一种用于煤层注液态CO2压裂增透的远程监控系统的制作方法

本发明涉及一种远程监控系统，具体涉及用于煤矿井下从事液态CO₂压裂时对压裂增透泵地面的远程控制系统。

背景技术：

我国煤矿主要采用井工开采，一方面，由于井下环境恶劣等因素使得压裂增透施工的开展存在较大的困难，从事井下压裂施工监测及数据采集的工作人员往返距离大，使得压裂增透施工的工作人员在数据采集、监测监控及控制等方面的难度加大，从而降低了工作效率。另一方面，频繁的井下往返易致疲劳，有可能使工作人员的安全出现问题。

技术实现要素：

为了解决施工控制、数据采集和监测监控难度大，工作效率低，安全性低等问题，本发明提供一种用于煤层注液态CO₂压裂增透的远程监控系统，该系统减少了压裂增透施工时工作人员在数据采集、监测监控及控制等方面的难度，提高了工作人员的安全性和工作效率。

本发明的技术方案如下：

一种用于煤层注液态CO₂压裂增透的远程监控系统，该系统包括压裂增透泵系统、井下远程控制系统、在线监控系统，还包括有井下基站。压裂增透泵系统安装于井下施工区域；井下远程控制系统安装在井下配电柜中，实现对井下压裂增透过程中装置的启动与停止的控制，以及对压裂过程中的压力、温度、流量等相关参量的显示与调控；在线监控系统包括高清红外摄像仪、压力传感器、温度传感器和流量传感器，高清红外摄像仪设置于井下监控范围较大的施工区域，实现压裂增透泵井下工况的实时监控，压力传感器、温度传感器和流量传感器设置于施工区域的煤层群中，在线监控系统整体实现井下压裂增透过程地面的视频监控及相应参数的采集、存储和参数曲线图像的显示。井下基站包括矿用交换机、警报器、通信信息处理器，实现压裂增透泵系统工作时信号的分析与传输，为井下远程控制及在线监控系统提供信号支持。

压力传感器、温度传感器和流量传感器对煤层在压裂增透过程中的压力、温度、注液态CO₂流量的变化情况以电信号的形式传输至井下基站，通过矿用交换机转换成相应的电信号和网络信号后传输至井下远程控制系统和在线监控系统。

压裂增透泵系统、井下远程控制系统、在线监控系统与井下基站通过井下工业环网相连。

压裂增透泵系统包括压裂增透泵和电机。

井下远程控制系统包括控制开关、温度控制器、压力控制器和流量控制装置。

在线监控系统包括数据采集与存储界面、视频在线监控界面、多参数变量图像显示界面、无线路由和远程服务器。在线监控系统通过光纤、RS485总线或者以太网实现与压裂施工区域的管路及设备压力表、流量计、热电偶、压力变送器等相连接，实现不同分辨率的数据在线采集与存储，同时可将监测数据与地面控制中心连接，实现在线监控。

压裂增透泵系统和井下远程控制系统采用矿用缆线与井下基站缆线端连接，在线监控系统与井下基站之间采用矿用光纤连接。

压裂增透泵系统、井下远程控制系统、在线监控系统之间以井下基站作为枢纽连接，由井下基站中的矿用交换机将井下输出的电信号转换成相应的网络信号，通过通信信息处理器传输给在线监控系统，实现地面的数据采集、存储及图像显示；由矿用交换机将井下输出的电信号分流给通信信息处理器后将电信号传输给井下远程控制系统，实现井下压裂工作的远程控制；由矿用交换机转换的网络信号经通信信息处理器后，以矿用光纤信号载体传输至地面监测监控系统，实现地面可视化远程监控；压裂增透泵系统、井下远程控制系统、在线监控系统与井下基站通过井下工业环网相连，共同构成煤层液态CO₂压裂增透的远程监控系统。井下远程控制系统通过信号传输系统或者井下工业环网对几百到几千米的压裂增透泵进行远程信号传输，实现施工设计参量的人工控制，三大系统通过信号的传输，实现地面对井下工作的监测监控及井下远程控制。

本发明的有益效果是：实现地面工作室对井下压裂增透工作的远程监测监控及井下远距离控制，减少了工作量的同时也大大减少了工作人员井下往返的时间，减少了压裂增透施工时工作人员在数据采集、监测监控及控制等方面的难度，从而提高施工整体效率和施工人员的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例远程监控系统示意图；

图2为本发明实施例压裂增透泵系统局部示意图；

图3为本发明实施例井下远程控制系统局部示意图；

图4为本发明实施例在线监控系统局部示意图。

附图标记：1-压裂增透泵系统，2-井下远程控制系统，3-在线监控系统，4-压裂增透泵，5-矿用防爆电机，6-矿用本安型高清红外摄像仪，7-井下基站，8-矿用交换机，9-警报器，10-通信信息处理器，11-无线路由，12-远程服务器，13-数据采集与存储界面，14-视频在线监控界面，15-多参数变量图像显示界面，16-控制开关，17-温度控制器，18-压力控制器，19-流量控制装置，20-压力传感器，21-温度传感器，22-流量传感器，23-矿用缆线，24-矿用光纤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细地说明：

如图1所示，一种用于煤层注液态CO₂压裂增透的远程监控系统，包括压裂增透泵系统1、井下远程控制系统2和在线监控系统3，还包括有井下基站7。

压裂增透泵系统1包括压裂增透泵4和矿用防爆电机5。如图2所示，压裂增透泵4安装在井下工作面较为平整区域的防爆柜中，压裂增透泵4优选的采用矿用低温、高压输送压裂增透泵，数量为两台，其中一台留作备用，由气液分离器输送液态CO₂，其中液态CO₂输送管路的进出口设有矿用安全阀和排放阀与压裂增透泵4连接；压裂增透泵电机选用煤矿专用防爆三相异步电动机，具有防爆、隔爆性能；矿用防爆电机5加设防爆型机电外壳，确保压裂增透泵4的安全作业。

进一步地，压裂增透泵4工作温度范围为-50℃—+60℃，压裂增透泵4的工作温度由数字化温度传感器显示；压力范围为0MPa-100.0MPa，压裂泵压力范围可调，排量为1.0-2.5m3/min。

如图3所示，井下远程控制系统2包括控制开关16、温度控制器17、压力控制器18和流量控制装置19。井下远程控制系统2设置在距工作面几百到几千米的位置，并固定安装在井下专用配电柜中，实现对压裂增透过程中的压裂泵的启动与停止的精确控制，以及对压裂过程中的压力、温度、流量等相关参量的显示与远程调控。控制开关16、温度控制器17、压力控制器18和流量控制装置19固定安装控制系统中对应的面板上。

进一步地，控制开关16通过矿用缆线模块端连接，采用电信号控制压裂增透泵系统1的工作；控制开关16选矿用系列高压真空路断器，有开、关两按钮且该路断器开关机盒上设置三个通道，信号传输缆线端与高压真空路断器采用模块形式连接。

进一步地，温度控制器17选用常规电子式数字化温度传感器装置，温度显示范围为-50℃～+60℃，显示精度±0.1℃，温度控制器17为双通道(即井下温度信号输入通道及地面信号输出通道)，温度信号的显示方式为三位LED数码管显示。

进一步地，压力控制器18选用高精度数字压力传感器，控制器设定值可调，在0～100MPa量程段任意可选。压力控制器18外壳设置专用压力输入模块(可编程序芯片)，布设单片机驱动LED数字显示模块用以显示工作地点的数字化压力值，进而根据显示调节至实际所需压力值；压力控制器18为双通道，分别为压裂增透泵系统1实际压力信号输入端通道以及压力控制器18调节压力信号输出端通道。

进一步地，流量控制装置19选用矿用系列涡街式流量计，与专用流量传感器一体连接实现流量的调节与显示。流量控制装置19根据井下压裂增透泵系统1所需液态CO₂流量值，通过矿用系列涡街式流量计进行流量值的设定，而且能够通过专用流量传感器显示流量大小。

如图4所示，在线监控系统3包括矿用本安型高清红外摄像仪6、压力传感器20、温度传感器21和流量传感器22，矿用本安型高清红外摄像仪6设置于井下监控范围较大的压裂施工区域，能够将压裂增透泵系统1在井下工作时的各种情形进行实时记录，视频显示压裂增透泵4作业及增透煤层工作面的情况，实现压裂增透泵4井下工况的实时监控。压力传感器20、温度传感器21和流量传感器22的信号输出端口通过几百到几千米矿用缆线23与井下基站7连接，对煤层在压裂增透过程中的压力、温度、注液态CO₂流量的变化情况以电信号的形式传输至井下基站7，通过矿用交换机8转换成相应的电信号及网络信号后传输至井下远程控制系统2和在线监控系统3。

在线监控系统3还包括数据采集与存储界面13、视频在线监控界面14、多参数变量图像显示界面15、无线路由11和远程服务器12。在线监控系统设置在地面工作室，其功能在于能够将井下压裂增透过程中传输的相应参数自动采集、存储，而且能够将压力、温度等参数随着时间的变化情况以图像的形式表征出来，整体实现井下压裂增透过程地面的视频监控及相应参数的采集、存储和参数曲线图像的显示。在线监控系统3通过光纤、RS485总线或者以太网实现与压裂施工区域的管路及设备压力表、流量计、热电偶、压力变送器等相连接，实现不同分辨率的数据在线采集与存储，同时可将监测数据与地面控制中心连接，实现在线监控。

进一步地，数据采集与存储界面13采用在计算机安装通用数据采集与存储软件，将压裂增透泵系统1压裂过程中的压力、温度等相关参数输入至井下基站7，后经转换通过矿用光纤24输入远程服务器12，经服务器信息处理后传输至数据采集与存储软件，实现数据采集与保存。

进一步地，视频在线监控界面14主要通过在井下视频监控范围较大的区域安装矿用本安型高清红外摄像仪6对压裂泵的状态及井下压裂增透区域的工作状况进行实时监控，地面视频在线监控部分安装与矿用本安型高清红外摄像仪6配套的视频显示软件，实时显示井下压裂增透泵系统1的工作状态及井下压裂增透区域的工况。

进一步地，多参数变量图像显示界面15主要是在计算机中安装多参数采集软件，用以记录压力、温度、流量变化过程并直接显示压力-时间、温度-时间、流量-时间曲线并将相应图像自动保存，为后续数据分析做好铺垫，且该界面分设警报显示分界面，主要对压裂泵区域、压注液态CO₂施工区域的工作状况进行监控，以便井下监控的地面警报显示。

井下基站7包括矿用交换机8、警报器9和通信信息处理器10。井下基站7实现井下压裂增透泵4工作时信号的分析与传输，为井下远程控制以及在线监控系统3提供信号支持。

进一步地，警报器9主要功能为压裂增透泵系统1发生故障时能够及时发出警报信号；当井下压裂增透过程中压力、温度、流量等参量低于设定值或者超限时能及时发出警报信号，以便井下远程控制系统2进行处理。

压裂增透泵系统1、井下远程控制系统2、在线监控系统3之间以井下基站7作为枢纽连接，由井下基站7中的矿用交换机8将井下输出的电信号转换成相应的网络信号通过通信信息处理器传输给在线监控系统3，实现地面的数据采集、存储及图像显示；由矿用交换机8将井下输出的电信号分流给通信信息处理器后将电信号传输给井下远程控制系统2，实现井下压裂工作的远程控制；由矿用交换机8转换的网络信号经通信信息处理器后，以矿用光纤24信号载体传输至地面监测监控系统，实现地面可视化远程监控；压裂增透泵系统1、井下远程控制系统2、在线监控系统3与井下基站7通过井下工业环网相连，共同构成煤层液态CO₂压裂增透的远程监控系统。井下远程控制系统2通过信号传输系统或者井下工业环网对几百到几千米的压裂增透泵4进行远程信号传输，实现施工设计参量的人工控制，三大系统通过信号的传输，实现地面对井下工作的监测监控及井下远程控制。

系统在进行液态CO₂压裂增透工作的过程中，首先应配备专人对井下系统、井下远程控制系统2和在线监控系统3进行检查其是否处于正常工作状态，经检查整体系统都处于正常状态时即可进行井下压裂增透工作。具体的，首先由井下远程控制系统2中真空路断器开关对压裂增透泵系统1发出工作指令后，启动压裂增透泵系统1开始工作；进行液态CO₂压裂增透工作时，压裂增透泵4所布设专用传感器能够将压裂过程中的基本参数通过矿用缆线23以电信号的形式传输至井下基站7，再经过井下基站7中的矿用交换机8进行信号的转换后分别以电信号和网络信号的形式传输至井下远程控制系统2与在线监控系统3，当井下远程控制系统2和在线监控系统3接收到数据信号后，由井下远程控制系统2实时显示数据，便于井下施工增透区域基本参数的掌握；由在线监控系统3对所述多参数进行自动保存，并将采集后的数据根据参量变化以图像的形式显示出来，从而为后续压裂增透过程中的工况分析提供依据。

井下压裂增透泵系统1和井下远程控制系统2采用矿用缆线23与井下基站7缆线端连接；在线监控系统3与井下基站7之间采用矿用光纤24连接；矿用缆线23及光纤共同实现井下与地面之间的信号传输，为井下压裂增透的远程控制及地面监控提供保障。