无线传输钻井参数仪的设计

摘要：针对目前油田钻井参数监测的现状及其存在的主要问题，设计了一种无线传输钻井参数仪。主要介绍了系统的电源电路、通信模块、智能分站等部分的工作原理及实现框图。为了避免采用有线数据传输导致的可移动性差、系统扩充性能差等缺点，采用无线数据传输模块D21DL构成系统无线传输网络，并利用DELPHI 6.0设计了操作监控界面，可视化强、操作方便。 关键词：无线传输 智能分站 参数 通讯模块 钻井仪表的研究与使用，不仅提高了钻井过程中各项参数指示与记录的准确程度，而且为油田的安全生产提供了科学依据。目前钻井现场有六道参数仪、八道参数仪等钻井参数仪以及液面报警器等单项参数记录仪，这些仪表虽能提供现场参数，但数据传输大多还是靠有线通信。而有线传输受地理环境因素影响较大，不能任意铺设，且可扩充性差，在钻井搬迁过程中拆卸和安装工作量大。相比较而言，无线通信却具有高可移动性、通信范围不受环境条件的限制、传输范围能得到较大地拓宽等优点。因此作者等人和黄河井公司共同研制开发了无线传输钻井参数仪。 无线传输钻井参数仪的研制，改进了现有的钻井参数仪依靠的有线传输方式，使胜利油田钻井参数启示仪器仪表的相对落后的现状得到了较大改观。无线传输钻井参数仪在钻井过程中具有实时采集、无线传输、实时监控以及计算机分析与打印等功能，从而提高了钻井现场参数采集与记录分析的准确性、可靠性，使钻井参数仪器仪表更具实用性，实现了更新换代。 图1 1 系统总体结构 系统总体结构如图1所示，整个系统由钻井指挥观测室和钻井现场两部分组成。 钻井指挥观测部分由自行研制的通信接口、系统观测工控计算机、打印机等组成。通信接口的主要作用是将钻井现场的各个监测钻井参数的智能分站（包括井台实时监测管理站）的数据与观测工控计算机的数据进行交换，同时还肩负现场参数超限时在钻井指挥观测室报警的作用。系统观测工控微型计算机可以增加、删除系统挂接的智能分站，负责各类监测参数的类型定义、报警上下限的设置与修改以及正常工作按照一定的要求巡要现场的各个参数信息，并将数据实时显示在工作界面上，同时对历史数据进行分类管理，包括定时存储、显示实时曲线、生成各类报表并输出等。 钻井现场包括需要监测各参数的智能分站和井台实时监测管理站。监测参数的智能分站将各类传感器信息采集、处理后存放在自己的内存中，供井台实时监测管理站和钻井指挥观测室的系统观测工控计算机实时调用。在本设计中，根据现场的要求，设计安装的智能分出站包括两个测量泥浆池液位的智能分站、一个测量泥浆口处H2S浓度的智能分站、一个测量泥浆泵出口压力的智能分站和一个测量井台钻具悬重的智能分站。 井台实时监测管理站的作用是让井台上作业的人员能实时地观察到现场的各个参数的数据，并且各类参数一旦超限时能提供声光报警，从而及时提醒工作人员现场发生的参数异常情况，以最快的速度采取应急措施，避免事故的发生和扩大。 2 系统各部分的设计与实现 该系统主要包括电源模块、通信模块以及井台实时监测管理站和各智能分站等部分，在这些部分的设计过程中，充分考虑了提高系统的抗干扰性和可靠性。 2．1 电源部分的设计与实现 为适应不同的用户要求，在设计智能分站电源时考虑了三种方案：第一是智能分站的供电直接由现场交流电提供（如图2所示）；第二是智能分站的供电直接由直流电池提供（如图3所示），这要求每口井完工作后要对直流电源进行充电，保证在下一口井钻井过程中不再更换电池，以保证检测数据的连续性；第三是智能分站的供电交流电和直流电共同提供（如图4所示），当有交流电时，交换电为本智能分站的所有电路提供电能，同时对后备的直流电流进行小电流充电，直到充满为止。一旦现场交流电停电，系统则由直流电池维持供电。直流电池供电时间的长短与所选择的电池容量有关，考虑到现场实际情况，选用了能维持两天的蓄电池。因此本智能监测分站的设计也依不同的供电要求而有所不同。上述电源电源的设计并不是在每个智能分站中都存在，而是根据钻井现场的需要分成三种情况，钻井公司根据自已的工作特点进行选用。这种多方式的设计方法具有较大的工作灵活性，也是本设计的特色之一。 2．2 通信模块的设计与实现 通信模块的设计包括通信接口的设计及无线模块的选择。其中，通信接口是监测系统的重要组成部分，没有它系统就无法实现计算机和智能分站的通信。工控机的对外数据接口除供打印机使用的一个并行口外，还有两个标准的RS-232异步串行口。与外部设备的通信一般采用串行口。RS-232信号至少需要三根线，最远能传输15米，足以满足现场的需要。但是，无线通信模块的接口信号为TTL电平的，所以为了能保证接口的顺利对接，必须对RS-232信号电平进行转换，经过转换后，还可以将小功率的报警装置一并与通信接口串接。因本通信接口的电路结构比较简单，所以本设计中直接将通信接口电路板安装在工控机内部，通信接口的电源也直接取自工控机内部的5V电源。通信接口的原理框图如图5所示。 无线模块选用了北京捷麦公司的D21DL型无线数传模块，该模块采用透明式数据传输方式，无需改变原有通信程序及连接方法；内装E2PROM及看门狗电路，而且掉电后可记忆设置参数，具有组网通信模块；采用工业级产品设计，工作温度范围宽，适合野外工作；传输距离较远，便于点对对多点通信。 2．3 智能分站的设计与实现 本系统目前共有五个智能分站，分别用于测量钻井现场的泥浆池的液位、泥浆泵出口压力、钻具悬重及泥浆出口处的H2S浓度。各智能分站除测量所需的传感器不同外， 其它电路设计原理基本相同。其原理框图如图6所示。考虑到泥浆池泥浆一般具有较高的温度而且具有一定的腐蚀性，因此要求选择的液位传感器具有比较高的性能，如耐高温、抗腐蚀等，选择了由西门子公司生产的THE PROBE一体化超声波液位传感器。THEPROBE集传感器和电子线中于一体，它可以测量敞开或密闭容器中的液位。现场所需要测量的压力参数有泥浆泵出口压力和钻具悬重，钻具悬重信息在现场已经被转化成液压，并且有标准口径以供安装液压传感器，根据现场特点最后选用了北京昆仑海岸传感器计算中心生产的防爆型JYB-KB-PAG型压力传感器。系统中还采用J.DITTRICH ELEKTRONIC GmbH %26;amp;Co.KG生产的MF420C型气体浓度传感器来测量H2S浓度，该传感器包含一个电气化学传感器，可以测出某些有毒气体和空气中蒸汽的浓度。 智能分站的作用是将传感器4～20mA的输出信号转换为电压信号，并通过A/D转换，将模拟量换成线性的数字量，同时通过工程量变换达到要求的现场测试范围。为提高监测数据的精度，同时满足系统体积、功耗的要求，采用了12位的串行A/D转换器TLC2543。现场的实验证明，监测的数据是十分准确的。在设计直流电流供电和交直流供电时，考虑到电池的工作时效问题，在整个电路设计中增加了电源报警电路、监测单片机工作用的12V直流电源和传感器用的24V直流电源，以保证电路正常工作及测量数据的准确性，并将电源报警信息及时上传至监测工控机。另外，为了保证数据的准确性和连续性，直流电源的报警都留有较大的冗余量，即提前进行报警。由于钻井的周期一般为2～4周不等，因此在全部采用直流电池作为智能监测分站的工作能量补给时，也作了较大冗余量的考虑，而且直流电源采用的电池也是目前性能价格比最优的免维护的充电电池。 2．4 井台实时监测管理站的设计与实现 井台实时监测管理站的作用是除了让井台工作人员能实时地观察到现场的各个参数的数据以及当现场参数出现异常时能尽快采取应急措施外，还有一个作用，即一旦工控机因故停机时，能替代工控机向各智能分站发出巡要数据命令，并对各数据实行监控。因此观测分站能替代工控机的部分功能，以维持系统的主要功能的正常运转。由于井台上有钻机一直在工作，因此本部分电路直接采用交流电方式，无需提供后备直流电源。设计的井台实时监测管理站的结构框图如图7所示。与智能监测分站不同的是，井台实时监测管理站没有传感器及采样电路等，但需要现场显示电路并提供声光报警电路。 2．5 系统抗干扰措施 由于钻井现场环境比较恶劣，干扰比较严重，这就要求系统有效强的抗干扰能力。本系统从硬件和软件两方面采取抗干扰措施。 硬件抗干扰措施能有效地抑制干扰源，阻断干扰传输通道，可消弱或抑制系统的绝大部分干扰。系统安全可靠工作的重要指标是电源模块供电质量的可靠性，而来自外界的电磁干扰是电源干扰的主要来源。对于系统中未消除的电磁干扰，在印制电路板时在电源线与地线之间并接去耦电容，消除其间的脉冲电流干扰。同时采用X5045设计了看门狗电路，单片机工作一旦出现异常，看门狗电路使其自动复位。 软件抗干扰措施主要是防止程序"跑飞"或陷入"死循环"。本系统主要采用软件冗余、软件陷阱、"看门狗"等技术，使程序在出现"跑飞"或"死循环"时能纳入正轨。 3 工控机观测界面设计及系统安装调试 工控机观测界面便于工作人员直观获得现场数据，因此它的设计直接关系到工作人员的工作效率和监测数据的准确程度。它的调试是系统调试必不可少的部分。 3．1 钻井指挥观测室管理界面的设计 本钻井参数无线监控界面（如图8所示）以WINDOWSXP操作系统作为系统平台，使用ACCESS数据库，采用DELPHI 6.0编程语言设计而成。在系统软件的编程中，以简便性、实用性、通用性为原则，开发了这套系统软件。系统软件利用WINDOWS操作系统自身的多任务功能，在进行数据通讯的同时，进行各种操作以及曲线图形信息的显示、报表打印等，实现了全部在内存中利用动态数据库对通讯数据进行读取存储。 3．2 系统的安装调试 系统的安装调试包括钻井指挥观测室和钻井现场两部分的安装调试。钻井指挥观测室的安装除了将通信接口的无线模块的吸盘天线引至室外之外，其余部分比较简单。而钻井现场条件比较差，应在充分考虑各方面因素后，将智能监测分站（包括自己研制的电路和无线模块等）、智能分站、传感器、天线等接至既安全又能减少干扰的地址。由于安装及设计过程中考虑得比较周全，所以在调试过程中能比较顺利地进行，系统能良好运行。 图8 本系统已应用于胜利油田黄河钻井五公司钻井队。通过现场应用，该参数仪可以把传感器所采集的数据直接通过无线模块发射到计算机上，为钻井现场掌握各种参数提供了方便，可以在指挥观测室内方便地了解井上生产情况。泥浆罐液面、H2S浓度等一旦出现异常情况可及时报警，比人工坐岗观察更及时、准确。数据设置与调试比较方便，特别是当井场条件不好时，它可以安放在较远的地方而不影响使用，且省去了传输线，更利于现场标准化，为井队生产提供了方便，同时使生产更加安全可靠，能及时防止井喷事故和人员H2S中毒事件的发生。