氣云成像泄漏監測技術在海上鉆井平臺的應用

冼敏元，薛晨亮，王 飛，蔣愛國

（中海油田服務股份有限公司，河北廊坊 065201）

0 引言

海上鉆井平臺是海上油田開發的重要設施，承擔了油田的勘探開發等多項任務。受空間和載荷等因素的限制，鉆井平臺具有設備設施集成度高、管線及閥門數量大、平臺分區和通風設計復雜等特點。同時，鉆井平臺上有大量高溫高壓系統，一旦發生事故海上逃生和救援的難度均比陸地大很多。

氣體探測系統是應對潛在氣體泄漏事故，提供可靠前期探測預警的有效手段。鉆井平臺在所有可燃或有毒氣體出現的設備和場所都布置了傳感器，一旦檢測到氣體泄漏將會自動激活報警系統，同時連接ESD（Emergency Shutdown Device，緊急停車裝置）系統，根據預設邏輯執行風、油等設備切斷動作，及時關斷風險源。

目前鉆井平臺所采用的氣體探測器仍以接觸式傳感器為主，單一類型的傳感器具有一定局限性。隨著技術的發展，氣云成像監測技術受到越來越多的關注，它可以更為精確地對氣體進行檢測識別，具有同時檢測多種氣體、實時顯示氣體擴散等優勢，可以與現有火氣系統形成互補，進一步提高油氣泄漏監測的可靠性。

1 鉆井平臺常用氣體探測系統

鉆井平臺主要可燃氣體和有毒氣體來源以泥漿循環系統為主，存在于地層之中的氣體進入泥漿循環系統后，隨鉆井液返出至平臺。可燃氣體主要為甲烷、乙烷等，有毒氣體主要為硫化氫和二氧化硫等，同時存在少量的其他有害氣體。與一般的油氣生產設施不同，泥漿循環系統是不封閉的，在鉆臺回流槽、振動篩、泥漿池等地方都與大氣連通。雖然在泥漿回路上設置了真空除氣器，但在氣體量大的情況下難免會出現氣體外漏。根據船級社規范，按照可燃氣體存在時間將平臺的區域分為3 個等級[1]：

0 區：易燃易爆氣體能夠持續或者長時間存在的區域。

1 區：易燃易爆氣體在正常的操作過程中可能存在的區域。

氣體探測器的布置應與危險區域劃分相互對應：監測的區域至少包括鉆井甲板、鉆井液處理區和油氣井測試區；1 類和2類危險區的圍蔽處所及其排風口處；與其相鄰接的非危險區域的通風進口處；井口、采油系統、油氣水處理及儲存裝置中有可能泄漏的地點；天然氣或原油為燃料的設備。盡可能地將探測器布置在潛在的可燃氣體釋放源處，從而在一定程度上提高探測器靈敏度的作用。此外，為防止有毒或可燃氣體進入生活區，生活區的進風口也需要設置探測器。

目前鉆井平臺上的氣體探測器以接觸式為主，另外有催化燃燒式和電化學式等，紅外式和超聲波式探測器數量較少。

（1）催化燃燒式傳感器一般用于檢測可燃氣體。其工作原理是在監測原件上配置催化劑，當存在可燃氣體時，氣體在催化作用下發生無焰燃燒、改變電阻絲溫度，從而使其電阻值發生變化。通過測量電阻值的變化程度，可以計算出氣體濃度。催化燃燒式傳感器成本低、技術成熟，應用廣泛，但因其催化燃燒的需要，檢測環境中必須有足夠氧氣，另外某些含鉛、硫（尤其是硫化氫）、硅、磷的化合物可能會使傳感器中毒失效，帶來安全隱患。

（2）電化學傳感器一般用于檢測有毒氣體。典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，通過電流與目標氣體發生反應，產生電信號來識別氣體。

在布置接觸式傳感器時，需要特別考慮檢測氣體的密度和檢測區域的空氣流動方向：有泄漏源的密閉空間，通常將傳感器布置在泄漏源的下風向；有吸入氣體可能的空間，通常將傳感器布置在進風口處；而室外開放空間，還要考慮平臺常年的主風向，由于平臺移動作業，通常需要在多個方向上增加探頭的數量。當有大量氣體泄漏時，泄漏方向也是需要重點考慮的問題[2]。

2 氣云成像技術簡介

2.1 技術原理

氣云成像（Gas Cloud Imaging，GCI）技術基于成像光譜測定法原理，利用成像光譜儀快照方法進行掃描。

成像光譜儀收集三個維度的數據，兩個空間（x，y）和一個光譜（λ），因此一個完整的數據集通常被稱為數據立方。不同類型成像光譜儀分類的最常用方法是通過單個探測器讀數收集的數據立方的比例。擺掃式光譜儀采用探測器線性陣列一次收集單列數據立方，從而掃描數據立方的兩個空間維度[3]。圖1b）為快照設備在單個探測器集成周期內收集的數據立方比例。

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圖1 擺掃式光譜儀工作原理

氣云成像技術是對傳統紅外探測技術的一種迭代升級。其原理是以周圍物體的黑體輻射為光源，捕捉光譜特征的變化。

自然界中的任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的性質，這些電磁波通常無法用人眼看到，但可以被攝像機捕捉到。當黑體輻射發出的電磁波穿過氣體云時，不同的氣體對黑體輻射的吸收所在的波長范圍和吸收峰是不同的。如甲烷（CH4）在7～8 μm，氨氣（NH3）在9～13 μm。GCI 攝像機的檢測范圍可達到3～14 μm，能夠快速、準確地檢測氣體泄漏的中波（3～8 μm）和長波（8～15 μm）紅外波段。一旦發現氣體泄漏，GCI 攝像機就會捕捉這些黑體輻射的特征值，并與已經儲存在后臺的大數據進行比對，以此推斷泄漏氣體的種類。

用眼睛看到的光只是光譜的一小部分，即0.4～0.7 μm 的“可見”區域。在較短的波長下是紫外線和X 射線，在更長的波長下是紅外、微波和無線電波。

GCI 技術可以通過一臺攝像機，同時檢測多種氣體的泄漏（圖2），通過對泄漏前后不同輻射量變化的對比，可以分別測量出氣體云中的每一種氣體的濃度。

圖2 GCI 攝像機

測量泄漏氣體濃度單位通常為百萬分之一。氣云成像技術測量濃度還要乘以氣云的大小，因此具體計算公式為：

測量氣體泄漏的常用單位為“立方英尺/分鐘”“千克/小時”或“克/分鐘”。

2.2 技術特點

與傳統接觸式傳感器相比，GCI 技術具有以下5 個優勢。

（1）同時識別多種氣體。通過大量的數據庫支持，GCI 技術可識別氣體種類達50 種以上，同一分析儀可同時檢測識別3～7種氣體。GCI 技術可識別的典型氣體有34 種，分別為丙酮、氨、苯、丙烷、丙烯、丁二烯、二氟乙烷、二甲苯、環氧乙烷、異丁烷、二氧化碳、甲苯、甲醇、甲烷、天然氣、六氟化硫、正丁烷、乙酸、乙烷、乙烯、異丁烯、正戊烷、亞硝酸甲酯、二氧化氮、氟利昂、四氟乙烯、偏二氟乙烯、丁烷、乙醇、異戊烷、二氧化硫、氯乙烯、對二甲苯（或間二甲苯）和硫化氫等。

（2）反應快。傳統接觸式傳感器需要氣體接觸并達到一定濃度，根據風向不同，反應時間從1 min 到幾分鐘不等。GCI 技術不需要傳感器與氣體進行接觸，因此反應速度更快，一般響應報警時間小于3 s。

（3）實時定位和顯示。鉆井平臺所用氣體探測系統通常將多個傳感器串聯在幾條回路中，報警時只能確定大概區域，難以精確定位[4]。GCI 技術可以通過實時動態畫面確定泄漏點，并顯示氣體飄流方向，指導人員疏散和搶險（圖3）。

圖3 合成實時監測圖像

（4）抗干擾能力強。目前世界領先的紅外識別技術可穿透雨、雪、霧等顆粒，在極端天氣下正常工作。傳統紅外探測技術因吸收光譜范圍窄，對水蒸汽會產生誤報，而GCI 的吸收光譜范圍較寬，對水蒸汽有良好的識別能力，可有效降低海上潮濕環境導致的誤報（圖4）。

圖4 甲烷、氨和水蒸汽的吸收光譜范圍

（5）壽命長、維護簡便。由于采用非接觸式檢測方法，探測器本身與外界相對隔離；且采用非制冷紅外高光譜相機，不需要制冷機，所以維護簡單，壽命長，且防爆性能更好。

但GCI 技術也有不足：①GCI 技術對于探測算法、氣體光譜特征識別、大數據存儲有著較高的技術要求，直接影響氣體的識別精度；②黑體輻射會被物體遮擋，對攝像機的視野有較高要求，不適用于空間狹小且遮擋較多的場所[4]；③目前的GCI 技術對于氫氣（H2）等單原子氣體的探測性能還不理想。

3 在海上鉆井平臺的應用

GCI 單臺設備最遠可探測1.5 km，配合攝像機360°旋轉，覆蓋面積達7 km2，非常適合大面積開放區域的氣體檢測，已在四川和東北多個陸地石油項目上成功應用，取得了較好的成果。

海上鉆井平臺的型長和型寬一般不超過80 m，主甲板面積不大于4000 m2，理論上單個GCI 設備的覆蓋面積足夠。但平臺具有獨特的性質：

（1）平臺結構復雜緊湊，不僅有開放的甲板、鉆臺區域，也有密閉和半密閉艙室，區間相互隔離。

（2）泥漿循環路徑為非封閉式，在振動篩、泥漿池等地方長期存在氣體外漏的風險。

（3）海洋高濕度高鹽的環境可能對設備造成腐蝕，泥漿、油污和化學藥劑等都有可能影響傳感器的正常工作。

2020 年GCI 技術在某海上鉆井平臺進行測試，為最大限度發揮技術優勢，選擇了主甲板、振動篩房和泥漿池3 個重點區域進行分布式監測（圖5、圖6）。該項測試的測試工具為8L 氣瓶，測試的氣體為甲烷和二氧化碳，測試結果均正確（表1）。

表1 GCI 系統測試項目

圖5 系統布置方案

圖6 攝像機安裝情況

經多次測試，GCI系統多次檢測到氣體泄漏，而同一場所內的接觸式傳感器未發出警報（圖7）。

圖7 氣體泄漏成像圖

因此可以得到以下結論：①以上測試，系統均能及時發出報警信號，并能及時在電腦上看到渲染畫面和羽流軌跡；②報警事件記錄，畫面清楚、時間準確、事件完整；③整個測試過程，符合測試規范，達到產品設計各項指標，測試成功。

4 結論和展望

氣云成像泄漏監測系統作為一種氣體監測新技術，具有靈敏度高、監測范圍大、抗干擾能力強等獨特優勢，這些特點可以與鉆井平臺現有監測手段形成互補，完善整個火氣系統。特別針對已知的高風險區域，氣云成像技術快速反應的特點可實現早發現、早判斷、早控制，為平臺應對處置提供寶貴的時間窗口，避免泄漏擴大造成嚴重的后果。