一種數字井場高速傳輸監控系統及方法
2023-06-10 17:36:11 1
專利名稱：一種數字井場高速傳輸監控系統及方法
技術領域：
本發明涉及無線監控技術領域，特別是涉及一種用於數字井場的高速傳輸監控系統及方法。
背景技術：
油田數位化是石油企業實現可持續發展的戰略舉措，是增強企業競爭力的中堅力量。數字井場是數位化油田的重要組成部分。數字井場是將現代化信息技術應用到石油鑽井生產實踐中而形成的一套集鑽井數據採集、數據信息傳輸、鑽井資料庫、鑽井工程設計、 鑽井施工監測和鑽井生產指揮為一體的集成化系統。目前，全國的油田鑽井現場基本都是有線數據傳輸，有線傳輸有的缺點是現場布線複雜而且存在安全隱患，鑽井是流動作業，每鑽一口井就需要重新布線一次，這樣既費時又費力，有時還會在鑽機作業中導致線路被碰斷；在鑽井的過程中為防突發事件，急需要現場能夠控制也需要後方也能遠程監控，從而有效的提高安全性能；現場作業與後方監控都需要對鑽井與測井的數據實時測量、存儲與顯示；另外，油田井場易燃、易爆物質以及生產設備的數量較多，事故風險高，使得井場安全生產監控及其數位化建設比較困難。井場數位化、監控方法和技術手段的落後嚴重影響了數字井場高速傳輸監控技術的發展，難以滿足油田信息的高速傳輸和石油工業發展的安全需求。為了解決這些問題，使油田能夠實現自動化信息化，需要一種數字井場高速傳輸系統及方法。採用先進的OFDM調製技術建立井場無線區域網實現圖像信息、語音信息及數據信息的傳輸，為數字井場高速傳輸監控系統的建立提出了新思路。正交頻分復用技術 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種特殊的多載波傳輸技術，其特點是各子載波相互正交，擴頻調製後的頻譜可相互重疊，不但減少了子載波間的相互幹擾，頻譜利用率高。已經在無線區域網、數位電視廣播及數字音頻廣播等領域成功應用，並逐漸顯示出其在數據傳輸方面的優越性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，提出一種數字井場高速傳輸監控系統及方法。本發明通過採集設置在井場中及井下的傳感器系統的信號，包括數據參數信號、音頻信號和視頻信號；再利用OFDM技術把井場及井下現場採集的數據信息等通過無線區域網傳送到井場內的機房；利用現有的成熟的通訊技術GPRS、CDMA或衛星通信方式把井場機房中的數據信息等實時的遠傳到後方遠程監控系統，後方將數據信息進行存儲、管理和監控指令的產生和發出。該監控系統能夠在現場和遠程後方對井場現場安全生產進行實時監控。本發明提出的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於該系統按照信息的傳輸及處理的不同階段，把數字井場監控系統分為後方監控中心、井場機房和井場傳感器系統三部分。井場傳感器系統主要採集井場各種數據；井場機房主要完成信息的初步處理、監控指令產生及對井場、井下控制指令的產生及向後方的遠程傳輸；後方監控中心主要是信息的管理、後方監控指令的產生。針對信息傳輸的距離差別採用不同的傳輸方式， 在井場內採用OFDM的無線傳輸方式，井場機房向後方監控中心可採用GPRS、CDMA或衛星通信等方式傳輸。本發明提出的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法中的無線傳感器網絡包括鑽井平臺上的轉速傳感器、立/套管壓力傳感器、絞車傳感器、大鉤負荷傳感器，鑽臺下的鑽井/錄井液溫度、密度、流量、泵衝、電導率、硫化氫、可燃氣體等氣體參數傳感器；井下傳感器主要隨鑽測井一起和設備採集，再通過鑽井液脈衝等方式傳輸到井口接收設備；井場內部還有無線防盜監控報警系統，安全圖像消防報警系統等。這些信號通過傳感器後傳給採集節點，各節點完成信號的預處理後進行A/D轉換，在通過發射電路傳輸到匯集結點，匯集節點接收到各採集節點的數據後進行有效地融合，通過無線方式傳輸到井場機房。本發明提出的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於井場信息主要分為數據信息、圖像信息及音頻信息三類。這些信息需要在井場現場之間、井場與井場機房之間傳輸，國家現有的通信網絡不能夠滿足要求。因此只有在井場現場採用有線或無線傳輸。若採用有線傳輸就會使狹小的井場更加凌亂，同時線纜也易受到破壞，不方便流動作業的鑽井現場使用。因此在井場建立無線區域網，按照「三網合一」的思想，實現數據信息、 語音信息及圖像信息的無線傳輸。但是採用一般的無線傳輸技術又很難滿足數據容量和傳輸效率等的要求。故在此處我們採用頻譜利用率高、抗多經衰落及帶寬擴展性強的OFDM調製技術。通信頻率可選擇0. 9G、1. 2G、1. 3G和2. 4G等頻率。本發明提出的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於井場機房信息處理，通過無線區域網把井場、井下的實時數據信息匯聚到井場機房，在機房建立小型的資料庫。然後開發資料庫查詢、顯示及錄入等軟體，實現井場、井下實時顯示，數據查詢與錄入，工作人員根據權限可實現對井場遠程監控等。本發明提出的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於井場機房一般建立在通信環境較好的地段，因此機房信息的遠傳可以利用GPRS、CDMA或衛星通信等把機房資料庫的信息傳回後方。首先根據井場機房的現有條件及通信環境選擇經濟可靠的通信方式，制定統一的通信協議，把小型資料庫的數據統一實時遠傳回後方監控中心。本發明提出的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於後方基地信息的處理通過在後方監控中心首先建立大型的資料庫，把各個井場遠傳回的數據存儲、處理；然後根據需求開發相關的資料庫應用軟體。技術人員通過資料庫在後方就能得到各種數據，管理人員能夠了解井場現場的生產狀況，實時的對現場進行監控和指導安排現場的生產活動。充分發揮後方基地的技術優勢和協作指導能力，提高工作效率，避免因經驗不足而造成的失誤。同時能夠更好更及時的處理各種突發事件。本發明的技術特點和效果
本發明的目的是為解決目前數字井場高速傳輸監控系統中存在的問題，提出在井場數據信息的傳輸困難是建立數字井場的一個瓶頸，根據井場信息的傳輸距離的不同採用不同的無線傳輸方式井場內建立無線傳感器網絡，並採用OFDM調製技術實現井場內實時的圖像信息、語音信息及數據信息無線高速傳輸的要求，再利用成熟的GPRS、CDMA及衛星通信等通信技術將井場機房數據信息向後方的實時遠傳，從而把油田組合為一個整體，實現數位化油田。在井場和後方建立不同規模的資料庫，滿足井場和後方的不同數據要求，更好更大的開發信息的內在價值。數字井場建立是數字油田建立的必要組成部分，數字井場的建立必能加快數字油田建設的步伐。
圖1為數字井場高速傳輸監控系統等級結構； 圖2為數字井場高速傳輸監控系統的拓撲結構； 圖3為數字井場無線傳感器傳輸網工作原理；
圖4為數字井場監控系統數據來源； 圖5為井場內數據OFDM傳輸系統框圖。
具體實施例方式下面將結合各個參考附圖對本發明的技術方案的主要實現原理具體實施方式
等進行詳細描述。請參照圖1，該圖是本發明的提出的數字井場高速傳輸監控系統等級結構，它將數字井場監控系統分為三個等級後方監控中心、井場機房和井場傳感器系統。請參照圖2，為了使數據能夠高速、有效傳輸，該圖提出數字井場高速傳輸監控系統的拓撲結構，井場內的傳感器、井場機房及鄰近井場之間採用OFDM傳輸系統；井場與後方監控中心採用已經成熟的GPRS、CDMA及衛星通信等通信技術實現數據信息的遠傳。請參照圖3，該圖是本發明的提出的數字井場無線傳感器傳輸網工作原理，在傳感器網絡中，井場內的所有信號通過傳感器後傳給採集節點，各節點完成信號處理後進行A/ D轉換，在通過發射電路傳輸到匯集結點，匯集節點接收到各採集節點的數據後進行有效地融合，通過無線方式傳輸到井場機房。請參照圖4，該圖是本發明的提出的數字井場監控系統數據來源，主要分為井上、井下及井場周邊數據來源，包含了大量的傳感器。井上數據來源又分為鑽臺上和鑽臺下的傳感器鑽臺上的轉速傳感器、立/套管壓力傳感器、絞車傳感器、大鉤負荷傳感器，鑽臺下的鑽井、錄井液溫度、密度、流量、泵衝、電導率、硫化氫、可燃氣體等氣體參數傳感器；井下傳感器主要隨鑽測井一起和設備採集，再通過鑽井液脈衝傳輸到井口接收設備；井場內部還有無線防盜監控報警系統，安全圖像消防報警系統等。請參照圖5，該圖是本發明提出的井場內數據OFDM傳輸系統框圖。傳輸的數據信號主要有三種數據參數信號、音頻信號和視頻信號。首先對採集的信號進行模數轉換或信號轉換，將得到的比特流首先經過信道編碼以減少由於信道影響而產生的在接收機端發生的錯誤概率，一般採用卷積編碼。其次，比特流映射到符號上，通常採用的QPSK或 16-QAM。符號流通過串並轉換形成並行格式數據流，經過IFFT後，數據流再次經過串並轉換形成串行數據流格式。在OFDM符號之間產生保護間隔，該保護間隔是由OFDM符號的循環擴展得到的。在經過射頻調製，射頻調製信號使用發射機天線傳輸到井場機房的接收機。 對於接收機採用相反的方式。
權利要求
1.一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於該系統按照信息的傳輸及處理的不同階段，把數字井場監控系統分為後方監控中心、井場機房和井場無線傳感器網絡三部分；井場無線傳感器網絡主要採集井場及井下數據；井場機房主要完成信息的初步處理、監控指令產生及發出以及向後方的遠程傳輸；後方監控中心主要是信息的管理、應用及監控指令發出。
2.根據權利要求1所述的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於針對信息傳輸的距離差別採用不同的傳輸方式，在井場內採用OFDM的無線傳輸，井場機房向後方監控中心可採用GPRS、CDMA或衛星通信等方式傳輸。
3.根據權利要求1所述的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於井場現場的傳感器包括鑽井平臺上的轉速傳感器、立/套管壓力傳感器、絞車傳感器、大鉤負荷傳感器，鑽臺下的鑽井、錄井液溫度、密度、流量、泵衝、電導率、硫化氫、可燃氣體等氣體參數傳感器；井下傳感器主要隨鑽測井一起和設備採集，再通過鑽井液脈衝傳輸到井口接收設備；井場內部還有無線防盜監控報警系統、安全圖像消防報警系統等。
4.根據權利要求1所述的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於在傳感器網絡中，井場內的所有信號通過傳感器後傳給採集節點，各節點完成信號的預處理後進行A/D轉換，再通過發射電路傳輸到匯集結點，匯集節點接收到各採集節點的數據後進行有效地融合，通過OFDM無線方式傳輸到井場機房。
5.根據權利要求1所述的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於井場內無線傳感器網絡按照「三網合一」的思想，實現數據信息、語音信息及圖像信息的無線傳輸，在這裡採用頻譜利用率高、抗多經衰落及帶寬擴展性強的OFDM調製技術。
6.根據權利要求1所述的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於井場機房信息處理，通過無線區域網把井場的實時數據信息匯聚到井場機房，在機房建立小型的資料庫，然後開發資料庫查詢、顯示及錄入等軟體，實現井場實時圖像顯示，數據查詢與錄入，工作人員根據權限可實現對井場監控、產生並發出監控指令和接收後方監控中心指令等。
7.根據權利要求1所述的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於井場機房一般建立在通信環境較好的地段，因此機房信息的遠傳可以利用GPRS、CDMA或衛星通信等把機房資料庫的信息傳回後方；首先根據井場機房的現有條件及通信環境選擇經濟可靠的通信方式，制定統一的通信協議，把小型資料庫的數據統一實時遠傳回後方監控中心。
8.根據權利要求1所述的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於後方基地信息的處理通過在後方監控中心首先建立大型的資料庫，把各個井場遠傳回的數據存儲、處理；然後根據需求開發相關的資料庫應用軟體。
9.根據權利要求1所述的一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，其特徵在於在後方監控中心，技術人員通過資料庫就能得到各種數據，管理人員能夠了解井場現場的生產狀況，實時的對現場進行監控和指導安排現場的生產活動，充分發揮後方基地的技術優勢和協作指導能力，提高工作效率，避免因經驗不足而造成的失誤，同時能夠更好更及時的處理各種突發事件。
全文摘要
一種數字井場高速傳輸監控系統及方法，通過在井場中搭建無線傳感器網絡來採集井場的各種監控信號，包括數據參數信號、音頻信號和視頻信號；利用OFDM技術把井場現場採集的信息高速實時地傳送到井場機房建立小型資料庫；並利用現有的成熟的通訊技術GPRS、CDMA或衛星通信方式把井場機房中的井場現場的監控信息實時的遠傳到後方監控中心，後方將數據信息進行存儲、管理和應用。該監控系統能夠在現場和遠程後方對井場現場安全生產進行實時監控和操作。
文檔編號H04L27/26GK102394910SQ201110260878
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月6日 優先權日2011年9月6日
發明者黨煜蒲, 張 傑, 戈勇華, 曹鵬, 羅仁澤 申請人:西南石油大學