基于HSE模式的大慶油田鉆修井作業(yè)風(fēng)險管理系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用實(shí)踐

吳 錯工程師

(大慶油田有限責(zé)任公司 質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督評價中心，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

大慶油田作為國內(nèi)重要的油田，一直將安全生產(chǎn)作為油田管理的重點(diǎn)。目前，大慶油田作業(yè)安全管理制度較為完善，工作人員配置較為科學(xué)，且在多次改革過程中，工作人員的安全意識得以提升，油田安全管理制度得到落實(shí)，但仍存在一些問題，如鉆井生產(chǎn)設(shè)備逐漸老化；報廢管道逐漸增多；報廢油氣井管理存在隱患；最重要的是，現(xiàn)有作業(yè)管理系統(tǒng)的壓力承載能力不足，出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行緩慢、登錄人數(shù)過多容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰等問題?；诖?，引入現(xiàn)代技術(shù)優(yōu)化油田作業(yè)管理系統(tǒng)，提升大慶油田鉆修井作業(yè)安全管理能力，以便于后續(xù)安全作業(yè)的開展。

HSE管理體系是健康(Health)、安全(Safety)和環(huán)境(Environment)管理體系的簡稱，是較為先進(jìn)的管理模式[1]。該模式是在荷蘭海牙召開第一屆HSE會議中第一次提出，目前被廣泛應(yīng)用于我國大型企業(yè)管理之中。利用HSE安全管理模式對石油開采進(jìn)行管理，可增加油田作業(yè)日常安全檢查頻率，提高風(fēng)險排查力度；發(fā)現(xiàn)隱患及危險情況可及時通知相關(guān)工人和管理者，提高作業(yè)人員對危險的警惕意識，將安全管理的精力用在及時發(fā)現(xiàn)安全隱患、防范風(fēng)險發(fā)生上面，而非在風(fēng)險發(fā)生之后進(jìn)行彌補(bǔ)，避免造成更大的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。

基于此，本文將HSE模式應(yīng)用于大慶油田鉆修井作業(yè)安全管理系統(tǒng)設(shè)計中，用互聯(lián)網(wǎng)思維打造信息數(shù)字化安全管理系統(tǒng)，將油田風(fēng)險信息轉(zhuǎn)化為可視數(shù)據(jù)，針對各項風(fēng)險特征制定有效的防范措施，將安全管理系統(tǒng)中的風(fēng)險信息和措施信息進(jìn)行一一對應(yīng)并保存，可通過權(quán)限進(jìn)行信息存取。通過構(gòu)建該系統(tǒng)，以期提升鉆修井作業(yè)安全管理水平。

1 整體設(shè)計思路或框架

針對現(xiàn)有作業(yè)管理系統(tǒng)壓力承載能力不足的問題，將HSE模式應(yīng)用于作業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計中，以提升系統(tǒng)的整體承壓能力，系統(tǒng)框架設(shè)計，如圖1。

如圖1所示，本文采用傳感器模型及射頻讀寫器模塊共同進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。傳感器模塊主要對工作人員、修井工具、施工設(shè)備及施工情況進(jìn)行監(jiān)測，而射頻讀寫器模塊主要對井下的溫度、濕度、壓力、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測采集。HSE管理體系將安全生產(chǎn)的目標(biāo)分解到基層單位，并將識別危害、削減風(fēng)險等工作著重落實(shí)到具體崗位人員，故本文系統(tǒng)在構(gòu)建時著重于對井下鉆修井施工風(fēng)險的防控。傳統(tǒng)的鉆修井管理系統(tǒng)著重對井下環(huán)境的風(fēng)險預(yù)測，本文不僅對井下參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，還實(shí)時監(jiān)測工作人員的施工情況。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫后，調(diào)動該數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行風(fēng)險判斷，如風(fēng)險等級過高會出現(xiàn)預(yù)警，便于工作人員及時做出判斷。

圖1 系統(tǒng)框架

2 安全管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

油田鉆修井作業(yè)安全管理系統(tǒng)的硬件部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信等，主要由傳感器、射頻讀寫器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、集線器等組成，因為傳感器和射頻讀寫器模塊是對鉆修井施工情況及井下環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其數(shù)據(jù)采集質(zhì)量將會直接影響整個系統(tǒng)的管理質(zhì)量，所以傳感器和射頻讀寫器尤為重要，傳感器獲取相關(guān)信息，經(jīng)通信設(shè)備傳輸至計算機(jī)，為風(fēng)險判斷提供數(shù)據(jù)支撐。但井下作業(yè)時，采用射頻讀寫器獲取井下環(huán)境數(shù)據(jù)比傳感器更具優(yōu)勢，所以采用射頻讀寫器通過射頻識別信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，探測井下更多信息。

2.1 設(shè)計鉆修井作業(yè)傳感器

傳感器主要由接收數(shù)據(jù)信息的接收元件和數(shù)據(jù)信息傳遞的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換元件組成。接收元件接收到的信號可以被測量，然后將接收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。接收元件可以感知油田鉆修井機(jī)械中的電流變化，安全系統(tǒng)信號輸出時為避免對現(xiàn)場作業(yè)產(chǎn)生影響，信號的存在強(qiáng)度很低[2]。因此在接收元件接收信號時需要連接信號增強(qiáng)機(jī)。傳感器的結(jié)構(gòu)組成，如圖2。

圖2 傳感器的構(gòu)成

由圖2可以看出，感知設(shè)備感知外界狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換成信號發(fā)送給接收元件，接收元件及數(shù)據(jù)庫是信號分析處理的依據(jù)，可以降低井下作業(yè)人員危險操作的概率。在油田現(xiàn)場作業(yè)時，一旦工人出現(xiàn)違規(guī)操作，傳感器判斷與數(shù)據(jù)庫中的行為不符就會發(fā)出警告，將違規(guī)操作的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨踩芾硐到y(tǒng)的后臺管理部分，完成傳感器的一系列工作。傳感器除了對人為操作的行為規(guī)范進(jìn)行接收之外，對于施工器械的安全性也應(yīng)有所保障[3]。

2.2 優(yōu)化鉆修井作業(yè)射頻讀寫器設(shè)計

射頻讀寫器由存儲器、微處理器、收發(fā)機(jī)、供電電源、信號接收天線等部分組成，如圖3。

圖3 射頻讀寫器的構(gòu)成

微處理器為射頻讀寫器的核心硬件，擁有穩(wěn)定和功耗低的特性，選用UD系列的單片機(jī)。UD系列的單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的基本方式不是按照字節(jié)而是按位，但是也沒有完全摒棄字節(jié)處理，留下20H的單元地址用來處理字節(jié)[4]。存儲器負(fù)責(zé)儲存讀寫器工作所產(chǎn)生的全部信息。油田井下的作業(yè)環(huán)境較狹窄，信號的接收會受到阻礙，射頻讀寫器應(yīng)能夠與大部分通訊設(shè)備接口順利相連，保障信號接收暢通。最后，由于井下作業(yè)空間狹小，不方便攜帶太多備用電源，因此，系統(tǒng)硬件設(shè)施的供電電源一定要使用輸入端的高壓電源。

3 安全管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 作業(yè)安全管理數(shù)據(jù)庫設(shè)計

大數(shù)據(jù)時代下信息的采集和分析是技術(shù)提升的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫無論在什么系統(tǒng)中都是最重要的組成部分[5]。核心技術(shù)的開發(fā)與進(jìn)步都離不開數(shù)據(jù)庫的升級，數(shù)據(jù)庫將系統(tǒng)各運(yùn)行模塊結(jié)合在一起，模塊結(jié)合的關(guān)聯(lián)性取決于各模塊技術(shù)的關(guān)聯(lián)性。在系統(tǒng)維護(hù)過程中，系統(tǒng)升級方向和漏洞修補(bǔ)也都需要依靠數(shù)據(jù)庫中的信息，數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化設(shè)計可以提高系統(tǒng)開發(fā)的效率，本系統(tǒng)共設(shè)計6個數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表的功能，見表1。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)表功能概述

從表1可以看出，不同數(shù)據(jù)存放在不同的數(shù)據(jù)表中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中主要儲存的是系統(tǒng)編碼、數(shù)據(jù)編號、序號以及系統(tǒng)硬件的參數(shù)和配置描述；用戶數(shù)據(jù)表中保存用戶的登錄信息，包括用戶名和密碼等基礎(chǔ)信息，還包括用戶的使用權(quán)限。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，用戶數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)信息使用一個數(shù)據(jù)表，但系統(tǒng)升級之后很容易出現(xiàn)密碼丟失和用戶權(quán)限設(shè)置失效等問題，油田鉆修井作業(yè)需要實(shí)時監(jiān)控，出現(xiàn)無法登錄或權(quán)限不能使用的情況很可能導(dǎo)致作業(yè)風(fēng)險，因此，將用戶信息從基礎(chǔ)信息中剝離出來設(shè)置成單獨(dú)數(shù)據(jù)表[6-8]。工人信息表中主要存儲油田鉆修井工作人員的信息；硬件配置表主要用來存儲系統(tǒng)操作情況及硬件配置信息；射頻軌跡數(shù)據(jù)表主要用來記錄射頻信號的接收及發(fā)送軌跡工作；人員交班數(shù)據(jù)表主要用來記錄鉆修井工人交接班時間及進(jìn)出井下工作的記錄數(shù)據(jù)。

3.2 優(yōu)化風(fēng)險判定算法

基于HSE模式安全原則，考慮人員和作業(yè)機(jī)械安全，使用數(shù)據(jù)挖掘分類(Supervised Learning In Quest，SLIQ)算法代替原本的安全管理系統(tǒng)常用判定算法。傳統(tǒng)的風(fēng)險判定算法將風(fēng)險數(shù)據(jù)分割成不同等級，最后利用眾多數(shù)據(jù)集計算出影響力最大的風(fēng)險因素。而SLIQ算法的計算原理是在數(shù)據(jù)樣本中將數(shù)據(jù)分為n個子集，基于每個子集都是一個數(shù)據(jù)類別，設(shè)樣本數(shù)據(jù)Q中的子集數(shù)據(jù)為X，將X劃分為n個子集的結(jié)果為(X1，X2，X3…Xn)，則樣本數(shù)據(jù)Q的劃分結(jié)果為：

(1)

其中，I(X1，X2，X3，…，Xn)為X1，X2，X3，…，Xn的期望值。期望值的計算方式為：

(2)

其中，pi為某行為在作業(yè)操作中的風(fēng)險。根據(jù)算法的計算原理，Q的計算結(jié)果越大，證明現(xiàn)場作業(yè)的安全性越高。只要算法計算出的Q值在合理范圍內(nèi)，油田鉆修井作業(yè)安全可以得到保證，安全值有所變化，系統(tǒng)會作出相應(yīng)預(yù)警[9-11]。與計算風(fēng)險發(fā)生概率的算法相比更加智能，該算法的計算步驟簡單，計算結(jié)果與現(xiàn)場作業(yè)的實(shí)際情況之間不具有延時性。

3.3 作業(yè)安全管理系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)

功能的實(shí)現(xiàn)通常都能滿足系統(tǒng)的基本需求，圖2中傳感器顯示器部分不僅顯示實(shí)時操作畫面，還顯示3D模擬的井下結(jié)構(gòu)圖和每位施工人員的移動位置軌跡，可以自動檢測施工人員進(jìn)出現(xiàn)場的時間等有效信息，在考勤信息的地方顯示現(xiàn)場人數(shù)，還可以顯示運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量、發(fā)生異常的設(shè)備數(shù)量等。監(jiān)控為24h實(shí)時監(jiān)控，如果在監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)某施工人員出現(xiàn)違規(guī)操作，可進(jìn)行單人監(jiān)控[12]。監(jiān)控的存在不僅是為了監(jiān)控施工人員，也是為了檢查負(fù)責(zé)安全的檢測人員有沒有按時督查，將人為工作疏忽造成的風(fēng)險降到最低。

系統(tǒng)內(nèi)部信息可以實(shí)現(xiàn)管理人員共享，但系統(tǒng)外部不具有查看權(quán)限的人無法登錄查看內(nèi)部數(shù)據(jù)。作業(yè)管理中數(shù)據(jù)管理流程，如圖4。在油田鉆修井中進(jìn)行危險作業(yè)時，只留下專業(yè)技術(shù)人員，非專業(yè)人員在危險作業(yè)期間靠近作業(yè)區(qū)時系統(tǒng)會發(fā)出警報，通知該人員撤離危險區(qū)。一旦因為其他原因不能及時撤離危險區(qū)，系統(tǒng)將強(qiáng)制停止作業(yè)。

圖4 作業(yè)管理中數(shù)據(jù)管理流程圖

系統(tǒng)信息查詢界面和信息統(tǒng)計界面要輸入內(nèi)部密碼才能進(jìn)入，防止內(nèi)部數(shù)據(jù)泄露?？刂圃O(shè)置模塊包括監(jiān)控模塊和射頻讀寫模塊。最終實(shí)現(xiàn)軟件全部的風(fēng)險管理功能。

4 系統(tǒng)應(yīng)用案例分析

分析鉆修井作業(yè)安全管理系統(tǒng)應(yīng)用情況，一是為了明確系統(tǒng)能否順利運(yùn)行，二是為了明確設(shè)計系統(tǒng)能否滿足安全管理的現(xiàn)代化需求，通過系統(tǒng)應(yīng)用確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與其他系統(tǒng)比較證明本文設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)越性。

4.1 應(yīng)用準(zhǔn)備

服務(wù)端口選擇Windows Server 2021.02，油田鉆修井作業(yè)數(shù)據(jù)庫選擇Oracle20，操作系統(tǒng)為Windows10，內(nèi)存不小于32G。系統(tǒng)應(yīng)用可以在結(jié)構(gòu)測試法和功能測試中選擇一個，也可以基于實(shí)際需求同時使用2種方式。在系統(tǒng)應(yīng)用選擇之前要先進(jìn)行參數(shù)分析。

結(jié)構(gòu)測試法以系統(tǒng)應(yīng)用驅(qū)動為主，可以判斷作業(yè)安全管理系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行是否流暢。結(jié)構(gòu)測試要掌握系統(tǒng)內(nèi)部的全部程序，重點(diǎn)在于觀測程序在系統(tǒng)運(yùn)行中的作用和程序邏輯性的判斷，可用于作業(yè)安全管理系統(tǒng)軟件運(yùn)行的邏輯判斷。功能應(yīng)用與結(jié)構(gòu)應(yīng)用的原理不同，功能系統(tǒng)的內(nèi)部程序，是測試系統(tǒng)功能的優(yōu)劣，測試方式更貼近于在實(shí)際操作中系統(tǒng)的應(yīng)用。本文選取2種測試方法結(jié)合的方式，以便實(shí)驗結(jié)果既能證明系統(tǒng)的流暢性，又能證明系統(tǒng)的實(shí)用性。

系統(tǒng)功能測試的重要部分要選好測試用例，并模擬用戶使用情況，得到系統(tǒng)的使用反饋，觀察系統(tǒng)在使用過程中的穩(wěn)定程度，油田鉆修井作業(yè)安全管理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況選擇的測試用例，見表2。

表2 系統(tǒng)功能測試用例

在進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用時，功能應(yīng)用為主，結(jié)構(gòu)應(yīng)用為輔。系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，準(zhǔn)備20組鉆修井作業(yè)的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)應(yīng)用之前進(jìn)行2-3次的空載運(yùn)行，如果空載運(yùn)行沒出現(xiàn)問題再進(jìn)入正式應(yīng)用。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果與分析

在相同的鉆修井作業(yè)數(shù)據(jù)環(huán)境中，對比本文設(shè)計的系統(tǒng)與文獻(xiàn)[11]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[12]系統(tǒng)相比，作業(yè)風(fēng)險系數(shù)的變化，如圖5。

圖5 作業(yè)風(fēng)險系數(shù)變化

由圖5實(shí)驗結(jié)果可知，油田鉆修井作業(yè)的初始風(fēng)險系數(shù)為70，文獻(xiàn)[11]系統(tǒng)隨著運(yùn)行時間加長，并沒有明顯降低作業(yè)的風(fēng)險系數(shù)，整個系統(tǒng)安全管理功能都未發(fā)揮出應(yīng)有效果。因在實(shí)驗準(zhǔn)備中已經(jīng)通過空載測試，不存在實(shí)驗環(huán)境和數(shù)據(jù)原因造成系統(tǒng)功能效果下降的情況。文獻(xiàn)[12]系統(tǒng)的風(fēng)險系數(shù)降低的速度前期很快，5s左右就將系統(tǒng)風(fēng)險系數(shù)從70降到40，但在之后降低效率逐漸變低，最終系統(tǒng)風(fēng)險系數(shù)降到30。本文設(shè)計的安全管理系統(tǒng)運(yùn)行時一直平穩(wěn)降低風(fēng)險，在1min內(nèi)成功將風(fēng)險系數(shù)降低到10以內(nèi)。

在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，為驗證系統(tǒng)服務(wù)器的使用普遍性，進(jìn)行系統(tǒng)壓力測試。在油田鉆修井作業(yè)規(guī)模不斷增大過程中，系統(tǒng)能否保持持續(xù)高效運(yùn)轉(zhuǎn)是非常重要的。由于長期運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)來分析運(yùn)轉(zhuǎn)通暢時間的方式所需的實(shí)驗時間太長，因此改成增加系統(tǒng)用戶人數(shù)的方式，進(jìn)行系統(tǒng)壓力測試。對比3種系統(tǒng)，登錄用戶人數(shù)不斷增加的情況下，是否影響服務(wù)器的壓力承載狀態(tài)，應(yīng)用結(jié)果，如圖6。

圖6 服務(wù)器的壓力承載測試結(jié)果對比

從圖6可以看出，隨著登錄用戶的增加，3種系統(tǒng)服務(wù)器響應(yīng)的時間都在增加。用戶增加到應(yīng)用期望參數(shù)800名時，文獻(xiàn)[11]系統(tǒng)服務(wù)器響應(yīng)時間超過6s；文獻(xiàn)[12]系統(tǒng)服務(wù)器響應(yīng)時間為6s；本文設(shè)計的安全管理系統(tǒng)服務(wù)器響應(yīng)時間控制在3s以內(nèi)。說明本文設(shè)計的安全管理系統(tǒng)壓力承載能力要比其他2個系統(tǒng)優(yōu)越。安全管理系統(tǒng)事關(guān)在油田井中作業(yè)人員的人身安危保障，系統(tǒng)越穩(wěn)定，越有利于作業(yè)工作的開展。安全性得以保證，從而提高油田的作業(yè)效率。

5 結(jié)論

本文引用HSE模式設(shè)計油田鉆修井作業(yè)安全管理系統(tǒng)，以提升系統(tǒng)的壓力承載能力。

(1)本文先簡要分析當(dāng)前大慶油田鉆修井作業(yè)管理中的問題，并從系統(tǒng)硬件及軟件2部分進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

(2)通過對比測試驗證本文系統(tǒng)的實(shí)用性，本文設(shè)計的安全管理系統(tǒng)運(yùn)行時在1min內(nèi)將風(fēng)險系數(shù)降低到10以內(nèi)，優(yōu)于對比系統(tǒng)，可保障油井現(xiàn)場施工的安全；并且本文系統(tǒng)的服務(wù)器響應(yīng)時間控制在3s以內(nèi)，優(yōu)于對比系統(tǒng)，在高壓力下可以穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)雖然本文研究取得一定成果，但仍存在不足之處，如未對系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)能力做出具體研究，未來將對這一部分進(jìn)行補(bǔ)充分析。