一种煤层气井场实时监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于煤层气钻井技术领域，公开了一种煤层气井场实时监测系统，包括：单片机最小系统电路、太阳能供电电路、抽油机监控单元、井口参数监控单元、井场参数监控单元、井下监控单元、井下管路监控单元、甲烷浓度监控单元及GSM模块；所述单片机最小系统电路的各端口设置供电优先级；所述抽油机监控单元、所述井口参数监控单元、所述井场参数监控单元、所述井下监控单元、所述井下管路监控单元、所述甲烷浓度监控单元的优先级为由低到高排列。本发明提供了一种高效的检测系统。
【专利说明】
一种煤层气井场实时监测系统
技术领域
[0001]本发明涉及煤层气钻井技术领域，特别涉及一种煤层气井场实时监测系统。
【背景技术】
[0002]煤层气作为重要的能源气体，应用面很广，为国民生产提供了重要的能源供应。
[0003]煤层气抽采过程中的工艺过程控制对于钻井效率和安全性有着十分重要的影响。通常根据钻井人员的经验，执行工艺操作;往往效率较低，同时针对某些井下不可见的因素导致出现钻井事故，严重影响生产安全和效率。同时由于缺乏可靠的数据，导致评价煤层气产能状况及制定排采工艺十分不便。另一方面，由于钻井操作和环境的影响，导致检测装置的供电消耗剧烈波动，从而导致某些重要性较高的参数检测中断。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种煤层气井场实时监测系统，解决现有技术中煤层气钻井过程参数检测工艺粗糙，数据可靠性低；同时在复杂环境下，传感器件由于供能中断导致重要参数采集中断的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供了一种煤层气井场实时监测系统，包括:单片机最小系统电路、太阳能供电电路、抽油机监控单元、井口参数监控单元、井场参数监控单元、井下监控单元、井下管路监控单元、甲烷浓度监控单元及GSM模块；
[0006]太阳能供电电路与所述单片机最小系统相连，将太阳能转换成电能存储并向所述单片机最小系统供电；
[0007]所述抽油机监控单元、井口参数监控单元、井场参数监控单元、井下监控单元、井下管路监控单元以及甲烷浓度监控单元分别与所述单片机最小系统电路相连，实时回传监测数据；
[0008]所述最小系统电路通过所述GSM模块接入GSM网络，与远程终端建立通信连接，将所述监测数据发送给所述远程终端；
[0009]所述抽油机监控单元包括:电压传感器、电流传感器、温度传感器以及转速传感器;实时采集煤层气井场抽油机的电机电压、电机电流、电机温度以及电机转速回传给所述单片机最小系统电路；
[0010]所述井口参数监控单元包括:气压传感器以及气体流量传感器;实时采集所述井口压力以及井口流量回传给所述单片机最小系统电路；
[0011 ]所述井场参数监控单元包括:井场温度传感器;实时采集井场温度回传给所述单片机最小系统电路；
[0012]所述井下监控单元包括:液位传感器;实时采集液面高度回传给所述单片机最小系统电路；
[0013]所述井下管路监控单元包括:位移传感器;实时测量所述抽油机抽油杆的位移回传给所述单片机最小系统电路；
[0014]甲烷浓度监控单元包括:甲烷浓度传感器;实时监测井下甲烷浓度参数回传给所述单片机最小系统电路；
[0015]其中，所述单片机最小系统电路的各端口设置供电优先级;所述抽油机监控单元、所述井口参数监控单元、所述井场参数监控单元、所述井下监控单元、所述井下管路监控单元、所述甲烷浓度监控单元的优先级为由低到高排列。
[0016]进一步地，所述抽油机监控单元内的各传感器设置二级优先级；
[0017]所述电压传感器、所述电流传感器、所述温度传感器以及所述转速传感器的二级优先级为由高到低。
[0018]进一步地，所述井口参数监控单元内的各传感器设置二级优先级；
[0019]所述气压传感器以及气体流量传感器的二级优先级为由高到低。
[0020]进一步地，所述太阳能供电电路包括:太阳能电池板、充电管理芯片以及储能电池；
[0021]所述太阳能电池板通过所述充电管理芯片连接所述储能电池，所述储能电池与所述单片机最小系统电路连接。
[0022]进一步地，所述充电管理芯片型号采用CN3083-⑶芯片；
[0023]所述充电管理芯片的第4引脚连接太阳能电池板的正极;所述充电管理芯片的第5引脚用于连接所述储能电池的正极以及所述单片机最小系统的VCC引脚;所述充电管理芯片的第I引脚连接所述储能电池的负极;所述充电管理芯片的第3引脚与所述太阳能电池板的负极连接;所述充电管理芯片的第3引脚还接入所述单片机最小系统的GND引脚。
[0024]进一步地，所述的储能电池的额定电压为3.7V。
[0025]进一步地，所述单片机最小系统电路采用的单片机选用STC8F2K64S8-CC。
[0026]进一步地，所述电压传感器接入所述单片机的P0.0引脚；
[0027]所述电流传感器接入所述单片机的P0.1引脚；
[0028]所述气压传感器接入所述单片机的P0.2引脚；
[0029]所述气体流量传感器接入所述单片机的P0.3引脚；
[0030]所述位移传感器接入所述单片机的P0.4引脚；
[0031]所述温度传感器接入所述单片机的P0.5引脚；
[0032]所述转速传感器接入所述单片机的P0.6引脚；
[0033]所述液位传感器接入所述单片机的P0.7引脚；
[0034]所述甲烷浓度传感器接入所述单片机的P2.6引脚；
[0035]所述井场温度传感器接入所述单片机的P2.7引脚。
[0036]进一步地，所述电压传感器型号为RISYM-VS;所述电流传感器型号为ACS712-20A;所述气压传感器型号为CYYZll-3Mpa;所述气体流量传感器型号为MF5706/12-W;所述位移传感器型号为GEFRAN-F-S03M;所述电机温度传感器型号为DS18b20-F;所述转速传感器型号为SZCB-01-V;所述液位传感器型号为FMU30-1020-5;所述甲烷浓度传感器型号为MQ2-CJC4;所述井场温度传感器型号为DS18b20-A。
[0037]进一步地，所述GSM模块型号为ATK-SIM900A-GSM;
[0038]所述GSM模块的第I引脚与所述单片机的P3.0引脚相连接，第2引脚与单片机的P3.1引脚相连接，第3和第4引脚分别与电源正极VCC及电源负极GND相连接；
[0039]所述GSM模块通过第I和第2引脚与所述单片机进行通信，所述储能电池通过所述GSM模块的第3和第4引脚给GSM模块供电。
[0040]本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点:
[0041]本申请实施例中提供的煤层气井场实时监测系统，采用单片机最小系统电路和太阳能供电电路，实现太阳能补充供电，在钻井环境中充分利用太阳能资源，延长监测时间；通过抽油机监控单元、井口参数监控单元、井场参数监控单元、井下监控单元、井下管路监控单元、甲烷浓度监控单元，提供了全方位的监控策略，从钻井设备到井口、井下的三维检测体系，大大提升了数据采集的科学性和可靠性;并进一步，针对采集数据的重要性，设置供电优先级，为重要的数据采集模块，在出现供电短缺得情况下，优先供电，保证检测过程的效率。
【附图说明】
[0042]图1为本发明实施例提供的煤层气井场实时监测系统原理框图；
[0043]图2为本发明实施例提供的单片机最小系统电路的结构示意图；
[0044]图3为本发明实施例提供的太阳能供电电路的结构示意图；
[0045]图4本发明实施例提供的GSM模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0046]本申请实施例通过提供一种煤层气井场实时监测系统，解决现有技术中煤层气钻井过程参数检测工艺粗糙，数据可靠性低；同时在复杂环境下，传感器件由于供能中断导致重要参数采集中断的技术问题;达到了提升钻井参数可靠性、全面性和完整性的技术效果。
[0047]为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
[0048]参见图1，本发明实施例提供的一种煤层气井场实时监测系统，包括:单片机最小系统电路、太阳能供电电路、抽油机监控单元、井口参数监控单元、井场参数监控单元、井下监控单元、井下管路监控单元、甲烷浓度监控单元及GSM模块。
[0049]太阳能供电电路与所述单片机最小系统相连，将太阳能转换成电能存储并向所述单片机最小系统供电。
[0050]所述抽油机监控单元、井口参数监控单元、井场参数监控单元、井下监控单元、井下管路监控单元以及甲烷浓度监控单元分别与所述单片机最小系统电路相连，实时回传监测数据。
[0051]所述最小系统电路通过所述GSM模块接入GSM网络，与远程终端建立通信连接，将所述监测数据发送给所述远程终端。
[0052]所述抽油机监控单元包括:电压传感器、电流传感器、温度传感器以及转速传感器;实时采集煤层气井场抽油机的电机电压、电机电流、电机温度以及电机转速回传给所述单片机最小系统电路。
[0053]所述井口参数监控单元包括:气压传感器以及气体流量传感器;实时采集所述井口压力以及井口流量回传给所述单片机最小系统电路。
[0054]所述井场参数监控单元包括:井场温度传感器;实时采集井场温度回传给所述单片机最小系统电路。
[0055]所述井下监控单元包括:液位传感器;实时采集液面高度回传给所述单片机最小系统电路。
[0056]所述井下管路监控单元包括:位移传感器;实时测量所述抽油机抽油杆的位移回传给所述单片机最小系统电路。
[0057]甲烷浓度监控单元包括:甲烷浓度传感器;实时监测井下甲烷浓度参数回传给所述单片机最小系统电路。
[0058]其中，所述单片机最小系统电路的各端口设置供电优先级;所述抽油机监控单元、所述井口参数监控单元、所述井场参数监控单元、所述井下监控单元、所述井下管路监控单元、所述甲烷浓度监控单元的优先级为由低到高排列。从而优先为重要检测参数检测传感器有效供电，保证检测效率。
[0059]在模块内部，即所述抽油机监控单元内的各传感器设置二级优先级;所述电压传感器、所述电流传感器、所述温度传感器以及所述转速传感器的二级优先级为由高到低。进一步优化供电模式。
[0060]具体来说，所述井口参数监控单元内的各传感器设置二级优先级;所述气压传感器以及气体流量传感器的二级优先级为由高到低。
[0061]所述太阳能供电电路包括:太阳能电池板、充电管理芯片以及储能电池;所述太阳能电池板通过所述充电管理芯片连接所述储能电池，所述储能电池与所述单片机最小系统电路连接。
[0062]所述充电管理芯片型号采用CN3083-CU芯片;所述充电管理芯片的第4引脚连接太阳能电池板的正极;所述充电管理芯片的第5引脚用于连接所述储能电池的正极以及所述单片机最小系统的VCC引脚;所述充电管理芯片的第I引脚连接所述储能电池的负极;所述充电管理芯片的第3引脚与所述太阳能电池板的负极连接;所述充电管理芯片的第3引脚还接入所述单片机最小系统的GND引脚。所述的储能电池的额定电压为3.7V。
[0063]所述单片机最小系统电路采用的单片机选用STC8F2K64S8-CC。所述电压传感器接入所述单片机的P0.0引脚;所述电流传感器接入所述单片机的P0.1引脚;所述气压传感器接入所述单片机的P0.2引脚;所述气体流量传感器接入所述单片机的P0.3引脚;所述位移传感器接入所述单片机的P0.4引脚;所述温度传感器接入所述单片机的P0.5引脚;所述转速传感器接入所述单片机的P0.6引脚;所述液位传感器接入所述单片机的P0.7引脚;所述甲烷浓度传感器接入所述单片机的P2.6引脚;所述井场温度传感器接入所述单片机的P2.7引脚。
[0064]所述电压传感器型号为RISYM-VS;所述电流传感器型号为ACS712-20A;所述气压传感器型号为CYYZll-3Mpa;所述气体流量传感器型号为MF5706/12-W;所述位移传感器型号为GEFRAN-F-S03M;所述电机温度传感器型号为DS18b20-F;所述转速传感器型号为SZCB-Ol-V;所述液位传感器型号为FMU30-1020-5;所述甲烷浓度传感器型号为MQ2-CJC4;所述井场温度传感器型号为DS18b20-A。
[0065]所述GSM模块型号为ATK-SM900A-GSM;所述GSM模块的第I引脚与所述单片机的P3.0引脚相连接，第2引脚与单片机的P3.1引脚相连接，第3和第4引脚分别与电源正极VCC及电源负极GND相连接;所述GSM模块通过第I和第2引脚与所述单片机进行通信，所述储能电池通过所述GSM模块的第3和第4引脚给GSM模块供电。
[0066]下面通过一个具体的实例说明本方案。
[0067]参见图2，所述的单片机最小系统电路中Ul-单片机型号为STC8F2K64S8-CC。电压传感器型号为RISYM-VS，用于测量电机电压，接入Ul的P0.0引脚。电流传感器型号为ACS712-20A，用于测量电机电流，接入Ul的？0.1引脚。气体压力传感器型号为0￥￥211-31^?，用于测量井口压力，接入Ul的P0.2引脚。气体流量传感器型号为MF5706/12-W，用于测量井口流量，接入Ul的P0.3引脚。位移传感器型号为GEFRAN-F-S03M，用于测量抽油杆位移，接入Ul的P0.4引脚。电机温度传感器型号为DS18b20-F，用于测量电机温度，接入Ul的P0.5引脚。转速传感器型号为SZCB-01-V，用于测量电机转速，接入Ul的P0.6引脚。超声波液位传感器型号为FMU30-1020-5，用于测量液面高度，接入Ul的P0.7引脚。甲烷浓度传感器型号为MQ2-CJC4，用于测量甲烷浓度，接入Ul的P2.6引脚。井场温度传感器型号为DS18b20-A，用于测量井场温度，接入Ul的P2.7引脚。单片机最小系统用于采集上述各种传感器的输入数据，并将数据进行简单处理后发送给GSM电路。
[0068]参见图3，所述的太阳能供电电路采用的U2-充电管理芯片型号为CN3083-CU，U2的第4引脚用于接入太阳能电池板的正极，U2的第5引脚用于连接锂电池的正极，同时U2的第5脚还接入Ul的VCC引脚，U2的第I引脚用于连接锂电池的负极，所述的锂电池额定电压为3.7 V，U2的第3引脚与太阳能电池板的负极相连接，同时U2的第3引脚还接入UI的GND引脚。太阳能供电电路用于给整个系统供电，Hl为太阳能电池板输入端，其中Hl的I引脚接太阳能电池板的负极，Hl的2引脚接太阳能电池板的正极。
[0069]参见图4，所述的GSM电路由Gl-GSM模块构成，所述的GSM模块型号为ATK-S頂900A-GSM，G1的第I引脚与Ul的P3.0引脚相连接，Gl的第2引脚与Ul的P3.1引脚相连接，Gl的第3弓I脚与电源正极VCC相连接，Gl的第4引脚与电源负极GND相连接。
[0070]Gl通过1、2引脚与Ul进行通信，电源通过Gl的3、4引脚给Gl供电。
[0071]本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点:
[0072]本申请实施例中提供的煤层气井场实时监测系统，采用单片机最小系统电路和太阳能供电电路，实现太阳能补充供电，在钻井环境中充分利用太阳能资源，延长监测时间；通过抽油机监控单元、井口参数监控单元、井场参数监控单元、井下监控单元、井下管路监控单元、甲烷浓度监控单元，提供了全方位的监控策略，从钻井设备到井口、井下的三维检测体系，大大提升了数据采集的科学性和可靠性;并进一步，针对采集数据的重要性，设置供电优先级，为重要的数据采集模块，在出现供电短缺得情况下，优先供电，保证检测过程的效率。
[0073]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种煤层气井场实时监测系统，其特征在于，包括:单片机最小系统电路、太阳能供电电路、抽油机监控单元、井口参数监控单元、井场参数监控单元、井下监控单元、井下管路监控单元、甲烷浓度监控单元及GSM模块； 太阳能供电电路与所述单片机最小系统相连，将太阳能转换成电能存储并向所述单片机最小系统供电； 所述抽油机监控单元、井口参数监控单元、井场参数监控单元、井下监控单元、井下管路监控单元以及甲烷浓度监控单元分别与所述单片机最小系统电路相连，实时回传监测数据； 所述最小系统电路通过所述GSM模块接入GSM网络，与远程终端建立通信连接，将所述监测数据发送给所述远程终端； 所述抽油机监控单元包括:电压传感器、电流传感器、温度传感器以及转速传感器;实时采集煤层气井场抽油机的电机电压、电机电流、电机温度以及电机转速回传给所述单片机最小系统电路； 所述井口参数监控单元包括:气压传感器以及气体流量传感器;实时采集所述井口压力以及井口流量回传给所述单片机最小系统电路； 所述井场参数监控单元包括:井场温度传感器;实时采集井场温度回传给所述单片机最小系统电路； 所述井下监控单元包括:液位传感器;实时采集液面高度回传给所述单片机最小系统电路； 所述井下管路监控单元包括:位移传感器;实时测量所述抽油机抽油杆的位移回传给所述单片机最小系统电路； 甲烷浓度监控单元包括:甲烷浓度传感器;实时监测井下甲烷浓度参数回传给所述单片机最小系统电路； 其中，所述单片机最小系统电路的各端口设置供电优先级;所述抽油机监控单元、所述井口参数监控单元、所述井场参数监控单元、所述井下监控单元、所述井下管路监控单元、所述甲烷浓度监控单元的优先级为由低到高排列。2.如权利要求1所述的煤层气井场实时监测系统，其特征在于:所述抽油机监控单元内的各传感器设置二级优先级； 所述电压传感器、所述电流传感器、所述温度传感器以及所述转速传感器的二级优先级为由高到低。3.如权利要求1所述的煤层气井场实时监测系统，其特征在于:所述井口参数监控单元内的各传感器设置二级优先级； 所述气压传感器以及气体流量传感器的二级优先级为由高到低。4.如权利要求1所述的煤层气井场实时监测系统，其特征在于，所述太阳能供电电路包括:太阳能电池板、充电管理芯片以及储能电池； 所述太阳能电池板通过所述充电管理芯片连接所述储能电池，所述储能电池与所述单片机最小系统电路连接。5.如权利要求4所述的煤层气井场实时监测系统，其特征在于:所述充电管理芯片型号采用CN3083-CU芯片； 所述充电管理芯片的第4引脚连接太阳能电池板的正极;所述充电管理芯片的第5引脚用于连接所述储能电池的正极以及所述单片机最小系统的VCC引脚;所述充电管理芯片的第I引脚连接所述储能电池的负极;所述充电管理芯片的第3引脚与所述太阳能电池板的负极连接;所述充电管理芯片的第3引脚还接入所述单片机最小系统的GND引脚。6.如权利要求5所述的煤层气井场实时监测系统，其特征在于:所述的储能电池的额定电压为3.7V。7.如权利要求1?6任一项所述的煤层气井场实时监测系统，其特征在于:所述单片机最小系统电路采用的单片机选用STC8F2K64S8-CC。8.如权利要求7所述的煤层气井场实时监测系统，其特征在于: 所述电压传感器接入所述单片机的P0.0引脚； 所述电流传感器接入所述单片机的P0.1引脚； 所述气压传感器接入所述单片机的P0.2引脚； 所述气体流量传感器接入所述单片机的P0.3引脚； 所述位移传感器接入所述单片机的P0.4引脚； 所述温度传感器接入所述单片机的P0.5引脚； 所述转速传感器接入所述单片机的P0.6引脚； 所述液位传感器接入所述单片机的P0.7引脚； 所述甲烷浓度传感器接入所述单片机的P2.6引脚； 所述井场温度传感器接入所述单片机的P2.7引脚。9.如权利要求8所述的煤层气井场实时监测系统，其特征在于:所述电压传感器型号为RISYM-VS;所述电流传感器型号为ACS712-20A;所述气压传感器型号为CYYZl l-3Mpa;所述气体流量传感器型号为MF5706/12-W;所述位移传感器型号为GEFRAN-F-S03M;所述电机温度传感器型号为DS18b20-F;所述转速传感器型号为SZCB-01-V;所述液位传感器型号为FMU30-1020-5 ;所述甲烷浓度传感器型号为MQ2-CJC4 ;所述井场温度传感器型号为DS18b20-Ao10.如权利要求8所述的煤层气井场实时监测系统，其特征在于:所述GSM模块型号为ATK-SIM900A-GSM； 所述GSM模块的第I引脚与所述单片机的P3.0引脚相连接，第2引脚与单片机的P3.1引脚相连接，第3和第4引脚分别与电源正极VCC及电源负极GND相连接； 所述GSM模块通过第I和第2引脚与所述单片机进行通信，所述储能电池通过所述GSM模块的第3和第4引脚给GSM模块供电。
【文档编号】E21B47/008GK105863609SQ201610347844
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】吴川, 吴笛, 程志远, 赵民
【申请人】中国地质大学（武汉）