无人机巡检系统在油田生产领域的应用研究

新疆油田公司工程技术研究院

油田数字化管理相比传统管理方式而言，可减员30%以上。目前部分油田分布在戈壁、盐沼、高山、沟壑、低洼等区域，地理环境较为复杂，地面设备投产后其生产和维护管理完全依靠人工巡检，不仅增加了人员的工作量和难度，也大幅增加了投入成本，影响油田的正常生产，已无法满足数字化油田建设的要求。随着无人机[1]的飞行控制、稳定性、无线信息传输、路径规划、智能识别、快速高清成像等技术的发展，无人机开始在各行业得到广泛的应用，取得了显著的成果[2-3]。无人机巡检技术是利用可见光及红外热像仪等巡检设备在无人驾驶的飞行器上进行巡视检查，其优点[4-5]在于：实时获取数据；受地理环境约束小；针对性强；安全性能高。无人机巡检技术可完全替代人工巡检，可识别电力、油井、管道等多种缺陷及隐患，获取实时准确的现场基础资料，及时反馈，发挥了“无人机+巡检”技术的优势，为油田的智能化建设与生产维护提供技术手段，在油田生产领域设备的系统维护中起到了关键性作用。

1 无人机巡检系统

无人机巡检系统是集合地理信息（GIS）、图像识别、物理网、信息处理、航空、专业基础数据、气象于一体的系统[6]，该系统建立在遥感技术应用的基础上，包括数据的获取、无人机平台、巡检监控管理、通信链路、安全生产系统以及地面数据处理系统[7]，其中巡检监控管理系统是无人机信息化与智能化的关键系统，由无人机台账管理、巡视作业全过程管理、机巡作业监控、数据分析构成，其具体内容见图1。

2 无人机巡检技术

图1 无人机巡检监控管理系统Fig.1 Monitoring and management system of unmanned aerial vehicle inspection

目前，无人机主要分为三大类：固定翼无人机、旋翼无人机、多旋翼无人机。多旋翼无人机[8]具有智能化程度高、系统性稳定、机动灵活、实用性强的特点而被广泛应用，该无人机可实现长距离精细化巡检任务，可根据油田生产需求进行地形勘测与选址优化、配电线路巡检、管道巡检、应急抢险及综治排查等作业，可将获取的图像数据实时发送到地面基站，地面基站可随时传输指令，精准到达指定地点采集拍摄数据，具有处理时间短和全方位检测的功能。而长距离精细化机巡对无人机的续航时间、避障能力、承受风速、海拔、搭载设备及悬停稳定性提出了更高的要求。以中型“可见光+红外线”巡检无人机为例，其飞行器和搭载设备的参数和性能见表1、表2。飞行器使用RTP 可避免电磁干扰，IP43 防护等级，可在严苛环境下飞行；在低温作业环境下电池可自加热；飞行器可折叠，适应单人携带；飞行器具有前向避障功能可保障作业安全。飞行器最大时速为10 m/s，可实现15.6 km 的长距离高温点巡检工作，与人工巡检模式相比具有绝对的优势和可靠性。

（1）地形勘测与选址优化。在油田产能建设过程中或在站址部署上，无人机因不受地形因素和区域限制可实行航拍，通过“无人机+专业软件”绘制二维通道走廊拼接图和三维地形图，可根据油气管线、水电路信的GPS（全球定位系统）坐标在地图上标识出相应完整的走向图，可建立一套数字三维地形地貌图，通过已建立或规划的油气管线、水电路信的走向图，可优化新建站址部署位置，为地面建设产能方案中的油气走向、站址及水电路信设计的优化提出论证依据，大幅减少了人工测绘的工作量。

表1 飞行器的主要参数和性能Tab.1 Main parameters and performance of aircraft

（2）配电线路巡检。无人机配电线路巡检技术在电力行业已广泛应用且技术成熟，通过多旋翼无人机可完成日常巡检和精细化巡检工作任务。日常巡检可完成杆塔变形、绝缘子污秽、导线断线、金具脱落跑位等工作，精细化巡检可完成杆塔螺栓缺失、绝缘子破损、导线散股断股、金具裂纹等工作，为油田巡检技术人员及时发现和处理故障点提供了技术途径，实现了6/10 kV 线路、干架式变电站的快速精准巡检工作，巡检效率大幅提高，减少了作业风险，保障了油田电网安全、可靠、平稳地运行。

表2 搭载设备的主要参数和性能Tab.2 Main parameters and performance of equipment

（3）管道巡检。油田管线具有分布范围广、巡护工作量大、维护难度大等特点，管线一般掩埋在1.8～2 m 深度范围内，加之地形复杂多变给油田管线巡检增加了困难，人工巡检存在管理难、成本高、效果差等问题。而中型“可见光+红外线”无人机巡检可有效获取站点及管线裸露部分的图像数据、温度及结构特点，通过图像数据可立即判断事故点，提高了管线监管效率、巡视质量及安全性能。

（4）应急抢险及综治排查。油井在日常管理中大部分采用人工巡井方式，在井口数量多、分布不均及地域跨度大的油田中，人工巡井工作量倍增，而部分偏远井又缺乏实时监控，导致井场运行管理差，影响油田正常产量；并且在油田设备运行过程中，会出现各种应急突发情况，尤其是在高温、高寒、地形崎岖等地区，对设备运行提出了更高的要求，发生突发损坏会造成巨大的影响。而无人机巡检技术为油田应急抢险及综治排查工作提供了一种便捷、高效、安全的方式，可实现白天和夜间的巡护工作，人员工作强度降低。作业以站点为中心（设立指挥部），向输送至站点的所有井场设备进行巡检，使用GPS进行航点飞行，一旦有紧急事件发生时，可迅速通过数据中心屏幕查看巡检收集的图像信息并进行定位，从而缩短了应急抢险及综治排查的周期。

3 应用

3.1 应用效果

无人机巡检技术可完全替代人工巡检，为油田的智能化建设提供了技术手段，在地形勘测与选址优化上，无人机能够根据已绘制的二维通道走廊拼接图和三维地形图对油气管网、站点、水电路信等设施开展飞行护航任务，并及时更新油气管线、水电路信的走向图，帮助油田生产管理人员准确规划地面产能建设和优化选址。在配电线路巡检中，无人机改变了油田电力设备维护工作模式，通过准确识别电力线路缺陷部件及其位置，提高了检修效率，保障了油田的正常生产。在油田管道巡检中，无人机相比人工作业效率提升约9倍，耗时可缩减至原来的1/3，且可节约管道巡检服务费和人员移动费用。在应急抢险及综治排查中，无人机将发现问题的图像数据实时传送到站点指挥部，工作人员可及时处理油井漏油、机械故障、自然灾害等应急事件，有助于完善HSE（健康、安全、环保）体系，高效快速地实施应急防护措施，提升油田的安全运行等级。

3.2 优化

（1）无人机巡检技术可根据不同的作业要求，分别建立不同机型和不同功能性的机型方案，以应对更多的应用领域，如建立大型特种作业无人机，实现油田物资转移等专业负载功能，尤其适合高海拔区域作业。

（2）无人机路径规划是根据任务需要规划从出发点到目标点满足约束条件的飞行路径，应结合实际应用的环境建模，寻找最佳路径及满足避障要求，实现路径平滑，安全抵达飞行目标。

（3）无人机巡检技术为适应油田巡检时遇到的恶劣环境，其外壳应针对环境要求进行防雨、防尘、防强电磁干扰、防风沙等功能设计，实现不利环境下的作业要求。

（4）在无人机图像传输方面，由于拍摄的均为高清图像，图像清晰度均为1080P以上，图像数据文件较大，存在图传延时问题，影响传输效率，可运用“5G网络+无人机巡检技术”实现实时视频图像传输，及时掌握飞行动态。

4 结束语

无人机巡检技术在地形勘测与选址优化、配电线路巡检、管道巡检、应急抢险及综治排查等油田生产领域得到了广泛应用，其突出的技术优势解决了人工巡检成本高、效果差、安全性低的生产问题，更重要的是，其为实现油田智能化建设中的无人值守功能、高质量数字化建设、新技术革新，以及为油气田降本增效和可持续智能化发展提供了新的技术途径。