井場安全生產監控系統研究及應用

陳曉明 王傳平 劉少杰 孟亮 王佳佳 崔新強 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

數字化建設是我國油田發展的重要趨勢，在進行數字化建設的過程中，需要建立包括監控系統、數據采集系統以及防范系統在內的多系統監控平臺[1-2]。由于油田井場內油井的數量相對較多，分布相對較為分散，危險源的數量相對較多，如何保障井場的安全生產作業具有重要意義[3-4]。通過建立監控平臺，可以對風險問題進行及時預警，有助于操作人員提前采取措施保障井場的安全、高效作業。

近些年來，國內外學者對井場安全監控措施進行了全面研究。蓋文妹等[5]針對高含硫井場的生產安全問題，建立了分戶報警通知傳播模型，并對該模型進行了仿真實驗。通過實驗發現，如果傳播時間相對較長，井場周圍的社會關系越緊密，則報警器的布置數量越多，此時起到的報警傳播效果越好。在經濟條件允許的范圍內，通過增加報警器的數量，有助于保障井場周圍居民安全。趙巖等[6]針對野外鉆井作業過程中可能會出現的風險問題，建立了視頻監控系統。該系統將網絡技術、通訊技術、壓縮技術以及決策技術進行了融合，通過在生產處設立總調度指揮中心，及時了解鉆井過程中可能出現的風險問題，此種系統有助于保障鉆井作業安全。易高翔等[7]針對石油罐區的安全問題，提出了一種基于多源數據融合的監控模型。模型綜合了三種類型融合技術，分別是數據融合、特征融合以及決策融合，通過使用該系統，可以對石油罐區進行全面監控，有助于提高罐區作業安全性；白凱等[8]建立了一種基于4G技術的井場無線視頻監控系統。在進行野外監控的過程中，數據將通過4G 網絡上傳到服務器中，其運行的穩定性相對較高，且具有很強的擴張性。

本研究主要是根據井場數字化建設的目標，結合井場安全監控系統的需求情況，提出井場監控系統建設方案，對建設過程中的硬件需求及配置進行分析，對軟件實現進行研究，并在我國某井場內進行了一年的應用效果評價，為及時發現井場內的風險問題以及保障井場安全生產作業奠定了基礎。

1 井場安全監控需求分析

1.1 控制要求

在構建井場安全監控系統的過程中，需要達到的控制要求可以分為4個方面：①參數監控顯示及報警，監控系統需要對各種設備及工藝流程的運行參數進行顯示，通過設定閾值的方式，在參數超過閾值以后發出報警；②視頻監控，在監控中心內可以通過監控屏幕了解抽油機等設備的實時運行情況，可以對井口位置進行檢查，判斷抽油機是否處于正常運行狀態以及井場的作業是否符合規范要求[9]；③闖入識別，檢測井場內是否存在人員闖入問題，如果出現該種問題可以及時發出報警提醒工作人員，同時還可以對報警事件進行錄像；④綜合預警，對檢測參數進行信息融合，對井場內各個位置處的安全性進行判斷[10]。

1.2 建設目標

在構建井場安全監控系統過程中，需要達到的建設目標可以分為4個方面：①明確監控對象，主要是對井場以及集輸站內的生產狀況以及設備參數進行監控，了解可能出現的隱患問題，確定設備及工藝運行的安全參數[11-12]；②傳輸可靠，由于油井分布相對較為分散，與監控中心之間的距離相對較遠，傳輸信號可能會受到多種因素的影響及干擾，因此將采用穩定性較強的5.8 GHz 專用網絡進行數據傳輸；③數據處理得當，由于采集的數據只能反應一種風險問題出現的概率，因此需要引入信息融合技術，對采集的數據信息進行綜合性融合處理，為及時判斷井場運行狀態奠定基礎；④監控界面直觀，通過監控中心的界面，可以全面了解井場及集輸站的生產運行情況，可以直觀判斷存在的隱患問題，監控畫面清晰，對于部分位置需要進行重點監控，防止出現人員闖入問題，井場及集輸站的安全狀態可以直觀性的顯示[13]。

2 井場安全生產監控系統構建

2.1 建設方案

井場監控系統架構如圖1所示，其分為三個子系統，分別是信息采集系統、信息傳輸系統以及監控中心，這三個子系統將完全對應網絡技術中的感知層、傳輸層以及應用層。

圖1 井場安全監控系統架構Fig.1 Wellsite safety monitoring system architecture

（1）信息采集系統。信息采集系統的主要作用是對生產區域以及集輸站內各種設備及運行工藝的參數進行監控，根據井場監控的需求情況，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。需要進行采集的參數主要包括管道內的壓力、井場內可燃氣體的分布及濃度、電動機的運行電動流以及相關設備運行的視頻信息[14]。對于集輸站而言，需要進行采集的參數主要包括加熱爐的運行溫度以及壓力、分離器的壓力、沉降罐區域介質的性質以及集輸站內可燃氣體的分布及濃度。井場的信息采集系統結構如圖2 所示。通過使用無線傳感器，可以將設備的運行參數以及工藝運行參數轉化為電信號，通過ZigBee 模塊中的2.4GHz 網絡可以將電信號傳輸到RTU 中對于視頻信號而言，其主要可以通過網線傳輸到視頻服務器中，在經過節點交換機以后，視頻信號可以傳輸到遠端網橋中[12]。

圖2 信息采集系統架構Fig.2 Information acquisition system architecture

（2）信息傳輸系統。為了全面提高信息傳輸的穩定性以及可靠性，在進行信息傳輸的過程中選用了穩定性較強的5.8 GHz 的無線網橋，該種類型網橋的傳輸距離相對較遠，信號的帶寬相對較大[15]。對于集輸站而言，在進行采集系統與監控中心連接的過程中，采用了以太網的方式，信息傳輸系統的架構如圖3所示。

圖3 信息傳輸系統架構Fig.3 Information transmission system architecture

（3）安全監控中心。整個井場安全監控系統中監控中心屬于其核心部分，會對整個系統的正常運行產生重要影響，同時會影響系統的穩定性以及實用性。通過調研發現，常見的監控軟件可以分為兩種架構類型，分別是C/S 架構以及B/S 架構，由于前者的穩定性更強，因此將使用C/S架構完成監控中心設計。C/S 架構屬于一種相對較為先進、提出時間相對較早的軟件架構，其主要可以分為兩層架構模式以及三層架構模式，在局域網內的應用相對較為廣泛[16]。對于兩層架構模式，第一層屬于客戶端層面，第二層屬于服務器層面，由于兩個層面直接相連，大量的資源將會被頻繁的傳輸，無法對數據請求快速地做出反應，因此研究將采用三層架構模式。三層架構模式的C/S 體系架構如圖4 所示。其客戶端屬于表示層，業務層屬于整個架構的重要組成部分，主要是對用戶請求做出響應，同時，還把數據的處理結果傳輸到表示層中；服務層主要提供數據庫資源。三個層面之間在邏輯上是相互獨立的，但是功能方面具有非常明確的劃分[17]。

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

2.2 硬件構成

我國大多數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，所處的環境較為惡劣，在制定安全監控措施的過程中，需要使用傳感器以及攝像頭對現場信息進行采集[18-20]。井場內信息采集系統主要由四部分構成：數據采集傳感器、攝像頭、服務器以及RTU。所使用的數據采集傳感器主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、電參傳感器、可燃氣體濃度傳感器、含水率傳感器、流量傳感器等，攝像頭選用網絡攝像機，傳感器與RTU 連接采用的通信方式為ZigBee 通信，攝像機與服務器連接采用的通信方式為網線通訊[21]。硬件設施的型號如表1所示。

表1 硬件設施型號Tab.1 Hardware facility model

2.3 軟件實現

井場監控系統軟件架構如圖5所示，其系統軟件主要由六部分構成：組態軟件、采集系統驅動程序、SQL Server2005、特征分析軟件、監控軟件以及信息融合程序。在進行設備及生產工藝運行參數采集的過程中，需要使用I/O 驅動程序，此時得到的監控參數可以反應出各種類型設備以及生產工藝的實際運行情況，同時，還需要在經過ODBC 以后，與SQL數據庫進行全面連接，以此實現數據保存的功能[22-23]。特征分析軟件主要是對獲取的視頻進行特征提取，提取的特征會傳輸到信息融合程序中，信息融合程序對其進行全面處理，使用Force-Control 7.0，可以將監控軟件與特征分析軟件相互連接[24]。在進行信息融合程序、特征分析軟件以及ForceControl 7.0 連接的過程中，使用的接口為OPC結構，信息融合程序主要是對特征信息、設備及生產工藝運行參數進行融合，最終實現風險預警的功能[25]。

圖5 井場監控系統軟件架構Fig.5 Software architecture of wellsite monitoring system

3 井場監控系統應用分析

3.1 系統運行

井場監控系統運行可以分為六部分：

（1）用戶登錄。在用戶登錄該系統的過程中，首先需要輸入有效的用戶名以及密碼，此時才能順利進入系統中，工作人員可以對設備及工藝運行參數、視頻監控數據以及井場安全狀態進行查看。

（2）井場參數顯示與報警。在登錄系統以后，可以通過查看井場安全參數顯示界面，對井場的運行參數進行實時查看。可以查看的參數主要包括管道壓力、電動機電流等，通過數據顯示的顏色進行提示報警，如果顯示為紅色，則表示非常危險，通過顏色變化情況可以了解井場的安全生產狀態。

（3）集輸站參數顯示與報警。在登錄系統以后，工作人員可以通過查看集輸站安全參數顯示界面，對集輸站內各種設備以及生產工藝的參數進行查看。主要包括加熱爐的溫度、壓力以及介質的含水率等，通過數據所顯示的顏色進行提示報警，如果顯示為紅色，則表示非常危險，通過顏色變化情況可以了解集輸站的安全生產狀態。

（4）視頻監控。通過使用視頻監控技術，可以取代傳統的人員巡井，工作人員可以通過遠程的方式，對現場的情況進行查看，實時了解現場生產狀態。

（5）井場狀態報警。對井場內采集的設備及生產工藝參數經過融合模型處理以后，就可以了解井場的安全狀態。

（6）集輸站狀態報警。對集輸站內采集的設備及生產工藝參數經過融合模型處理以后，就可以了解集輸站的安全狀態。

3.2 運行效果分析

根據我國某井場的需求，建立了井場安全生產監控系統，主要對13座抽油機組成的井場以及1座集輸站進行實時監控，井場的監控參數為管道壓力、電動機電流等；同時，還實時了視頻監控。集輸站的主要監控參數為加熱爐的溫度及壓力等，可以對井場以及集輸站內的每一項參數進行實時且準確的監控。通過進行安全監控系統建設，在監控中心內通過預警模型，可以對可能出現的安全風險問題進行及時的預警，工作人員通過監控中心的上位機可以及時了解設備以及生產工藝的參數變化。經過一年的運行，該井場安全監控系統的運行狀態良好。在系統投入使用前一年以及投入使用后一年該井場風險事故的次數如表2 所示。通過對表2 可以發現，使用該系統后風險事故發生概率有效降低，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 井場安全監控系統實施前后效果對比Tab.2 Comparison of effects before and after the implementation of the wellsite safety monitoring system

綜合分析可以發現，該井場安全監控系統可以對井場、集輸站內各種設備以及生產工藝的運行參數進行監控，同時通過視頻分析技術，可以及時了解設備運行狀態的變化情況以及是否出現了人員闖入，可以對各種類型的風險問題進行及時預警，有助于全面提高我國井場的安全管理水平。安全監控系統具有很強的可行性以及先進性，未來可以在我國各個井場中推廣使用。

4 結論

針對我國井場的安全生產問題，研發了一種井場安全監控系統。對井場的安全需求以及安全監控系統的建設目標進行全面分析，從安全監控系統的總體架構出發，對所需要的硬件設備以及軟件系統進行了介紹，在我國某井場內進行應用研究，全面驗證了該井場安全監控系統的可行性以及先進性。

（1）在建立井場安全生產監控系統的過程中，需要達到的控制要求為數字監控顯示及報警、視頻監控、闖入識別以及綜合預警；需要達到的建設目標為明確監控對象、傳輸可靠、數據處理得當以及監控界面直觀。此時得到的安全生產監控系統才能滿足我國井場以及集輸站安全預警及數據采集分析的要求。

（2）井場監控系統架構分為三個子系統，分別是信息采集系統、信息傳輸系統以及監控中心。信息采集系統主要是對井場、集輸站內設備、生產工藝的運行參數以及視頻信息進行全面采集，信息傳輸系統選用穩定性較強的5.8 GHz 的無線網橋和以太網，監控中心內采用了三層架構模式的C/S體系。

（3）通過對該系統進行為期一年的應用效果評價后發現，該系統可以對井場、集輸站內各種設備以及生產工藝的運行參數進行監控；同時，通過視頻分析技術，可以及時了解設備運行狀態的變化情況以及是否出現了人員闖入，可以對各種類型的風險問題進行及時預警。應用該系統后風險問題出現的概率降低85.71%，證明本次研發的安全監控系統具有很強的可行性以及先進性，有助于全面提高我國井場的安全管理水平。