气云成像泄漏监测技术在海上钻井平台的应用

冼敏元，薛晨亮，王 飞，蒋爱国

（中海油田服务股份有限公司，河北廊坊 065201）

0 引言

海上钻井平台是海上油田开发的重要设施，承担了油田的勘探开发等多项任务。受空间和载荷等因素的限制，钻井平台具有设备设施集成度高、管线及阀门数量大、平台分区和通风设计复杂等特点。同时，钻井平台上有大量高温高压系统，一旦发生事故海上逃生和救援的难度均比陆地大很多。

气体探测系统是应对潜在气体泄漏事故，提供可靠前期探测预警的有效手段。钻井平台在所有可燃或有毒气体出现的设备和场所都布置了传感器，一旦检测到气体泄漏将会自动激活报警系统，同时连接ESD（Emergency Shutdown Device，紧急停车装置）系统，根据预设逻辑执行风、油等设备切断动作，及时关断风险源。

目前钻井平台所采用的气体探测器仍以接触式传感器为主，单一类型的传感器具有一定局限性。随着技术的发展，气云成像监测技术受到越来越多的关注，它可以更为精确地对气体进行检测识别，具有同时检测多种气体、实时显示气体扩散等优势，可以与现有火气系统形成互补，进一步提高油气泄漏监测的可靠性。

1 钻井平台常用气体探测系统

钻井平台主要可燃气体和有毒气体来源以泥浆循环系统为主，存在于地层之中的气体进入泥浆循环系统后，随钻井液返出至平台。可燃气体主要为甲烷、乙烷等，有毒气体主要为硫化氢和二氧化硫等，同时存在少量的其他有害气体。与一般的油气生产设施不同，泥浆循环系统是不封闭的，在钻台回流槽、振动筛、泥浆池等地方都与大气连通。虽然在泥浆回路上设置了真空除气器，但在气体量大的情况下难免会出现气体外漏。根据船级社规范，按照可燃气体存在时间将平台的区域分为3 个等级[1]：

0 区：易燃易爆气体能够持续或者长时间存在的区域。

1 区：易燃易爆气体在正常的操作过程中可能存在的区域。

气体探测器的布置应与危险区域划分相互对应：监测的区域至少包括钻井甲板、钻井液处理区和油气井测试区；1 类和2类危险区的围蔽处所及其排风口处；与其相邻接的非危险区域的通风进口处；井口、采油系统、油气水处理及储存装置中有可能泄漏的地点；天然气或原油为燃料的设备。尽可能地将探测器布置在潜在的可燃气体释放源处，从而在一定程度上提高探测器灵敏度的作用。此外，为防止有毒或可燃气体进入生活区，生活区的进风口也需要设置探测器。

目前钻井平台上的气体探测器以接触式为主，另外有催化燃烧式和电化学式等，红外式和超声波式探测器数量较少。

（1）催化燃烧式传感器一般用于检测可燃气体。其工作原理是在监测原件上配置催化剂，当存在可燃气体时，气体在催化作用下发生无焰燃烧、改变电阻丝温度，从而使其电阻值发生变化。通过测量电阻值的变化程度，可以计算出气体浓度。催化燃烧式传感器成本低、技术成熟，应用广泛，但因其催化燃烧的需要，检测环境中必须有足够氧气，另外某些含铅、硫（尤其是硫化氢）、硅、磷的化合物可能会使传感器中毒失效，带来安全隐患。

（2）电化学传感器一般用于检测有毒气体。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，通过电流与目标气体发生反应，产生电信号来识别气体。

在布置接触式传感器时，需要特别考虑检测气体的密度和检测区域的空气流动方向：有泄漏源的密闭空间，通常将传感器布置在泄漏源的下风向；有吸入气体可能的空间，通常将传感器布置在进风口处；而室外开放空间，还要考虑平台常年的主风向，由于平台移动作业，通常需要在多个方向上增加探头的数量。当有大量气体泄漏时，泄漏方向也是需要重点考虑的问题[2]。

2 气云成像技术简介

2.1 技术原理

气云成像（Gas Cloud Imaging，GCI）技术基于成像光谱测定法原理，利用成像光谱仪快照方法进行扫描。

成像光谱仪收集三个维度的数据，两个空间（x，y）和一个光谱（λ），因此一个完整的数据集通常被称为数据立方。不同类型成像光谱仪分类的最常用方法是通过单个探测器读数收集的数据立方的比例。摆扫式光谱仪采用探测器线性阵列一次收集单列数据立方，从而扫描数据立方的两个空间维度[3]。图1b）为快照设备在单个探测器集成周期内收集的数据立方比例。

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图1 摆扫式光谱仪工作原理

气云成像技术是对传统红外探测技术的一种迭代升级。其原理是以周围物体的黑体辐射为光源，捕捉光谱特征的变化。

自然界中的任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质，这些电磁波通常无法用人眼看到，但可以被摄像机捕捉到。当黑体辐射发出的电磁波穿过气体云时，不同的气体对黑体辐射的吸收所在的波长范围和吸收峰是不同的。如甲烷（CH4）在7～8 μm，氨气（NH3）在9～13 μm。GCI 摄像机的检测范围可达到3～14 μm，能够快速、准确地检测气体泄漏的中波（3～8 μm）和长波（8～15 μm）红外波段。一旦发现气体泄漏，GCI 摄像机就会捕捉这些黑体辐射的特征值，并与已经储存在后台的大数据进行比对，以此推断泄漏气体的种类。

用眼睛看到的光只是光谱的一小部分，即0.4～0.7 μm 的“可见”区域。在较短的波长下是紫外线和X 射线，在更长的波长下是红外、微波和无线电波。

GCI 技术可以通过一台摄像机，同时检测多种气体的泄漏（图2），通过对泄漏前后不同辐射量变化的对比，可以分别测量出气体云中的每一种气体的浓度。

图2 GCI 摄像机

测量泄漏气体浓度单位通常为百万分之一。气云成像技术测量浓度还要乘以气云的大小，因此具体计算公式为：

测量气体泄漏的常用单位为“立方英尺/分钟”“千克/小时”或“克/分钟”。

2.2 技术特点

与传统接触式传感器相比，GCI 技术具有以下5 个优势。

（1）同时识别多种气体。通过大量的数据库支持，GCI 技术可识别气体种类达50 种以上，同一分析仪可同时检测识别3～7种气体。GCI 技术可识别的典型气体有34 种，分别为丙酮、氨、苯、丙烷、丙烯、丁二烯、二氟乙烷、二甲苯、环氧乙烷、异丁烷、二氧化碳、甲苯、甲醇、甲烷、天然气、六氟化硫、正丁烷、乙酸、乙烷、乙烯、异丁烯、正戊烷、亚硝酸甲酯、二氧化氮、氟利昂、四氟乙烯、偏二氟乙烯、丁烷、乙醇、异戊烷、二氧化硫、氯乙烯、对二甲苯（或间二甲苯）和硫化氢等。

（2）反应快。传统接触式传感器需要气体接触并达到一定浓度，根据风向不同，反应时间从1 min 到几分钟不等。GCI 技术不需要传感器与气体进行接触，因此反应速度更快，一般响应报警时间小于3 s。

（3）实时定位和显示。钻井平台所用气体探测系统通常将多个传感器串联在几条回路中，报警时只能确定大概区域，难以精确定位[4]。GCI 技术可以通过实时动态画面确定泄漏点，并显示气体飘流方向，指导人员疏散和抢险（图3）。

图3 合成实时监测图像

（4）抗干扰能力强。目前世界领先的红外识别技术可穿透雨、雪、雾等颗粒，在极端天气下正常工作。传统红外探测技术因吸收光谱范围窄，对水蒸汽会产生误报，而GCI 的吸收光谱范围较宽，对水蒸汽有良好的识别能力，可有效降低海上潮湿环境导致的误报（图4）。

图4 甲烷、氨和水蒸汽的吸收光谱范围

（5）寿命长、维护简便。由于采用非接触式检测方法，探测器本身与外界相对隔离；且采用非制冷红外高光谱相机，不需要制冷机，所以维护简单，寿命长，且防爆性能更好。

但GCI 技术也有不足：①GCI 技术对于探测算法、气体光谱特征识别、大数据存储有着较高的技术要求，直接影响气体的识别精度；②黑体辐射会被物体遮挡，对摄像机的视野有较高要求，不适用于空间狭小且遮挡较多的场所[4]；③目前的GCI 技术对于氢气（H2）等单原子气体的探测性能还不理想。

3 在海上钻井平台的应用

GCI 单台设备最远可探测1.5 km，配合摄像机360°旋转，覆盖面积达7 km2，非常适合大面积开放区域的气体检测，已在四川和东北多个陆地石油项目上成功应用，取得了较好的成果。

海上钻井平台的型长和型宽一般不超过80 m，主甲板面积不大于4000 m2，理论上单个GCI 设备的覆盖面积足够。但平台具有独特的性质：

（1）平台结构复杂紧凑，不仅有开放的甲板、钻台区域，也有密闭和半密闭舱室，区间相互隔离。

（2）泥浆循环路径为非封闭式，在振动筛、泥浆池等地方长期存在气体外漏的风险。

（3）海洋高湿度高盐的环境可能对设备造成腐蚀，泥浆、油污和化学药剂等都有可能影响传感器的正常工作。

2020 年GCI 技术在某海上钻井平台进行测试，为最大限度发挥技术优势，选择了主甲板、振动筛房和泥浆池3 个重点区域进行分布式监测（图5、图6）。该项测试的测试工具为8L 气瓶，测试的气体为甲烷和二氧化碳，测试结果均正确（表1）。

表1 GCI 系统测试项目

图5 系统布置方案

图6 摄像机安装情况

经多次测试，GCI系统多次检测到气体泄漏，而同一场所内的接触式传感器未发出警报（图7）。

图7 气体泄漏成像图

因此可以得到以下结论：①以上测试，系统均能及时发出报警信号，并能及时在电脑上看到渲染画面和羽流轨迹；②报警事件记录，画面清楚、时间准确、事件完整；③整个测试过程，符合测试规范，达到产品设计各项指标，测试成功。

4 结论和展望

气云成像泄漏监测系统作为一种气体监测新技术，具有灵敏度高、监测范围大、抗干扰能力强等独特优势，这些特点可以与钻井平台现有监测手段形成互补，完善整个火气系统。特别针对已知的高风险区域，气云成像技术快速反应的特点可实现早发现、早判断、早控制，为平台应对处置提供宝贵的时间窗口，避免泄漏扩大造成严重的后果。