產能建設過程中或在站址部署上，無人機因不受地形因素和區域限制可實行航拍，通過“無人機+專業軟件”繪制二維通道走廊拼接圖和三維地形圖，可根據油氣管線、水電路信的GPS（全球定位系統）坐標在地圖上標識出相應完整的走向圖，可建立一套數字三維地形地貌圖，通過已建立或規劃的油氣管線、水電路信的走向圖，可優化新建站址部署位置，為地面建設產能方案中的油氣走向、站址及水電路信設計的優化提出論證依據，大幅減少了人工測繪的工作量。

表1 飛行器的主要參數和性能Tab.1 Main parameters and performance of aircraft

（2）配電線路巡檢。無人機配電線路巡檢技術在電力行業已廣泛應用且技術成熟，通過多旋翼無人機可完成日常巡檢和精細化巡檢工作任務。日常巡檢可完成桿塔變形、絕緣子污穢、導線斷線、金具脫落跑位等工作，精細化巡檢可完成桿塔螺栓缺失、絕緣子破損、導線散股斷股、金具裂紋等工作，為油田巡檢技術人員及時發現和處理故障點提供了技術途徑，實現了6/10 kV 線路、干架式變電站的快速精準巡檢工作，巡檢效率大幅提高，減少了作業風險，保障了油田電網安全、可靠、平穩地運行。

表2 搭載設備的主要參數和性能Tab.2 Main parameters and performance of equipment

（3）管道巡檢。油田管線具有分布范圍廣、巡護工作量大、維護難度大等特點，管線一般掩埋在1.8～2 m 深度范圍內，加之地形復雜多變給油田管線巡檢增加了困難，人工巡檢存在管理難、成本高、效果差等問題。而中型“可見光+紅外線”無人機巡檢可有效獲取站點及管線裸露部分的圖像數據、溫度及結構特點，通過圖像數據可立即判斷事故點，提高了管線監管效率、巡視質量及安全性能。

（4）應急搶險及綜治排查。油井在日常管理中大部分采用人工巡井方式，在井口數量多、分布不均及地域跨度大的油田中，人工巡井工作量倍增，而部分偏遠井又缺乏實時監控，導致井場運行管理差，影響油田正常產量；并且在油田設備運行過程中，會出現各種應急突發情況，尤其是在高溫、高寒、地形崎嶇等地區，對設備運行提出了更高的要求，發生突發損壞會造成巨大的影響。而無人機巡檢技術為油田應急搶險及綜治排查工作提供了一種便捷、高效、安全的方式，可實現白天和夜間的巡護工作，人員工作強度降低。作業以站點為中心（設立指揮部），向輸送至站點的所有井場設備進行巡檢，使用GPS進行航點飛行，一旦有緊急事件發生時，可迅速通過數據中心屏幕查看巡檢收集的圖像信息并進行定位，從而縮短了應急搶險及綜治排查的周期。

3 應用

3.1 應用效果

無人機巡檢技術可完全替代人工巡檢，為油田的智能化建設提供了技術手段，在地形勘測與選址優化上，無人機能夠根據已繪制的二維通道走廊拼接圖和三維地形圖對油氣管網、站點、水電路信等設施開展飛行護航任務，并及時更新油氣管線、水電路信的走向圖，幫助油田生產管理人員準確規劃地面產能建設和優化選址。在配電線路巡檢中，無人機改變了油田電力設備維護工作模式，通過準確識別電力線路缺陷部件及其位置，提高了檢修效率，保障了油田的正常生產。在油田管道巡檢中，無人機相比人工作業效率提升約9倍，耗時可縮減至原來的1/3，且可節約管道巡檢服務費和人員移動費用。在應急搶險及綜治排查中，無人機將發現問題的圖像數據實時傳送到站點指揮部，工作人員可及時處理油井漏油、機械故障、自然災害等應急事件，有助于完善HSE（健康、安全、環保）體系，高效快速地實施應急防護措施，提升油田的安全運行等級。

3.2 優化

（1）無人機巡檢技術可根據不同的作業要求，分別建立不同機型和不同功能性的機型方案，以應對更多的應用領域，如建立大型特種作業無人機，實現油田物資轉移等專業負載功能，尤其適合高海拔區域作業。

（2）無人機路徑規劃是根據任務需要規劃從出發點到目標點滿足約束條件的飛行路徑，應結合實際應用的環境建模，尋找最佳路徑及滿足避障要求，實現路徑平滑，安全抵達飛行目標。

（3）無人機巡檢技術為適應油田巡檢時遇到的惡劣環境，其外殼應針對環境要求進行防雨、防塵、防強電磁干擾、防風沙等功能設計，實現不利環境下的作業要求。

（4）在無人機圖像傳輸方面，由于拍攝的均為高清圖像，圖像清晰度均為1080P以上，圖像數據文件較大，存在圖傳延時問題，影響傳輸效率，可運用“5G網絡+無人機巡檢技術”實現實時視頻圖像傳輸，及時掌握飛行動態。

4 結束語

無人機巡檢技術在地形勘測與選址優化、配電線路巡檢、管道巡檢、應急搶險及綜治排查等油田生產領域得到了廣泛應用，其突出的技術優勢解決了人工巡檢成本高、效果差、安全性低的生產問題，更重要的是，其為實現油田智能化建設中的無人值守功能、高質量數字化建設、新技術革新，以及為油氣田降本增效和可持續智能化發展提供了新的技術途徑。