PIPESIM与GoogleEarth在集输管线高程计算中的联合应用

中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院

PIPESIM是斯伦贝谢公司研发的一款多相流稳态模拟计算软件，可以快速构建地面设施直接到GIS底图的画布上，并可以准确捕获管线坐标和高程，实现在地图画布上快速建模并准确进行集输管网模拟计算[1]。但目前PIPESIM软件只允许Ersi公司的.shape 格式文件导入到GIS 底图上，尚不支持其他地理信息系统建立的文件格式[1]。

GoogleEarth是一款地球仪软件，在地面建设规划阶段，通过提供的井位及其他设施坐标，可以很方便地在GoogleEarth 上布置地面集输管网，从而有效规避障碍物、水坑、山包等，非常直观，大大节省了规划方案设计的时间和管线测量费用[2-6]。

Arcgis 是由Ersi 公司开发研制的一款完整的GIS 应用平台。基于Arcgis 应用平台，可以完成地理信息系统的开发、地理信息的浏览、地理数据的编辑分析和存储，以及地理信息系统的发布等[7-8]。

通过GoogleEarth、Arcgis、PIPESIM 软件的结合，可以把在GoogleEarth 上创建的地面集输管网图导入Arcgis 地理信息系统，转换成shape 格式文件，再导入PIPESIM 软件的GIS 画布上建模，自动捕获管线坐标和高程，快速建模并准确地进行集输管网模拟计算[9-11]。下文以海外A油田1条长输油管线为例，介绍建模的过程。

1 输油管线矢量图建立

GoogleEarth使用的坐标系是WGS-84地理坐标系。WGS-84 是一种国际上广泛采用的地心坐标系，又称为1984 年世界大地坐标系统，高程系统为WGS-84 椭球的大地高[5，12]。GoogleEarth 采用开放的数据标准和规范，并提供二次开发的API 接口，文件格式为.kml和.kmz，用于描述和保存地理信息，如点、线、图像、多边形和3D模型等[5]。

1.1 管线基本资料

从ACPF到PS输油管线，管径8in（1in=25.4mm），Sch60（Sch为美国石油学会API标准对钢管压力等级的专用表述），长度22.4 km；从PS到K CPF输油管线，管径16 in，Sch60，长度72.4 km。日输油量2 100 t，含水率小于或等于0.5%，A CPF原油起输温度为52 ℃，K CPF进站压力为4.2 bar(G)。

1.2 原油物性

A油田原油物性见表1。

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

1.3 绘制输油管线

根据AutoCAD管线资料，将输油管线的坐标信息导入GoogleEarth。如果规划新的油气集输管线，可以根据井位坐标，在GoogleEarth 上参照沿线地形地貌直接规划、绘制，A CPF到K CPF输油管线走向示意图见图1。

GoogleEarth 文件格式为.kml 或.kmz，从A CPF到PS输油管线沿线高程变化见图2，从PS到K CPF输油管线沿线高程变化见图3。

图1 GoogleEarth上从A CPF到K CPF输油管线走向示意图Fig.1 Route of oil pipeline from A CPF to K CPF on GoogleEarth

图2 A CPF到PS输油管线沿线高程变化Fig.2 Elevation change of oil pipeline from A CPF to PS

图3 PS到K CPF输油管线沿线高程变化Fig.3 Elevation change of oil pipeline from PS to K CPF

2 地理信息文件格式转换

截至目前，PIPESIM 的GIS 底图只认可Arcgis软件的.shape格式文件，由GoogleEarth产生的地理信息资料需要通过Arcgis、FME或Global Mapper软件，转换成Arcgis的.shape格式文件[9-11]。

Arcgis是ESRI公司开发的一款目前世界上使用最为广泛的地理信息软件，它默认的参考坐标也是WGS-84坐标系，并且几乎涵盖了世界上目前使用的地理坐标系和投影坐标系，这些坐标系可以根据用户需要，相互之间进行转换。

为了保证.shape格式的文件在GIS底图上能够成功加载，PIPESIM 要求Arcgis 四种必要的文件格式需保持相同的文件名，而且必须存放在同一个文件夹内。这四种文件格式是：①.shp文件，用于存储几何要素的主文件；②.shx文件，用于主文件内加载几何要素的索引文件；③.dbf文件，用于主文件内存储与属性要素相关的dBase 表，④.prj 文件，用于存储与几何要素相关的参考坐标系信息[1]。

3 管线信息展示和计算

根据PIPESIM 2017 版用户使用指南，若要把管线和设施的地理信息成功导入到GIS画布上，首先必须选择一幅背景底图，这些底图是Microsoft Bing、National Geographic、Ocean、World Satellite、World Street、World Topographic 六种图，其中World Satellite被PIPESIM作为默认的GIS底图[1]。

World Satellite 采用Web Mercator 作 为 参考坐标系，欧洲石油标准组织（European Petroleum Standards Group）给它的编号是EPSG3857，ESRI公司在Arcgis 中给它的编号为EPSG102100，它们都采用WGS 1984 Web Mercator 辅助球体参考坐标系[1，13-14]。

导入PIPESIM 的高程数据源有三种，分别是ESRI 高程服务数据、ASTER 高程数据和SRTM 高程数据（表2）。

GIS 底图由Arcgis 服务器与服务终端相连，供用户调用。用户生成的.shape格式管线和地面设施文件，叠加到底图的上层，也需要通过网络调用[1]。

表2 ESRI、ASTER、SRTM三种高程数据源指标对比Tab.2 Comparison of three elevation data source indexes of ESRI，ASRET，and SRTM

GIS底图上的管线信息可以手动添加，也可以自动添加，指定管段长度和高程提取点数，就可以自动捕获管线高程。目前，PIPESIM 2017允许提取的最多高程点数为1 000 个[1]。GIS 底图捕获的A CPF 到PS 8 in 管线高程变化见图4，GIS 底图捕获的PS到K CPF 16 in管线高程变化见图5。

图4 GIS底图捕获的A CPF到PS 8 in管线高程变化Fig.4 Elevation change of pipeline from A CPF to PS 8 captured by GIS base map

图5 GIS底图捕获的PS到K CPF16 in管线高程变化Fig.5 Elevation change of pipeline from PS to K CPF 16 captured by GIS base map

图6 A CPF到K CPF输油管线自动捕获管线坐标和高程模拟计算结果Fig.6 Simulation calculation results of elevation and coordinates automatically captured of pipeline from A CPF to K CPF

在PIPESIM GIS 画布上建立输油管线模型，通过捕获的管线位置坐标和高程数据，快速建模，输入物性参数后直接模拟运算[15]。A CPF 到K CPF 输油管线自动捕获管线坐标和高程模拟计算结果见图6。

4 计算结果对比

在环境温度9.8 ℃、不同的输油量条件下，采用GoogleEarth高程数据和PIPESIM自动捕获高程数据，将A CPF起输压力模拟计算结果与实际生产数据进行对比（图7），K CPF进站温度模拟计算结果与实际生产数据进行对比（图8）。

图7 A CPF实际起输压力与采用两种高程数据源模拟计算结果对比Fig.7 Comparison between the actual starting pressure of A CPF and the simulation results with two elevation data sources

PIPESIM 计算结果显示，GIS 自动捕获管线坐标和高程，A CPF起输压力计算值与实际生产运行数据的平均误差为-9.1%（表3），K CPF 进站温度计算值与实际生产运行数据平均误差也为-9.1%（表4）。

表3 A CPF输送压力计算值与实际生产数据误差对比Tab.3 Error comparison between calculated value and actual production data of A CPF pressure

表4 K CPF进站温度计算值与实际生产数据误差对比Tab.4 Error comparison between the calculated value and actual production data of K CPF arrival temperature

图8 K CPF实际进站温度与两种高程数据源模拟计算结果对比Fig.8 Comparison between the actual arrival temperature of K CPF and the simulation results with two elevation data sources

5 结论

（1）在方案规划设计阶段，在GoogleEarth 上直接绘制管网图或输油气管线图，可以有效规避障碍物和不利地形，节省规划设计时间及管线测量费用。

（2）把GoogleEarth 上生成的管线地理信息数据导入PIPESIM 自带的GIS 底图上，在GIS 画布上自动捕获管线坐标点和高程数据，相比手动输入管线高程数据，大大缩短了建模时间，也避免了误输情况的发生。

（3）起点输送压力、末端进站温度模拟计算结果与实际生产数据对比，误差均小于10%，可靠性较高。