专利名称：基于无线传感器网络的石油井架应力测量与数据采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石油井架应力测量与数据采集系统，尤其是一种用于海洋钻井井 架静载试验时井架及杆件应力测量与井架承载能力测量与数据采集系统。
背景技术：
随着海洋石油钻采工程向深水、超深水发展，承载能力大、稳定性好、钻深能力强 的塔式井架在当代海洋石油钻井中已占绝对优势。为了适应海上气候环境恶劣、工作条件 复杂多变的情况，海洋石油钻井平台采用便于海上迅速吊装联接的模块化设计，海洋石油 平台、井架、钻机等设备在港口采用大型海洋平台浮装技术组装后运往采油地点。井架在拆 装、运输、搭建过程中不可避免地出现或存在不同程度的损伤缺陷，在长期服役过程中井架 直接承受起下钻、下套管及其它作业产生的载荷和海洋环境载荷，疲劳与冲击载荷引发的 井架结构、井架杆件、杆件间连接等部位物理特性的恶化，以及环境引起的腐蚀效应，导致 长期在役石油井架承载能力低于原设计载荷，大大降低了井架结构的使用寿命与采油作业 的安全性、稳定性。目前“数字化井厂技术”主要偏重于钻井过程中井压、油气组分、自动控 制模块中设备信息采集以及地质结构方面的在线监测与分析，对海洋石油钻井井架的安全 承载能力并未监测，这样对服役期较长或安全等级下降的井架载荷没有进行监控，成为海 上石油钻井平台安全生产的重大事故隐患。海洋石油钻井平台提供起下钻及存放管柱操作 的高度与空间，是一种塔桅式钢结构物，其工作条件恶劣，工况复杂多变，工作的安全性和 可靠性对于钻井作业来说至关重要，所以对其进行强度、刚度、稳定性、动态特性的分析是 十分必要的。海洋钻井井架是海洋石油装备的重要组成部分，井架在海洋上作业和陆地上作业 有很大差别，因此海洋钻机井架的安全性能较陆地井架要求更高。目前国内对海洋井架的 安全评定尚处于摸索阶段，主要参照SY/T 6326-2008《石油钻机和修井机井架、底座承载能 力检测评定方法》和SY/T 6326-1997《石油钻机用井架承载能力检测评定方法》标准中规 定的井架承载能力检测和评定方法，其中现场应力应变片试验法是当前评定井架实际承载 能力的主要方法。根据井架构件承载的理论分析结果和温度补偿的原则确定电阻应变片布 置和组桥方案，在应力较大或反映应力分布特点的若干点布置测点，同样的应变计栅长也 根据结构应力分布梯度选择。难以运用力学理论准确求解损伤后的井架结构杆件的应力分 布规律，目前多采用经验方法来确定现场应力测点布置方案，井架应力测试点的位置和数 量分布方案缺乏一定的科学性。在实际测量时，应变计的粘贴完全是手工操作，所以很难保 证真实贴片方位与预定贴片方位完全吻合，电阻应变片粘接质量差、绝缘不好都会引起应 变计阻值的变化，导致电桥不平衡。由于井架高度一般在40-50米，电阻应变片连接导线过 长而使得导线电阻值和导线间的电容引入到应变仪电桥中，接线柱的接触电阻同样会被引 入到电桥中而造成测试示值误差。此外，由于海洋井架在维修期间无法进行现场承载试验， 必须在井架采油作业过程中对井架的安全性能进行综合评定，大量的连接导线给井架应力 点检测装置的安装增加了操作人员高空作业的难度和危险系数。由此可见，传统的应变片测量井架应力方法不太适合海洋石油钻井平台井架载荷测试与分析，在测试技术和设备方 面存在着诸多不便和操作困难。此外，现有的海洋石油钻井应力测试系统在试验数据存储、 分析、计算等多采用人工方式完成，检测报告仅针对目前的试验结果，不能快速与该井架历 史数据对比后形成综合性的报告。因而，目前急需构建一套适用于现场快速操作、成本低、 稳定性好的海洋石油钻井井架承载能力检测评估系统，以确保井架承载能力评估的有效性 和可靠性，促进我国在海洋钻修井模块的建造技术及新型钻井工艺技术的应用。
发明内容
本发明是要解决克现有技术中传感器难于安装、易受干扰，现场导线过多，数据采 集记录手工操作繁复，测试系统与数据处理不能高效衔接等方面的技术问题，而提供一种 测试精度高、安装简单方便、抗恶劣自然环境、稳定性高的基于无线传感器网络的海洋石油 井架应力测量与数据采集系统。其目的在于降低海洋石油钻井平台静态应力测试时仪器安 装的难度与危险性，提高井架应力测试系统的抗腐蚀性、抗湿度、抗电磁干扰能力，快速而 准确地测试海洋石油井架应力进而评估井架的安全承载能力，为石油井架的维修或降级使 用提供综合性报告和指导文件，从而大大提高了海洋石油钻机系统的安全生产能力，消除 了海洋石油钻井作业安全隐患，保障了广大职工的人身安全与国家财产安全。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案一种基于无线传感器网络的石油井架应力测量与数据采集系统，包括振弦式应变 计检测海洋石油井架应力应变子系统，基于无线传感器网络的海洋石油井架应力应变现场 数据传输子系统，基于组态技术和Matlab计算程序的海洋石油井架承载能力评定子系统， 其特点是所述的三个子系统中的工业控制计算机通过工业集线器与无线传感器网络网关 连接，海洋石油井架应力应变现场数据经过无线传感器网络节点转换为数字信号后，由工 业控制计算机采用ModbusTCP/IP通讯协议和地址区分技术读取无线传感器网络中各个节 点的数据，实现对石油钻井井架应力应变现场数据的采集与传输。所述的振弦式应变计检测海洋石油井架应力应变子系统由12V锂电池、振弦式传 感器、频率信号转换器组成，工作温度为-20 +80°C、灵敏度1 μ ε的振弦式传感器两个端 块用螺栓固定在井架或井架杆件结构表面，由频率信号转换器将振弦式应变计的频率信号 转换为4_20mA的电流信号。所述的基于无线传感器网络的海洋石油井架应力应变现场数据传输子系统包括 3. 6V直流锂电池、无线传感器网络节点、无线传感器网络网关、24V直流电源、工业集线器 和工业控制计算机，24V直流电源为无线传感器网络网关提供驱动电源，3. 6V直流锂电池 为无线传感器网络节点提供供电电源，无线传感器网络节点和3. 6V直流锂电池采用螺栓 固定在距离振弦式应变计10-20厘米处，振弦式传感器、频率信号转换器、无线传感器网络 节点通过带屏蔽双绞线相连接，每个无线传感器网络节点最连接一至四个振弦式应变计， 无线传感器网络中的网关和节点工作在2. 4GHz国际通讯标准频段，网关地址设置为01 Fl、节点地址从02-0F F2-FF。所述的基于组态技术和Matlab计算程序的海洋石油井架承载能力评定子系统， 包括在WebAccess组态软件中将工业控制计算机设置为监控节点的数据采集控制服务 器；由Visual Basic 6. 0编制的用户应用程序采用OLE技术来获得Microsoft Access
4的控制句柄，用于改变ADO对象分层对象集合成员Recordset的属性、方法，调用存储在 Access数据库中的海洋石油井架应力应变现场数据，并以矩阵格式将实测数据输入基于 MatrixVB控件编制的石油井架和杆件强度校核的Matlab计算程序，计算出井架安全载荷 后在Matlab绘图程序中输出井架应力分布图。本发明的有益效果是采用无线传感器网络采集和传输海洋石油钻井架应力应变 试验数据，大大减少了现场工作人员操作的工作强度和高空作业难度，无线传感器网络的 网关与节点之间采用数字量传送数据，有效地减少了电磁干扰且提高了信号传输的稳定性 和准确性。该系统主要针对现场应用，无线传感器网络的节点采用了适合室外安装使用的 IP67防护等级，以适应现场恶劣的海洋环境。本发明采用振弦式传感器监测井架结构应力 数据，避免了电阻应变片法操作复杂、安装困难、易受环境干扰的缺点。试验数据采集、存储 与分析均由用户应用程序完成，大大减少了试验人员现场操作和计算的工作量，同时减少 了井架承载能力评估过程中人为干预和人为失误。由WebAccess组态软件和工业无线传感 器网络采集、传输海洋石油钻井架应力现场数据，大大减少了用户应用程序编程的难度和 工作量，并且提高了数据传输的准确性和效率，数据全部存储在Access数据库中，既避免 了由于人为失误造成的试验数据记录错误，又非常方便查询和和对比历史数据。先进性方 面，系统支持了主流体系结构、协议和硬件平台，可以支持海量的数据的采集与存储。在开 放性方面，采用了易扩展的现场分布式设计，WebAccess组态软件可提供相关的数据接口， 为融合数据参数提供良好的数据接口。本发明在应力应变传感器、试验数据采集、传输、存 储与处理等方面做了较大的改进，形成了一套成本低、稳定性高、适于现场操作的海洋石油 井架承载能力安全检测评估技术和测试。
图1是基于振弦式应变计的海洋石油井架应力应变检测原理图；图2是基于无线传感器网络的海洋石油井架应力应变现场数据传输原理图；图3是基于组态技术和Matlab计算程序的海洋石油井架承载能力评定流程图。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。图1为基于振弦式应变计的海洋石油井架应力应变检测原理图，海洋石油井架应 力应变检测系统由12V锂电池4、振弦式传感器1、频率信号转换器3组成。振弦式传感器1 采用螺栓固定在井架或井架杆件结构表面，频率信号转换器3与振弦式传感器1由带屏蔽 双绞线2连接，12V锂电池4为频率信号转换器3提供电源电压。振弦式传感器1将海洋石 油钻井井架由于载荷变化引起的应力应变变化转换为频率信号，经频率信号转换器3将频 率信号转换为4-20mA的标准电流信号，以便于上位机采集井架静态载荷试验的现场数据。图2为基于无线传感器网络的海洋石油井架应力应变现场数据传输原理图，该系 统由海洋石油钻井井架应力测试无线传感器网络和分布式数据采集采集系统组成，井架现 场部分由12V锂电池4、振弦式传感器1、频率信号转换器3、3. 6V直流锂电池7、无线传感器 网络节点6组成，其中振弦式传感器1、频率信号转换器3与无线传感器网络节点6之间采 用带屏蔽双绞线2连接，12V锂电池4和3. 6V锂电池7分别为频率信号转换器3和无线传感器网络节点6提供驱动电源，同一网络中的节点与其网关主地址和通讯频率设置完全相 同。分布式数据采集采集硬件系统由无线传感器网络网关、24V直流电源8、工业集线器9、 菲尼克斯电气工业以太网预制网线5和工业控制计算10机构成，由WebAccess组态软件采 用Modbus TCP/IP通讯协议和地址区分技术读取无线传感器网络中各个节点的数据，并将 其写入到已经建立好的BwPData. mdb后台数据库11中，从而完成石油井架应力应变现场数 据的采集、传输与存储。图3为基于组态技术和Matlab计算程序的海洋石油井架承载能力评定流程图，用 户应用程序采用OLE技术改变ADO对象分层对象集合成员Recordset的属性、方法，调用存 储在BwPData. mdb后台数据库中的海洋石油井架应力应变现场数据，并以矩阵格式将实测 数据输入基于MatrixVB控件编制的石油井架和杆件强度校核的Matlab计算程序，根据各 个测试点应力值采用非线性方法分别计算出各层的载荷强度及稳定应力，找出其中最大的 应力值，进而求解出井架承载能力，在Matlab绘图程序中输出井架应力分布图，在自动生 成井架承载能力报告的同时将本次试验测试值和分析结果存储到井架历史数据库中，从而 完成井架静态测试数据的分析与处理。如上所述，本发明提供的基于无线传感器网络的石油井架应力在线测量、数据采 集与井架载荷安全评定系统，既可以克服电阻应变片法安装调试复杂、现场导线过多、易 受环境干扰的缺点，又可以在保证测试精度和稳定性的同时成本远低于光纤光栅测应力方 法。通过采用振弦式传感器测试井架应力，由无线传感器网络采集和传输试验数据，大大降 低了现场操作人员的工作强度和难度，缩短了测试周期，提高了工作效率和测试的稳定性。 采用WebAccess组态软件和VB软件编制用户应用程序，在整个测试过程中试验数据采集、 存储与分析均由计算机控制，既减轻了现场实验人员的工作强度又减少了人为失误的可能 性。本发明在设计时遵循“实用性、开放性、可靠性、先进性、可扩展性、易维护性”的基本原 则，所有硬件均采用精度高、稳定性强、抗恶劣环境的设备，用户应用软件兼容性与可移植 性好，模拟试验结果表明该系统具有一定的先进性和可靠性，形成了一套成适于海洋恶劣 环境的井架承载能力检测与评估系统。
权利要求
一种基于无线传感器网络的石油井架应力测量与数据采集系统，包括振弦式应变计检测海洋石油井架应力应变子系统，基于无线传感器网络的海洋石油井架应力应变现场数据传输子系统，基于组态技术和Matlab计算程序的海洋石油井架承载能力评定子系统，其特征在于所述的三个子系统中的工业控制计算机通过工业集线器与无线传感器网络网关连接，海洋石油井架应力应变现场数据经过无线传感器网络节点转换为数字信号后，由工业控制计算机采用ModbusTCP/IP通讯协议和地址区分技术读取无线传感器网络中各个节点的数据，实现对石油钻井井架应力应变现场数据的采集与传输。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的石油井架应力测量与数据采集系统， 其特征在于所述的振弦式应变计检测海洋石油井架应力应变子系统由12V锂电池、振弦 式传感器、频率信号转换器组成，工作温度为-20 +80°C、灵敏度1 μ ε的振弦式传感器两 个端块用螺栓固定在井架或井架杆件结构表面，由频率信号转换器将振弦式应变计的频率 信号转换为4-20mA的电流信号。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的石油井架应力测量与数据采集系统， 其特征在于所述的基于无线传感器网络的海洋石油井架应力应变现场数据传输子系统 包括3. 6V直流锂电池、无线传感器网络节点、无线传感器网络网关、24V直流电源、工业集 线器和工业控制计算机，24V直流电源为无线传感器网络网关提供驱动电源，3. 6V直流锂 电池为无线传感器网络节点提供供电电源，无线传感器网络节点和3. 6V直流锂电池采用 螺栓固定在距离振弦式应变计10 20厘米处，振弦式传感器、频率信号转换器、无线传感 器网络节点通过带屏蔽双绞线相连接，每个无线传感器网络节点最连接一至四个振弦式应 变计，无线传感器网络中的网关和节点工作在2. 4GHz国际通讯标准频段，网关地址设置为 01 Fl、节点地址从02-0F F2-FF。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的石油井架应力测量与数据采集系统， 其特征在于所述的基于组态技术和Matlab计算程序的海洋石油井架承载能力评定子系 统，包括在WebAccess组态软件中将工业控制计算机设置为监控节点的数据采集控制服 务器；由Visual Basic 6. 0编制的用户应用程序采用OLE技术来获得Microsoft Access 的控制句柄，用于改变ADO对象分层对象集合成员Recordset的属性、方法，调用存储在 Access数据库中的海洋石油井架应力应变现场数据，并以矩阵格式将实测数据输入基于 MatrixVB控件编制的石油井架和杆件强度校核的Matlab计算程序，计算出井架安全载荷 后在Matlab绘图程序中输出井架应力分布图。
全文摘要
本发明涉及一种基于无线传感器网络的石油井架应力测量与数据采集系统，包括振弦式应变计检测海洋石油井架应力应变子系统，基于无线传感器网络的海洋石油井架应力应变现场数据传输子系统，基于组态技术和Matlab计算程序的海洋石油井架承载能力评定子系统。系统中的工控计算机通过工业集线器与无线传感器网络网关连接，海洋石油井架应力应变现场数据经过无线传感器网络节点转换为数字信号后，由工控计算机采用Modbus TCP/IP通讯协议和地址区分技术读取无线传感器网络中各个节点的数据，实现对石油钻井井架应力应变现场数据的采集与传输。本系统成本低、稳定性高、适于海洋恶劣环境的井架承载能力检测与评估系统。
文档编号G01L1/10GK101894454SQ20101020888
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者孔令超, 安子良, 李建卫, 肖立中 申请人:上海应用技术学院