专利名称：一种数字井场高速传输监控系统及方法
技术领域：
本发明涉及无线监控技术领域，特别是涉及一种用于数字井场的高速传输监控系统及方法。
背景技术：
油田数字化是石油企业实现可持续发展的战略举措，是增强企业竞争力的中坚力量。数字井场是数字化油田的重要组成部分。数字井场是将现代化信息技术应用到石油钻井生产实践中而形成的一套集钻井数据采集、数据信息传输、钻井数据库、钻井工程设计、 钻井施工监测和钻井生产指挥为一体的集成化系统。目前，全国的油田钻井现场基本都是有线数据传输，有线传输有的缺点是现场布线复杂而且存在安全隐患，钻井是流动作业，每钻一口井就需要重新布线一次，这样既费时又费力，有时还会在钻机作业中导致线路被碰断；在钻井的过程中为防突发事件，急需要现场能够控制也需要后方也能远程监控，从而有效的提高安全性能；现场作业与后方监控都需要对钻井与测井的数据实时测量、存储与显示；另外，油田井场易燃、易爆物质以及生产设备的数量较多，事故风险高，使得井场安全生产监控及其数字化建设比较困难。井场数字化、监控方法和技术手段的落后严重影响了数字井场高速传输监控技术的发展，难以满足油田信息的高速传输和石油工业发展的安全需求。为了解决这些问题，使油田能够实现自动化信息化，需要一种数字井场高速传输系统及方法。采用先进的OFDM调制技术建立井场无线局域网实现图像信息、语音信息及数据信息的传输，为数字井场高速传输监控系统的建立提出了新思路。正交频分复用技术 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种特殊的多载波传输技术，其特点是各子载波相互正交，扩频调制后的频谱可相互重叠，不但减少了子载波间的相互干扰，频谱利用率高。已经在无线局域网、数字电视广播及数字音频广播等领域成功应用，并逐渐显示出其在数据传输方面的优越性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出一种数字井场高速传输监控系统及方法。本发明通过采集设置在井场中及井下的传感器系统的信号，包括数据参数信号、音频信号和视频信号；再利用OFDM技术把井场及井下现场采集的数据信息等通过无线局域网传送到井场内的机房；利用现有的成熟的通讯技术GPRS、CDMA或卫星通信方式把井场机房中的数据信息等实时的远传到后方远程监控系统，后方将数据信息进行存储、管理和监控指令的产生和发出。该监控系统能够在现场和远程后方对井场现场安全生产进行实时监控。本发明提出的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于该系统按照信息的传输及处理的不同阶段，把数字井场监控系统分为后方监控中心、井场机房和井场传感器系统三部分。井场传感器系统主要采集井场各种数据；井场机房主要完成信息的初步处理、监控指令产生及对井场、井下控制指令的产生及向后方的远程传输；后方监控中心主要是信息的管理、后方监控指令的产生。针对信息传输的距离差别采用不同的传输方式， 在井场内采用OFDM的无线传输方式，井场机房向后方监控中心可采用GPRS、CDMA或卫星通信等方式传输。本发明提出的一种数字井场高速传输监控系统及方法中的无线传感器网络包括钻井平台上的转速传感器、立/套管压力传感器、绞车传感器、大钩负荷传感器，钻台下的钻井/录井液温度、密度、流量、泵冲、电导率、硫化氢、可燃气体等气体参数传感器；井下传感器主要随钻测井一起和设备采集，再通过钻井液脉冲等方式传输到井口接收设备；井场内部还有无线防盗监控报警系统，安全图像消防报警系统等。这些信号通过传感器后传给采集节点，各节点完成信号的预处理后进行A/D转换，在通过发射电路传输到汇集结点，汇集节点接收到各采集节点的数据后进行有效地融合，通过无线方式传输到井场机房。本发明提出的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于井场信息主要分为数据信息、图像信息及音频信息三类。这些信息需要在井场现场之间、井场与井场机房之间传输，国家现有的通信网络不能够满足要求。因此只有在井场现场采用有线或无线传输。若采用有线传输就会使狭小的井场更加凌乱，同时线缆也易受到破坏，不方便流动作业的钻井现场使用。因此在井场建立无线局域网，按照“三网合一”的思想，实现数据信息、 语音信息及图像信息的无线传输。但是采用一般的无线传输技术又很难满足数据容量和传输效率等的要求。故在此处我们采用频谱利用率高、抗多经衰落及带宽扩展性强的OFDM调制技术。通信频率可选择0. 9G、1. 2G、1. 3G和2. 4G等频率。本发明提出的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于井场机房信息处理，通过无线局域网把井场、井下的实时数据信息汇聚到井场机房，在机房建立小型的数据库。然后开发数据库查询、显示及录入等软件，实现井场、井下实时显示，数据查询与录入，工作人员根据权限可实现对井场远程监控等。本发明提出的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于井场机房一般建立在通信环境较好的地段，因此机房信息的远传可以利用GPRS、CDMA或卫星通信等把机房数据库的信息传回后方。首先根据井场机房的现有条件及通信环境选择经济可靠的通信方式，制定统一的通信协议，把小型数据库的数据统一实时远传回后方监控中心。本发明提出的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于后方基地信息的处理通过在后方监控中心首先建立大型的数据库，把各个井场远传回的数据存储、处理；然后根据需求开发相关的数据库应用软件。技术人员通过数据库在后方就能得到各种数据，管理人员能够了解井场现场的生产状况，实时的对现场进行监控和指导安排现场的生产活动。充分发挥后方基地的技术优势和协作指导能力，提高工作效率，避免因经验不足而造成的失误。同时能够更好更及时的处理各种突发事件。本发明的技术特点和效果
本发明的目的是为解决目前数字井场高速传输监控系统中存在的问题，提出在井场数据信息的传输困难是建立数字井场的一个瓶颈，根据井场信息的传输距离的不同采用不同的无线传输方式井场内建立无线传感器网络，并采用OFDM调制技术实现井场内实时的图像信息、语音信息及数据信息无线高速传输的要求，再利用成熟的GPRS、CDMA及卫星通信等通信技术将井场机房数据信息向后方的实时远传，从而把油田组合为一个整体，实现数字化油田。在井场和后方建立不同规模的数据库，满足井场和后方的不同数据要求，更好更大的开发信息的内在价值。数字井场建立是数字油田建立的必要组成部分，数字井场的建立必能加快数字油田建设的步伐。
图1为数字井场高速传输监控系统等级结构； 图2为数字井场高速传输监控系统的拓扑结构； 图3为数字井场无线传感器传输网工作原理；
图4为数字井场监控系统数据来源； 图5为井场内数据OFDM传输系统框图。
具体实施例方式下面将结合各个参考附图对本发明的技术方案的主要实现原理具体实施方式
等进行详细描述。请参照图1，该图是本发明的提出的数字井场高速传输监控系统等级结构，它将数字井场监控系统分为三个等级后方监控中心、井场机房和井场传感器系统。请参照图2，为了使数据能够高速、有效传输，该图提出数字井场高速传输监控系统的拓扑结构，井场内的传感器、井场机房及邻近井场之间采用OFDM传输系统；井场与后方监控中心采用已经成熟的GPRS、CDMA及卫星通信等通信技术实现数据信息的远传。请参照图3，该图是本发明的提出的数字井场无线传感器传输网工作原理，在传感器网络中，井场内的所有信号通过传感器后传给采集节点，各节点完成信号处理后进行A/ D转换，在通过发射电路传输到汇集结点，汇集节点接收到各采集节点的数据后进行有效地融合，通过无线方式传输到井场机房。请参照图4，该图是本发明的提出的数字井场监控系统数据来源，主要分为井上、井下及井场周边数据来源，包含了大量的传感器。井上数据来源又分为钻台上和钻台下的传感器钻台上的转速传感器、立/套管压力传感器、绞车传感器、大钩负荷传感器，钻台下的钻井、录井液温度、密度、流量、泵冲、电导率、硫化氢、可燃气体等气体参数传感器；井下传感器主要随钻测井一起和设备采集，再通过钻井液脉冲传输到井口接收设备；井场内部还有无线防盗监控报警系统，安全图像消防报警系统等。请参照图5，该图是本发明提出的井场内数据OFDM传输系统框图。传输的数据信号主要有三种数据参数信号、音频信号和视频信号。首先对采集的信号进行模数转换或信号转换，将得到的比特流首先经过信道编码以减少由于信道影响而产生的在接收机端发生的错误概率，一般采用卷积编码。其次，比特流映射到符号上，通常采用的QPSK或 16-QAM。符号流通过串并转换形成并行格式数据流，经过IFFT后，数据流再次经过串并转换形成串行数据流格式。在OFDM符号之间产生保护间隔，该保护间隔是由OFDM符号的循环扩展得到的。在经过射频调制，射频调制信号使用发射机天线传输到井场机房的接收机。 对于接收机采用相反的方式。
权利要求
1.一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于该系统按照信息的传输及处理的不同阶段，把数字井场监控系统分为后方监控中心、井场机房和井场无线传感器网络三部分；井场无线传感器网络主要采集井场及井下数据；井场机房主要完成信息的初步处理、监控指令产生及发出以及向后方的远程传输；后方监控中心主要是信息的管理、应用及监控指令发出。
2.根据权利要求1所述的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于针对信息传输的距离差别采用不同的传输方式，在井场内采用OFDM的无线传输，井场机房向后方监控中心可采用GPRS、CDMA或卫星通信等方式传输。
3.根据权利要求1所述的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于井场现场的传感器包括钻井平台上的转速传感器、立/套管压力传感器、绞车传感器、大钩负荷传感器，钻台下的钻井、录井液温度、密度、流量、泵冲、电导率、硫化氢、可燃气体等气体参数传感器；井下传感器主要随钻测井一起和设备采集，再通过钻井液脉冲传输到井口接收设备；井场内部还有无线防盗监控报警系统、安全图像消防报警系统等。
4.根据权利要求1所述的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于在传感器网络中，井场内的所有信号通过传感器后传给采集节点，各节点完成信号的预处理后进行A/D转换，再通过发射电路传输到汇集结点，汇集节点接收到各采集节点的数据后进行有效地融合，通过OFDM无线方式传输到井场机房。
5.根据权利要求1所述的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于井场内无线传感器网络按照“三网合一”的思想，实现数据信息、语音信息及图像信息的无线传输，在这里采用频谱利用率高、抗多经衰落及带宽扩展性强的OFDM调制技术。
6.根据权利要求1所述的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于井场机房信息处理，通过无线局域网把井场的实时数据信息汇聚到井场机房，在机房建立小型的数据库，然后开发数据库查询、显示及录入等软件，实现井场实时图像显示，数据查询与录入，工作人员根据权限可实现对井场监控、产生并发出监控指令和接收后方监控中心指令等。
7.根据权利要求1所述的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于井场机房一般建立在通信环境较好的地段，因此机房信息的远传可以利用GPRS、CDMA或卫星通信等把机房数据库的信息传回后方；首先根据井场机房的现有条件及通信环境选择经济可靠的通信方式，制定统一的通信协议，把小型数据库的数据统一实时远传回后方监控中心。
8.根据权利要求1所述的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于后方基地信息的处理通过在后方监控中心首先建立大型的数据库，把各个井场远传回的数据存储、处理；然后根据需求开发相关的数据库应用软件。
9.根据权利要求1所述的一种数字井场高速传输监控系统及方法，其特征在于在后方监控中心，技术人员通过数据库就能得到各种数据，管理人员能够了解井场现场的生产状况，实时的对现场进行监控和指导安排现场的生产活动，充分发挥后方基地的技术优势和协作指导能力，提高工作效率，避免因经验不足而造成的失误，同时能够更好更及时的处理各种突发事件。
全文摘要
一种数字井场高速传输监控系统及方法，通过在井场中搭建无线传感器网络来采集井场的各种监控信号，包括数据参数信号、音频信号和视频信号；利用OFDM技术把井场现场采集的信息高速实时地传送到井场机房建立小型数据库；并利用现有的成熟的通讯技术GPRS、CDMA或卫星通信方式把井场机房中的井场现场的监控信息实时的远传到后方监控中心，后方将数据信息进行存储、管理和应用。该监控系统能够在现场和远程后方对井场现场安全生产进行实时监控和操作。
文档编号H04L27/26GK102394910SQ201110260878
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者党煜蒲, 张 杰, 戈勇华, 曹鹏, 罗仁泽 申请人:西南石油大学