摘要：針對目前油田鉆井參數(shù)監(jiān)測的現(xiàn)狀及其存在的主要問題，設計了一種無線傳輸鉆井參數(shù)儀。主要介紹了系統(tǒng)的電源電路、通信模塊、智能分站等部分的工作原理及實現(xiàn)框圖。為了避免采用有線數(shù)據(jù)傳輸導致的可移動性差、系統(tǒng)擴充性能差等缺點，采用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊D21DL構成系統(tǒng)無線傳輸網(wǎng)絡，并利用DELPHI 6.0設計了操作監(jiān)控界面，可視化強、操作方便。

關鍵詞：無線傳輸 智能分站 參數(shù) 通訊模塊

鉆井儀表的研究與使用，不僅提高了鉆井過程中各項參數(shù)指示與記錄的準確程度，而且為油田的安全生產提供了科學依據(jù)。目前鉆井現(xiàn)場有六道參數(shù)儀、八道參數(shù)儀等鉆井參數(shù)儀以及液面報警器等單項參數(shù)記錄儀，這些儀表雖能提供現(xiàn)場參數(shù)，但數(shù)據(jù)傳輸大多還是靠有線通信。而有線傳輸受地理環(huán)境因素影響較大，不能任意鋪設，且可擴充性差，在鉆井搬遷過程中拆卸和安裝工作量大。相比較而言，無線通信卻具有高可移動性、通信范圍不受環(huán)境條件的限制、傳輸范圍能得到較大地拓寬等優(yōu)點。因此作者等人和黃河井公司共同研制開發(fā)了無線傳輸鉆井參數(shù)儀。

無線傳輸鉆井參數(shù)儀的研制，改進了現(xiàn)有的鉆井參數(shù)儀依靠的有線傳輸方式，使勝利油田鉆井參數(shù)啟示儀器儀表的相對落后的現(xiàn)狀得到了較大改觀。無線傳輸鉆井參數(shù)儀在鉆井過程中具有實時采集、無線傳輸、實時監(jiān)控以及計算機分析與打印等功能，從而提高了鉆井現(xiàn)場參數(shù)采集與記錄分析的準確性、可靠性，使鉆井參數(shù)儀器儀表更具實用性，實現(xiàn)了更新?lián)Q代。
1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)總體結構如所示，整個系統(tǒng)由鉆井指揮觀測室和鉆井現(xiàn)場兩部分組成。

鉆井指揮觀測部分由自行研制的通信接口、系統(tǒng)觀測工控計算機、打印機等組成。通信接口的主要作用是將鉆井現(xiàn)場的各個監(jiān)測鉆井參數(shù)的智能分站（包括井臺實時監(jiān)測管理站）的數(shù)據(jù)與觀測工控計算機的數(shù)據(jù)進行交換，同時還肩負現(xiàn)場參數(shù)超在鉆井指揮觀測室報警的作用。系統(tǒng)觀測工控微型計算機可以增加、刪除系統(tǒng)掛接的智能分站，負責各類監(jiān)測參數(shù)的類型定義、報警上下限的設置與修改以及正常工作按照一定的要求巡要現(xiàn)場的各個參數(shù)信息，并將數(shù)據(jù)實時顯示在工作界面上，同時對歷史數(shù)據(jù)進行分類管理，包括定時存儲、顯示實時曲線、生成各類報表并輸出等。

鉆井現(xiàn)場包括需要監(jiān)測各參數(shù)的智能分站和井臺實時監(jiān)測管理站。監(jiān)測參數(shù)的智能分站將各類傳感器信息采集、處理后存放在自己的內存中，供井臺實時監(jiān)測管理站和鉆井指揮觀測室的系統(tǒng)觀測工控計算機實時調用。在本設計中，根據(jù)現(xiàn)場的要求，設計安裝的智能分出站包括兩個測量泥漿池液位的智能分站、一個測量泥漿口處H2S濃度的智能分站、一個測量泥漿泵出口壓力的智能分站和一個測量井臺鉆具懸重的智能分站。

井臺實時監(jiān)測管理站的作用是讓井臺上作業(yè)的人員能實時地觀察到現(xiàn)場的各個參數(shù)的數(shù)據(jù)，并且各類參數(shù)一旦超能提供聲光報警，從而及時提醒工作人員現(xiàn)場發(fā)生的參數(shù)異常情況，以快的速度采取應急措施，避免事故的發(fā)生和擴大。
2 系統(tǒng)各部分的設計與實現(xiàn)

該系統(tǒng)主要包括電源模塊、通信模塊以及井臺實時監(jiān)測管理站和各智能分站等部分，在這些部分的設計過程中，充分考慮了提高系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性。

2．1 電源部分的設計與實現(xiàn)

為適應不同的用戶要求，在設計智能分站電源時考慮了三種方案：是智能分站的供電直接由現(xiàn)場交流電提供（如所示）；第二是智能分站的供電直接由直流電池提供（如所示），這要求每口井完工作后要對直流電源進行充電，保證在下一口井鉆井過程中不再更換電池，以保證檢測數(shù)據(jù)的連續(xù)性；第三是智能分站的供電交流電和直流電共同提供（如所示），當有交流電時，交換電為本智能分站的所有電路提供電能，同時對后備的直流電流進行小電流充電，直到充滿為止。一旦現(xiàn)場交流電停電，系統(tǒng)則由直流電池維持供電。直流電池供電時間的長短與所選擇的電池容量有關，考慮到現(xiàn)場實際情況，選用了能維持兩天的蓄電池。因此本智能監(jiān)測分站的設計也依不同的供電要求而有所不同。上述電源電源的設計并不是在每個智能分站中都存在，而是根據(jù)鉆井現(xiàn)場的需要分成三種情況，鉆井公司根據(jù)自已的工作特點進行選用。這種多方式的設計方法具有較大的工作靈活性，也是本設計的特色之一。
2．2 通信模塊的設計與實現(xiàn)

通信模塊的設計包括通信接口的設計及無線模塊的選擇。其中，通信接口是監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，沒有它系統(tǒng)就無法實現(xiàn)計算機和智能分站的通信。工控機的對外數(shù)據(jù)接口除供打印機使用的一個并行口外，還有兩個標準的RS-232異步串行口。與外部設備的通信一般采用串行口。RS-232信號至少需要三根線，遠能傳輸15米，足以滿足現(xiàn)場的需要。但是，無線通信模塊的接口信號為TTL電平的，所以為了能保證接口的順利對接，必須對RS-232信號電平進行轉換，經(jīng)過轉換后，還可以將小功率的報警裝置一并與通信接口串接。因本通信接口的電路結構比較簡單，所以本設計中直接將通信接口電路板安裝在工控機內部，通信接口的電源也直接取自工控機內部的5V電源。通信接口的原理框圖如所示。
無線模塊選用了北京捷麥公司的D21DL型無線數(shù)傳模塊，該模塊采用透明式數(shù)據(jù)傳輸方式，無需改變原有通信程序及連接方法；內裝E2PROM及看門狗電路，而且掉電后可記憶設置參數(shù)，具有組網(wǎng)通信模塊；采用工業(yè)級產品設計，工作溫度范圍寬，適合野外工作；傳輸距離較遠，便于點對對多點通信。

2．3 智能分站的設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)目前共有五個智能分站，分別用于測量鉆井現(xiàn)場的泥漿池的液位、泥漿泵出口壓力、鉆具懸重及泥漿出口處的H2S濃度。各智能分站除測量所需的傳感器不同外，其它電路設計原理基本相同。其原理框圖如所示?？紤]到泥漿池泥漿一般具有較高的溫度而且具有一定的腐蝕性，因此要求選擇的液位傳感器具有比較高的性能，如耐高溫、抗腐蝕等，選擇了由西門子公司生產的THE PROBE一體化超聲波液位傳感器。THEPROBE集傳感器和電子線中于一體，它可以測量敞開或密閉容器中的液位。現(xiàn)場所需要測量的壓力參數(shù)有泥漿泵出口壓力和鉆具懸重，鉆具懸重信息在現(xiàn)場已經(jīng)被轉化成液壓，并且有標準口徑以供安裝液壓傳感器，根據(jù)現(xiàn)場特點選用了北京昆侖海岸傳感器計算中心生產的防爆型JYB-KB-PAG型壓力傳感器。系統(tǒng)中還采用J.DITTRICH ELEKTRONIC GmbH &Co.KG生產的MF420C型氣體濃度傳感器來測量H2S濃度，該傳感器包含一個電氣化學傳感器，可以測出某些有毒氣體和空氣中蒸汽的濃度。
智能分站的作用是將傳感器4～20mA的輸出信號轉換為電壓信號，并通過A/D轉換，將模擬量換成線性的數(shù)字量，同時通過工程量變換達到要求的現(xiàn)場測試范圍。為提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的，同時滿足系統(tǒng)體積、功耗的要求，采用了12位的串行A/D轉換器TLC2543?，F(xiàn)場的實驗證明，監(jiān)測的數(shù)據(jù)是十分準確的。在設計直流電流供電和交直流供電時，考慮到電池的工作時效問題，在整個電路設計中增加了電源報警電路、監(jiān)測單片機工作用的12V直流電源和傳感器用的24V直流電源，以保證電路正常工作及測量數(shù)據(jù)的準確性，并將電源報警信息及時上傳至監(jiān)測工控機。另外，為了保證數(shù)據(jù)的準確性和連續(xù)性，直流電源的報警都留有較大的冗余量，即提前進行報警。由于鉆井的周期一般為2～4周不等，因此在全部采用直流電池作為智能監(jiān)測分站的工作能量補給時，也作了較大冗余量的考慮，而且直流電源采用的電池也是目前性能價格比的免維護的充電電池。

2．4 井臺實時監(jiān)測管理站的設計與實現(xiàn)

井臺實時監(jiān)測管理站的作用是除了讓井臺工作人員能實時地觀察到現(xiàn)場的各個參數(shù)的數(shù)據(jù)以及當現(xiàn)場參數(shù)出現(xiàn)異常時能盡快采取應急措施外，還有一個作用，即一旦工控機因故停機時，能替代工控機向各智能分站發(fā)出巡要數(shù)據(jù)命令，并對各數(shù)據(jù)實行監(jiān)控。因此觀測分站能替代工控機的部分功能，以維持系統(tǒng)的主要功能的正常運轉。由于井臺上有鉆機一直在工作，因此本部分電路直接采用交流電方式，無需提供后備直流電源。設計的井臺實時監(jiān)測管理站的結構框圖如所示。與智能監(jiān)測分站不同的是，井臺實時監(jiān)測管理站沒有傳感器及采樣電路等，但需要現(xiàn)場顯示電路并提供聲光報警電路。
2．5 系統(tǒng)抗干擾措施

由于鉆井現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，干擾比較嚴重，這就要求系統(tǒng)有效強的抗干擾能力。本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面采取抗干擾措施。

硬件抗干擾措施能有效地抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道，可消弱或抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。系統(tǒng)安全可靠工作的重要指標是電源模塊供電質量的可靠性，而來自外界的電磁干擾是電源干擾的主要來源。對于系統(tǒng)中未消除的電磁干擾，在印制電路板時在電源線與地線之間并接去耦電容，消除其間的脈沖電流干擾。同時采用X5045設計了看門狗電路，單片機工作一旦出現(xiàn)異常，看門狗電路使其自動復位。

軟件抗干擾措施主要是防止程序"跑飛"或陷入"死循環(huán)"。本系統(tǒng)主要采用軟件冗余、軟件陷阱、"看門狗"等技術，使程序在出現(xiàn)"跑飛"或"死循環(huán)"時能納入正軌。

3 工控機觀測界面設計及系統(tǒng)安裝調試

工控機觀測界面便于工作人員直觀獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，因此它的設計直接關系到工作人員的工作效率和監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確程度。它的調試是系統(tǒng)調試必不可少的部分。

3．1 鉆井指揮觀測室管理界面的設計

本鉆井參數(shù)無線監(jiān)控界面（如所示）以WINDOWSXP操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)平臺，使用ACCESS數(shù)據(jù)庫，采用DELPHI 6.0編程語言設計而成。在系統(tǒng)軟件的編程中，以簡便性、實用性、通用性為原則，開發(fā)了這套系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件利用WINDOWS操作系統(tǒng)自身的多任務功能，在進行數(shù)據(jù)通訊的同時，進行各種操作以及曲線圖形信息的顯示、報表打印等，實現(xiàn)了全部在內存中利用動態(tài)數(shù)據(jù)庫對通訊數(shù)據(jù)進行讀取存儲。

3．2 系統(tǒng)的安裝調試

系統(tǒng)的安裝調試包括鉆井指揮觀測室和鉆井現(xiàn)場兩部分的安裝調試。鉆井指揮觀測室的安裝除了將通信接口的無線模塊的吸盤天線引至室外之外，其余部分比較簡單。而鉆井現(xiàn)場條件比較差，應在充分考慮各方面因素后，將智能監(jiān)測分站（包括自己研制的電路和無線模塊等）、智能分站、傳感器、天線等接至既安全又能減少干擾的地址。由于安裝及設計過程中考慮得比較周全，所以在調試過程中能比較順利地進行，系統(tǒng)能良好運行。

本系統(tǒng)已應用于勝利油田黃河鉆井五公司鉆井隊。通過現(xiàn)場應用，該參數(shù)儀可以把傳感器所采集的數(shù)據(jù)直接通過無線模塊發(fā)射到計算機上，為鉆井現(xiàn)場掌握各種參數(shù)提供了方便，可以在指揮觀測室內方便地了解井上生產情況。泥漿罐液面、H2S濃度等一旦出現(xiàn)異常情況可及時報警，比人工坐崗觀察更及時、準確。數(shù)據(jù)設置與調試比較方便，特別是當井場條件不好時，它可以安放在較遠的地方而不影響使用，且省去了傳輸線，更利于現(xiàn)場標準化，為井隊生產提供了方便，同時使生產更加安全可靠，能及時防止井噴事故和人員H2S中毒事件的發(fā)生。