PIPESIM與GoogleEarth在集輸管線高程計算中的聯合應用

中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院

PIPESIM是斯倫貝謝公司研發的一款多相流穩態模擬計算軟件，可以快速構建地面設施直接到GIS底圖的畫布上，并可以準確捕獲管線坐標和高程，實現在地圖畫布上快速建模并準確進行集輸管網模擬計算[1]。但目前PIPESIM軟件只允許Ersi公司的.shape 格式文件導入到GIS 底圖上，尚不支持其他地理信息系統建立的文件格式[1]。

GoogleEarth是一款地球儀軟件，在地面建設規劃階段，通過提供的井位及其他設施坐標，可以很方便地在GoogleEarth 上布置地面集輸管網，從而有效規避障礙物、水坑、山包等，非常直觀，大大節省了規劃方案設計的時間和管線測量費用[2-6]。

Arcgis 是由Ersi 公司開發研制的一款完整的GIS 應用平臺。基于Arcgis 應用平臺，可以完成地理信息系統的開發、地理信息的瀏覽、地理數據的編輯分析和存儲，以及地理信息系統的發布等[7-8]。

通過GoogleEarth、Arcgis、PIPESIM 軟件的結合，可以把在GoogleEarth 上創建的地面集輸管網圖導入Arcgis 地理信息系統，轉換成shape 格式文件，再導入PIPESIM 軟件的GIS 畫布上建模，自動捕獲管線坐標和高程，快速建模并準確地進行集輸管網模擬計算[9-11]。下文以海外A油田1條長輸油管線為例，介紹建模的過程。

1 輸油管線矢量圖建立

GoogleEarth使用的坐標系是WGS-84地理坐標系。WGS-84 是一種國際上廣泛采用的地心坐標系，又稱為1984 年世界大地坐標系統，高程系統為WGS-84 橢球的大地高[5，12]。GoogleEarth 采用開放的數據標準和規范，并提供二次開發的API 接口，文件格式為.kml和.kmz，用于描述和保存地理信息，如點、線、圖像、多邊形和3D模型等[5]。

1.1 管線基本資料

從ACPF到PS輸油管線，管徑8in（1in=25.4mm），Sch60（Sch為美國石油學會API標準對鋼管壓力等級的專用表述），長度22.4 km；從PS到K CPF輸油管線，管徑16 in，Sch60，長度72.4 km。日輸油量2 100 t，含水率小于或等于0.5%，A CPF原油起輸溫度為52 ℃，K CPF進站壓力為4.2 bar(G)。

1.2 原油物性

A油田原油物性見表1。

表1 A油田原油物性資料Tab.1 Oil physical property data of A Oilfield

1.3 繪制輸油管線

根據AutoCAD管線資料，將輸油管線的坐標信息導入GoogleEarth。如果規劃新的油氣集輸管線，可以根據井位坐標，在GoogleEarth 上參照沿線地形地貌直接規劃、繪制，A CPF到K CPF輸油管線走向示意圖見圖1。

GoogleEarth 文件格式為.kml 或.kmz，從A CPF到PS輸油管線沿線高程變化見圖2，從PS到K CPF輸油管線沿線高程變化見圖3。

圖1 GoogleEarth上從A CPF到K CPF輸油管線走向示意圖Fig.1 Route of oil pipeline from A CPF to K CPF on GoogleEarth

圖2 A CPF到PS輸油管線沿線高程變化Fig.2 Elevation change of oil pipeline from A CPF to PS

圖3 PS到K CPF輸油管線沿線高程變化Fig.3 Elevation change of oil pipeline from PS to K CPF

2 地理信息文件格式轉換

截至目前，PIPESIM 的GIS 底圖只認可Arcgis軟件的.shape格式文件，由GoogleEarth產生的地理信息資料需要通過Arcgis、FME或Global Mapper軟件，轉換成Arcgis的.shape格式文件[9-11]。

Arcgis是ESRI公司開發的一款目前世界上使用最為廣泛的地理信息軟件，它默認的參考坐標也是WGS-84坐標系，并且幾乎涵蓋了世界上目前使用的地理坐標系和投影坐標系，這些坐標系可以根據用戶需要，相互之間進行轉換。

為了保證.shape格式的文件在GIS底圖上能夠成功加載，PIPESIM 要求Arcgis 四種必要的文件格式需保持相同的文件名，而且必須存放在同一個文件夾內。這四種文件格式是：①.shp文件，用于存儲幾何要素的主文件；②.shx文件，用于主文件內加載幾何要素的索引文件；③.dbf文件，用于主文件內存儲與屬性要素相關的dBase 表，④.prj 文件，用于存儲與幾何要素相關的參考坐標系信息[1]。

3 管線信息展示和計算

根據PIPESIM 2017 版用戶使用指南，若要把管線和設施的地理信息成功導入到GIS畫布上，首先必須選擇一幅背景底圖，這些底圖是Microsoft Bing、National Geographic、Ocean、World Satellite、World Street、World Topographic 六種圖，其中World Satellite被PIPESIM作為默認的GIS底圖[1]。

World Satellite 采用Web Mercator 作 為 參考坐標系，歐洲石油標準組織（European Petroleum Standards Group）給它的編號是EPSG3857，ESRI公司在Arcgis 中給它的編號為EPSG102100，它們都采用WGS 1984 Web Mercator 輔助球體參考坐標系[1，13-14]。

導入PIPESIM 的高程數據源有三種，分別是ESRI 高程服務數據、ASTER 高程數據和SRTM 高程數據（表2）。

GIS 底圖由Arcgis 服務器與服務終端相連，供用戶調用。用戶生成的.shape格式管線和地面設施文件，疊加到底圖的上層，也需要通過網絡調用[1]。

表2 ESRI、ASTER、SRTM三種高程數據源指標對比Tab.2 Comparison of three elevation data source indexes of ESRI，ASRET，and SRTM

GIS底圖上的管線信息可以手動添加，也可以自動添加，指定管段長度和高程提取點數，就可以自動捕獲管線高程。目前，PIPESIM 2017允許提取的最多高程點數為1 000 個[1]。GIS 底圖捕獲的A CPF 到PS 8 in 管線高程變化見圖4，GIS 底圖捕獲的PS到K CPF 16 in管線高程變化見圖5。

圖4 GIS底圖捕獲的A CPF到PS 8 in管線高程變化Fig.4 Elevation change of pipeline from A CPF to PS 8 captured by GIS base map

圖5 GIS底圖捕獲的PS到K CPF16 in管線高程變化Fig.5 Elevation change of pipeline from PS to K CPF 16 captured by GIS base map

圖6 A CPF到K CPF輸油管線自動捕獲管線坐標和高程模擬計算結果Fig.6 Simulation calculation results of elevation and coordinates automatically captured of pipeline from A CPF to K CPF

在PIPESIM GIS 畫布上建立輸油管線模型，通過捕獲的管線位置坐標和高程數據，快速建模，輸入物性參數后直接模擬運算[15]。A CPF 到K CPF 輸油管線自動捕獲管線坐標和高程模擬計算結果見圖6。

4 計算結果對比

在環境溫度9.8 ℃、不同的輸油量條件下，采用GoogleEarth高程數據和PIPESIM自動捕獲高程數據，將A CPF起輸壓力模擬計算結果與實際生產數據進行對比（圖7），K CPF進站溫度模擬計算結果與實際生產數據進行對比（圖8）。

圖7 A CPF實際起輸壓力與采用兩種高程數據源模擬計算結果對比Fig.7 Comparison between the actual starting pressure of A CPF and the simulation results with two elevation data sources

PIPESIM 計算結果顯示，GIS 自動捕獲管線坐標和高程，A CPF起輸壓力計算值與實際生產運行數據的平均誤差為-9.1%（表3），K CPF 進站溫度計算值與實際生產運行數據平均誤差也為-9.1%（表4）。

表3 A CPF輸送壓力計算值與實際生產數據誤差對比Tab.3 Error comparison between calculated value and actual production data of A CPF pressure

表4 K CPF進站溫度計算值與實際生產數據誤差對比Tab.4 Error comparison between the calculated value and actual production data of K CPF arrival temperature

圖8 K CPF實際進站溫度與兩種高程數據源模擬計算結果對比Fig.8 Comparison between the actual arrival temperature of K CPF and the simulation results with two elevation data sources

5 結論

（1）在方案規劃設計階段，在GoogleEarth 上直接繪制管網圖或輸油氣管線圖，可以有效規避障礙物和不利地形，節省規劃設計時間及管線測量費用。

（2）把GoogleEarth 上生成的管線地理信息數據導入PIPESIM 自帶的GIS 底圖上，在GIS 畫布上自動捕獲管線坐標點和高程數據，相比手動輸入管線高程數據，大大縮短了建模時間，也避免了誤輸情況的發生。

（3）起點輸送壓力、末端進站溫度模擬計算結果與實際生產數據對比，誤差均小于10%，可靠性較高。