专利名称：多参数采集系统及利用该系统的远程监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在油田修、钻井作业的监测技术，特别涉及一种可连续监测、记录修井或钻井过程中的重要参数的多参数采集系统及利用该装置对修/钻井过程进行远程监测的远程监测系统。
背景技术：
在石油工业中，在修井或钻井过程中需要对大钩悬重、转盘扭矩、转盘转速、立管压力、泥浆出口排量、泥浆回流排量等重要参数进行检测、记录，以帮助司钻或修井工程师掌握修井机或钻井机的工作状态。为此需要使用参数采集装置来对这些特定的物理参数进行采集、监测。但是，就申请人所知，目前尚未有可产品化的修/钻井过程中使用的多参数采集系统。
中国实用新型专利98248745.2公开了一种通用的数据采集装置，它包括中央处理器单元、系统外围电路单元、系统时钟单元、看门狗电路、串行接口单元、模拟量输入接口、系统时间单元、数字量输入接口单元、打印设备接口、供电接口单元等几部分。由中央处理器单元控制装置的工作状态，其分别通过供电接口单元与供电单元相连接，通过串行接口单元与显示/键盘单元相连接，通过系统外围电路单元中的系统控制信号单元与打印设备接口连接；看门狗电路、模拟量输入接口直接与中央处理器连接；系统时间单元、系统外围电路单元和数字量输入接口单元均通过系统内部与中央处理器单元相连接；系统外围电路单元由数据存储器、程序存储器、系统控制信号单元组成。
该发明基本具有集成度高、数字化、智能化等特点，但是它显然还不能适用于修/钻井机采数的采集，因为在油田的修/钻井操作中对于操作设备的抗震性、防爆性、防水性以及耐腐蚀性方面要求较高。此外，上述实用新型的设备还存在如下的缺点a.无通讯功能，不便于远程数据的传输；b.没有配套的软件系统，不能将监测到的参数以数字、仪表盘、曲线的方式表现出来；c.可靠性差，不具备恶劣环境下工作的条件。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种具有集中监测修/钻井操作的多种参数的功能、并配有通信功能的修/钻井机多参数采集系统。
根据本发明的多参数采集系统包括参数采集单元，用于采集钻井及修井操作中的多种参数；中央处理器，接收和处理所述参数采集单元采集的多种参数信号；记录显示单元，用于记录和/或显示所述中央处理器处理后的信号。
其中，所述参数采集单元包括传感器单元，用于直接检测多种参数；信号变送单元，用于将机械式传感器的检测信号变换为电信号；安全栅，所述电信号通过该安全栅传送至所述中央处理器进行处理。
其中所述传感器单元可包括(但不限于)悬重传感器，立管压力传感器，转盘扭矩传感器，转盘转速传感器，泵冲传感器等。
其中，显示单元可包括显示仪表、显示器、记录仪、打印机、绘图仪等。这些装置可以集中设置在一起，或分别设置在现场和远和监测站中。
根据本发明的另一方面，还提供一种远程监测系统，该系统包括如本发明第一方面所述的多参数采集系统，此外，还包括无线通信单元，设置在多参数采集系统主体内，包括无线网卡和传输单元；远程监测单元，与所述多参数采集系统主体分开设置，包括与所述无线通信单元相应的无线网卡和传输模块，以与设置在现场的多参数采集系统中的无线通信单元进行无线通信，获取经所述中央处理器处理的信号，以从远处监控修/钻井机的操作。
本发明所提供的技术与现有技术相比，具有如下优点整套装置具有通讯功能并配有相关配套软件，测量准确、可靠性高，具有抗震、防爆、防水、耐腐蚀的特点，可以确保修/钻井机安全、提高修/钻井机效率、保证修/钻井质量、降低修/钻井成本。
图1为本发明一实施方案的多参数采集系统的结构框图；图2为本发明一实施方案的多参数采集系统的总线连接示意图；图3为本发明另一实施方案的多参数采集系统的总线连接示意图；图4为本发明一实施方案的多参数采集系统的电路连接示意图；图5(a)至(c)分别显示了在本发明的一实施例中对传感器进行标定的用户界面；图6显示了用于数据处理的用户界面；图7(a)和(b)分别为本发明的远程监测系统的实施方案的网络拓扑结构图。
具体实施例方式
下面结合
本发明的具体实施方式
。相同的装置在各附图中用相同应的符号进行标注。
在图1所示的本发明的一种实施方案中，用于检测修/钻井机的多种参数的多参数采集系统包括各种传感器和变送器1-7所构成的传感器检测单元、安全栅13、电源模块8和后备电源9、数据采集中央处理器10、终端数据处理单元12、打印机11等。
在该实施方案中，传感器检测单元可包括设置在井场的电容式变送器1，用于检测悬重称大钩提升负荷、压力变送器2、3和扭矩信号耦合器4。而在泥浆泵区，还设置有回流传感器5，用于检测泥浆回流总量的计量，以及泵冲速传感器6和7，用来分别测量泥浆泵的累计排量。这些传感器/变送器都可采用现有的产品，因此不再赘述。由于这部分装置处于易燃易爆区，因此优选采用防爆型、本安型、浇封型或隔爆型的装置。
图2所示为本发明的装置的总线连接示意图。在该图中，悬重传感器1一方面与现场显示单元(例如仪表箱)中的指重表显示表盘16连接，另一方面通过压力传感器1A输出电信号至中央处理器10。钻压是根据悬重上提至一定、然后下放时对钻具加压，通过获取悬重计算出钻压，再送到钻压显示表供现场显示。立管压力传感器3通过液压连接管线将液压信号送入现场显示单元内用压力表15显示。立管压力通过压力变送器将液压信号变成电信号，与钻压2一并送入中央处理器10。转盘扭矩传感器4、转盘转速传感器5、泵冲速传感器6、7和泵排量传感器7A等分别通过连接电缆将电信号送入中央处理器10。另外，由电源模块9对整个装置提供电源。
中央处理器10主要用于对各传感器/变送器传送来的数据进行处理。在一个实施例中，该处理包括对信号进行放大、滤波和整形处理等。当然，信号的放大、滤波以及整形等处理也可以由常规的放大电路、滤波电路和整形电路来完成。中央处理器10进一步控制将处理后的数据输出至现场显示单元中的司钻显示屏14，以对数据进行显示。此外，中央处理器10还可以将数据通过总线传送至与现场相距一定距离(例如50米)的计算机终端数据处理中心12(它可为一工控机)，在记录装置(未示出)中进行记录或打印机11上进行打印。
在图3所示的本发明的一种实施方案中，为了保证对现场监测的可靠性，对现场的各传感器分别配置了备用传感器，从而构成了一组正常检测的传感器和一组备用传感器。这两组传感器输出的电信号分别通过多通道的A/D转换模块输送至数据采集中央处理单元10。数据采集中央处理单元10可由常规的计算机构成，计算机在将传感器传送的信号进行处理后，可直接在其显示器上显示。另外，也可以将处理结果再经过多通道的D/A转换单元转换为模拟信号，输出到相应的模拟显示仪表中显示。
图4显示了根据本发明的多参数采集系统的一种实施方案。
如图所示，图中的ADAM 401，402采用两个ADAM-4080模块，用于采集频率(脉冲)信号。ADAM 403模块采用ADAM-4017模块，用于采集模拟信号(电流4-20mA)。MXSE 404(D/A)是数模转换模块，用于将数字信号转换成模拟信号输出，以驱动显示仪表如指重表或钻压显示表等。ADAM 401-403信号线并接后连接至计算机，MXSE上的连接线信号一端连接计算机，另一端连接至显示仪表。
ADAM 401-403的数据引脚(Y)DATA+和(G)DATA-并联后连接至计算机用于输入信号。ADAM 401-403的电源(R)+VS以及地(B)GND并联，分别给ADAM 401-403供电。电源(R)VS分别连接在一起并连接至对应的检测单元1-7。例如，立管压力传感器3的接线端1与24V+电源连接，接线端2接地(GND)，接线端3输出立管信号+。电容变送器1的接线端1接24V+电源，2接地(GND)，3输出悬重信号+。泵排量传感器7A的接线端3、4分别输出泵1和泵2的信号，接线端1接24V+，接线端2接地。扭矩传感器4和转速传感器5共用一个接线板。其接线端1接15V+，接线端2接地，接线端3接15V-，接线端4和5分别输出扭矩信号和钻速信号。
图4中的计算机和指针表分别连接至计算机终端数据处理中心的输出端(未示出)和图2中所示的司钻显示。
根据本发明的一种实施方案，在计算机终端数据处理单元12中可以采用内置应用软件的方式来实现所需要的数据处理和监控功能。
根据本发明的该系统的数据处理及监控功能可包括一、基础数据维护用于为程序提供一些基础的数据，进行系统的数据字典、显示打印参数、设备参数的维护具体地说，其包括1、修井队字典管理各修井队的基本情况，同时为修井队修井记录提供快速录入的数据来源。
2、修井设备字典管理整个修井的设备，同时为修井队修井记录提供快速录入的数据来源。其主要目的是统一用户在施工监测前输入监测井参数时的使用，同时也为以后的统计工作提供方便。
可以采用常规的建立数据库的方法来实现上述的功能。
3、设备参数修正由于设备在使用一段时间后，某些传感器的零点会发生漂移，这时，就需要修正这个传感器的参数，使其监测计算出的数据值能准确的反映出来。
4、传感器标定图5(a)至(c)显示了在本发明的一实施例中用于进行传感器标定的用户界面的示意图。
如图中所示，当启动传感器标定的功能(例如点击系统[设置]中的[传感器标定]或使用快捷键Alt+F4)后，本发明的系统出现如图5(a)所示界面。
如果选择[泵一排量]或[泵二排量]后界面稍有变化，如图5(b)所示。
图中各参数的说明如下<当前采集值>表示该通道返回的原始电流、电压或脉冲数据。
<零点>表示当前该通道对应的传感器，用户设置的零点。
<系数>表示当前该通道用户设置的计算系数。
<采集值>表示在用户按下<标定系数>按钮时，采集的原始电流、电压或脉冲数据。
<实际值>在用户按下<标定系数>按钮前，需要输入的实际该通道参数值，以便程序自动计算出系数。
<计算值>根据用户设定的零点、系数，通过当前采集值，计算出来的该通道参数值。
<对应值>表示零点时对应的值计算公式数据类型为电流、电压的计算公式为计算值＝(当前采集值一零点)×系数+零点对应值数据类型为脉冲的计算公式为计算值＝当前采集值/系数标定方法标定参数首先需要一个标准系统作为程序标定的依据。例如压力就需要一个压力校验平台。
1、数据类型为电流、电压时当该通道实际参数为零时(标准系统中指示为零)，点击<设置零点>。例如压力A通道所连接的传感器在零压力状态下，点击<设置零点>，<零点>中自动设置该传感器的零点参数。
当该通道实际参数发生变化后，在<实际值>中输入标准系统中的指示值，然后点击<标定系数>，系数将自动计算出来，设置到<系数>中。同时<采集值>中显示出计算该系数时采集来的原始电流、电压值。例如压力A在标准系统中显示出40MPa，则在<实际值>中输入40MPa，然后点击<标定系数>。程序自动为用户计算出系数。用户也可以根据以前的记录输入零点和系数。
2、数据类型为脉冲时<当前采集值>为零时，开始进入标定计数。(<当前采集值>的复位要根据硬件的情况确定)
当<当前采集值>发生变化后，在<实际值>中输入标准系统中的指示值，然后点击<标定系数>系数将自动计算出来设置到<系数>中。例如总液量在标准系统中显示出2M^3，则在<实际值>中输入2M^3，然后点击<标定系数>。
用户可以根据硬件厂商提供的参数输入系数。
如果标定[泵一排量]或[泵二排量]时稍有不同，点击图7界面中的[换泵]后出现图5(c)所示界面。
根据施工中使用的泵参数，在其中选择[泵缸径]、[泵行程]、[泵效率系数]、[泵缸数]、[传动比]等系数，根据安装传感器的部位不同，有些系统不用设置[传动比]系数。设置好后，点击界面中的设定，则程序会自动计算出排量的系数。
5、打印设置通过设置用户可以自行修改打印曲线、数据中的一些打印参数、曲线数量、颜色等，做到灵活输出。
二、修井监测其主要操作可包括1、对本次修井的一些参数进行设置，如报警设置、刻度设置、曲线设置、颜色设置等。
2、当系统进入修井监测过程后，将与参数采集单元进行通讯，如果在3-5秒内没有通讯成功，系统将无法显示所有数据。出现这种现象可能的原因是通讯线路不正常或采集设备没有通电。此时可以向用户显示提示信息，以通知用户出现异常情况。
如前所述，可以用常规的图形方式用户界面和菜单提示的编程方式实现上述应用软件，从而使用户通过使用鼠标或快捷键的方式即可选择相应的菜单项，以启动对应的功能。
三、修井数据统计、汇总处理将各种记录数据进行数据的后期处理、回放、删除、恢复等。其主要功能可包括统计汇总负责统计、汇总各修井队的施工情况。
数据查询回放主要用于施工数据查询、施工过程回放，同时提供打印曲线、数据。
数据删除用于删除一些用户认为没有用的数据。
数据备份用于根据用户的选择，备份施工的数据。
数据恢复用于将备份的数据恢复到系统中。
数据处理用于生成一些特殊格式的文本数据文件。主要是提供一个灵活的生成文本数据格式的功能。该功能主要是为了满足用户生成不同的文本数据格式而建立的。
图6显示了用于数据处理的用户界面。
在该界面中，选择数据所在目录后，程序会根据监测数据的情况修改界面
根据用户的需要，选择设置所需参数、参数的长度、参数小数点位数和各参数之间的间隔符，数据间隔。
数据间隔指每组数据之间的间隔周期(该周期指采样周期)，例如现采样周期为1秒(系统默认)，要想每5分站打印一组数据，则数据间隔设置为1×5×60＝300，这样生成出来的数据将间隔5分钟一次。取值在1-3600之间。
间隔符指的是每个数据之间的符号，Hex格式的09代表TAB符号，用户也可以设置为逗号为间隔符。
数据长度指生成出来的数据占几位字符。可以按系统默认或自定义。
小数点每组数据中的各项数据的小数点位数。
是否需要数据内容注释指生成的数据文件中是否出现，阶段切换、暂停等文字的提示。
原始文件目录和自定义目录指生成的数据文件将存放到哪里。
文件名指生成文件的文件名，可以由用户自行修改。
点击生成后，数据文件将生成，同时显示出来，这时用户可以点击打印，将文本数据打印出来。
上述数据处理功能的实现均已是常规的技术，例如可利用现有的软件编程方法实现。故在本说明书中不再赘述。
根据本发明的另一方面，还可以采用本发明的多参数采集系统构成远程监测系统。该远程监测系统主要实现基地与现场的远程监控，其监控范围不受地域限制。只要电信开通了GPRS业务的地方均可以监测。该系统通过现场的多参数采集系统将施工数据进行采集处理，然后通过GPRS DTU将数据如压力、排量、累计量、钻压等参数发往监测中心站的主机，基地指挥人员可实时观察数据，打印曲线，同时数据可在基地局域网上传输，其他工作站用户可进行监测。
图7(a)显示了本发明的远程监测系统一种组网方案的拓扑示意图。在该图中的方案中，中心站的主机采用无线网卡接入，实时接收采集数据的子站发送的数据，并对各子站进行实时监控。各采集子站的多参数采集系统通过RS-232通讯口与GPRS DTU传输模块连接，每一个GPRS DTU传输模块装入一个中国移动的数据SIM卡即可。
图7(b)显示了本发明的远程监测系统另一种组网方案的拓扑示意图。本方案中，中心站采用专线接入，实时接收采集子站发送的数据，并对各子站进行实时监控。各采集子站的多参数采集系统通过RS-232通讯口与GPRS DTU传输模块连接，每一个GPRS DTU传输模块装入一个中国移动的数据SIM卡即可。
在本发明的远程监测系统的一个实施方案中，子站中的传感器检测单元的各传感器将检测到的信号传送给作为中央处理器的单片机，由单片机将信号进行放大、滤波和整形等常规处理后，再调制为发射信号，通过发射机发射给中心站的接收机。在中心站中可通过常规设置的单片机智能接将接收信号解调后还原成各种数据信号，并传送给大型显示屏显示，或传送给工控机，由工控机输出至打印机打印，或发送到网络中，由其它子站的用户浏览。此外，还可以根据其内部预设的监测系统软件进行数据处理，例如将这些数据与预设值进行比较，根据比较结果发出声音报警等。
在图5(a)和5(b)的方案中，都基于移动运营商遍布全国各地的GPRS网络。数据采集子站部分采用相同的传输模块。并都采用移动内部专有的固定IP地址。因此，这两种方案的传输系统的可靠性、实时性和稳定性都很好。实施中可以采用现有的通信设备和产品。例如可选用深圳市宏电技术开发公司的产品具体型号为H7112S，采用RS485接口移动数据终端模块。该产品属于H7100系列。其特点为
本发明的系统由此可以具有如下特性·支持双频GSM/GPRS·符合ETSI GSM Phase 2+标准·数据终端永远在线·实时时钟·支持A5/1&A5/5加密算法·增强功能·透明数据传输与协议转换·支持虚拟数据专用网·短消息数据备用通道(选项)·STK卡特殊功能配置·支持TTL/RS-232/485或以太网接口·支持音频接口，方便维护操作·通过Xmodem协议进行软件升级·支持空中软件升级和远程维护(选项)·自诊断与告警输出·抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求DTU支持不同组网方式，不同的数据包长度，这时有不同的传输效率。下面假设在DTU当前最长所能支持的最大用户数据包长的情况下，即1024字节包长。
在仅支持DTU主动发起到数据中心的数据传输时，最大传输效率(w)＝97.3％在支持双向主动互传时，最大传输效率(w)＝95.9％不同的数据包长度，传输的时延(从发送到接收数据之间的时间)不同。根据目前移动的网络状况，一般一个包长为100到200字节之间的数据包可以在1秒内互传完毕。大于200字节的数据包平均在1秒到3秒之间可以互传完毕。本发明的系统可以根据实际传送需要来确定数据包的长度。
网络有效带宽和最大传输单元(MTU)之间存在着极其重要的关系，一般MTU增大到200字节以上不会明显增加带宽，但会增大平均延迟。因此优选MTU的大小是200字节左右。
通过本发明的系统，可以连续监测、记录修/钻井过程中的大钩悬重、转盘扭矩、转盘转速、立管压力、泥浆出口排量、泥浆回流排量、泵冲等重要参数的变化情况，并可输出记录曲线及报表，下面举例说明本发明的多参数采集系统的工作过程一、立管压力测量立管压力测量部分由立管压力传感器、连接电缆组成。
立管内的泥浆压力经调整膜片作用于硅兰宝石传感器上，使应变片产生变形，其上四个压电桥臂电阻阻值发生变化，该变化使桥路输出电压与输入压力成正比，输出电压经电子电路放大、处理、转换为4～20mA电流经安全栅输出到中央处理器10。
立管压力测量系统采用防爆要求设计。
二、转盘扭矩测量测量方法是以绞车传动轴的平稳轴为扭应变传感弹性体，将应变片粘贴在平稳轴上作为扭应变传感器，将扭矩信号耦合器直接固定在平稳轴上，其电能及信号的传递采用了非接触的方式。
扭矩测量部分的电源供应由设在标准应变桥扭矩传感器上的一组环型变压器提供的感应电压经过轴上整流/稳压电路变换成高稳定性的直流电压。该电压既供给标准应变桥扭矩传感器的应变桥作为桥压，也供给轴上电路作为工作电压。应变桥检测到的mV级扭矩信号被高精度仪表放大器放大至KmV级强信号，再经过V/F转换器变换成与扭应变成正比的方波信号。通过轴上无线发射器，非接触地传递到轴外的无线接受器上，再通过解调就还原成与V/F转换出的方波同频率的数字信号通过RVVP电缆传送到中央处理器10。
转盘扭矩测量系统采用防爆要求设计。
三、悬重测量悬重测量主要采用悬重传感器、指重表(安装在仪表显示箱内)、液压连接管线组成。
大钩载荷通过钢丝绳作用在指重表死绳固定器上，再通过杠杆机构作用在指重表传感器上，产生压强作用于重量指示仪的两根弹簧管的自由端产生位移，通过放大机构分别带动两根表针偏转，从而指示出大钩悬重和钻压。
该部分没有在图1和2中示出，因为其不发送电信号至中央处理器10，而是只通过在司钻人员前方的仪表箱上设置的指重表显示。
四、转盘转速和泵冲测量转盘转速和泵冲测量的工作原理相同，都是采用无接触式传感器进行测量，并都具有防爆性能。
当金属物在传感器附近划过时，即可产生脉冲信号。该信号被送往中央处理器10，并可由显示单元如LED显示屏显示。
远程监控装置通过GPRS通信业务与现场的数据采集装置的无线通信单元进行通信。通过在现场的数据采集装置主体部分对作业数据进行采集处理，然后通过GPRS DTU传输模块将数据发往中心站主机，中心站的指挥人员可实时观察数据，打印曲线。
虽然以上对本发明的实施方案进行了说明，但本发明并不限于上述的说明。仅传感器的种类就有很多，例如转盘扭矩传感器、转盘转速传感器、泵冲传感器等。显然，本领域技术人员只需要对本发明的方案进行常规的变化，就可以制造出应用于各种不同环境下的多参数采集系统。因此，本发明的范围仅由权利要求书所限定。
权利要求
1.一种多参数采集系统，其特征在于，包括参数采集单元，用于采集钻井及修井操作中的多种参数；中央处理器，接收和处理所述参数采集单元采集的多种参数信号；记录显示单元，用于记录和/或显示所述中央处理器处理后的信号。
2.如权利要求1所述的多参数采集系统，其特征在于，所述参数采集单元包括传感器单元，用于检测钻井及修井作业现场的多种参数；信号变送单元，用于将机械式传感器的检测信号变换为电信号；安全栅，所述电信号通过该安全栅传送至所述中央处理器。
3.如权利要求2所述的多参数采集系统，其特征在于，所述传感器单元包括以下类型传感器中的一种或多种悬重传感器，立管压力传感器，转盘扭矩传感器，转盘转速传感器，泵冲传感器。
4.如权利要求1所述的多参数采集系统，其特征在于，所述显示单元包括显示仪表、显示器、记录仪、打印机、绘图仪。
5.如权利要求4所述的多参数采集系统，其特征在于，所述显示仪表包括指重表，液位计和压力表。
6.一种远程监测系统，包括如权利要求1至5任一项所述的多参数采集系统，其特征在于，进一步包括无线通信单元，设置在所述多参数采集系统主体内，包括无线网卡和信号收/发单元；远程监测单元，与所述多参数采集系统主体分开设置，包括与所述无线通信单元相应的无线网卡和信号收/发单元，用于与设置在现场的多参数采集系统中的无线通信单元进行无线通信，获取经所述中央处理器处理的信号。
7.如权利要求6所述的多参数采集系统，其特征在于，所述无线通信装置采用GPRS方式通信。
全文摘要
一种用于修/钻井机的多参数采集系统，包括参数采集单元，用于采集钻井及修井操作中的多种参数；中央处理器，接收和处理所述参数采集单元采集的多种参数信号；记录显示单元，用于记录和/或显示所述中央处理器处理后的信号。该修/钻井机多参数采集系统测量准确、可靠性高，具有抗震、防爆、防水、耐腐蚀等优点。此外，本发明还提供了一种采用上述多参数采集系统的远程监测系统。可以由用户远程实时监测多个子站的修/钻井机的参数情况。
文档编号E21B47/00GK1740821SQ20041005703
公开日2006年3月1日 申请日期2004年8月25日 优先权日2004年8月25日
发明者何新怀, 谢方山 申请人:谢方山