油田井下作業(yè)可視化安全管控技術(shù)研究與應用

田濤，文虎成，張紹輝，馬常軍，鄧攀

1.中國石油長慶油田分公司工程監(jiān)督處（陜西西安 710018）

2.中國石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心（北京 100083）

3.中國石油青海油田分公司監(jiān)督監(jiān)理公司（青海茫崖 817500）

1 井下作業(yè)安全管控面臨的形勢

1）油田企業(yè)安全生產(chǎn)壓力與日俱增，施工作業(yè)現(xiàn)場安全監(jiān)管責任重大。新安全生產(chǎn)法頒布后，對企業(yè)安全生產(chǎn)提出了更高的要求。集團公司、油田公司多次召開承包商安全生產(chǎn)管控推進會，要求全面推行視頻監(jiān)控、智能行為分析等先進技術(shù)手段，對承包商實施全天候、全方位、無死角過程管控，促進監(jiān)管水平的提升。

1.1 材料與儀器 克氏原螯蝦，大連長興水產(chǎn)市場；殼寡糖，大連中科格萊克生物科技有限公司。隧道灌注式小龍蝦冷凍機，江蘇諾克諾菲智能機械有限公司；TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀，美國FTC(Food Technology Corporation)；GC(7890B)，美國安捷倫；GC/Q-TOF(/7200)，美國安捷倫。

2）井下作業(yè)工作量大、市場化程度高，給安全生產(chǎn)管控帶來嚴峻挑戰(zhàn)。集團公司井下作業(yè)年工作量超21萬井次，其中長慶油田6.6萬井次（占鉆試修總量的85%）。井下作業(yè)類型多、工序復雜、監(jiān)管對象復雜，承包商市場化程度高（達98.5%），人員流動大且素質(zhì)參差不齊；工作量大（每天500支隊伍），作業(yè)區(qū)域點多、面廣，安全監(jiān)管人員不足，無法實現(xiàn)監(jiān)管全覆蓋。井控、安全、環(huán)保問題依舊突出（占比92%），承包商安全環(huán)保意識差，自主管理能力未從本質(zhì)上突破，難以全方位監(jiān)管；尤其是高后果區(qū)域存在小事件大后果風險。這給油氣田的安全生產(chǎn)和成本控制帶來巨大挑戰(zhàn)。

3）傳統(tǒng)井下作業(yè)安全監(jiān)控模式及技術(shù)手段無法滿足全過程管控需要。傳統(tǒng)井下作業(yè)安全監(jiān)管以重點井、重點工序為主，監(jiān)管覆蓋面不全；同時油田建設的視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖取得一定的成效，但還存在部分井場（井口）監(jiān)控畫面不清、不全，視頻監(jiān)控依靠人工盯防、智能化程度不足，未與業(yè)務系統(tǒng)融合等問題。

從知識、技能、態(tài)度三個維度KMO值分別為0.854、0.857、0.873，都大于0.8，表明在結(jié)構(gòu)效度方面較好，研究數(shù)據(jù)可以用于進一步地分析。

井下作業(yè)視頻信息監(jiān)控數(shù)據(jù)可進行實時查看和歷史數(shù)據(jù)查看。對維護、措施、大修、壓裂和酸化作業(yè)的開工許可證相關(guān)資料進行在線網(wǎng)絡化資料審核，實現(xiàn)PC+APP 的在線開工許可證審核。對洗井、試壓和下鉆作業(yè)過程實時監(jiān)控，實現(xiàn)作業(yè)過程的實時監(jiān)控、抓拍等?？蛇M行監(jiān)督人員相關(guān)信息采集，作業(yè)過程中監(jiān)督日志、監(jiān)督總結(jié)的采集，隊伍資質(zhì)、設備等相關(guān)信息采集，隊伍人員的相片、身份證等相關(guān)信息，為后期視頻監(jiān)控識別提供基礎。

2 井下作業(yè)安全管控措施研究

2.1 規(guī)范井下作業(yè)監(jiān)督模式

長慶油田經(jīng)歷多年發(fā)展，井下作業(yè)數(shù)字化監(jiān)督模式以PC 端系統(tǒng)為平臺，對接遠程監(jiān)控平臺，監(jiān)督人員可以遠程實時監(jiān)控和管理現(xiàn)場施工情況，達到巡檢、重點工序和駐井監(jiān)督的工作效果。作業(yè)隊伍通過移動單兵傳輸關(guān)鍵環(huán)節(jié)施工影像等，監(jiān)控監(jiān)督通過遠程視頻監(jiān)控、連線巡檢、遠程對話等手段，實現(xiàn)作業(yè)井遠程監(jiān)督。由2～3 名監(jiān)督協(xié)同完成多口井監(jiān)督任務。

2.2 規(guī)范井下作業(yè)監(jiān)督要點

The traditional way of treating the disease of...is...

依托井場數(shù)字化高清視頻改造，將現(xiàn)有井場視頻與井下作業(yè)系統(tǒng)對接融合，已完成1 588個井場視頻接口對接，基本滿足井下作業(yè)現(xiàn)場遠程視頻監(jiān)控。配套10支作業(yè)隊伍移動式視頻監(jiān)控裝置，現(xiàn)場試驗50余井次，可通過云臺調(diào)節(jié)與井口距離，觀察井口操作，滿足全過程監(jiān)控需要。通過高清視頻監(jiān)控應用，利用遠程視頻檢查現(xiàn)場15 664井次，發(fā)現(xiàn)問題449項，跟蹤夜間施工5 788井次，監(jiān)控登高、吊裝、倒扣、替油作業(yè)4 382井次。全過程跟蹤作業(yè)風險，抓工序防違章，從源頭上加強了現(xiàn)場的管控能力。

基于這4類井下作業(yè)的施工過程，確定小修（維護）作業(yè)是所有作業(yè)類型的基礎，本次項目研究優(yōu)先考慮小修作業(yè)施工工序的標準化，進而擴展到措施、試油、大修作業(yè)，通過對起下管（桿）柱的監(jiān)控，實現(xiàn)對施工的安全控制。

2.3 井下作業(yè)視頻和信息監(jiān)控技術(shù)

修井作業(yè)現(xiàn)場視頻及信息采集系統(tǒng)分為井場高清視頻監(jiān)控模塊、修井車載荷工況采集模塊、井口氣體安全檢測模塊、泵車和熱洗車工況采集模塊、壓裂曲線采集模塊、數(shù)據(jù)遠程采集控制模塊[5-6]。應用相關(guān)的視頻、單兵、數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)為A5提供專門的調(diào)用接口，直接訪問作業(yè)現(xiàn)場信息，實現(xiàn)前后端、雙向視頻、音頻、數(shù)據(jù)互動交流。

在采油作業(yè)區(qū)進行了試點應用，初步實現(xiàn)了從單一視頻監(jiān)控到“視頻監(jiān)控與監(jiān)督工作”相結(jié)合的新型監(jiān)督模式。

2）井下作業(yè)工況參數(shù)監(jiān)測。為實現(xiàn)井下作業(yè)現(xiàn)場全方位管控，基于通井機，探索性開展了作業(yè)設備大鉤載荷的無線數(shù)字化監(jiān)測研制與實驗。大鉤載荷一體化采集器是用來對大鉤進行載荷的實時數(shù)據(jù)采集，是修井作業(yè)進行故障診斷、施工量計量的一個重要設備。拉力式觸感器相對于測量線纜的張力傳感器準確度更高，更能反映拉力實際情況。為驗證大鉤拉力性能，在室內(nèi)對其精度進行了測試。在空曠場景150 m 距離內(nèi)測試信號強度低于60 dBm，在安全過載150%下測試傳感器無質(zhì)量問題，在極限過載200%下測試無質(zhì)量問題[9-10]。

2.4 井下作業(yè)安全生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)

1）移動PC 端程序。以井下作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控為基礎，通過對井下作業(yè)視頻信息監(jiān)控，對井下作業(yè)開工許可、作業(yè)施工重點工序進行網(wǎng)絡化、信息化管理，實現(xiàn)井下作業(yè)施工過程的管理。移動端采用基于ANDROID 系統(tǒng)的原生APP；移動端與后臺服務器的數(shù)據(jù)交互通過基于HTTP SOAP 協(xié)議的WEB SERVICE 實現(xiàn)；“井下作業(yè)監(jiān)督管理系統(tǒng)”通過APP向用戶推送生產(chǎn)任務和生產(chǎn)指揮指令。

哪怕是遠離家鄉(xiāng)，抑或是生與死的隔絕，依然斬不斷對親人愛人的思念。直到后來讀到陸游“死去元知萬事空”的句子，才醍醐灌頂。原來死亡的奧秘竟是如此簡單，眼睛閉上，陷入無盡黑暗，從此這世上的一切都與己無關(guān)。再也沒有人能夠看見、聽見、觸摸，大家會逐漸忘卻這個世界上曾經(jīng)存在過這么一個人。對于死亡的恐懼和害怕時常在黑夜里打攪我的睡眠，幸好我是個樂天派，白天忙碌的節(jié)奏讓人可以不去杞人憂天。

首先選取我國1952～2016年三大產(chǎn)業(yè)占比數(shù)據(jù)，對我國整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變歷程進行簡要描述，數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)占比是指國民經(jīng)濟內(nèi)部各類產(chǎn)業(yè)的構(gòu)成及其比例關(guān)系，本文中第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)占比為第一、二、三產(chǎn)業(yè)分別占GDP的比重。

3 井下作業(yè)可視化管控技術(shù)應用

3.1 井下作業(yè)現(xiàn)場視頻監(jiān)控應用情況

小修（維護）作業(yè)主要是起下完井管（桿）柱，加上洗井、壓井、探?jīng)_砂等基本施工管柱。措施作業(yè)在起下完井管（桿）柱的基礎上，增加了為達到措施目的的施工管柱，包括壓裂、酸化、防砂等。試油作業(yè)在起下完井管（桿）柱的基礎上，增加了為達到試油目的的施工管柱，包括測試、排液、壓裂、酸化等。大修作業(yè)在起下完井管（桿）柱的基礎上，增加了為達到大修目的的施工管柱，包括磨銑、打撈等。

3.2 井下作業(yè)監(jiān)督系統(tǒng)應用情況

依托井筒可視化系統(tǒng)建設，修井作業(yè)監(jiān)督已配套手持終端912 個，截至目前已完成25 803 井次修井作業(yè)監(jiān)督檢查，使作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)督檢查更加規(guī)范化、標準化。通過系統(tǒng)應用，井下數(shù)字化監(jiān)督管理模式與傳統(tǒng)監(jiān)督模式相比更具生命力，是油田高質(zhì)量發(fā)展的有效手段。

為確保井下作業(yè)監(jiān)督檢查信息化、數(shù)字化，以國家法律法規(guī)、石油行業(yè)、企業(yè)標準為依據(jù)，將修井作業(yè)開工驗收、工序監(jiān)督檢查內(nèi)容標準化、表單化、信息化、模塊化，通過手持終端實時采集作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)督檢查信息，傳送至后臺形成大數(shù)據(jù)。梳理規(guī)范井下作業(yè)監(jiān)督表單35 個，涵蓋作業(yè)工序397 項，常見問題及整改措施3 875 個，標準化整改與處罰措施4類，確保監(jiān)督系統(tǒng)規(guī)范化管理[1-4]。

3.3 打造作業(yè)現(xiàn)場應用示范作業(yè)區(qū)

1）井下作業(yè)視頻信息監(jiān)控。①井場固定式視頻監(jiān)控：依托油田生產(chǎn)運行平臺已建設井場視頻監(jiān)控對井下作業(yè)現(xiàn)場進行監(jiān)控，主要采用無線網(wǎng)橋+有線電纜傳輸方式進入油田內(nèi)部網(wǎng)絡。截至2020年底，全油田共有井場18 099 個，安裝視頻監(jiān)控井場17 395 個，覆蓋率96.11%，其中標清井場13 008個、高清井場4 387 個，高清井場覆蓋率24.24%。②井場移動式視頻監(jiān)控：在井場部署便攜式高清視頻攝像裝置，通過4G網(wǎng)絡將作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控畫面?zhèn)鬏斨帘O(jiān)控中心。通過井場無線傳輸，減少布線，優(yōu)選視頻監(jiān)控設備，經(jīng)APN 專網(wǎng)輸出至油田內(nèi)部網(wǎng)絡，實現(xiàn)了影像、數(shù)據(jù)的安全采集、傳輸。便攜移動式視頻監(jiān)控裝置主要由安全控制模塊、蓄電池、攝像機天線構(gòu)件、防爆移動單兵、設備艙、手搖升降支架組成[7-8]。③手持移動終端監(jiān)控：手持移動終端是視頻監(jiān)控的有益補充，能夠?qū)ΡO(jiān)督關(guān)鍵環(huán)節(jié)及工序進行圖像抓拍、遠程風險提示、現(xiàn)場作業(yè)指導，同時監(jiān)督人員可以利用手持終端將監(jiān)督檢查問題以圖像方式發(fā)送至后臺監(jiān)控系統(tǒng)。前端移動單兵為內(nèi)網(wǎng)用戶推送現(xiàn)場細節(jié)畫面；后臺WEB監(jiān)管用戶對監(jiān)控畫面進行關(guān)切面標注，要求前端按需拍攝。

現(xiàn)場監(jiān)督從開工驗收到完井交接所涉及內(nèi)容全部由手持終端錄入，可遠程查看施工過程。視頻監(jiān)督全程在線監(jiān)控，PC 端檢查錄入情況，對每一道提交工序進行核查，實現(xiàn)了視頻監(jiān)控從單一監(jiān)控向雙核查轉(zhuǎn)變。

通過“視頻監(jiān)控+移動終端+PC 端后臺管理”，使作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)督檢查更加規(guī)范化、標準化，監(jiān)督履職能力和履職效果有效提升。檢查信息透明化、公開化、剛性化，促進了承包商自主管理能力的提升，提高了井下作業(yè)現(xiàn)場安全風險管控能力。全油田以“看的見、看的清”為原則，持續(xù)推進視頻監(jiān)控工作有序進行。

4 實施效果

1）基于可視化監(jiān)控，構(gòu)建了井下作業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)控新模式，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)管控全覆蓋。構(gòu)建了井區(qū)-作業(yè)區(qū)-廠級-公司級的視頻監(jiān)督體系，設立視頻監(jiān)控崗，分層級開展監(jiān)督。通過視頻監(jiān)控對重點工序進行指導、監(jiān)督、抽查，提升監(jiān)控預警和隱患排查能力，實現(xiàn)井下作業(yè)全過程監(jiān)控。井下作業(yè)數(shù)字化監(jiān)督管理新模式，由監(jiān)督人員現(xiàn)場駐點監(jiān)督或?qū)﹃P(guān)鍵工序監(jiān)督，利用視頻監(jiān)控“遠程+現(xiàn)場”雙重監(jiān)督全過程，現(xiàn)場監(jiān)督巡檢、抽檢，遠程監(jiān)督全程在線監(jiān)控，實現(xiàn)2～3人協(xié)同完成多井監(jiān)督。

2）系統(tǒng)功能模塊。在對現(xiàn)場需求梳理的基礎上，對功能模塊進行設計。截至目前，井下作業(yè)監(jiān)督共設計了14 個功能模塊，包含壓裂、酸化常規(guī)措施的工序質(zhì)量檢驗卡，維護、帶壓作業(yè)、壓裂、酸化、射孔、化學堵水、固井封井的施工質(zhì)量監(jiān)督卡，現(xiàn)場檢查表包含共10個數(shù)據(jù)表單的錄入、審核和查詢功能的設計。

2）創(chuàng)新井下作業(yè)現(xiàn)場視頻監(jiān)控方式及視頻智能分析，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場全方位、全過程監(jiān)控需要。根據(jù)不同的作業(yè)類型，確定了小修、大修、帶壓、措施作業(yè)的監(jiān)控點個數(shù)、監(jiān)控點點位及視頻監(jiān)控范圍，形成視頻監(jiān)控配套技術(shù)，回傳井口畫面清晰流暢，滿足井口作業(yè)面重點監(jiān)控，減少布線對施工作業(yè)的影響。實現(xiàn)了現(xiàn)場作業(yè)區(qū)監(jiān)控區(qū)域的人員勞保穿戴及車輛闖入自動識別，系統(tǒng)根據(jù)設定模式自動進行判斷與異常報警?？赏ㄟ^視頻監(jiān)測起下鉆速度，評估作業(yè)質(zhì)量和施工進度。

3）開發(fā)了集視頻和作業(yè)動態(tài)的井下作業(yè)安全生產(chǎn)管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了視頻監(jiān)控與業(yè)務系統(tǒng)共享融合。井下作業(yè)安全生產(chǎn)管控平臺，實現(xiàn)了施工井“作業(yè)設計、施工動態(tài)、隊伍管理、可視化監(jiān)控”一體化的作業(yè)全流程管控。施工作業(yè)動態(tài)視頻監(jiān)控圖像抓拍、違章問題在線上報，對井控安全等重復性、嚴重性問題系統(tǒng)備案整改。視頻監(jiān)控界面設置了圖像抓拍、違章問題在線上報功能。手持終端和PC端具有實時通信功能，遠程監(jiān)督與現(xiàn)場監(jiān)督（作業(yè)隊伍）可在線互動。

首先，進行扦插繁育技術(shù)的應用時，選擇在3月中旬左右將一些生長健壯、無病蟲害的優(yōu)良品種作為本次采集插穗的母株。插穗一般都是選擇為生長期在一年內(nèi)的新梢，對其采集的長度一般都控制在10～15cm。在進行插穗的采集后，需要對其進行低溫儲藏，并且保證插穗的基部使用60%的濕沙進行覆蓋保濕，并且嚴禁陽光對采集的插穗照射。

4）通過“視頻監(jiān)控+”井下作業(yè)可視化安全生產(chǎn)管控新模式，累計現(xiàn)場應用8 906井次，檢查出重復性問題及隱患同比下降10%，單井問題數(shù)從2.67 降至2.10，提升了井下作業(yè)監(jiān)管水平。

(3)施用“苗壯素”生物復菌劑在一定程度上提高了土壤中速效氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)的含量。另外，對黃瓜品質(zhì)和產(chǎn)量也有一定影響，VC、可溶性糖、可溶性固形物含量分別提高16.4%、16%和5%，亞硝酸鹽含量顯著下降。

5）通過研究智能識別技術(shù)，減少了人工監(jiān)控成本，并能實現(xiàn)全天候24 h 監(jiān)控，極大地提高了監(jiān)督效率。目前長慶油田約3 000 人的安全監(jiān)督隊伍，通過智能監(jiān)控手段至少能削減5%的人員成本，全年節(jié)省費用約3 000 萬元。通過監(jiān)控智能化手段，為安全監(jiān)督作業(yè)、檢維修作業(yè)等提供了遠程監(jiān)督能力，有效減少車輛配屬費用，按每天減少出車104次消減16輛監(jiān)督配屬車輛算，日節(jié)約5 600元，年節(jié)約成本204.4萬元。

6）可視化監(jiān)控及視頻智能分析代替了傳統(tǒng)的人工盯防監(jiān)控方式，緩解井下作業(yè)工作量大與監(jiān)管人員短缺的矛盾，同時系統(tǒng)融合有效提升了安全管控人員信息感知能力。并充分發(fā)揮可視化監(jiān)控的威懾作用，防控風險、降低損失，樹立良好的企業(yè)形象。