无人机在海外数字化油田中的应用

万里

(中国石油工程建设有限公司北京设计分公司,北京 100085)

0 引言

众所周知中东油田地表主要被沙漠及戈壁覆盖,生产开发过程中还存在一些需要大量人力物力来完成的工作,如井位踏勘、外协事件调查、线路施工监控、道路及线路巡查、突发事件处理、消防应急响应等。这一切都促使无人机应用得以开发和提高,达到降低员工劳动强度和作业风险,提高生产管理效率的目的。同时随着国外油田向着信息化、智能化转型,传统的油气行业也正在经历一场数字化变革。无人机协助建立的应用平台信息系统使空间信息的展示更加丰富、逼真,使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化。无人机以其自身突出的优点、高性价比等优势不断在油田生产中发挥重要的作用。

1 无人机的应用

针对海外油田、单井数量庞大、分布广泛的特点。要想实现无人机的多维度应用,就要在项目设计初期做到标准化,与业主沟通给出适应于现场特点的GIS平台设计方案。这样才能最大化节省人力劳动成本,减少巡检工作的风险。无人机的数字化应用主要表现在以下三方面[1]:

1.1 无人机参与完成的GIS(地理信息系统)

无人机参与完成下的GIS系统区别于传统公用数字地图的核心在于地理信息的及时更新且误差≤1m,国外的大部分油田地区均不具备google地图信息。传统数字地图缺点在于非定制化,不可编辑,并非专注于油田特点。本系统如图1 所示,采用基于WebGL的Cesium开源三维WebGIS开发框架,浏览器应用访问;使用通用、开放的协议、数据库类型,为后续数字化集成奠定基础。GIS技术能将油田海量空间信息如:单井、底下油气水管线、设备描述、环境道路等集成在一个公用数据库。并且可实现权限划分:安保部——关注道路及油区安防信息;生产&建设部——关注油井站场分布、底下管线走向及参数信息;电力部——主要关注站外架空线路日常巡检,以及电厂设备参数信息[2]。

图1 GIS系统Fig.1 GIS system

(1)基础环境层:提供环境空间信息共享服务平台的运行支撑环境,满足平台所要达到的数据存储能力、数据服务能力和网络环境要求,通过平台的安装部署,建成性能稳定的软硬件运行支撑环境。(2)数据层:通过数据传输平台实现数据的共享,并可在地理数据、基础数据基础上进行扩展,接入监测的数据。数据层总体分为地理信息数据库、基础数据库和接口数据库。(3)支撑层:为平台的中间层,其主要作用是支撑平台的正常运行。包括三维GIS平台、报表展示平台、通讯接口平台。(4)应用层分为三维可视化展示和综合展示系统两部分。应用功能包括安全监测、工艺推演,咨询与培训等。

同时需要注意的是:无人机作业过程中,电池续航、天气因素、操作精度及周边信号干扰等都成为影响工作效率的因素。同时这些因素可以相互配合、也会相互制约[3]。不可忽视的是,抗干扰级别和数据速率均属于连续变量,这两种变量和成本以及任何给定的范围均为反比关系。数据迭代技术不断发展,对系统软件和控制回路进行科学合理的设计可以灵活应对操作效率降低所引起的时间延迟,同时在低传输数据速率下也能将任务顺利完成。无人机在对需要勘测的地理信息时会将摄像头捕捉的正射影像、GPS位置数据回传地面数据接收终端,并同步修正航向、飞行姿态等。最终将重叠的高清图像通过WebGIS进行地理信息完善。

1.2 智能巡检

作位巡检使用的无人机更推荐固定翼结构形式。具有航程大,续航时间久、操控简单等优势,最大测区面积可达75km2。但同时,国外的一些区域飞行也需要提前向安保部门或者无线电委员会提前申请。固定翼式无人机巡检作为一种新兴的巡检技术手段,具有高效快速、准确全面的优势。可深入人工难以抵达的区域,进行实时的图像回传,提供数据支持。减轻人员现场排查工作量,保障管道、电力线路、井口平台等设备的安全运行,如图2 所示。对比测试下,相同工况条件,无人机智能巡视效率可达到传统巡检的8～10倍。

图2 无人机站场巡检Fig.2 UAV station inspection

随着工业级无人机的发展,现阶段已经可在正常工况下满足:近1小时飞行续航、25km数据回传,自动偏航修正等优势手段。同时全新的基于载波相位差分定位技术的无人机智能巡检方法也开始逐渐被广泛应用于海外油田。该方法在载波相位差分高精度定位技术的支撑下,首先由人工操控无人机进行线路巡检,再根据记录的巡检航迹提取航拍控制轨迹点精确的经纬度、海拔高度和每一航拍点的摄像头俯仰角度等信息,制定该线路的自主巡检方案,无死角、无盲区。可根据预制目标的GPS坐标点进行自动巡航飞行,这点更适应于海外油田巡检,实现无人机巡航的流程化和标准化。

应对不同工况如:(1)电力线路巡检。而无人机搭载双光相机和红外热像仪进行航拍,不受空间和地理位置的局限,既可采集判断绝缘端子破损情况,热像仪也可通过探测电塔端子处发出的红外线,判断是否出现短路过热,可在能见度低及危险性区域探测,两者技术的重叠能够用于实现故障和隐患自动识别[4];(2)消防救援。无人机可挂载热红外成像仪、夜视仪、喊话器、探照灯。更加高效的完成救援工作或者应对处理突发事件;(3)原油、天然气管线巡检[5]。除上述装置挂载外,也可挂载X光扫描设备。对地表管线的腐蚀情况进行排查。

在负载保障和续航满足情况下,无人机可同时搭载数据采集装置,与油田生产网互联,也可实现讲无人机作为小型数据移动基站使用。这对于井口数据的轻量化采集,实现数据云同步有着重要意义。今后更完善更先进的无人机应用平台的建立,将智能巡检、数据中端采集续传、应急响应等集成在一起。这也是无人机在未来数字化油田中所扮演的又一角色[6]。

1.3 三维建模及数据同步

随着对生产运营的水平要求越来越高,由GIS平台衍生出了三维可视化甚至是全息影像开始逐渐应用。结合设计图纸、无人机三轴拍摄现场实际数据、建立处理站与井场的数字化三维模型,并集成部分设备属性信息,通过模型的优化、处理和导入,集成到3D-GIS系统中,通过拖拽,可以轻松的创建各种油管、管汇、井口、油气设备。这些设备也可以通过平台进行新增和修改,并保存在油田生产服务器中。经过渲染器渲染后的场景即可展示在用户面前,实现二维和三维结合的可视化方式展示,如图3所示。使人们的视野从二维平面上升到三维立体空间,不再局限于二维平面图、剖面图等复杂、抽象的展现形式,而是通过三维实景、剖析仿真,直观展示场站与设备外部结构以及设备之间的关联关系,快速查看实时数据和历史数据,定位展示,使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化。结合原有的GIS系统,3D系统也可将处理场站根据要求分割成如:油、气、水、公共区域。更容易了解场站与设备内、外部结构的关联关系,动态的生产流程演示也方便辅助进行人员培训。对于设备的职能预定义,如各种探测器、报警器、CCTV的等级划分,也更有助于操作员的电子巡检及HSE安全排查[7]。

图3 三维模型Fig.3 Three dimensional model

2 结语

无人机作为新技术在油田领域的应用发展近10年,不断改进完善。在拍摄测量出的影像具有客观、真实、准确的特点。而且无人机航拍还具有速度快、成本低的技术优势。但无人机本身并不能独立实现所有功能,需要稳定的网络、后台数据分析、频段抗干扰及材料IP防护等多方面支持,才能在特点明显的海外油田工况下最大限度的节省日常巡检成本,提高生产效率。