高含硫氣井測試現場大氣環境監測系統設計與應用

王 敏

（中國國際能源控股有限公司四川分公司，成都 610000）

為保障天然氣能源供給，能源企業加大了高含硫氣田開發力度。高含硫氣田開發期間，完成鉆完井作業后進行采氣生產前，通常需要進行現場投產測試作業。測試作業過程中集中放噴燃燒含硫天然氣通常需要持續數小時，測試燃燒期間會產生較多的二氧化硫、氮氧化物、硫化氫等污染氣體，容易造成局部區域大氣污染，影響周邊生態環境，甚至導致人畜中毒[1]。因此，需要在測試過程中建立環境監測預警體系，對測試排放的氣體和周邊環境質量進行連續監測，及時掌握環境中污染物的狀況，防止環境污染事故的發生[2]。

當前，高含硫氣井測試現場對大氣環境監測以地面固定式氣體報警儀和人工現場環境監測為主。例如，普光氣田高含硫氣井測試現場大氣環境監測就主要采用地面固定式氣體報警儀和現場人工環境監測[3]。鑒于硫化氫、二氧化硫等有毒有害氣體泄露或排放具有隱蔽性、突發性的特點，傳統地面監測手段很難滿足現場應急需求，特別是在地形復雜的地區，由于現場地形限制和現場風向不斷變化，人員很難第一時間到達現場開展應急監測，而且事故現場對監測人員的安全也很難保證。另外，由于現場氣象不斷變化，固定式監測儀器很難準確監測現場大氣污染擴散范圍和最大污染濃度。因此，發展有效的現場監測手段，構建響應迅速、高效便捷的現場大氣環境監測系統是提高應對現場環境污染事故能力的必然要求[4]。國內外已有單位研制了基于無人機平臺的大氣環境監測系統，解決了便攜式監測儀器很難及時、準確進行監測存在的問題，但是無人機監測平臺存在續航時間短的問題[5-7]。因此，有必要利用無人機監測系統優勢，結合地面無線多點大氣監測系統，構建天地一體化的環境監測系統，對周邊大氣環境進行監測預警，這對于保障含硫氣井測試的順利進行，防止現場環境污染具有重要意義。

本文結合高含硫氣井現場測試作業大氣環境監測的實際需求，設計了“天地一天化”現場監測預警體系，提出了體系框架并進行了功能設計，進行了現場應用。

1 總體設計

1.1 功能目標

系統利用微型多旋翼無人機響應快速、機動性能好、操控簡便、可垂直飛行等優勢，以無人機作為氣象及環境探測的載體，實現對近地面低空氣象和環境要素的定點、定時觀測；與地面無線大氣多點監測系統相結合，地面無線多點大氣監測系統是基于北斗/GPS定位系統，內置電化學傳感器，根據地面氣象監測數據，將監測點位布置在現場不同位置，構建現場“天地一體化”的環境監測預警系統，形成一套信息化平臺，借助物聯網通信和云服務，實現大氣環境質量數據實時收集、共享和應用，一旦發現現場大氣質量急劇惡化，立即采取措施。利用無人機飛行平臺系統和地面無線多點監測系統對大氣污染物進行實時、立體監測，并通過地面移動端、PC端實現實時數據可視化，數據超標自動報警，自主分析污染物數據并生成監測報告。

1.2 系統結構

系統包括地面無線大氣監測系統、地面氣象監測系統、無人機飛行平臺系統和地面數據接收系統。地面無線大氣監測系統包括10～20個監測傳感器，實時采集地面不同方位的大氣污染物濃度，包括二氧化硫、硫化氫、鹽酸、氮氧化物和揮發性有機物等；地面氣象監測系統設置在測試現場放噴口附近，用于實時監測污染源排放時氣象數據，包括溫度、濕度、氣壓、風向、風速等；無人機飛行平臺搭載氣象、大氣監測傳感器和高清相機，可以根據氣象條件實時動態跟蹤大氣污染物擴散，彌補地面固定無線監測點不足，對低空大氣污染物濃度實施動態監測；地面數據接收系統時將地面無線大氣監測系統、地面氣象監測系統、無人機飛行平臺數據進行輸出和分析，為現場測試人員提供決策依據，通過互聯網實現遠程數據共享。

2 系統模塊設計

2.1 地面無線多點大氣監測系統

地面無線多點大氣監測系統包括多臺具有遠距離無線通信功能無線復合式氣體檢測儀、1臺接收主機（便攜式多功能無線網關），高含硫氣井測試現場監測時，根據地形、氣象、環境敏感點等條件布設10臺以上無線復合氣體檢測儀，布點主要兼顧環境敏感點和主導風的下風向，形成地面大氣監測網絡。

無線復合氣體檢測儀是便攜式大氣環境監測平臺，內置氣體采樣泵，具有無線接收、發送設備，可用電池作為工作電源，便于攜帶，快速布防和應急處置。無線復合氣體檢測儀將GPS全球定位技術、氣體檢測技術和無線數據傳輸技術融為一體，具有高度的集成化；具有報警功能，被測氣體超標報警，超出儀表檢測量程報警；可通過GPS系統提供地圖定位顯示，監測位置一目了然；能夠實現遠程實時監控，實時數據及時更新。針對高含硫氣井測試大氣污染物特點，無線復合氣體檢測儀通常配置了二氧化硫、硫化氫、鹽酸、二氧化氮和一氧化碳5種電化學傳感器。

接收主機是一個高集成度的便攜式射頻調制解調器，它的主要功能為無線復合氣體檢測儀提供長距離的無線通信，實現數據的傳輸，無線復合氣體監測儀對現場大氣污染物濃度檢測后，隨時通過無線技術將實時數據傳輸至位于3 km外的現場地面數據接收系統，并可利用無線或有線網絡將實時數據上傳到位于更遠的地方。

2.2 無人機飛行平臺系統

無人機飛行平臺系統與傳統手工監測和地面固定傳感器監測方法相比，具有立體監測、響應速度快、監測范圍廣、地形干擾小等優點，可以實現精準監控。無人機飛行平臺集成氣體監測模塊、云臺相機模塊、氣象監測模塊。氣體監測模塊集成主動式新風系統和二氧化硫、硫化氫、鹽酸、揮發性有機物、一氧化碳、二氧化氮等6種氣體傳感器，可同時對大氣中微量的污染物進行實時監測，最高檢測精度達到亞納克級別；主動式新風系統讓內置的傳感器有效接觸到外界的空氣，并保證不同運動速度下傳感器內相對一致的氣體流速，提升檢測結果的準確性與一致性。平臺搭載云臺相機1臺，可以拍攝現場照片和視頻，發生事故時能夠將事故或放噴測試現場的畫面準確、及時傳送到應急決策中心，以便迅速決策。平臺搭載的溫度、濕度與壓力傳感器為每一組空氣污染數據提供溫濕度與高度等信息。

2.3 地面氣象監測系統

地面氣象監測系統主要是監測高含硫氣井測試作業放噴口地面氣象參數，為地面無線多點大氣監測系統優化布點和無人機飛行平臺系統監測提供依據。地面氣象監測系統為便攜式小型氣象儀，集成有風向、風速、溫度、濕度、氣壓等5中氣象參數監測裝置，搭載無線數據通信系統，現場地面氣象數據可以通過無線數據通信系統傳輸到地面數據接收系統。

2.4 地面數據接收系統

地面數據接收系統是一個集成可視化與分析軟件，可以實時將地面無線多點大氣監測系統、無人機飛行平臺系統、地面氣象監測系統數據可視化和統計分析，顯示遠端設備狀態信息、讀數和報警，并實現數據的存儲、打印。系統可對無人機飛行平臺采集的氣體數據進行實時、直觀的可視化分析，生成傳感器讀數變曲線圖、2D格柵化氣體分布圖、2D等高線氣體分布圖、3D點云氣體分布圖、3D氣體分布直方圖等多種可視化圖像，從而精確形象地獲得污染物數據。系統同時集成免費的谷歌地圖，將地面無線多點大氣監測系統各復合氣田檢測儀監測數據形象地展示在地圖上，可生成地面污染物濃度等值線分布圖、監測點污染物變化曲線圖。系統收集的氣象監測數據可以實時顯示氣象數據變化，生成氣象數據統計表和風向玫瑰圖等。

3 應用案例

某高含硫氣井位于四川東部山區，地形復雜，為測試該井天然氣產量，需要進行為期3 d的放噴點火測試，由于天然氣中含有硫化氫有毒氣體，天然氣放噴燃燒后生成二氧化硫等污染物，環境風險較大。企業環境監測人員利用本系統開展放噴測試期間現場大氣環境監測，現場按照地面氣象監測系統監測的氣象數據和環境敏感點的分布，布設了一套地面大氣無線多點監測系統，共計20個復合氣體檢測儀，并配置了一套無人機飛行平臺。正常情況下，地面數據接收系統將現場20個無線復合氣體檢測儀監測數據和地面氣象監測系統數據實時顯示給現場監測人員。當出現異常情況時，比如某點數據超標報警、數據不斷升高或風向等氣象條件發生顯著變化，無人機飛行平臺起飛，對異常點位上空進行監測，通過飛行軌跡控制巡航，確定大氣污染范圍和最高污染濃度，并將環境敏感點視頻傳回監測人員值班室。當超過預警值時，及時提醒工程人員停止施工或采取其他減少污染的措施。本系統對現場空氣質量進行了準確測定和預警，確保了測試工作的正常進行，避免了環境污染事故的發生。

4 結語

本系統通過應用基本實現了現場大氣環境實時、立體監測和預警功能。與傳統手工監測相比，本系統監測快速、成本低，實現了監測點定位、數據無線傳輸，數據實現可視化，確定了污染物的擴散濃度和范圍，便于環境監測人員清楚地了解現場污染情況，提醒工程人員及時做出相應的解決方案。將地面無線多點監測系統、地面氣象監測系統和無人機飛行平臺系統集成并應用于高含硫氣井測試現場環境監測是一個新的嘗試，具有較好的應用前景，但現在還沒有標準和規范，系統監測所獲得的數據只能用于內部環境控制，不能直接用于執法。天地一體化的環境監測系統在高含硫氣井測試現場環境監測過程中顯示出較好的應用前景，未來增加搭載遙感監測技術、紅外成像監測技術等新技術的監測系統將會有更廣闊的發展前景。