井場安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究及應(yīng)用

陳曉明 王傳平 劉少杰 孟亮 王佳佳 崔新強(qiáng) 李力 董江潔

1新疆油田分公司采氣一廠

2中國石油青海油田公司采氣三廠

數(shù)字化建設(shè)是我國油田發(fā)展的重要趨勢，在進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)的過程中，需要建立包括監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及防范系統(tǒng)在內(nèi)的多系統(tǒng)監(jiān)控平臺[1-2]。由于油田井場內(nèi)油井的數(shù)量相對較多，分布相對較為分散，危險(xiǎn)源的數(shù)量相對較多，如何保障井場的安全生產(chǎn)作業(yè)具有重要意義[3-4]。通過建立監(jiān)控平臺，可以對風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，有助于操作人員提前采取措施保障井場的安全、高效作業(yè)。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對井場安全監(jiān)控措施進(jìn)行了全面研究。蓋文妹等[5]針對高含硫井場的生產(chǎn)安全問題，建立了分戶報(bào)警通知傳播模型，并對該模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果傳播時(shí)間相對較長，井場周圍的社會關(guān)系越緊密，則報(bào)警器的布置數(shù)量越多，此時(shí)起到的報(bào)警傳播效果越好。在經(jīng)濟(jì)條件允許的范圍內(nèi)，通過增加報(bào)警器的數(shù)量，有助于保障井場周圍居民安全。趙巖等[6]針對野外鉆井作業(yè)過程中可能會出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問題，建立了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、壓縮技術(shù)以及決策技術(shù)進(jìn)行了融合，通過在生產(chǎn)處設(shè)立總調(diào)度指揮中心，及時(shí)了解鉆井過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問題，此種系統(tǒng)有助于保障鉆井作業(yè)安全。易高翔等[7]針對石油罐區(qū)的安全問題，提出了一種基于多源數(shù)據(jù)融合的監(jiān)控模型。模型綜合了三種類型融合技術(shù)，分別是數(shù)據(jù)融合、特征融合以及決策融合，通過使用該系統(tǒng)，可以對石油罐區(qū)進(jìn)行全面監(jiān)控，有助于提高罐區(qū)作業(yè)安全性；白凱等[8]建立了一種基于4G技術(shù)的井場無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在進(jìn)行野外監(jiān)控的過程中，數(shù)據(jù)將通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器中，其運(yùn)行的穩(wěn)定性相對較高，且具有很強(qiáng)的擴(kuò)張性。

本研究主要是根據(jù)井場數(shù)字化建設(shè)的目標(biāo)，結(jié)合井場安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求情況，提出井場監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方案，對建設(shè)過程中的硬件需求及配置進(jìn)行分析，對軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，并在我國某井場內(nèi)進(jìn)行了一年的應(yīng)用效果評價(jià)，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)井場內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)問題以及保障井場安全生產(chǎn)作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

1 井場安全監(jiān)控需求分析

1.1 控制要求

在構(gòu)建井場安全監(jiān)控系統(tǒng)的過程中，需要達(dá)到的控制要求可以分為4個(gè)方面：①參數(shù)監(jiān)控顯示及報(bào)警，監(jiān)控系統(tǒng)需要對各種設(shè)備及工藝流程的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行顯示，通過設(shè)定閾值的方式，在參數(shù)超過閾值以后發(fā)出報(bào)警；②視頻監(jiān)控，在監(jiān)控中心內(nèi)可以通過監(jiān)控屏幕了解抽油機(jī)等設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，可以對井口位置進(jìn)行檢查，判斷抽油機(jī)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)以及井場的作業(yè)是否符合規(guī)范要求[9]；③闖入識別，檢測井場內(nèi)是否存在人員闖入問題，如果出現(xiàn)該種問題可以及時(shí)發(fā)出報(bào)警提醒工作人員，同時(shí)還可以對報(bào)警事件進(jìn)行錄像；④綜合預(yù)警，對檢測參數(shù)進(jìn)行信息融合，對井場內(nèi)各個(gè)位置處的安全性進(jìn)行判斷[10]。

1.2 建設(shè)目標(biāo)

在構(gòu)建井場安全監(jiān)控系統(tǒng)過程中，需要達(dá)到的建設(shè)目標(biāo)可以分為4個(gè)方面：①明確監(jiān)控對象，主要是對井場以及集輸站內(nèi)的生產(chǎn)狀況以及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，了解可能出現(xiàn)的隱患問題，確定設(shè)備及工藝運(yùn)行的安全參數(shù)[11-12]；②傳輸可靠，由于油井分布相對較為分散，與監(jiān)控中心之間的距離相對較遠(yuǎn)，傳輸信號可能會受到多種因素的影響及干擾，因此將采用穩(wěn)定性較強(qiáng)的5.8 GHz 專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；③數(shù)據(jù)處理得當(dāng)，由于采集的數(shù)據(jù)只能反應(yīng)一種風(fēng)險(xiǎn)問題出現(xiàn)的概率，因此需要引入信息融合技術(shù)，對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合性融合處理，為及時(shí)判斷井場運(yùn)行狀態(tài)奠定基礎(chǔ)；④監(jiān)控界面直觀，通過監(jiān)控中心的界面，可以全面了解井場及集輸站的生產(chǎn)運(yùn)行情況，可以直觀判斷存在的隱患問題，監(jiān)控畫面清晰，對于部分位置需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，防止出現(xiàn)人員闖入問題，井場及集輸站的安全狀態(tài)可以直觀性的顯示[13]。

2 井場安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 建設(shè)方案

井場監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其分為三個(gè)子系統(tǒng)，分別是信息采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)以及監(jiān)控中心，這三個(gè)子系統(tǒng)將完全對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的感知層、傳輸層以及應(yīng)用層。

圖1 井場安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Wellsite safety monitoring system architecture

（1）信息采集系統(tǒng)。信息采集系統(tǒng)的主要作用是對生產(chǎn)區(qū)域以及集輸站內(nèi)各種設(shè)備及運(yùn)行工藝的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)井場監(jiān)控的需求情況，可以將井場分為多種類型，例如單井井場以及叢式井井場等。需要進(jìn)行采集的參數(shù)主要包括管道內(nèi)的壓力、井場內(nèi)可燃?xì)怏w的分布及濃度、電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電動(dòng)流以及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的視頻信息[14]。對于集輸站而言，需要進(jìn)行采集的參數(shù)主要包括加熱爐的運(yùn)行溫度以及壓力、分離器的壓力、沉降罐區(qū)域介質(zhì)的性質(zhì)以及集輸站內(nèi)可燃?xì)怏w的分布及濃度。井場的信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過使用無線傳感器，可以將設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以及工藝運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，通過ZigBee 模塊中的2.4GHz 網(wǎng)絡(luò)可以將電信號傳輸?shù)絉TU 中對于視頻信號而言，其主要可以通過網(wǎng)線傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器中，在經(jīng)過節(jié)點(diǎn)交換機(jī)以后，視頻信號可以傳輸?shù)竭h(yuǎn)端網(wǎng)橋中[12]。

圖2 信息采集系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Information acquisition system architecture

（2）信息傳輸系統(tǒng)。為了全面提高信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及可靠性，在進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^程中選用了穩(wěn)定性較強(qiáng)的5.8 GHz 的無線網(wǎng)橋，該種類型網(wǎng)橋的傳輸距離相對較遠(yuǎn)，信號的帶寬相對較大[15]。對于集輸站而言，在進(jìn)行采集系統(tǒng)與監(jiān)控中心連接的過程中，采用了以太網(wǎng)的方式，信息傳輸系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 信息傳輸系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Information transmission system architecture

（3）安全監(jiān)控中心。整個(gè)井場安全監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控中心屬于其核心部分，會對整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生重要影響，同時(shí)會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及實(shí)用性。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，常見的監(jiān)控軟件可以分為兩種架構(gòu)類型，分別是C/S 架構(gòu)以及B/S 架構(gòu)，由于前者的穩(wěn)定性更強(qiáng)，因此將使用C/S架構(gòu)完成監(jiān)控中心設(shè)計(jì)。C/S 架構(gòu)屬于一種相對較為先進(jìn)、提出時(shí)間相對較早的軟件架構(gòu)，其主要可以分為兩層架構(gòu)模式以及三層架構(gòu)模式，在局域網(wǎng)內(nèi)的應(yīng)用相對較為廣泛[16]。對于兩層架構(gòu)模式，第一層屬于客戶端層面，第二層屬于服務(wù)器層面，由于兩個(gè)層面直接相連，大量的資源將會被頻繁的傳輸，無法對數(shù)據(jù)請求快速地做出反應(yīng)，因此研究將采用三層架構(gòu)模式。三層架構(gòu)模式的C/S 體系架構(gòu)如圖4 所示。其客戶端屬于表示層，業(yè)務(wù)層屬于整個(gè)架構(gòu)的重要組成部分，主要是對用戶請求做出響應(yīng)，同時(shí)，還把數(shù)據(jù)的處理結(jié)果傳輸?shù)奖硎緦又校环?wù)層主要提供數(shù)據(jù)庫資源。三個(gè)層面之間在邏輯上是相互獨(dú)立的，但是功能方面具有非常明確的劃分[17]。

圖4 三層架構(gòu)模式的C/S體系Fig.4 C/S system of three-tier architecture mode

2.2 硬件構(gòu)成

我國大多數(shù)的油田井場中油井以及集輸站場的分布相對較廣，相互之間的距離相對較遠(yuǎn)，所處的環(huán)境較為惡劣，在制定安全監(jiān)控措施的過程中，需要使用傳感器以及攝像頭對現(xiàn)場信息進(jìn)行采集[18-20]。井場內(nèi)信息采集系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集傳感器、攝像頭、服務(wù)器以及RTU。所使用的數(shù)據(jù)采集傳感器主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、電參傳感器、可燃?xì)怏w濃度傳感器、含水率傳感器、流量傳感器等，攝像頭選用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，傳感器與RTU 連接采用的通信方式為ZigBee 通信，攝像機(jī)與服務(wù)器連接采用的通信方式為網(wǎng)線通訊[21]。硬件設(shè)施的型號如表1所示。

表1 硬件設(shè)施型號Tab.1 Hardware facility model

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

井場監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5所示，其系統(tǒng)軟件主要由六部分構(gòu)成：組態(tài)軟件、采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序、SQL Server2005、特征分析軟件、監(jiān)控軟件以及信息融合程序。在進(jìn)行設(shè)備及生產(chǎn)工藝運(yùn)行參數(shù)采集的過程中，需要使用I/O 驅(qū)動(dòng)程序，此時(shí)得到的監(jiān)控參數(shù)可以反應(yīng)出各種類型設(shè)備以及生產(chǎn)工藝的實(shí)際運(yùn)行情況，同時(shí)，還需要在經(jīng)過ODBC 以后，與SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行全面連接，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存的功能[22-23]。特征分析軟件主要是對獲取的視頻進(jìn)行特征提取，提取的特征會傳輸?shù)叫畔⑷诤铣绦蛑?，信息融合程序?qū)ζ溥M(jìn)行全面處理，使用Force-Control 7.0，可以將監(jiān)控軟件與特征分析軟件相互連接[24]。在進(jìn)行信息融合程序、特征分析軟件以及ForceControl 7.0 連接的過程中，使用的接口為OPC結(jié)構(gòu)，信息融合程序主要是對特征信息、設(shè)備及生產(chǎn)工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行融合，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的功能[25]。

圖5 井場監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture of wellsite monitoring system

3 井場監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行

井場監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可以分為六部分：

（1）用戶登錄。在用戶登錄該系統(tǒng)的過程中，首先需要輸入有效的用戶名以及密碼，此時(shí)才能順利進(jìn)入系統(tǒng)中，工作人員可以對設(shè)備及工藝運(yùn)行參數(shù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及井場安全狀態(tài)進(jìn)行查看。

（2）井場參數(shù)顯示與報(bào)警。在登錄系統(tǒng)以后，可以通過查看井場安全參數(shù)顯示界面，對井場的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看?？梢圆榭吹膮?shù)主要包括管道壓力、電動(dòng)機(jī)電流等，通過數(shù)據(jù)顯示的顏色進(jìn)行提示報(bào)警，如果顯示為紅色，則表示非常危險(xiǎn)，通過顏色變化情況可以了解井場的安全生產(chǎn)狀態(tài)。

（3）集輸站參數(shù)顯示與報(bào)警。在登錄系統(tǒng)以后，工作人員可以通過查看集輸站安全參數(shù)顯示界面，對集輸站內(nèi)各種設(shè)備以及生產(chǎn)工藝的參數(shù)進(jìn)行查看。主要包括加熱爐的溫度、壓力以及介質(zhì)的含水率等，通過數(shù)據(jù)所顯示的顏色進(jìn)行提示報(bào)警，如果顯示為紅色，則表示非常危險(xiǎn)，通過顏色變化情況可以了解集輸站的安全生產(chǎn)狀態(tài)。

（4）視頻監(jiān)控。通過使用視頻監(jiān)控技術(shù)，可以取代傳統(tǒng)的人員巡井，工作人員可以通過遠(yuǎn)程的方式，對現(xiàn)場的情況進(jìn)行查看，實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)。

（5）井場狀態(tài)報(bào)警。對井場內(nèi)采集的設(shè)備及生產(chǎn)工藝參數(shù)經(jīng)過融合模型處理以后，就可以了解井場的安全狀態(tài)。

（6）集輸站狀態(tài)報(bào)警。對集輸站內(nèi)采集的設(shè)備及生產(chǎn)工藝參數(shù)經(jīng)過融合模型處理以后，就可以了解集輸站的安全狀態(tài)。

3.2 運(yùn)行效果分析

根據(jù)我國某井場的需求，建立了井場安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，主要對13座抽油機(jī)組成的井場以及1座集輸站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，井場的監(jiān)控參數(shù)為管道壓力、電動(dòng)機(jī)電流等；同時(shí)，還實(shí)時(shí)了視頻監(jiān)控。集輸站的主要監(jiān)控參數(shù)為加熱爐的溫度及壓力等，可以對井場以及集輸站內(nèi)的每一項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的監(jiān)控。通過進(jìn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，在監(jiān)控中心內(nèi)通過預(yù)警模型，可以對可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警，工作人員通過監(jiān)控中心的上位機(jī)可以及時(shí)了解設(shè)備以及生產(chǎn)工藝的參數(shù)變化。經(jīng)過一年的運(yùn)行，該井場安全監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)良好。在系統(tǒng)投入使用前一年以及投入使用后一年該井場風(fēng)險(xiǎn)事故的次數(shù)如表2 所示。通過對表2 可以發(fā)現(xiàn)，使用該系統(tǒng)后風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率有效降低，降低幅度為85.71%，井場的安全管理水平得到了大幅提升。

表2 井場安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施前后效果對比Tab.2 Comparison of effects before and after the implementation of the wellsite safety monitoring system

綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，該井場安全監(jiān)控系統(tǒng)可以對井場、集輸站內(nèi)各種設(shè)備以及生產(chǎn)工藝的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)通過視頻分析技術(shù)，可以及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化情況以及是否出現(xiàn)了人員闖入，可以對各種類型的風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，有助于全面提高我國井場的安全管理水平。安全監(jiān)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可行性以及先進(jìn)性，未來可以在我國各個(gè)井場中推廣使用。

4 結(jié)論

針對我國井場的安全生產(chǎn)問題，研發(fā)了一種井場安全監(jiān)控系統(tǒng)。對井場的安全需求以及安全監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)進(jìn)行全面分析，從安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)出發(fā)，對所需要的硬件設(shè)備以及軟件系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，在我國某井場內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用研究，全面驗(yàn)證了該井場安全監(jiān)控系統(tǒng)的可行性以及先進(jìn)性。

（1）在建立井場安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的過程中，需要達(dá)到的控制要求為數(shù)字監(jiān)控顯示及報(bào)警、視頻監(jiān)控、闖入識別以及綜合預(yù)警；需要達(dá)到的建設(shè)目標(biāo)為明確監(jiān)控對象、傳輸可靠、數(shù)據(jù)處理得當(dāng)以及監(jiān)控界面直觀。此時(shí)得到的安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)才能滿足我國井場以及集輸站安全預(yù)警及數(shù)據(jù)采集分析的要求。

（2）井場監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)分為三個(gè)子系統(tǒng)，分別是信息采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)以及監(jiān)控中心。信息采集系統(tǒng)主要是對井場、集輸站內(nèi)設(shè)備、生產(chǎn)工藝的運(yùn)行參數(shù)以及視頻信息進(jìn)行全面采集，信息傳輸系統(tǒng)選用穩(wěn)定性較強(qiáng)的5.8 GHz 的無線網(wǎng)橋和以太網(wǎng)，監(jiān)控中心內(nèi)采用了三層架構(gòu)模式的C/S體系。

（3）通過對該系統(tǒng)進(jìn)行為期一年的應(yīng)用效果評價(jià)后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以對井場、集輸站內(nèi)各種設(shè)備以及生產(chǎn)工藝的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)，通過視頻分析技術(shù)，可以及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化情況以及是否出現(xiàn)了人員闖入，可以對各種類型的風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。應(yīng)用該系統(tǒng)后風(fēng)險(xiǎn)問題出現(xiàn)的概率降低85.71%，證明本次研發(fā)的安全監(jiān)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可行性以及先進(jìn)性，有助于全面提高我國井場的安全管理水平。