黃土塬地區油氣管道智能化預警建設探索

王昌堯 王斐 霍富永 王博 白劍鋒 朱源

長慶工程設計有限公司

數字化管道即在國家地理信息基礎數據上，通過全球定位系統（GPS）、數據采集系統（SCADA）、業務管理信息系統（ERP）、計算機網絡和多媒體技術等手段，獲得包括管線周圍的衛星遙感影像、經濟數據、社區數據、環境資源數據、地面動態監控視頻以及其他相關文檔管理等資料，并通過構建一個數字化的平臺，利用局域網或互聯網將這些數據資料集成到該平臺上，從而實現管道的信息化。

智能化管道是指利用現代通信與信息技術、計算機網絡、自動控制技術，通過數據采集系統，（SCADA）針對整個管線系統進行智能整合，通過遠程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）或其他設備的輸入/輸出監控數據實現實時信息收集和反饋，達到進行遠程實時控制的目的。

管道實現智能化與數字化后，未來運營過程中，通過與管道真實地理位置關聯檢索，可以獲得能充分反映管道一定范圍內真實情況的二維、三維實時數據，通過這些數據可以在線路日常運營管理、環保預警、風險評估、搶險救災等情況下為決策者和管理者提供及時而重要的依據[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），自20 世紀70 年代以來，歷經50 年勘探開發，先后開發了多個區塊，形成了“油氣并舉，協調發展”的格局，是我國重要的油氣生產基地。鄂爾多斯盆地北部是荒原大漠，南部是黃土高原，區域溝壑縱橫、梁峁交錯。水源、林緣、沙地、自然保護區較多，礦權范圍內涉及環境敏感區多。

近年來長慶油田油氣管道建設進入快速發展期，沿線地貌以黃土梁峁及溝壑為主，地質條件復雜，地勢起伏大且地質災害頻發，傳統管理手段難以對黃土塬區管道運行及建設風險進行有效辨識與管控。不同于沙漠及平原地區，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條件，管道失效泄漏造成的影響難以估量。因此，針對管道風險管控的重難點問題，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提升，推動管道完整性管理[7-10]，降低管道運行風險。

2 黃土塬地區油氣管道管控難點

2.1 油田生態環境脆弱、社會環境復雜

長慶油田開發區域跨度大，區內生態脆弱，敏感保護目標眾多且保護范圍逐年擴大，共涉及河流、水庫及水源保護區以及自然保護區。環境敏感區已建生產設施眾多，隨著修訂后的《中華人民共和國環境保護法》（2014 年修）和《中華人民共和國水污染防治法》（2017 年修）實施，對環境敏感區污染事故的執法力度明顯加大，有部分生產設施位于環境敏感區、水源保護區附近及其上游，一旦發生原油泄漏，企業面臨巨大的法律風險。

油區地質地貌復雜，管道線路沿梁峁、河流或公路敷設，沿線地形復雜破碎。隨著開發時間延長，部分管道通過地段受到自然災害的影響，容易導致泄漏，泄漏后易順坡匯集至河、溝等敏感區，并且受地形限制維搶修難度大。另外，隨著當地經濟發展、新農村及工業園區建設的增加，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行。鄂力多斯地區環境敏感區分布如圖1 所示。

圖1 鄂爾多斯盆地環境敏感區分布示意圖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地質災害

油田管道建設主要揭露地層為新生界第四系，南部黃土高原經過200 多萬年的風雨滄桑，沉積了200 多米厚的第四系原生黃土，經過洪積、沖積改造形成了次生黃土。其結構松散、孔隙眾多、垂直節理、富含可溶性礦物，遇水極易沉陷，從而發生地質災害，給管道安全運行帶來風險。本油田地質災害導致管道失效示意圖如圖2 所示。

圖2 地質災害導致管道失效示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline failure caused by geological disasters

地質災害主要分為崩塌、滑坡、地面淪陷以及水毀。

2.3 管道輸送介質復雜，管線腐蝕嚴重

隨著部分主力油藏進入開發中后期，油田綜合含水率上升至中高含水期，介質發生變化導致腐蝕加速，造成管線腐蝕穿孔頻發。當含水率＜60%時，形成油包水型乳狀液，發生腐蝕的傾向較小；當水含率≥60%時，形成水包油型乳狀液，發生腐蝕的傾向較大。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 黃土塬地區油氣管道智能化建設

3.1 建設思路

充分貫徹管道完整性管理理念，依托數字化與智能化反映管道一定范圍內真實情況的實時數據，做到合理可行、分類分級、風險優先、有序分析。突出“兩個優先”與“四個結合”的建設思路，即優先配套服役時間長的管道、優先配套地質災害對管道安全造成較大影響的管道；與安全環保、生產運行、敏感程度、城鎮規劃相結合。

3.2 建設實踐

（1）管道泄漏報警定位系統。單機版泄漏監控系統大多在接轉站及以上級別輸油管道，其技術單一、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]。集群化管道泄漏監測系統是采用“智能流量平衡+3D 水體力學+負壓波+機器學習”多技術為一體的綜合監測預警系統，采用機器學習不斷優化監測模型，多算法融合提升監測精度，解決了傳統的負壓波、流量平衡法應用于長慶油田集輸管道泄漏監測誤報率高、適用范圍受限等問題。

新系統融合了負壓波、流量平衡、水體力學、機器學習等多種算法為一體，可靠性更高，降低誤報率，改變了單點監控模式，實現集中監控管理。報警信息多層級推送，處置環節閉合管理。以采油廠為單位，一次性建立廠級監測系統，基于互聯網（WEB）的服務應用，可滿足中心站、作業區、廠級調控中心、公司平臺的集中化監控。泄漏監測系統數據采集傳輸流程如圖4 所示。

圖4 泄漏監測系統數據采集傳輸流程Fig.4 Data collection and transmission process of leakage monitoring system

（2）穿跨越視頻監控系統。目前已實現部分高后果區的視頻監控，但監控率不足10%，近期通過對油氣管道高后果區安全風險分析，識別出上千處穿跨越管線需要完善監控覆蓋，并通過統一平臺完成視頻集成及分析預警。結合管線高后果區管理的整體需求和系統架構設計，視頻監控系統作為子系統設計，根據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，系統自動保存異常照片，生成預警信息，在入侵檢測報警中心模塊顯示，人員審核確認后，可自動關聯到管道完整性管理系統，作為管道資料留存。

系統對高后果區實施視頻全覆蓋，消除監控盲區；從人工巡查到個性化自動輪巡，有效節約人力，提高效率；從被動監控到主動預警，減少損失，提高應急處置能力。視頻統一管理，全局共享；打破系統互通壁壘，可視化輔助管道完整性管理。穿跨越視頻監控系統架構如圖5 所示。

圖5 穿跨越視頻監控系統架構Fig.5 Crossing video monitoring system architecture

（3）全自動水面溢油監測系統。水源地保護責任大，風險高；輸油（水）管線泄漏事件在汛期尤其突發、多發，不但造成了經濟損失、環境污染同時面臨著環保追責，給油田帶來巨大負面影響。全自動水面浮油監測報警系統，為黃土高原地區復雜惡劣的環境、氣候和水文條件下的河道溢油監測提供了創新性解決辦法。系統由遠程監控平臺、現場監測報警設備、供電及通信線路三部分組成，各平臺接入數據和權限管理可做不同設置。適應野外惡劣環境，可現場監測、遠程報警、指揮調度，在緊急情況啟動攔油壩、關閉截止閥。水面溢油監測系統應用實例如圖6 所示。

圖6 水面溢油監測系統應用實例Fig.6 Application example of oil spill monitoring system on water surface

（4）腐蝕監測系統。綜合技術原理、成本、應用效果，腐蝕監測系統采用實物掛片為主了解腐蝕、結垢形態，電阻/電感探針實時監測管輸介質腐蝕速率，超聲波在線監測實時監控管道壁厚情況。將數據通過無線收發器接入油田數字化系統，傳送到中央監控系統，實現現場腐蝕數據的網絡化和可視化，極大提高腐蝕監測自動化水平。

遵循“區域性、代表性、系統性”原則，在集輸流程及注水系統安裝腐蝕監測裝置，覆蓋油田主要區塊，初步形成腐蝕監測分布圖。掌握油田管輸介質腐蝕情況，區域腐蝕情況，為下步防腐施工提供依據。根據腐蝕監測結果劃分風險區，便于管道的分級管理，了解環境參數對管道腐蝕規律，評估腐蝕控制技術的有效性。遠程腐蝕監測與控制系統示意圖如圖7 所示。

圖7 遠程腐蝕監測與控制系統示意圖Fig.7 Schematic diagram of remote corrosion monitoring and control system

（5）管道應力監測系統。采用管道應力在線檢測技術，實現對管道應力變化進行實時監控，避免管道由于應力作用發生破裂[12]。該技術是通過檢測管道在外力作用下的彎曲應力或應變，與容許應力或容許應變進行比較，并分析評價管道的力學狀態，及時發布預警信息。檢測數據通過4G 無線傳輸方式上傳至監控平臺，通過平臺實現管道應力監測，分級預警、歷史數據存儲等功能。

（6）管道光纜振動預警在線監測。管道安裝光纖振動安全預警系統，即利用管道同溝光纜作為傳感器，實時感應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械施工、人工挖掘和自然災害等危險事件進行預警和定位，通知巡線人員趕赴現場查看，制止破壞事件進一步惡化[13]。

滿足同溝敷設光纜的管道安裝定位型光纖振動安全預警系統，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，最終實現生產場所和氣田管道的入侵監測，從而提高氣田管道的安全管控。

不滿足同溝敷設光纜條件的管道安裝防區型光纖振動安全預警系統，即在重點部位重新鋪設光纜，利用無線傳輸信號，實現氣田管道的入侵監測，從而提高油氣管道的安全管控。

（7）智能設備巡線。無人機巡線時，將管線坐標輸入飛控系統，無人機根據GPS 導航沿管線巡航。機體搭載測繪相機對管線地表地理信息進行測繪，調控中心通過高清圖片對比，對管道占壓、管線裸露、標識樁察驗、防風固沙、防洪防汛等工作進行巡查，發現異常及時組織人員進行處置。

4 結論

根據黃土塬地區油氣管道管控難點，以及油田生產現場應用中面臨的問題，針對性地給出了油氣管道的智能化探索實踐建設思路，形成了適用于區域特點的手段與方法，完善了管道完整性管理信息系統，針對性強。為油田各級管理部門、生產單位提供準確、全面、可靠的技術支撐，實現了如下三點建設目標：

（1）管道完整性數據庫系統。實現地理環境數據、管道空間數據、屬性數據、完整性數據、地物風險要素等的集中存儲與管理。

（2）數據模型與管理流程規范化。強化管道的各類數據模型結構的統一規范以及管道完整性的循環閉合管理。

（3）系統分析降低人工依賴度。建立管道風險評估算法體系，實現管道高后果區自動識別、管段自動劃分、失效分析、失效后果評估、管道風險評級、效能評價。