专利名称：基于无线传感器网络的钻井工程监控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型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。
背景技术：
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。
发明内容本实用新型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。
本实用新型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。[0008] 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，本实用新型的有益效果如下 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，本实用新型适用于石油、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。 本实用新型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。
图1是本实用新型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是本实用新型中单个无线收发模块的原理框图； 图3是本实用新型中现场监控计算机功能模块框图； 图4是本实用新型中现场监控计算机软件流程图； 图5是本实用新型中远程监控计算机功能模块框图； 图6是本实用新型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，基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，包括现场监控计算机、无 线传感器网络5、传感器、输出装置，无线传感器网络5包括一个协调器节点5-1和若干终端 节点5-2，每个节点均配置有无线收发模块，协调器节点5-1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5-2上，所述输出装置包括报警装置3、其它输出设备4。 传感器包括若干模拟量传感器1 ，若干数字量传感器2 。 模拟量传感器1 ，用于采集泥浆池液面高度，硫化氢浓度，入口 、出口流量，立管压 力和大钩负荷等信号，每个传感器1与一个无线传感器网络5的终端节点5-2相连。 数字量传感器2，用于采集高压泵转速和绞车转速等信号，每个传感器2与一个无 线传感器网络5的终端节点5-2相连。 报警装置3可选用防爆声光报警灯，防爆声光报警灯3及灌浆泵4也各与一个无 线传感器网络5的终端节点5-2相连。 另外，还可以在现场安装现场监控控制柜6，所述现场监控计算机安装在现场监控 控制柜6中，现场监控控制柜一般采用防爆控制柜，其中一般还装有UPS电源、继电器、接插 件。 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5-1和终端节点5-2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5-1自动组建与维护无线网络，通过与现场监控计算机通讯，来和终端节点5-2进行数据交互，终端节点5-2进行解析指令、完成数据采集上传、通过 DIO控制输出的工作。 现场监控控制柜6中的现场监控计算机，一般用于进行数据处理和图形界面显 示，通过软件建立溢流、井漏等报警模型和自动灌浆数学模型，通过串口下达指令，从无线 传感器网络5的协调器节点5-1获取所有传感器采集的工程数据以及命令控制输出。 当然，基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，在以上实施例的基础上，还可以 增加包括远程监控计算机7在内的设备，所述远程监控计算机7通过有线或无线网络与现 场监控计算机通信。远程监控计算机7可以远程设置系统参数和进行监测控制，存储整个 钻井过程的工程参数，查询实时、历史数据、历史曲线以及将有关的工程报表打印输出。具 体的，现场监控控制柜6中的现场监控计算机可以通过以太网与远程监控计算机7进行数 据交换，现场监控控制柜6通过UPS电源供电，在外接电源断电的情况下还可以工作15分 钟，从而保证系统连续正常工作。 二、无线网络数据采集传输网络节点的原理框图 如图2所示，无线网络数据采集传输网络节点包含PCB板与在其上的电源、ADC转 换模块、射频模块、10 口与接线端子、按钮、LED灯、跳线、串口等。射频模块中以32位CPU 组成了最小系统。 本系统所用到的网络节点在硬件组成上是一样的，只是芯片内部的程序不同而使 各个节点具有不同的功能，无线网络通讯采用ZigBee协议，每个节点都有路由转发数据的 功能。 三、现场监控控制柜软件功能模块框图 如图3所示，现场监控控制柜软件有以下功能模块安全模块、参数设置、数据采 集、数据存储、显示控制、报警模块以及通信模块。 其中安全模块主要功能为用户与密码管理和安全级别设定； 参数设置模块主要管理有关传感器及绞车、高压泵等钻井设备参数，报警门限值 参数和钻具参数等，针对各个钻井队的具体情况，需要进行相应的初始化设置，所有的系统 参数都可以在本地设置也可以在远程进行设置； 数据采集模块主要完成从协调器节点得到各个传感器数据，如各泥浆罐液面高 度、出口流量、大钩负荷、立管压力、硫化氢浓度、泵冲冲数及绞车传感器的脉冲数等，并建 立数学模型得到间接钻井参数，如各泥浆罐泥浆体积、出口相对排量、高压泵排量、大钩高 度、大钩移动速度、钻时、井深以及钻头位置等； 数据存储模块主要是用来存储系统参数，其中基本初始化参数、用户信息等以文 件的形式存储，采集的参数如泥浆总体积等参数以数据库的形式存储； 显示控制模块主要完成图形界面的显示和对输出对象进行控制，包括实时泥浆体 积曲线显示、手动灌浆与自动灌浆监控显示、报警状态显示、控制声光报警灯、控制自动灌 浆泵等，并对钻井参数进行钻井工况建模，实现自动识别当前工况，如大钩高度小于单根长 度、立管压力维持在较大的正常值、大钩负荷大于空钩重量、高压泵排量和出口相对排量稳 定在一个正常值范围内、报警灯与自动灌浆泵为关闭，则可以判断当前状态为正常钻进； 报警模块主要完成对采集的钻井参数建模，得到报警模型，报警形式分别为井漏、 溢流、硫化氢浓度超标、剌钻具、高压泵故障和天车防撞报警；[0049] 通信模块主要完成通过串口与无线模块进行指令与数据的交互，以及通过以太网
完成与远程控制计算机进行钻井参数和控制指令的交互。
四、现场监控控制柜软件流程图 图4是本实用新型中现场监控计算机软件流程图；如图4所示，现场监控计算机主要的功能为采集现场传感器数据、监测报警，现场监控控制器的系统参数可在本地设置，也可以通过远程监控计算机进行设置。在数据处理时现场监控计算机同时还可以与远程监控计算机进行数据交换。 五、远程监控计算机功能模块框图 如图5所示，远程监控计算机功能模块包括系统安全模块、参数设置模块、数据
处理模块、数据存储模块、数据显示模块及控制输出模块。 其中系统安全模块主要功能为设定用户与密码管理和安全级别。 系统参数模块主要管理数据保存时间间隔，传感器及绞车、高压泵等钻井参数，报
警门限值参数和钻具参数等，针对各个钻井队的具体情况，需要进行相应的初始化设置，这
里的设置可以传至现场监控计算机，实现远程参数设置。 数据处理模块主要完成从现场监控计算机获取数据，包括各个泥浆罐泥浆体积、各个高压泵的排量、出口相对排量、大钩高度、硫化氢浓度、大钩负荷、立管压力、报警灯和自动灌浆泵状态等，为虚拟仪表显示和数据报表输出等建立数学模型。 数据存储模块主要是存储钻井过程的工程参数及系统初始参数，其中采集的钻井工程参数如各个泥浆罐泥浆体积、各个高压泵的排量、出口相对排量、大钩高度、硫化氢浓度、大钩负荷、立管压力、报警记录等是以数据库的形式存储，存储的时间间隔可以设置，系统参数以文件的形式存储。 数据显示模块主要完成图形界面显示，包括现场监控计算机的监测界面、虚拟仪表、实时或历史曲线和数据的显示与查询、报表输出等。 控制输出模块主要完成远程监控声光灯报警与自动灌浆泵的状态。 六、远程监控计算机软件流程图 如图6所示，远程监控计算机软件包括以下部分 (1)身份验证，确认用户密码与权限； (2)系统初始化，初始化系统参数，为系统进入事件驱动并发运行模式做好准备；[0064] (3)参数设置，除了针对各个井队和钻井现场的需求，第一次运行系统或其它异常情况时需要进行参数设置，在正常使用过程中一般无需更改系统参数，参数设置后会自动传回现场监控控制器。[00S5] (4)系统功能实现 (i)数据交换，从现场监控计算机得到钻井工程参数，并回传部分钻井参数至现场监控控制器，之后进行数据处理，保存钻井参数至数据库；[0067] (ii)曲线显示，钻进参数曲线显示，并动态刷新； (iii)依据现场控制器传回的实时工况信息，显示相应工况下的模拟仪表等界面； (iv)坐岗监测，在远程监控计算机界面显示现场监控计算机的坐岗监控界面；[0070] (v)报警判断，可以和现场监控计算机一样进行报警的判断和监控，并可以将报警状态参数传至现场数据采集计算机； (vi)输出判断，若选择输出，可以查询实时或历史曲线等数据库信息，实现报表打印输出等功能。
(vii)退出判断，若操作者选择了退出，系统即关闭。 本实用新型系统软件由三个部分组成；无线传感器网络的数据采集和传输部分、现场监控计算机部分以及远程监控计算机部分。 无线传感器网络的数据采集和传输部分的软件是在Jennic Code: :Blocks集成环境里用C语言编写的，主要完成钻井工程参数采集及传输。系统的无线传感器网络由一个协调器节点和若干终端节点组成，使用ZigBee协议进行节点间的无线通讯，协调器节点可以自动组建并维护无线网络，通过串口和计算机通讯，下达计算机的指令并上传终端节点采集的数据给计算机；终端节点可以解析协调器下达的计算机指令，采集传感器数据并无线上传，也可以用于实现控制功能的输出，解析协调器节点指令并输出控制信号，实现启动声光报警灯或控制灌浆泵的启停，可以对其他终端节点的数据进行路由转发，也可以处于睡眠模式降低功耗。 现场监控控制器的软件部分在工控组态软件下编写，主要完成井漏、溢流和硫化氢浓度超标等钻井事故的监测，工况自动识别与建模和实现起钻自动灌浆功能，可以方便的扩展多个远程终端。 远程监控计算机的软件部分在工控组态软件下编写，主要完成远程监控、模拟仪表显示、数据库存储、数据曲线查询和报表输出等功能。 以上虽然结合附图描述了本实用新型的实施例，但是本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。
权利要求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所述的基于无线传感器网络的钻井工程监控系统，其特征在于 所述无线传感器网络节点间的无线通讯采用ZigBee协议。
5. 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 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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，其特征在于所述报警装置包括防爆声光报警灯。
9. 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。
专利摘要本实用新型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。
文档编号E21B44/00GK201526307SQ200920229210
公开日2010年7月14日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者华中平, 张道德, 张铮, 杨光友, 苏旭武, 黄兴 申请人:湖北工业大学