黄土塬地区油气管道智能化预警建设探索

王昌尧 王斐 霍富永 王博 白剑锋 朱源

长庆工程设计有限公司

数字化管道即在国家地理信息基础数据上，通过全球定位系统（GPS）、数据采集系统（SCADA）、业务管理信息系统（ERP）、计算机网络和多媒体技术等手段，获得包括管线周围的卫星遥感影像、经济数据、社区数据、环境资源数据、地面动态监控视频以及其他相关文档管理等资料，并通过构建一个数字化的平台，利用局域网或互联网将这些数据资料集成到该平台上，从而实现管道的信息化。

智能化管道是指利用现代通信与信息技术、计算机网络、自动控制技术，通过数据采集系统，（SCADA）针对整个管线系统进行智能整合，通过远程终端单元（RTU）、可编程逻辑控制器（PLC）或其他设备的输入/输出监控数据实现实时信息收集和反馈，达到进行远程实时控制的目的。

管道实现智能化与数字化后，未来运营过程中，通过与管道真实地理位置关联检索，可以获得能充分反映管道一定范围内真实情况的二维、三维实时数据，通过这些数据可以在线路日常运营管理、环保预警、风险评估、抢险救灾等情况下为决策者和管理者提供及时而重要的依据[1-6]。

1 研究背景

长庆油田地处鄂尔多斯盆地，横跨陕甘宁蒙晋5 省（区），自20 世纪70 年代以来，历经50 年勘探开发，先后开发了多个区块，形成了“油气并举，协调发展”的格局，是我国重要的油气生产基地。鄂尔多斯盆地北部是荒原大漠，南部是黄土高原，区域沟壑纵横、梁峁交错。水源、林缘、沙地、自然保护区较多，矿权范围内涉及环境敏感区多。

近年来长庆油田油气管道建设进入快速发展期，沿线地貌以黄土梁峁及沟壑为主，地质条件复杂，地势起伏大且地质灾害频发，传统管理手段难以对黄土塬区管道运行及建设风险进行有效辨识与管控。不同于沙漠及平原地区，长庆油田管线所处黄河上游水系特殊地理位置及梁峁沟壑纵横的湿陷性地质条件，管道失效泄漏造成的影响难以估量。因此，针对管道风险管控的重难点问题，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续提升，推动管道完整性管理[7-10]，降低管道运行风险。

2 黄土塬地区油气管道管控难点

2.1 油田生态环境脆弱、社会环境复杂

长庆油田开发区域跨度大，区内生态脆弱，敏感保护目标众多且保护范围逐年扩大，共涉及河流、水库及水源保护区以及自然保护区。环境敏感区已建生产设施众多，随着修订后的《中华人民共和国环境保护法》（2014 年修）和《中华人民共和国水污染防治法》（2017 年修）实施，对环境敏感区污染事故的执法力度明显加大，有部分生产设施位于环境敏感区、水源保护区附近及其上游，一旦发生原油泄漏，企业面临巨大的法律风险。

油区地质地貌复杂，管道线路沿梁峁、河流或公路敷设，沿线地形复杂破碎。随着开发时间延长，部分管道通过地段受到自然灾害的影响，容易导致泄漏，泄漏后易顺坡汇集至河、沟等敏感区，并且受地形限制维抢修难度大。另外，随着当地经济发展、新农村及工业园区建设的增加，高速公路、铁路和村村通道路的修建，越来越多的管道被占压，难以保证管道安全运行。鄂力多斯地区环境敏感区分布如图1 所示。

图1 鄂尔多斯盆地环境敏感区分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the distribution of environmentally sensitive areas in the Ordos Basin

2.2 油田所处黄土高原极易引发地质灾害

油田管道建设主要揭露地层为新生界第四系，南部黄土高原经过200 多万年的风雨沧桑，沉积了200 多米厚的第四系原生黄土，经过洪积、冲积改造形成了次生黄土。其结构松散、孔隙众多、垂直节理、富含可溶性矿物，遇水极易沉陷，从而发生地质灾害，给管道安全运行带来风险。本油田地质灾害导致管道失效示意图如图2 所示。

图2 地质灾害导致管道失效示意图Fig.2 Schematic diagram of pipeline failure caused by geological disasters

地质灾害主要分为崩塌、滑坡、地面沦陷以及水毁。

2.3 管道输送介质复杂，管线腐蚀严重

随着部分主力油藏进入开发中后期，油田综合含水率上升至中高含水期，介质发生变化导致腐蚀加速，造成管线腐蚀穿孔频发。当含水率＜60%时，形成油包水型乳状液，发生腐蚀的倾向较小；当水含率≥60%时，形成水包油型乳状液，发生腐蚀的倾向较大。管道腐蚀穿孔如图3 所示。

图3 管道腐蚀穿孔Fig.3 Corrosion and perforation of pipeline

3 黄土塬地区油气管道智能化建设

3.1 建设思路

充分贯彻管道完整性管理理念，依托数字化与智能化反映管道一定范围内真实情况的实时数据，做到合理可行、分类分级、风险优先、有序分析。突出“两个优先”与“四个结合”的建设思路，即优先配套服役时间长的管道、优先配套地质灾害对管道安全造成较大影响的管道；与安全环保、生产运行、敏感程度、城镇规划相结合。

3.2 建设实践

（1）管道泄漏报警定位系统。单机版泄漏监控系统大多在接转站及以上级别输油管道，其技术单一、可靠性低、误报率高、投资高、适用工况范围受限等问题突出[11]。集群化管道泄漏监测系统是采用“智能流量平衡+3D 水体力学+负压波+机器学习”多技术为一体的综合监测预警系统，采用机器学习不断优化监测模型，多算法融合提升监测精度，解决了传统的负压波、流量平衡法应用于长庆油田集输管道泄漏监测误报率高、适用范围受限等问题。

新系统融合了负压波、流量平衡、水体力学、机器学习等多种算法为一体，可靠性更高，降低误报率，改变了单点监控模式，实现集中监控管理。报警信息多层级推送，处置环节闭合管理。以采油厂为单位，一次性建立厂级监测系统，基于互联网（WEB）的服务应用，可满足中心站、作业区、厂级调控中心、公司平台的集中化监控。泄漏监测系统数据采集传输流程如图4 所示。

图4 泄漏监测系统数据采集传输流程Fig.4 Data collection and transmission process of leakage monitoring system

（2）穿跨越视频监控系统。目前已实现部分高后果区的视频监控，但监控率不足10%，近期通过对油气管道高后果区安全风险分析，识别出上千处穿跨越管线需要完善监控覆盖，并通过统一平台完成视频集成及分析预警。结合管线高后果区管理的整体需求和系统架构设计，视频监控系统作为子系统设计，根据视频图像分析识别到人员、山体滑坡、大型车辆等异常闯入情况后，系统自动保存异常照片，生成预警信息，在入侵检测报警中心模块显示，人员审核确认后，可自动关联到管道完整性管理系统，作为管道资料留存。

系统对高后果区实施视频全覆盖，消除监控盲区；从人工巡查到个性化自动轮巡，有效节约人力，提高效率；从被动监控到主动预警，减少损失，提高应急处置能力。视频统一管理，全局共享；打破系统互通壁垒，可视化辅助管道完整性管理。穿跨越视频监控系统架构如图5 所示。

图5 穿跨越视频监控系统架构Fig.5 Crossing video monitoring system architecture

（3）全自动水面溢油监测系统。水源地保护责任大，风险高；输油（水）管线泄漏事件在汛期尤其突发、多发，不但造成了经济损失、环境污染同时面临着环保追责，给油田带来巨大负面影响。全自动水面浮油监测报警系统，为黄土高原地区复杂恶劣的环境、气候和水文条件下的河道溢油监测提供了创新性解决办法。系统由远程监控平台、现场监测报警设备、供电及通信线路三部分组成，各平台接入数据和权限管理可做不同设置。适应野外恶劣环境，可现场监测、远程报警、指挥调度，在紧急情况启动拦油坝、关闭截止阀。水面溢油监测系统应用实例如图6 所示。

图6 水面溢油监测系统应用实例Fig.6 Application example of oil spill monitoring system on water surface

（4）腐蚀监测系统。综合技术原理、成本、应用效果，腐蚀监测系统采用实物挂片为主了解腐蚀、结垢形态，电阻/电感探针实时监测管输介质腐蚀速率，超声波在线监测实时监控管道壁厚情况。将数据通过无线收发器接入油田数字化系统，传送到中央监控系统，实现现场腐蚀数据的网络化和可视化，极大提高腐蚀监测自动化水平。

遵循“区域性、代表性、系统性”原则，在集输流程及注水系统安装腐蚀监测装置，覆盖油田主要区块，初步形成腐蚀监测分布图。掌握油田管输介质腐蚀情况，区域腐蚀情况，为下步防腐施工提供依据。根据腐蚀监测结果划分风险区，便于管道的分级管理，了解环境参数对管道腐蚀规律，评估腐蚀控制技术的有效性。远程腐蚀监测与控制系统示意图如图7 所示。

图7 远程腐蚀监测与控制系统示意图Fig.7 Schematic diagram of remote corrosion monitoring and control system

（5）管道应力监测系统。采用管道应力在线检测技术，实现对管道应力变化进行实时监控，避免管道由于应力作用发生破裂[12]。该技术是通过检测管道在外力作用下的弯曲应力或应变，与容许应力或容许应变进行比较，并分析评价管道的力学状态，及时发布预警信息。检测数据通过4G 无线传输方式上传至监控平台，通过平台实现管道应力监测，分级预警、历史数据存储等功能。

（6）管道光缆振动预警在线监测。管道安装光纤振动安全预警系统，即利用管道同沟光缆作为传感器，实时感应管道沿线的土壤振动信号，通过智能识别分析，对威胁管道安全的机械施工、人工挖掘和自然灾害等危险事件进行预警和定位，通知巡线人员赶赴现场查看，制止破坏事件进一步恶化[13]。

满足同沟敷设光缆的管道安装定位型光纤振动安全预警系统，通过光纤感知振动信号，基于智能算法识别引起振动以及破坏光缆的危害事件，最终实现生产场所和气田管道的入侵监测，从而提高气田管道的安全管控。

不满足同沟敷设光缆条件的管道安装防区型光纤振动安全预警系统，即在重点部位重新铺设光缆，利用无线传输信号，实现气田管道的入侵监测，从而提高油气管道的安全管控。

（7）智能设备巡线。无人机巡线时，将管线坐标输入飞控系统，无人机根据GPS 导航沿管线巡航。机体搭载测绘相机对管线地表地理信息进行测绘，调控中心通过高清图片对比，对管道占压、管线裸露、标识桩察验、防风固沙、防洪防汛等工作进行巡查，发现异常及时组织人员进行处置。

4 结论

根据黄土塬地区油气管道管控难点，以及油田生产现场应用中面临的问题，针对性地给出了油气管道的智能化探索实践建设思路，形成了适用于区域特点的手段与方法，完善了管道完整性管理信息系统，针对性强。为油田各级管理部门、生产单位提供准确、全面、可靠的技术支撑，实现了如下三点建设目标：

（1）管道完整性数据库系统。实现地理环境数据、管道空间数据、属性数据、完整性数据、地物风险要素等的集中存储与管理。

（2）数据模型与管理流程规范化。强化管道的各类数据模型结构的统一规范以及管道完整性的循环闭合管理。

（3）系统分析降低人工依赖度。建立管道风险评估算法体系，实现管道高后果区自动识别、管段自动划分、失效分析、失效后果评估、管道风险评级、效能评价。