井场安全生产监控系统研究及应用

陈晓明 王传平 刘少杰 孟亮 王佳佳 崔新强 李力 董江洁

1新疆油田分公司采气一厂

2中国石油青海油田公司采气三厂

数字化建设是我国油田发展的重要趋势，在进行数字化建设的过程中，需要建立包括监控系统、数据采集系统以及防范系统在内的多系统监控平台[1-2]。由于油田井场内油井的数量相对较多，分布相对较为分散，危险源的数量相对较多，如何保障井场的安全生产作业具有重要意义[3-4]。通过建立监控平台，可以对风险问题进行及时预警，有助于操作人员提前采取措施保障井场的安全、高效作业。

近些年来，国内外学者对井场安全监控措施进行了全面研究。盖文妹等[5]针对高含硫井场的生产安全问题，建立了分户报警通知传播模型，并对该模型进行了仿真实验。通过实验发现，如果传播时间相对较长，井场周围的社会关系越紧密，则报警器的布置数量越多，此时起到的报警传播效果越好。在经济条件允许的范围内，通过增加报警器的数量，有助于保障井场周围居民安全。赵岩等[6]针对野外钻井作业过程中可能会出现的风险问题，建立了视频监控系统。该系统将网络技术、通讯技术、压缩技术以及决策技术进行了融合，通过在生产处设立总调度指挥中心，及时了解钻井过程中可能出现的风险问题，此种系统有助于保障钻井作业安全。易高翔等[7]针对石油罐区的安全问题，提出了一种基于多源数据融合的监控模型。模型综合了三种类型融合技术，分别是数据融合、特征融合以及决策融合，通过使用该系统，可以对石油罐区进行全面监控，有助于提高罐区作业安全性；白凯等[8]建立了一种基于4G技术的井场无线视频监控系统。在进行野外监控的过程中，数据将通过4G 网络上传到服务器中，其运行的稳定性相对较高，且具有很强的扩张性。

本研究主要是根据井场数字化建设的目标，结合井场安全监控系统的需求情况，提出井场监控系统建设方案，对建设过程中的硬件需求及配置进行分析，对软件实现进行研究，并在我国某井场内进行了一年的应用效果评价，为及时发现井场内的风险问题以及保障井场安全生产作业奠定了基础。

1 井场安全监控需求分析

1.1 控制要求

在构建井场安全监控系统的过程中，需要达到的控制要求可以分为4个方面：①参数监控显示及报警，监控系统需要对各种设备及工艺流程的运行参数进行显示，通过设定阈值的方式，在参数超过阈值以后发出报警；②视频监控，在监控中心内可以通过监控屏幕了解抽油机等设备的实时运行情况，可以对井口位置进行检查，判断抽油机是否处于正常运行状态以及井场的作业是否符合规范要求[9]；③闯入识别，检测井场内是否存在人员闯入问题，如果出现该种问题可以及时发出报警提醒工作人员，同时还可以对报警事件进行录像；④综合预警，对检测参数进行信息融合，对井场内各个位置处的安全性进行判断[10]。

1.2 建设目标

在构建井场安全监控系统过程中，需要达到的建设目标可以分为4个方面：①明确监控对象，主要是对井场以及集输站内的生产状况以及设备参数进行监控，了解可能出现的隐患问题，确定设备及工艺运行的安全参数[11-12]；②传输可靠，由于油井分布相对较为分散，与监控中心之间的距离相对较远，传输信号可能会受到多种因素的影响及干扰，因此将采用稳定性较强的5.8 GHz 专用网络进行数据传输；③数据处理得当，由于采集的数据只能反应一种风险问题出现的概率，因此需要引入信息融合技术，对采集的数据信息进行综合性融合处理，为及时判断井场运行状态奠定基础；④监控界面直观，通过监控中心的界面，可以全面了解井场及集输站的生产运行情况，可以直观判断存在的隐患问题，监控画面清晰，对于部分位置需要进行重点监控，防止出现人员闯入问题，井场及集输站的安全状态可以直观性的显示[13]。

2 井场安全生产监控系统构建

2.1 建设方案

井场监控系统架构如图1所示，其分为三个子系统，分别是信息采集系统、信息传输系统以及监控中心，这三个子系统将完全对应网络技术中的感知层、传输层以及应用层。

图1 井场安全监控系统架构Fig.1 Wellsite safety monitoring system architecture

（1）信息采集系统。信息采集系统的主要作用是对生产区域以及集输站内各种设备及运行工艺的参数进行监控，根据井场监控的需求情况，可以将井场分为多种类型，例如单井井场以及丛式井井场等。需要进行采集的参数主要包括管道内的压力、井场内可燃气体的分布及浓度、电动机的运行电动流以及相关设备运行的视频信息[14]。对于集输站而言，需要进行采集的参数主要包括加热炉的运行温度以及压力、分离器的压力、沉降罐区域介质的性质以及集输站内可燃气体的分布及浓度。井场的信息采集系统结构如图2 所示。通过使用无线传感器，可以将设备的运行参数以及工艺运行参数转化为电信号，通过ZigBee 模块中的2.4GHz 网络可以将电信号传输到RTU 中对于视频信号而言，其主要可以通过网线传输到视频服务器中，在经过节点交换机以后，视频信号可以传输到远端网桥中[12]。

图2 信息采集系统架构Fig.2 Information acquisition system architecture

（2）信息传输系统。为了全面提高信息传输的稳定性以及可靠性，在进行信息传输的过程中选用了稳定性较强的5.8 GHz 的无线网桥，该种类型网桥的传输距离相对较远，信号的带宽相对较大[15]。对于集输站而言，在进行采集系统与监控中心连接的过程中，采用了以太网的方式，信息传输系统的架构如图3所示。

图3 信息传输系统架构Fig.3 Information transmission system architecture

（3）安全监控中心。整个井场安全监控系统中监控中心属于其核心部分，会对整个系统的正常运行产生重要影响，同时会影响系统的稳定性以及实用性。通过调研发现，常见的监控软件可以分为两种架构类型，分别是C/S 架构以及B/S 架构，由于前者的稳定性更强，因此将使用C/S架构完成监控中心设计。C/S 架构属于一种相对较为先进、提出时间相对较早的软件架构，其主要可以分为两层架构模式以及三层架构模式，在局域网内的应用相对较为广泛[16]。对于两层架构模式，第一层属于客户端层面，第二层属于服务器层面，由于两个层面直接相连，大量的资源将会被频繁的传输，无法对数据请求快速地做出反应，因此研究将采用三层架构模式。三层架构模式的C/S 体系架构如图4 所示。其客户端属于表示层，业务层属于整个架构的重要组成部分，主要是对用户请求做出响应，同时，还把数据的处理结果传输到表示层中；服务层主要提供数据库资源。三个层面之间在逻辑上是相互独立的，但是功能方面具有非常明确的划分[17]。

图4 三层架构模式的C/S体系Fig.4 C/S system of three-tier architecture mode

2.2 硬件构成

我国大多数的油田井场中油井以及集输站场的分布相对较广，相互之间的距离相对较远，所处的环境较为恶劣，在制定安全监控措施的过程中，需要使用传感器以及摄像头对现场信息进行采集[18-20]。井场内信息采集系统主要由四部分构成：数据采集传感器、摄像头、服务器以及RTU。所使用的数据采集传感器主要包括压力传感器、温度传感器、电参传感器、可燃气体浓度传感器、含水率传感器、流量传感器等，摄像头选用网络摄像机，传感器与RTU 连接采用的通信方式为ZigBee 通信，摄像机与服务器连接采用的通信方式为网线通讯[21]。硬件设施的型号如表1所示。

表1 硬件设施型号Tab.1 Hardware facility model

2.3 软件实现

井场监控系统软件架构如图5所示，其系统软件主要由六部分构成：组态软件、采集系统驱动程序、SQL Server2005、特征分析软件、监控软件以及信息融合程序。在进行设备及生产工艺运行参数采集的过程中，需要使用I/O 驱动程序，此时得到的监控参数可以反应出各种类型设备以及生产工艺的实际运行情况，同时，还需要在经过ODBC 以后，与SQL数据库进行全面连接，以此实现数据保存的功能[22-23]。特征分析软件主要是对获取的视频进行特征提取，提取的特征会传输到信息融合程序中，信息融合程序对其进行全面处理，使用Force-Control 7.0，可以将监控软件与特征分析软件相互连接[24]。在进行信息融合程序、特征分析软件以及ForceControl 7.0 连接的过程中，使用的接口为OPC结构，信息融合程序主要是对特征信息、设备及生产工艺运行参数进行融合，最终实现风险预警的功能[25]。

图5 井场监控系统软件架构Fig.5 Software architecture of wellsite monitoring system

3 井场监控系统应用分析

3.1 系统运行

井场监控系统运行可以分为六部分：

（1）用户登录。在用户登录该系统的过程中，首先需要输入有效的用户名以及密码，此时才能顺利进入系统中，工作人员可以对设备及工艺运行参数、视频监控数据以及井场安全状态进行查看。

（2）井场参数显示与报警。在登录系统以后，可以通过查看井场安全参数显示界面，对井场的运行参数进行实时查看。可以查看的参数主要包括管道压力、电动机电流等，通过数据显示的颜色进行提示报警，如果显示为红色，则表示非常危险，通过颜色变化情况可以了解井场的安全生产状态。

（3）集输站参数显示与报警。在登录系统以后，工作人员可以通过查看集输站安全参数显示界面，对集输站内各种设备以及生产工艺的参数进行查看。主要包括加热炉的温度、压力以及介质的含水率等，通过数据所显示的颜色进行提示报警，如果显示为红色，则表示非常危险，通过颜色变化情况可以了解集输站的安全生产状态。

（4）视频监控。通过使用视频监控技术，可以取代传统的人员巡井，工作人员可以通过远程的方式，对现场的情况进行查看，实时了解现场生产状态。

（5）井场状态报警。对井场内采集的设备及生产工艺参数经过融合模型处理以后，就可以了解井场的安全状态。

（6）集输站状态报警。对集输站内采集的设备及生产工艺参数经过融合模型处理以后，就可以了解集输站的安全状态。

3.2 运行效果分析

根据我国某井场的需求，建立了井场安全生产监控系统，主要对13座抽油机组成的井场以及1座集输站进行实时监控，井场的监控参数为管道压力、电动机电流等；同时，还实时了视频监控。集输站的主要监控参数为加热炉的温度及压力等，可以对井场以及集输站内的每一项参数进行实时且准确的监控。通过进行安全监控系统建设，在监控中心内通过预警模型，可以对可能出现的安全风险问题进行及时的预警，工作人员通过监控中心的上位机可以及时了解设备以及生产工艺的参数变化。经过一年的运行，该井场安全监控系统的运行状态良好。在系统投入使用前一年以及投入使用后一年该井场风险事故的次数如表2 所示。通过对表2 可以发现，使用该系统后风险事故发生概率有效降低，降低幅度为85.71%，井场的安全管理水平得到了大幅提升。

表2 井场安全监控系统实施前后效果对比Tab.2 Comparison of effects before and after the implementation of the wellsite safety monitoring system

综合分析可以发现，该井场安全监控系统可以对井场、集输站内各种设备以及生产工艺的运行参数进行监控，同时通过视频分析技术，可以及时了解设备运行状态的变化情况以及是否出现了人员闯入，可以对各种类型的风险问题进行及时预警，有助于全面提高我国井场的安全管理水平。安全监控系统具有很强的可行性以及先进性，未来可以在我国各个井场中推广使用。

4 结论

针对我国井场的安全生产问题，研发了一种井场安全监控系统。对井场的安全需求以及安全监控系统的建设目标进行全面分析，从安全监控系统的总体架构出发，对所需要的硬件设备以及软件系统进行了介绍，在我国某井场内进行应用研究，全面验证了该井场安全监控系统的可行性以及先进性。

（1）在建立井场安全生产监控系统的过程中，需要达到的控制要求为数字监控显示及报警、视频监控、闯入识别以及综合预警；需要达到的建设目标为明确监控对象、传输可靠、数据处理得当以及监控界面直观。此时得到的安全生产监控系统才能满足我国井场以及集输站安全预警及数据采集分析的要求。

（2）井场监控系统架构分为三个子系统，分别是信息采集系统、信息传输系统以及监控中心。信息采集系统主要是对井场、集输站内设备、生产工艺的运行参数以及视频信息进行全面采集，信息传输系统选用稳定性较强的5.8 GHz 的无线网桥和以太网，监控中心内采用了三层架构模式的C/S体系。

（3）通过对该系统进行为期一年的应用效果评价后发现，该系统可以对井场、集输站内各种设备以及生产工艺的运行参数进行监控；同时，通过视频分析技术，可以及时了解设备运行状态的变化情况以及是否出现了人员闯入，可以对各种类型的风险问题进行及时预警。应用该系统后风险问题出现的概率降低85.71%，证明本次研发的安全监控系统具有很强的可行性以及先进性，有助于全面提高我国井场的安全管理水平。