基于无线传感器网络的钻井工程监控系统技术方案

本实用新型专利技术属于石油天然气钻井工程的生产安全监控技术领域，特别是一种基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，其不同之处在于：包括现场监控计算机、无线传感器网络、传感器、输出装置，无线传感器网络包括一个协调器节点和若干终端节点，每个节点均配置有无线收发模块，协调器节点与计算机连接，传感器、输出装置分别连接到终端节点上，所述输出装置包括报警装置。系统信息采集及时可靠，特别是使用了无线的方式获取传感器信号，减少了系统安装的布线难度，降低了重复搬迁安装成本，增强了系统的灵活性，对钻井工程的安全作业具有重要的现实意义。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于石油天然气钻井工程的生产安全监控
，特别是一种基于无线传感器网络的钻井工程监控系统。
技术介绍
钻井过程中的安全问题一直是石油天然气开采的面临的重要课题。此外由于钻井 作业每打完一 口井就需要更换地方，钻井设施搬迁较为频繁，有线方式的钻井监测报警系 统，安装时需要重新布线，这不仅成本较高，而且经常可能由于井场复杂的环境使得传感器 信号线损坏，是一件非常繁琐的事情。此外，钻井起钻灌浆的控制对钻井安全也有重要的意 义，操作不当极易诱发钻井安全事故的发生。针对钻井作业的安全问题，市场上已有一些以 有线方式(485/CAN总线)进行数据传输的钻井监测与起钻自动灌浆系统，且都是基于有线 的信号传输方式实现监测与控制的。现有的一项专利技术对钻井现场起下钻过程进行监 测与自动灌浆控制的方法(申请号200710172833. 6)采用CAN总线结合其他钻井仪表实 现起下钻的井漏溢流监测与自动灌浆控制。该系统也是采用的有线方式，其监测的效果和 作用有限。在现有的钻井监测系统及相关的专利技术中尚没有一个系统使用无线传感器网 络(WirelessSensor Network, WSN)技术获取钻井监测参数，建立完善的钻井事故模型与工 况模型，它们对溢流井漏的监测也没有考虑到高压泵启停和补充胶液等所引起的泥浆罐内 泥浆的扰动量。 因此，采用无线方式实现钻井工程参数的数据采集和传输，对于建立完善的钻井 事故监测模型、实现起钻自动灌浆对钻井工程的安全作业具有重要的现实意义。
技术实现思路
本技术旨在提供一种采用无线方式进行数据采集和传输、减少布线施工及重 复施工成本的基于无线传感器网络的钻井工程监控系统。本技术的技术方案是基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，其不同之处在于包括现场监控计算机、无线传感器网络、传感器、输出装置，无线传感器网络包括一个协调器节点和若干终端节点，每个节点均配置有无线收发模块，协调器节点与计算机连接，传感器、输出装置分别连接到终端节点上，所述输出装置包括报警装置。基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，其不同之处在于包括远程监控计算机、现场监控计算机、无线传感器网络、传感器、输出装置，无线传感器网络包括一个协调器节点和若干终端节点，每个节点均配置有无线收发模块，协调器节点与计算机连接，传感器、输出装置分别连接到终端节点上，所述输出装置包括报警装置，所述远程监控计算机通过有线或无线网络与现场监控计算机通信。 按以上方案，所述协调器节点自动组建和维护无线传感器网络，并通过串口和现 场监控计算机通讯，下达现场监控计算机的指令并上传终端节点采集的数据给现场监控计 算机。 按以上方案，所述无线传感器网络节点间的无线通讯采用ZigBee协议。 按以上方案，还包括现场监控控制柜，所述现场监控计算机安装在现场监控控制柜中。 按以上方案，所述终端节点连接的传感器包括超声波液位传感器、泵冲传感器、绞 车传感器、压力传感器、流量传感器、硫化氢浓度传感器。 按以上方案，所述现场监控计算机通过RS232串口从无线传感器网络获取钻井工程参数、处理保存数据及以图形界面显示参数。 按以上方案，所述报警装置包括防爆声光报警灯。 按以上方案，所述无线网络数据采集传输网络节点包括电源模块、带AD转换功能的嵌入式无线收发模块、10 口 、串口 。 对比现有技术，本技术的有益效果如下 1、基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，其不同之处在于包括现场监控计 算机、无线传感器网络、传感器、输出装置，无线传感器网络包括一个协调器节点和若干终 端节点，每个节点均配置有无线收发模块，协调器节点与计算机连接，传感器、输出装置分 别连接到终端节点上，所述输出装置包括报警装置。 终端节点数量根据需要选取，每个终端节点或连接传感器，或连接如防爆声光报 警器等报警装置。其中无线网络中的协调器节点，用于组建和管理传感器网络，并通过 RS232串口与计算机通信；其他节点为终端节点，用于采集传感器信号或实施开关量输出 控制，所有的节点都可以进行数据交换。终端节点采集钻井过程的相关参数包括泥浆池液 面高度、硫化氢浓度、出口流量、立管压力、大钩负荷、高压泵冲次和绞车转速等；现场计算 机核心为嵌入式计算机，通过协调器节点获取钻井工程数据进行工况自动识别与建模，并 通过这些数据建立溢流、井漏等报警模型，对循环泥浆总体积的异常变化以及硫化氢浓度 进行监测，做出井漏、溢流、硫化氢浓度超标、剌钻具、高压泵故障、天车防撞报警，提供监测 参数设置和图形界面显示，并进行自动灌浆控制和数据远程交互；泥浆泵及管汇系统，用于 在起钻时实施自动灌浆；报警装置用于事故报警，如用于声光报警的声光报警灯等； 2、另外还可以在系统中增加远程监控计算机，远程监控计算机通过以太网与现场 监控计算机通信，进行钻井参数以及被控对象的状态和报警信息的交换，并存贮全部监测 的钻井参数，在显示器上显示模拟仪表与工况动画，可进行历史数据查询、报表输出以及远 程参数设置和监控等。 3、传感器包括以下几种超声波液位传感器，泵冲传感器，绞车传感器，压力传感 器，流量传感器和硫化氢浓度传感器，传感器数量选取可定制。传感器用于采集钻井过程中 的相关参数，相关参数包括泥浆池液面高度、硫化氢浓度、出口流量、立管压力、大钩负荷、 高压泵转速、绞车转速。 4、由于采用上述的技术解决方案，本技术适用于石油、天然气等钻井施工场 合。本系统能有效地监测钻井工况及溢流井漏等钻井异常现象，从而提高了钻井作业的安 全性，增强报警时效。此外，自动灌浆可以避免人工灌浆可能导致的钻井事故发生，同时，节 省了高压泵的损耗及电能；图形界面显示、报表输出和丰富的数据资源支持也发挥了监测 系统良好的记录与备查作用。 5、所述无线网络数据采集传输网络节点包括电源模块、嵌入式无线收发模块、10口、串口。协调器节点和终端节点的物理结构相同而内部所烧写的程序不同，其中与现场监控计算机相连的协调器节点自动组建与维护无线网络，通过与现场监控计算机通讯，来和其他节点进行数据交互，其他的节点解析指令完成数据采集上传或通过DIO控制输出。 本技术充分利用无线传感器网络的优点，通过无线网络数据采集传输网络节点对泥浆池液面高度、硫化氢浓度、出口流量、立管压力、大钩负荷、高压泵转速和绞车转速等钻井工程参数进行采集和输出控制，以及现场监控计算机和远程监控计算机的系统控制、数据融合与智能数据处理，能够提供准确、可靠、全面、实时的报警信息以及曲线、虚拟仪表显示和数据报表输出。系统信息采集及时可靠，特别是使用了无线的方式获取传感器信号，减少了系统安装的布线难度，降低了重复搬迁安装成本，增强了系统的灵活性，对钻井工程的安全作业具有重要的现实意义。附图说明图1是本技术基于无线传感器网络的钻井工程自动灌浆监测控制系统的示 意图； 图2是本技术中单个无线收发模块的原理框图； 图3是本技术中现场监控计算机功能模块框图； 图4是本技术中现场监控计算机软件流程图； 图5是本技术中远程监控计算机功能模块框图； 图6是本技术中远程监控计算机软件流程图。具体实施方式—、基于无线传感器网络的钻井工程自动灌浆监测控制系统的构成 如图1所示，基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，其特征在于：包括现场监控计算机、无线传感器网络、传感器、输出装置，无线传感器网络包括一个协调器节点和若干终端节点，每个节点均配置有无线收发模块，协调器节点与现场监控计算机连接，传感器、输出装置分别连接到终端节点上，所述输出装置包括报警装置。

【技术特征摘要】
基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，其特征在于包括现场监控计算机、无线传感器网络、传感器、输出装置，无线传感器网络包括一个协调器节点和若干终端节点，每个节点均配置有无线收发模块，协调器节点与现场监控计算机连接，传感器、输出装置分别连接到终端节点上，所述输出装置包括报警装置。2. 基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，其特征在于包括远程监控计算机、现 场监控计算机、无线传感器网络、传感器、输出装置，无线传感器网络包括一个协调器节点 和若干终端节点，每个节点均配置有无线收发模块，协调器节点与现场监控计算机连接，传 感器、输出装置分别连接到终端节点上，所述输出装置包括报警装置，所述远程监控计算机 通过有线或无线网络与现场监控计算机通信。3. 根据权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，其特征在于 所述协调器节点自动组建和维护无线传感器网络，并通过串口和现场监控计算机通讯，下 达现场监控计算机的指令并上传终端节点采集的数据给现场监控计算机。4. 根据权利要求1或2所述的基于无线...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨光友，黄兴，华中平，苏旭武，张道德，张铮，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]