油田井下作业可视化安全管控技术研究与应用

文虎成，田涛，张绍辉，马常军，邓攀

1.中国石油长庆油田分公司工程监督处（陕西 西安 710016）

2.中国石油勘探与生产工程监督中心 （北京 100083）

3.中国石油青海油田分公司监督监理公司（青海 茫崖 817500）

1 井下作业安全管控面临的形势

1）油田企业安全生产压力与日俱增，施工作业现场安全监管责任重大。新安全生产法颁布后，对企业安全生产提出了更高更严的要求。集团公司、油田公司多次召开承包商安全生产管控推进会，要求全面推行视频监控、智能行为分析等先进技术手段，对承包商实施全天候、全方位、全过程、无死角过程管控，促进监管水平的提升。

2）井下作业工作量大、市场化程度高，给安全生产管控带来严峻挑战。集团公司井下作业年工作量超21万井次，其中长庆6.6万井次（占钻试修总量的85%）。井下作业类型多、工序复杂、监管对象复杂，承包商市场化程度高（达98.5%），人员流动大且素质参差不齐，工作量大（每天500支队伍），作业区域点多、面广，安全监管人员不足，无法实现监管全覆盖。井控、安全、环保问题依旧突出（占比92%），承包商安全环保意识差，自主管理能力未从本质上突破，难以全方位监管；尤其是高后果区域存在小事件大后果风险。给油气田的安全生产和成本控制带来了巨大挑战。

3）传统井下作业安全监控模式及技术手段无法满足全过程管控需要。传统井下作业安全监管以重点井、重点工序为主，监管覆盖面不全；虽然油田建设的视频监控系统取得较好的成效，但还存在部分井场（井口）监控画面不清、不全，视频监控依靠人工盯防、智能化程度不足、未与业务系统融合等问题。

2 井下作业安全管控措施研究

2.1 规范井下作业监督模式

长庆油田经历多年发展，井下作业数字化监督模式以PC 端系统为平台，对接远程监控平台，监督人员可以远程实时监控和管理现场施工情况，达到巡检、重点工序和驻井监督的工作效果。作业队伍通过移动单兵传输关键环节施工影像等；监控监督通过远程视频监控、连线巡检、远程对话实现作业井远程监督。由2～3 名监督协同完成多口井监督任务，以便井下作业管理人员及时发现井下情况，保障作业安全。

2.2 规范井下作业监督要点

为确保井下作业监督检查信息化、数字化，以国家法律法规、石油行业、企业标准为依据，将修井作业开工验收，工序监督检查内容标准化、表单化、信息化、模块化，通过手持终端实时采集作业现场监督检查信息，传送至后台形成大数据。梳理规范井下作业监督表单35 个，涵盖作业工序397 项，常见问题及整改措施3 875 个，标准化整改与处罚措施4类，确保监督系统规范化管理[1-4]。

小修（维护）作业主要是起下完井管（杆）柱，加上洗井、压井、探冲砂等基本施工管柱。措施作业在起下完井管（杆）柱的基础上，增加了为达到措施目的的施工管柱，包括压裂、酸化、防砂等。试油作业在起下完井管（杆）柱的基础上，增加了为达到试油目的的施工管柱，包括测试、排液、压裂、酸化等。大修作业在起下完井管（杆）柱的基础上，增加了为达到大修目的的施工管柱，包括磨铣、打捞等。

基于这4类井下作业的施工过程，确定小修（维护）作业是所有作业类型的基础，本次项目研究优先考虑小修作业施工工序的标准化，进而扩展到措施、试油、大修，通过对起下管（杆）柱的监控，从而实现对施工的安全控制。

2.3 井下作业视频和信息监控技术

修井作业现场视频及信息采集系统，分为井场高清视频监控模块、修井车载荷工况采集模块、井口气体安全检测模块、泵车、热洗车工况采集模块、压裂曲线采集模块、数据远程采集控制模块[5-6]。应用相关的视频、单兵、数据服务系统为A5 提供专门的调用接口，直接访问作业现场信息，实现前后端、双向视频、音频、数据互动交流。

1）井下作业视频信息监控。①井场固定式视频监控：依托油田生产运行平台已建设井场视频监控对井下作业现场进行监控，主要采用“无线网桥+有线电缆传输”方式进入油田内部网络。截至2020年底，全油田共有井场18 099 个，安装视频监控井场17 395 个，覆盖率96.11%，其中标清井场13 008个、高清井场4 387 个，高清井场覆盖率24.24%。②井场移动式视频监控：在井场部署便携式高清视频摄像装置，通过4G网络将作业现场监控画面传输至监控中心。通过井场无线传输，减少布线，优选视频监控设备，经APN 专网输出至油田内部网络，实现了影像、数据的安全采集、传输。便携移动式视频监控装置主要由安全控制模块、蓄电池、摄像机天线构件、防爆移动单兵、设备舱、手摇升降支架组成[7-8]。③手持移动终端监控：手持移动终端是视频监控的有益补充，能够对监督关键环节及工序进行图像抓拍、远程风险提示、现场作业指导，同时监督人员可以利用手持终端将监督检查问题以图像发送至后台监控系统。前端移动单兵为内网用户推送现场细节画面；后台WEB监管用户对监控画面进行标注，要求前端按需拍摄。

2）井下作业工况参数监测。为实现井下作业现场全方位管控，基于通井机探索性开展了作业设备大钩载荷的无线数字化监测研制与试验。大钩载荷一体化采集器是用来对大钩进行载荷的实时数据采集，是修井作业进行故障诊断、施工量计量的一个重要设备。拉力式触感器相对于测量线缆的张力传感器准确度更高，更能真实反映拉力实际情况。为验证大钩拉力性能，在室内对其精度进行了测试。在空旷场景150 m距离内测试信号强度低于-60 dBm，在安全过载150%下测试传感器无质量问题，在极限过载200%下测试无质量问题[9-10]。

2.4 井下作业安全生产管理控制系统

1）移动PC 端程序。以井下作业现场监控为基础，通过对井下作业视频信息监控，对井下作业开工许可、作业施工重点工序进行网络化、信息化管理，实现井下作业施工过程的管理。移动端应用采用基于ANDROID 系统的原生APP；移动端与后台服务器的数据交互通过基于HTTP SOAP 协议的WEB SERVICE 实现；服务器消息“井下作业监督管理系统”通过APP 向用户推送生产任务、生产指挥指令。

2）系统功能模块。在现场需求梳理的基础上，对功能模块进行设计。截至目前，井下作业监督共设计了14 个功能模块；包含压裂、酸化常规措施的工序质量检验卡，维护、带压作业、压裂、酸化、射孔、化学堵水、固井封井的施工质量监督卡，现场检查表等共10个数据表单的录入、审核和查询功能的设计。

井下作业视频信息监控数据可进行实时查看、历史数据查看。对维护、措施、大修、压裂和酸化作业的开工许可证相关资料进行在线网络化资料审核，实现PC+APP的在线开工许可证审核。对洗井、试压和下钻作业过程实时监控，实现作业过程的实时监控、抓拍等。可实现监督人员相关信息采集，作业过程中监督日志、监督总结的采集，并实现作业过程的实时监控、抓拍等。通过队伍资质、设备等相关信息采集，队伍人员的相片、身份证等相关信息，为后期视频监控识别提供基础。

3 井下作业可视化管控技术应用

3.1 井下作业现场视频监控应用情况

依托井场数字化高清视频改造，将现有井场视频与井下作业系统对接融合，已完成1 588 个井场视频接口对接，基本满足井下作业现场远程视频监控。配套10支作业队伍移动式视频监控装置，现场试验50 余井次，可通过云台调节与井口距离，观察井口操作，满足全过程监控需要。通过高清视频监控应用，利用远程视频检查现场15 664 井次，发现问题449项，跟踪夜间施工5 788井次，监控登高、吊装、倒扣、替油作业4 382井次。全过程跟踪作业风险，抓工序防违章，从源头上加强现场管控能力。

3.2 井下作业监督系统应用情况

依托井筒可视化系统建设，修井作业监督已配套手持终端912 个，截至目前已完成25 803 井次修井作业监督检查，使作业现场监督检查更加规范化、标准化。同时通过系统应用，井下数字化监督管理模式与传统监督模式相比更具生命力，是油田高质量发展的有效手段。

3.3 打造作业现场应用示范作业区

在采油作业区进行了试点应用，初步实现了从单一视频监控到“视频监控与监督工作”相结合的新型监督模式。

现场监督从开工验收到完井交接所涉及内容全部由手持终端录入，可远程查看施工过程。视频监督全程在线监控，PC 端检查录入情况，对每一道提交工序进行核查，实现了视频监控从单一监控向双核查的转变。

通过“视频监控+移动终端+PC 端后台管理”，使作业现场监督检查更加规范化、标准化，监督履职能力和履职效果有效提升；检查信息透明化、公开化、刚性化，促进了承包商自主管理能力提升，提高了井下作业现场安全风险管控能力。全油田以“看的见、看的清”为原则，持续推进视频监控工作有序进行。截至目前，全油田累计开展视频检查现场15 664 井次，发现问题449 项，跟踪夜间施工5 788 井次，监控登高、吊装、倒扣、替油作业4 382井次，跟踪队伍未及时到场2 377井次。

4 实施效果

1）基于可视化监控，构建了井下作业安全生产监控新模式，实现了安全生产管控全覆盖及提质增效。构建了井区-作业区-厂级-公司级的视频监督体系，设立视频监控岗、分层级开展监督，通过视频监控对重点工序进行指导、监督、抽查，提升监控预警和隐患排查能力，实现井下作业全过程监控。井下作业数字化监督管理新模式，由监督人员现场驻点监督或对关键工序监督，从必须到现场转变为利用视频监控的“远程+现场”双重监督全过程，现场监督巡检、抽检，远程监督全程在线监控，实现2～3人协同完成多井监督。

2）集成创新井下作业现场视频监控方式及视频智能分析，实现作业现场全方位、全过程监控。根据不同的作业类型，确定了小修、大修、带压、措施作业的监控点个数、监控点点位及视频监控范围，形成视频监控配套技术，回传井口画面清晰流畅，满足井口作业面重点监控，减少布线对施工作业的影响。实现了现场作业区监控区域的人员劳保穿戴及车辆闯入自动识别，系统根据设定模式自动进行判断与异常报警。可通过视频监测起下钻速度，评估作业质量和施工进度。

3）开发了集视频和作业动态的井下作业安全生产管控系统，实现了视频监控与业务系统共享融合。井下作业安全生产管控平台实现施工井“作业设计、施工动态、队伍管理、可视化监控”于一体化的作业全流程管控。施工作业动态视频监控图像抓拍、违章问题在线上报，对井控安全等重复性、严重问题系统备案整改。视频监控界面设置了图像抓拍、违章问题在线上报功能。手持终端和PC端具有实时通信功能，远程监督与现场监督（作业队伍）可在线互动。

4）通过“视频监控+”井下作业可视化安全生产管控新模式，现场累计应用8 906井次，检查出重复性问题及隐患同比下降10%，单井问题数从2.67 降至2.10，有力提升了井下作业监管水平。

5）通过智能识别技术，实现了部分代替人工监控，减少了人工监控成本，并能实现7×24 h 监控，极大地提高了监督效率。目前长庆油田约3 000人的安全监督队伍，通过智能监控手段至少能削减5%的人员成本，全年节省费用约3 000 万元。通过提升监控智能化手段，为安全监督作业、检维修作业等提供了远程监督能力，有效减少车辆配属费用，按每天减少出车104次消减16辆监督配属车辆计算，日节约成本5 600元，年节约成本204.4万元。

6）利用可视化监控及视频智能分析代替人工盯防的监控方式，缓解了井下作业工作量大与监管人员短缺的矛盾。同时系统融合有效提升了安全管控人员信息感知能力，充分发挥了可视化监控的威慑作用，防控风险、降低损失，树立良好的企业形象。