高含硫气井测试现场大气环境监测系统设计与应用

王 敏

（中国国际能源控股有限公司四川分公司，成都 610000）

为保障天然气能源供给，能源企业加大了高含硫气田开发力度。高含硫气田开发期间，完成钻完井作业后进行采气生产前，通常需要进行现场投产测试作业。测试作业过程中集中放喷燃烧含硫天然气通常需要持续数小时，测试燃烧期间会产生较多的二氧化硫、氮氧化物、硫化氢等污染气体，容易造成局部区域大气污染，影响周边生态环境，甚至导致人畜中毒[1]。因此，需要在测试过程中建立环境监测预警体系，对测试排放的气体和周边环境质量进行连续监测，及时掌握环境中污染物的状况，防止环境污染事故的发生[2]。

当前，高含硫气井测试现场对大气环境监测以地面固定式气体报警仪和人工现场环境监测为主。例如，普光气田高含硫气井测试现场大气环境监测就主要采用地面固定式气体报警仪和现场人工环境监测[3]。鉴于硫化氢、二氧化硫等有毒有害气体泄露或排放具有隐蔽性、突发性的特点，传统地面监测手段很难满足现场应急需求，特别是在地形复杂的地区，由于现场地形限制和现场风向不断变化，人员很难第一时间到达现场开展应急监测，而且事故现场对监测人员的安全也很难保证。另外，由于现场气象不断变化，固定式监测仪器很难准确监测现场大气污染扩散范围和最大污染浓度。因此，发展有效的现场监测手段，构建响应迅速、高效便捷的现场大气环境监测系统是提高应对现场环境污染事故能力的必然要求[4]。国内外已有单位研制了基于无人机平台的大气环境监测系统，解决了便携式监测仪器很难及时、准确进行监测存在的问题，但是无人机监测平台存在续航时间短的问题[5-7]。因此，有必要利用无人机监测系统优势，结合地面无线多点大气监测系统，构建天地一体化的环境监测系统，对周边大气环境进行监测预警，这对于保障含硫气井测试的顺利进行，防止现场环境污染具有重要意义。

本文结合高含硫气井现场测试作业大气环境监测的实际需求，设计了“天地一天化”现场监测预警体系，提出了体系框架并进行了功能设计，进行了现场应用。

1 总体设计

1.1 功能目标

系统利用微型多旋翼无人机响应快速、机动性能好、操控简便、可垂直飞行等优势，以无人机作为气象及环境探测的载体，实现对近地面低空气象和环境要素的定点、定时观测；与地面无线大气多点监测系统相结合，地面无线多点大气监测系统是基于北斗/GPS定位系统，内置电化学传感器，根据地面气象监测数据，将监测点位布置在现场不同位置，构建现场“天地一体化”的环境监测预警系统，形成一套信息化平台，借助物联网通信和云服务，实现大气环境质量数据实时收集、共享和应用，一旦发现现场大气质量急剧恶化，立即采取措施。利用无人机飞行平台系统和地面无线多点监测系统对大气污染物进行实时、立体监测，并通过地面移动端、PC端实现实时数据可视化，数据超标自动报警，自主分析污染物数据并生成监测报告。

1.2 系统结构

系统包括地面无线大气监测系统、地面气象监测系统、无人机飞行平台系统和地面数据接收系统。地面无线大气监测系统包括10～20个监测传感器，实时采集地面不同方位的大气污染物浓度，包括二氧化硫、硫化氢、盐酸、氮氧化物和挥发性有机物等；地面气象监测系统设置在测试现场放喷口附近，用于实时监测污染源排放时气象数据，包括温度、湿度、气压、风向、风速等；无人机飞行平台搭载气象、大气监测传感器和高清相机，可以根据气象条件实时动态跟踪大气污染物扩散，弥补地面固定无线监测点不足，对低空大气污染物浓度实施动态监测；地面数据接收系统时将地面无线大气监测系统、地面气象监测系统、无人机飞行平台数据进行输出和分析，为现场测试人员提供决策依据，通过互联网实现远程数据共享。

2 系统模块设计

2.1 地面无线多点大气监测系统

地面无线多点大气监测系统包括多台具有远距离无线通信功能无线复合式气体检测仪、1台接收主机（便携式多功能无线网关），高含硫气井测试现场监测时，根据地形、气象、环境敏感点等条件布设10台以上无线复合气体检测仪，布点主要兼顾环境敏感点和主导风的下风向，形成地面大气监测网络。

无线复合气体检测仪是便携式大气环境监测平台，内置气体采样泵，具有无线接收、发送设备，可用电池作为工作电源，便于携带，快速布防和应急处置。无线复合气体检测仪将GPS全球定位技术、气体检测技术和无线数据传输技术融为一体，具有高度的集成化；具有报警功能，被测气体超标报警，超出仪表检测量程报警；可通过GPS系统提供地图定位显示，监测位置一目了然；能够实现远程实时监控，实时数据及时更新。针对高含硫气井测试大气污染物特点，无线复合气体检测仪通常配置了二氧化硫、硫化氢、盐酸、二氧化氮和一氧化碳5种电化学传感器。

接收主机是一个高集成度的便携式射频调制解调器，它的主要功能为无线复合气体检测仪提供长距离的无线通信，实现数据的传输，无线复合气体监测仪对现场大气污染物浓度检测后，随时通过无线技术将实时数据传输至位于3 km外的现场地面数据接收系统，并可利用无线或有线网络将实时数据上传到位于更远的地方。

2.2 无人机飞行平台系统

无人机飞行平台系统与传统手工监测和地面固定传感器监测方法相比，具有立体监测、响应速度快、监测范围广、地形干扰小等优点，可以实现精准监控。无人机飞行平台集成气体监测模块、云台相机模块、气象监测模块。气体监测模块集成主动式新风系统和二氧化硫、硫化氢、盐酸、挥发性有机物、一氧化碳、二氧化氮等6种气体传感器，可同时对大气中微量的污染物进行实时监测，最高检测精度达到亚纳克级别；主动式新风系统让内置的传感器有效接触到外界的空气，并保证不同运动速度下传感器内相对一致的气体流速，提升检测结果的准确性与一致性。平台搭载云台相机1台，可以拍摄现场照片和视频，发生事故时能够将事故或放喷测试现场的画面准确、及时传送到应急决策中心，以便迅速决策。平台搭载的温度、湿度与压力传感器为每一组空气污染数据提供温湿度与高度等信息。

2.3 地面气象监测系统

地面气象监测系统主要是监测高含硫气井测试作业放喷口地面气象参数，为地面无线多点大气监测系统优化布点和无人机飞行平台系统监测提供依据。地面气象监测系统为便携式小型气象仪，集成有风向、风速、温度、湿度、气压等5中气象参数监测装置，搭载无线数据通信系统，现场地面气象数据可以通过无线数据通信系统传输到地面数据接收系统。

2.4 地面数据接收系统

地面数据接收系统是一个集成可视化与分析软件，可以实时将地面无线多点大气监测系统、无人机飞行平台系统、地面气象监测系统数据可视化和统计分析，显示远端设备状态信息、读数和报警，并实现数据的存储、打印。系统可对无人机飞行平台采集的气体数据进行实时、直观的可视化分析，生成传感器读数变曲线图、2D格栅化气体分布图、2D等高线气体分布图、3D点云气体分布图、3D气体分布直方图等多种可视化图像，从而精确形象地获得污染物数据。系统同时集成免费的谷歌地图，将地面无线多点大气监测系统各复合气田检测仪监测数据形象地展示在地图上，可生成地面污染物浓度等值线分布图、监测点污染物变化曲线图。系统收集的气象监测数据可以实时显示气象数据变化，生成气象数据统计表和风向玫瑰图等。

3 应用案例

某高含硫气井位于四川东部山区，地形复杂，为测试该井天然气产量，需要进行为期3 d的放喷点火测试，由于天然气中含有硫化氢有毒气体，天然气放喷燃烧后生成二氧化硫等污染物，环境风险较大。企业环境监测人员利用本系统开展放喷测试期间现场大气环境监测，现场按照地面气象监测系统监测的气象数据和环境敏感点的分布，布设了一套地面大气无线多点监测系统，共计20个复合气体检测仪，并配置了一套无人机飞行平台。正常情况下，地面数据接收系统将现场20个无线复合气体检测仪监测数据和地面气象监测系统数据实时显示给现场监测人员。当出现异常情况时，比如某点数据超标报警、数据不断升高或风向等气象条件发生显著变化，无人机飞行平台起飞，对异常点位上空进行监测，通过飞行轨迹控制巡航，确定大气污染范围和最高污染浓度，并将环境敏感点视频传回监测人员值班室。当超过预警值时，及时提醒工程人员停止施工或采取其他减少污染的措施。本系统对现场空气质量进行了准确测定和预警，确保了测试工作的正常进行，避免了环境污染事故的发生。

4 结语

本系统通过应用基本实现了现场大气环境实时、立体监测和预警功能。与传统手工监测相比，本系统监测快速、成本低，实现了监测点定位、数据无线传输，数据实现可视化，确定了污染物的扩散浓度和范围，便于环境监测人员清楚地了解现场污染情况，提醒工程人员及时做出相应的解决方案。将地面无线多点监测系统、地面气象监测系统和无人机飞行平台系统集成并应用于高含硫气井测试现场环境监测是一个新的尝试，具有较好的应用前景，但现在还没有标准和规范，系统监测所获得的数据只能用于内部环境控制，不能直接用于执法。天地一体化的环境监测系统在高含硫气井测试现场环境监测过程中显示出较好的应用前景，未来增加搭载遥感监测技术、红外成像监测技术等新技术的监测系统将会有更广阔的发展前景。