無人機在海外數字化油田中的應用

萬里

(中國石油工程建設有限公司北京設計分公司,北京 100085)

0 引言

眾所周知中東油田地表主要被沙漠及戈壁覆蓋,生產開發過程中還存在一些需要大量人力物力來完成的工作,如井位踏勘、外協事件調查、線路施工監控、道路及線路巡查、突發事件處理、消防應急響應等。這一切都促使無人機應用得以開發和提高,達到降低員工勞動強度和作業風險,提高生產管理效率的目的。同時隨著國外油田向著信息化、智能化轉型,傳統的油氣行業也正在經歷一場數字化變革。無人機協助建立的應用平臺信息系統使空間信息的展示更加豐富、逼真,使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化。無人機以其自身突出的優點、高性價比等優勢不斷在油田生產中發揮重要的作用。

1 無人機的應用

針對海外油田、單井數量龐大、分布廣泛的特點。要想實現無人機的多維度應用,就要在項目設計初期做到標準化,與業主溝通給出適應于現場特點的GIS平臺設計方案。這樣才能最大化節省人力勞動成本,減少巡檢工作的風險。無人機的數字化應用主要表現在以下三方面[1]:

1.1 無人機參與完成的GIS(地理信息系統)

無人機參與完成下的GIS系統區別于傳統公用數字地圖的核心在于地理信息的及時更新且誤差≤1m,國外的大部分油田地區均不具備google地圖信息。傳統數字地圖缺點在于非定制化,不可編輯,并非專注于油田特點。本系統如圖1 所示,采用基于WebGL的Cesium開源三維WebGIS開發框架,瀏覽器應用訪問;使用通用、開放的協議、數據庫類型,為后續數字化集成奠定基礎。GIS技術能將油田海量空間信息如:單井、底下油氣水管線、設備描述、環境道路等集成在一個公用數據庫。并且可實現權限劃分:安保部——關注道路及油區安防信息;生產&建設部——關注油井站場分布、底下管線走向及參數信息;電力部——主要關注站外架空線路日常巡檢,以及電廠設備參數信息[2]。

圖1 GIS系統Fig.1 GIS system

(1)基礎環境層:提供環境空間信息共享服務平臺的運行支撐環境,滿足平臺所要達到的數據存儲能力、數據服務能力和網絡環境要求,通過平臺的安裝部署,建成性能穩定的軟硬件運行支撐環境。(2)數據層:通過數據傳輸平臺實現數據的共享,并可在地理數據、基礎數據基礎上進行擴展,接入監測的數據。數據層總體分為地理信息數據庫、基礎數據庫和接口數據庫。(3)支撐層:為平臺的中間層,其主要作用是支撐平臺的正常運行。包括三維GIS平臺、報表展示平臺、通訊接口平臺。(4)應用層分為三維可視化展示和綜合展示系統兩部分。應用功能包括安全監測、工藝推演,咨詢與培訓等。

同時需要注意的是:無人機作業過程中,電池續航、天氣因素、操作精度及周邊信號干擾等都成為影響工作效率的因素。同時這些因素可以相互配合、也會相互制約[3]。不可忽視的是,抗干擾級別和數據速率均屬于連續變量,這兩種變量和成本以及任何給定的范圍均為反比關系。數據迭代技術不斷發展,對系統軟件和控制回路進行科學合理的設計可以靈活應對操作效率降低所引起的時間延遲,同時在低傳輸數據速率下也能將任務順利完成。無人機在對需要勘測的地理信息時會將攝像頭捕捉的正射影像、GPS位置數據回傳地面數據接收終端,并同步修正航向、飛行姿態等。最終將重疊的高清圖像通過WebGIS進行地理信息完善。

1.2 智能巡檢

作位巡檢使用的無人機更推薦固定翼結構形式。具有航程大,續航時間久、操控簡單等優勢,最大測區面積可達75km2。但同時,國外的一些區域飛行也需要提前向安保部門或者無線電委員會提前申請。固定翼式無人機巡檢作為一種新興的巡檢技術手段,具有高效快速、準確全面的優勢?？缮钊肴斯るy以抵達的區域,進行實時的圖像回傳,提供數據支持。減輕人員現場排查工作量,保障管道、電力線路、井口平臺等設備的安全運行,如圖2 所示。對比測試下,相同工況條件,無人機智能巡視效率可達到傳統巡檢的8～10倍。

圖2 無人機站場巡檢Fig.2 UAV station inspection

隨著工業級無人機的發展,現階段已經可在正常工況下滿足:近1小時飛行續航、25km數據回傳,自動偏航修正等優勢手段。同時全新的基于載波相位差分定位技術的無人機智能巡檢方法也開始逐漸被廣泛應用于海外油田。該方法在載波相位差分高精度定位技術的支撐下,首先由人工操控無人機進行線路巡檢,再根據記錄的巡檢航跡提取航拍控制軌跡點精確的經緯度、海拔高度和每一航拍點的攝像頭俯仰角度等信息,制定該線路的自主巡檢方案,無死角、無盲區?？筛鶕A制目標的GPS坐標點進行自動巡航飛行,這點更適應于海外油田巡檢,實現無人機巡航的流程化和標準化。

應對不同工況如:(1)電力線路巡檢。而無人機搭載雙光相機和紅外熱像儀進行航拍,不受空間和地理位置的局限,既可采集判斷絕緣端子破損情況,熱像儀也可通過探測電塔端子處發出的紅外線,判斷是否出現短路過熱,可在能見度低及危險性區域探測,兩者技術的重疊能夠用于實現故障和隱患自動識別[4];(2)消防救援。無人機可掛載熱紅外成像儀、夜視儀、喊話器、探照燈。更加高效的完成救援工作或者應對處理突發事件;(3)原油、天然氣管線巡檢[5]。除上述裝置掛載外,也可掛載X光掃描設備。對地表管線的腐蝕情況進行排查。

在負載保障和續航滿足情況下,無人機可同時搭載數據采集裝置,與油田生產網互聯,也可實現講無人機作為小型數據移動基站使用。這對于井口數據的輕量化采集,實現數據云同步有著重要意義。今后更完善更先進的無人機應用平臺的建立,將智能巡檢、數據中端采集續傳、應急響應等集成在一起。這也是無人機在未來數字化油田中所扮演的又一角色[6]。

1.3 三維建模及數據同步

隨著對生產運營的水平要求越來越高,由GIS平臺衍生出了三維可視化甚至是全息影像開始逐漸應用。結合設計圖紙、無人機三軸拍攝現場實際數據、建立處理站與井場的數字化三維模型,并集成部分設備屬性信息,通過模型的優化、處理和導入,集成到3D-GIS系統中,通過拖拽,可以輕松的創建各種油管、管匯、井口、油氣設備。這些設備也可以通過平臺進行新增和修改,并保存在油田生產服務器中。經過渲染器渲染后的場景即可展示在用戶面前,實現二維和三維結合的可視化方式展示,如圖3所示。使人們的視野從二維平面上升到三維立體空間,不再局限于二維平面圖、剖面圖等復雜、抽象的展現形式,而是通過三維實景、剖析仿真,直觀展示場站與設備外部結構以及設備之間的關聯關系,快速查看實時數據和歷史數據,定位展示,使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化。結合原有的GIS系統,3D系統也可將處理場站根據要求分割成如:油、氣、水、公共區域。更容易了解場站與設備內、外部結構的關聯關系,動態的生產流程演示也方便輔助進行人員培訓。對于設備的職能預定義,如各種探測器、報警器、CCTV的等級劃分,也更有助于操作員的電子巡檢及HSE安全排查[7]。

圖3 三維模型Fig.3 Three dimensional model

2 結語

無人機作為新技術在油田領域的應用發展近10年,不斷改進完善。在拍攝測量出的影像具有客觀、真實、準確的特點。而且無人機航拍還具有速度快、成本低的技術優勢。但無人機本身并不能獨立實現所有功能,需要穩定的網絡、后臺數據分析、頻段抗干擾及材料IP防護等多方面支持,才能在特點明顯的海外油田工況下最大限度的節省日常巡檢成本,提高生產效率。