任 悅, 劉鎧銘, 楊舒迪, 李林遠(yuǎn), 張會(huì)珍

(東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

目前, 由于大部分油田均為典型的老區(qū)油田, 地理環(huán)境復(fù)雜, 管道規(guī)格連續(xù), 管理環(huán)節(jié)點(diǎn)多面廣, 針對(duì)管道規(guī)定中有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-2], 油田公司并不能完全適應(yīng)當(dāng)前大部分油田的現(xiàn)狀; 分級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)[3]較為粗糙, 不能有效劃分所有管道風(fēng)險(xiǎn)狀況; 層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)性較弱, 管道參數(shù)中存在冗余信息, 且由于未能有效結(jié)合現(xiàn)場管理經(jīng)驗(yàn), 需進(jìn)一步簡化高后果區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。因此, 根據(jù)油田生產(chǎn)特點(diǎn)和管道的應(yīng)用狀況[4-7], 制定適宜油田生產(chǎn)實(shí)際的管道分類方法和分類界限, 形成適合的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo), 進(jìn)而全面推進(jìn)油田管道完整性管理[8-9], 控制埋地管道腐蝕, 對(duì)提高油田管理水平、 控制改造投資、 降低安全風(fēng)險(xiǎn)、 提供運(yùn)行保障具有重要意義[10-11]。

筆者在給出確定的油田管道分級(jí)分類評(píng)價(jià)體系和獲得可信的油田管道數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上, 結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式, 通過數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)(GIS： Geographic Information System)圖形有效結(jié)合, 對(duì)油田管道的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證, 確定了該評(píng)價(jià)體系能方便、 快捷、 直觀地表達(dá)出管道完整性的信息, 對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有良好的指導(dǎo)意義。

1 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

在對(duì)管道進(jìn)行詳細(xì)分析前, 應(yīng)給出確定的管線評(píng)價(jià)體系。根據(jù)具體的評(píng)價(jià)體系確定管線的失效情況, 從而為管線的后期預(yù)防和防護(hù)做好基礎(chǔ)工作, 不斷改善識(shí)別到的不利影響因素, 從而將管道運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)水平控制在合理、 可接受的范圍內(nèi), 最終達(dá)到持續(xù)改進(jìn)、 減少和預(yù)防管道事故發(fā)生和經(jīng)濟(jì)合理地保證管道安全運(yùn)行的目的。筆者通過管道的分級(jí)分類模型和管道精細(xì)分類標(biāo)準(zhǔn)給出具體的評(píng)價(jià)體系。

1.1 管道分級(jí)分類模型

1.1.1 管道基礎(chǔ)分類標(biāo)準(zhǔn)

按照管線模型的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn), 考慮介質(zhì)類型、 壓力等級(jí)和管徑等因素, 對(duì)管道進(jìn)行初步分類, 劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類管道, 具體標(biāo)準(zhǔn)如表1～表4所示。

表1 采氣、 集氣、 注氣管道分類

表2 輸氣管道分類

表1, 表2中P為最近3年的最高運(yùn)行壓力,dDN為公稱直徑。硫化氫含量≥5%的原料氣管道, 直接劃分為Ⅰ類管道; Ⅰ、 Ⅱ類管道長度小于3 km的, 類別下降一級(jí); Ⅱ、Ⅲ類管道長度≥20 km的, 類別上升一級(jí); Ⅲ類管道中的高后果區(qū)管道, 類別上升一級(jí)。

表3 出油、 集油和輸油管道分類

表3中輸油管道按Ⅰ類管道處理; 液化氣、 輕烴管道, 類別上升一級(jí); Ⅰ、Ⅱ類管道長度小于3 km的, 類別下降一級(jí); Ⅲ類管道中的高后果區(qū)管道, 類別上升一級(jí)。

表4 供水、 注入管道分類

1.1.2 管道精細(xì)分類標(biāo)準(zhǔn)

1) 油集輸管道細(xì)分。根據(jù)油集輸管道特殊情況, 對(duì)其進(jìn)行再次細(xì)分。對(duì)Ⅲ類油系統(tǒng)管道進(jìn)一步細(xì)分, 共劃分3級(jí)4類管道, 具體分類細(xì)則如表5所示。

2) 注入管道細(xì)分。將dDN<200的注入管道, 按照運(yùn)行壓力和公稱直徑進(jìn)一步細(xì)分, 具體規(guī)則如表6所示。

表5 油集輸管道細(xì)分規(guī)則

表6 注入管道細(xì)分規(guī)則

1.2 高后果區(qū)識(shí)別模型

1.2.1 地區(qū)等級(jí)劃分

沿油氣管線中心線兩側(cè)各200 m范圍內(nèi), 管線的長度任意劃分為2 km, 并在該長度范圍內(nèi)管線的沿線包括最大聚居戶數(shù)的若干地段, 按照規(guī)則劃分為4個(gè)等級(jí)。在某些特殊場所, 如鄉(xiāng)村人口聚集的村莊、 大院及住宅樓, 應(yīng)將每一獨(dú)立戶作為一個(gè)供人居住的建筑物計(jì)算。具體的地區(qū)等級(jí)按下列規(guī)則劃分：

1) 將無永久性人員居住及不經(jīng)常有人活動(dòng)的地區(qū)劃分為1級(jí)1類地區(qū);

2) 將居住戶數(shù)≤15戶的區(qū)段定義為1級(jí)2類地區(qū);

3) 將15<戶數(shù)<100的區(qū)段定義為2級(jí)地區(qū);

4) 將戶數(shù)≥100的商業(yè)區(qū)、 工業(yè)區(qū)、 市郊居住區(qū)和規(guī)劃發(fā)展區(qū)以及達(dá)不到4級(jí)地區(qū)條件標(biāo)準(zhǔn)的人口稠密區(qū)等區(qū)段定義為3級(jí)地區(qū);

5) 將具有不計(jì)地下室層數(shù)的4層及4層以上樓房, 交通頻繁、 普遍比較集中和地下設(shè)施多的區(qū)段定義為4級(jí)地區(qū)。

1.2.2 油水管道識(shí)別項(xiàng)

在如表7所示的識(shí)別項(xiàng)中, 輸油管道經(jīng)過對(duì)應(yīng)的區(qū)域且符合其中任何一條的, 定義為高后果區(qū)。

表7 受輸油管道影響高后果區(qū)識(shí)別分級(jí)

1.2.3 輸氣管道識(shí)別項(xiàng)

在如表8所示的識(shí)別項(xiàng)中, 輸氣管道經(jīng)過對(duì)應(yīng)的區(qū)域并且符合任何一條的, 定義為高后果區(qū)。

1.2.4 特定場所分類

由于天然氣管道泄漏可能造成人員傷亡, 除3級(jí)、 4級(jí)地區(qū)以外, 還包括以下特定地區(qū)：

1) 托兒所、 幼兒園、 醫(yī)院、 學(xué)校、 養(yǎng)老院、 監(jiān)獄和商場等人群疏散困難的建筑區(qū)域?yàn)樘囟▓鏊?

表8 輸氣管道高后果區(qū)管段識(shí)別分級(jí)

2) 在一年時(shí)間內(nèi), 不連貫計(jì)算至少有50天聚集30人及以上的區(qū)域?yàn)樘囟▓鏊? 如集貿(mào)市場、 寺廟、 運(yùn)動(dòng)場、 廣場、 娛樂休閑地、 劇院和露營地等。

輸氣管道潛在影響半徑

其中d為管道外徑(單位： mm);p為管段最大允許操作壓力(單位： MPa);r為受影響區(qū)域半徑(單位： m)。系數(shù)0.099僅適用于天然氣管道。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)模型

1.3.1 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

圖1 油田管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程圖Fig.1 Flow chart of oilfield pipeline risk assessment

針對(duì)油田管道開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià), 主要包含以下步驟： 1) 確定評(píng)價(jià)對(duì)象; 2) 識(shí)別危害因素; 3) 數(shù)據(jù)采集與管段劃分; 4) 失效可能性分析; 5) 失效后果分析; 6) 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定; 7) 提出風(fēng)險(xiǎn)消減措施建議。詳細(xì)流程圖如圖1所示。

1.3.2 油田管道風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算規(guī)則

參照半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序, 按照失效后果評(píng)價(jià)和失效可能性評(píng)價(jià)兩方面計(jì)算管道風(fēng)險(xiǎn)。

1) 失效后果評(píng)價(jià)。失效后果主要考慮5個(gè)因素, 分別是輸送介質(zhì)、 敷設(shè)方式、 埋設(shè)地類、 管道類別和管道規(guī)格。在5個(gè)影響因素中, 根據(jù)輸送介質(zhì)從安全和環(huán)境影響兩方面評(píng)價(jià)失效后果, 要考慮敷設(shè)方式和埋設(shè)地類因素; 而從對(duì)生產(chǎn)的影響角度評(píng)估失效后果, 則考慮管道類別和管道規(guī)格因素。

2) 失效可能性評(píng)價(jià)。失效可能性從3方面的因素考慮, 即運(yùn)行年限、 穿孔次數(shù)和陰極保護(hù)。

3) 權(quán)重與綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。其主要包括失效后果因素權(quán)重和失效可能性權(quán)重, 對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)分別如表9和表10所示。

表9 失效后果因素權(quán)重系數(shù)

表10 失效可能性因素權(quán)重系數(shù)

按照風(fēng)險(xiǎn)的定義：R=CP, 根據(jù)單因素評(píng)價(jià)及確定的權(quán)重系數(shù), 進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算

R=(30C1+30C2+20C3+20C4)(40P1+40P2+20P3)

1.3.3 管道風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

圖2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布比例示意圖Fig.2 Schematic diagram of risk gradedistribution proportion

按照風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)R的計(jì)算結(jié)果, 根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值占總風(fēng)險(xiǎn)累計(jì)值比值的大小, 從高到低將比值最高的5%確定為特高風(fēng)險(xiǎn), 其次的10%確定高風(fēng)險(xiǎn), 后續(xù)的20%確定為中等風(fēng)險(xiǎn), 再次的50%確定為低風(fēng)險(xiǎn), 將最后的15%確定為特低風(fēng)險(xiǎn)。特高風(fēng)險(xiǎn)、 高風(fēng)險(xiǎn)、 中等風(fēng)險(xiǎn)、 低風(fēng)險(xiǎn)和特低風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積分布比例如圖2所示。

1.4 系統(tǒng)總體流程

為驗(yàn)證管道模型, 需構(gòu)建具有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的管道數(shù)據(jù)模型, 該模型既要考慮各個(gè)數(shù)據(jù)的耦合關(guān)系, 又要考慮耦合數(shù)據(jù)的外延特性, 從而形成一個(gè)交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)總體流程如圖3所示。該系統(tǒng)以O(shè)racle 10g數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ), 并網(wǎng)絡(luò)發(fā)布(Internet信息服務(wù))為共享服務(wù)端, 將整個(gè)平臺(tái)構(gòu)建為包含各個(gè)模塊的油田管道完整性體系： 數(shù)據(jù)錄入計(jì)算模塊、 管線及周邊建筑的繪制模塊以及結(jié)合評(píng)價(jià)體系所對(duì)應(yīng)的管線分類模塊構(gòu)成了管道數(shù)據(jù)的獲取和計(jì)算功能; 結(jié)合WebGIS服務(wù)器的搭建, 形成管線和高后果區(qū)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu); 根據(jù)前述的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定方法計(jì)算各段管道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模塊使圖形與數(shù)據(jù)有效結(jié)合, 從而構(gòu)建出以Internet+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的完備的管道完整性評(píng)價(jià)體系驗(yàn)證平臺(tái)。

圖3 系統(tǒng)總體流程框圖Fig.3 Flow chart of the system

2 系統(tǒng)應(yīng)用

收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并充分利用油田自身生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 結(jié)合如圖4所示的數(shù)據(jù)單條錄入或整體導(dǎo)入的方式, 構(gòu)建主要包括介質(zhì)類型、 運(yùn)行壓力、 運(yùn)行溫度、 長度、 年限、 起終點(diǎn)、 管道經(jīng)過區(qū)域, 以及穿孔次數(shù)、 穿孔泄漏量、 穿孔影響范圍、 穿孔影響的產(chǎn)量、 陰極保護(hù)狀況等油田管道完整性數(shù)據(jù)支撐內(nèi)容, 開展油田高后果區(qū)現(xiàn)場識(shí)別, 確定高后果區(qū)分布。如圖5所示, 在綜合分析現(xiàn)有和輸入或?qū)氲母黜?xiàng)數(shù)據(jù)后, 確定適用于油田的管道分類指標(biāo)和界限, 計(jì)算管線分類與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果。針對(duì)管線及周邊建筑、 環(huán)境、 重要企業(yè)等內(nèi)容完成管線繪制, 確定高后果區(qū)。利用WebGIS服務(wù)器構(gòu)建管線與高后果區(qū)的拓?fù)淠Ｐ? 以管道編號(hào)或管道周邊的屬性信息為關(guān)鍵字, 可顯示對(duì)應(yīng)管線的高后果區(qū)范圍及關(guān)聯(lián)的屬性信息(見圖6)。這對(duì)提升數(shù)據(jù)的可視化程度, 使用戶獲得對(duì)圖形和數(shù)據(jù)的直觀體會(huì), 具有積極意義。相比傳統(tǒng)的管道完整性管理方式, 該系統(tǒng)既以可視化方式展示數(shù)據(jù), 又發(fā)揮Internet的優(yōu)勢, 使用戶不單純局限于臺(tái)式機(jī)前, 也可通過移動(dòng)客戶端隨時(shí)掌握當(dāng)前管道的運(yùn)行狀況, 用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖4 管道數(shù)據(jù)錄入和導(dǎo)入功能Fig.4 Pipeline data type-in and import function

圖5 管線風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of pipeline risk level

圖6 管線高后果區(qū)展示及查詢結(jié)果Fig.6 Pipeline high consequence area display and query results

3 結(jié) 語

筆者在綜合分析油田管道完整性評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上, 針對(duì)大量冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行有效篩選, 給出油田管道定性分析和定量計(jì)算方法, 通過互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式建立油田管道完整性數(shù)據(jù)管理平臺(tái), 該平臺(tái)按風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法和管道自動(dòng)分類準(zhǔn)則對(duì)其進(jìn)行分類, 將管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果以數(shù)據(jù)表格量化的方式表示, 為管理者的指揮和決策提供依據(jù)。同時(shí), 利用地理信息技術(shù), 根據(jù)管線數(shù)據(jù)繪制高后果區(qū)地圖, 通過地圖中空間數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中屬性數(shù)據(jù)交叉匹配查詢, 對(duì)數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行有效展示。這對(duì)于提升管道的管理水平和減小管道失效的影響, 具有積極的意義。