基于光纤光栅传感器网络的石油井架应力数据采集系统

摘要

本发明涉及一种基于光纤光栅传感器网络的石油井架应力数据采集系统，包括基于分布式光纤光栅传感器网络的石油井架应力应变现场数据测试子系统；基于串口通讯技术的石油井架应力应变现场数据传输与存储子系统；基于OLE技术和Matlab计算程序的石油井可靠性评定子系统，三个子系统由工业控制计算机通过ADAM通讯模块与光纤光栅解调仪RS232接口连接；采用Modbus通讯协议和地址区分技术读取光纤光栅分析仪中各个通道的数据，并经工业控制计算机对现场应力应变数据算术平均滤波后写入到Access后台数据库中。本发明能快速而准确地评定陆地和海洋石油井架承载能力，为石油井架安全可靠运行的研究与评定提供大量翔实准确的应力应变测量数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油井架应力数据采集系统，尤其是一种针对海洋钻井平台井架和井架杆件应力测量与数据自动采集系统。

背景技术

石油井架主要负责起升和下放钻柱、安放天车、悬挂游车、大钩以及油管等装备，井架是钻井和修井作业过程中的重要组成部分，其安全稳定运行直接关系到石油钻机系统的安全生产和职工人身安全。石油井架的设计与建造应符合API Spec4F规范的要求，但井架形体大、承载重、工作环境恶劣以及运输、拆装过程中诸多因素的影响，井架各杆件、杆件间连接和整体都会出现不同程度的变形、损伤、锈蚀等缺陷，导致长期在役石油井架承载能力低于原设计载荷。海洋气候条件更为恶劣，海洋石油钻井井架受工作载荷、风载荷、波浪载荷引发的井架杆件疲劳与腐蚀效应、材料老化、井架结构损伤缺陷、抗力衰退现象尤为显著。由于上述原因，导致在役井架安全载荷的未知，成为钻井及修井作业安全生产中的重大事故隐患。因而，准确评定长期在役石油井架的安全承载能力，及时准确地识别在役石油井架的结构损伤，对于消除陆地和海洋石油钻井作业安全隐患和科学地制定井架检测周期意义非常重大。

国外对石油钻井井架的安全评定主要是检测井架杆件的变形、损伤、磨损和腐蚀情况，诊断的结论多偏重于定性分析。石油井架空间钢架或桁架结构复杂且缺陷特征又多样化，因此现场试验是当前评定井架实际承载能力主要手段。目前，国内对钻探用井架承载性能评定主要依据标准SY/T 6326-1997《石油钻机用井架承载能力检测评定方法》，通常采用选截面部位应力测点方法测量井架上有限个测量点的应力、位移及结构动态特征数据，通过强度、刚度、可靠性和稳定性等理论建立井架承载能力的评定方法。对石油井架计算强度和静态承载能力的检测，我国石油行业标准推荐使用应变片电测法。但采用电阻应变片法测量时容易受到放电干扰、工频交流干扰、测试仪器和应变仪零漂等干扰的影响，当干扰信号比被测信号还要强时，测试工作就会彻底失败。为了避免由于电阻应变片接线或贴片不当导致没有信号输出的情况出现，需在同一测点对称分布2个电阻应变片。且每个电阻应变片探头各有2根电线，操作人员必须攀爬到十几米到几十米的井架上安装传感器，安装繁琐且需要携带大量的外部连接导线，增加了操作人员高空作业的难度和危险系数。此外，现有的海洋石油钻井应力测试系统多采用文本文件格式或者手工方式记录和存储现场应力数据，需要在Matlab、Maple和Mathematica等专业计算软件分析与处理现场应力数据。由于石油钻井应力测试数据文件存储格式、数值计算软件和检测报告的数据处理方法的不同，不能及时和直观地对比同一井架不同时间的检测数据的差异，目前还没有一套完整的符合国标且适用现场操作的石油井架承载能力安全检测评估技术和计算软件系统。因此，需尽快寻找适用于石油井架应力测量和数据处理方法，尤其适合于海洋严酷环境的石油钻井井架静态载荷测试系统，以确保对井架承载能力进行有效和可靠的评估。

发明内容

本发明是要提供一种基于光纤光栅传感器网络的石油井架应力数据采集系统，用于克服现有技术中应力应变测量传感器、信号传输方式、数据存储与处理等方面的不足，该系统结构简单、安装维护方便、使用寿命长、测量精度高、稳定性好，并能快速而准确地评定陆地和海洋石油井架承载能力，为石油井架安全可靠运行的研究与评定提供大量翔实准确的应力应变测量数据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于光纤光栅传感器网络的石油井架应力数据采集系统，包括基于分布式光纤光栅传感器网络的石油井架应力应变现场数据测试子系统；基于串口通讯技术的石油井架应力应变现场数据传输与存储子系统；基于OLE技术和Matlab计算程序的石油井可靠性评定子系统，其特点是：所述的三个子系统由工业控制计算机通过ADAM通讯模块与光纤光栅解调仪RS232接口连接；其中，ADAM通讯模块通过Modbus通讯协议和地址区分技术读取光纤光栅分析仪中各个通道的数据，实现对石油钻井井架应力应变现场数据的采集，并经工业控制计算机对现场应力应变数据算术平均滤波后写入到Access后台数据库中，且将Access数据库中的数据以矩阵的格式写入Matlab井架静力荷载计算模块中，根据测试点应力值计算出石油钻井井架承载能力并绘制杆件和井架载荷分布图并显示在VB用户应用程序主界面上。

所述的基于分布式光纤光栅传感器网络的石油井架应力应变现场数据测试子系统由隔离器、耦合器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、传输光缆、光纤光栅解调仪组成，其中，封装的光纤光栅传感器用螺栓固定在井架上，多个光纤光栅应变传感器和一支光纤光栅温度传感器通过直接熔接串联为一个通道并引出一条光缆至光纤光栅解调仪，每组光纤光栅应变传感器串联监测，回路连接，光纤光栅解调仪提供系统时钟给每个通道的光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器同时采集数据，光纤光栅分析仪将采集到的光信号转变为电信号发送给工业控制计算机。

所述的基于串口通讯技术的石油井架应力应变现场数据传输与存储子系统由硬件和软件系统组成，其中，硬件系统包括24V直流电源、基于RS-485接口的ADAM串口通讯模块、光纤光栅应变传感器、工业控制计算机；24V直流电源为ADAM串口通讯模块提供电源电压，软件系统由Visual Basic 6.0和MicrosoftAccess数据库组成，用户应用程序调用MSComm控件、ADO数据访问对象的属性和方法，利用MSComm控件的CommPort、PortOpen、RThreshhold属性和OnComm事件，通过定时器轮循法以二进制模式发送指令与接收现场应力应变数据，所得数据经过算术平均滤波后分成两路，一路数据实时显示在Text文本框控件和PictureBox控件的实时曲线中，采用OLE技术来获得Microsoft Access的控制句柄，进而改变ADO对象分层对象集合成员Recordset的属性、另外一路数据写入到已经建立好的Access后台数据库中，完成石油井架应力应变现场数据传输、监控与存储。

所述的基于OLE技术和Matlab计算程序的石油井可靠性评定子系统中，石油井架静态承载能力实验结束后，用户应用程序调用Access数据库存储的石油井架应力应变现场数据，由Matlab计算模块计算和评定石油钻井井架承载能力并绘制杆件和井架载荷分布图，由Matlab绘图模块输出在不同试验载荷时井架各个测点的应力值变化曲线，计算后的数值结果和曲线由VB用户应用程序调用Recordset的属性、方法写入到该井架历史档案数据中。

本发明的有益效果是：本发明从根本上改变了石油钻井架应力应变测量方法与原理，以及试验数据采集、存储与分析的方式，数据记录与处理工作均由工业控制计算机上的用户应用程序完成，大大减少了试验过程和评估报告中的人为干预和人为失误。本发明采用同一根光纤传输宽带光源与光纤光栅传感器反射的窄带光，有效地减少了现场布线的工作强度且提高了信号传输效率和准确性。采用分布式光纤光栅传感器网络可在石油钻井架上布置600个测点，改变了电阻应变片测量方法安装复杂、测点较少和易受环境干扰的影响，大量数据使评估工作更快速、方便、准确，也使井架承载能力检测系统更加完善。在用户应用程序界面中实时显示井架每个测量点的数据与实时曲线，数据全部存储在Access数据库中，既减轻了现场实验人员的负担和试验录成本，查找和对比历史数据又非常方便。Matlab程序负责实验数据的后台计算与绘图功能，VB用户应用程序作为主程序负责数据采集、存储及调用Matlab程序模块处理和分析实验数据。本实用新型对传感器、信号传输方式、数据存储与处理等方面的改进，形成了一套完整的且适用现场操作的石油井架承载能力安全检测评估技术和评估系统软件。

附图说明

图1是基于分布式光纤光栅传感器网络的石油钻井井架应力应变检测原理图；

图2是基于串口通讯技术的石油钻井井架应力应变现场数据传输方框图；

图3是石油钻井井架应力应变现场数据实时显示和存储流程图；

图4是基于数据库技术和Matlab计算程序的石油井可靠性评定系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的基于分布式光纤光栅传感器网络的石油井架应力数据采集系统，包括：基于分布式光纤光栅传感器网络的石油井架应力应变现场数据测试子系统；基于串口通讯技术的石油井架应力应变现场数据传输与存储子系统，基于OLE技术和Matlab计算程序的石油井可靠性评定子系统，三个子系统由工业控制计算机通过ADAM通讯模块与光纤光栅解调仪RS232接口连接。

如图1所示，基于分布式光纤光栅传感器网络的石油井架应力应变现场数据测试子系统由隔离器2、耦合器3、光纤光栅应变传感器5、光纤光栅温度传感器6、传输光缆4、光纤光栅解调仪1组成。采用的光纤光栅解调仪1内置了高稳定宽带光源和在线校准波长参考模块，出厂后无需校准，在0～40℃工作温度范围内可保证±1pm的长期测量精度。利用波分复用技术在一根单模传输光纤串联多达1200个光纤光栅传感器6组成传感器网络矩阵，宽带光源7经过隔离器2后进入1×N的光纤耦合器3，耦合器3的输出端与N个光电开关连接，从而实现传感器5网络矩阵布拉格光栅的寻址和解码。宽带光源7发出的光经隔离器2到达光纤光栅传感器5阵列后，传感光栅将对携带有被测物理量信息的光进行反射，反射光经过3dB耦合器3引入到可调谐F-P腔中，F-P滤波器8在信号发生器调谐控制作用下调整腔间隔改变扫描带宽和频率，当传感器光栅反射波长与其窄通带刚好匹配时则让传感器光栅反射光谱信号通过。此时可由F-P滤波器8驱动电压和透射波长的关系测得传感器反射波长值，为提高辨率低可在扫描电压上加一个抖动电压，经平行光探测器接收并转换成电信号后与混频器和低滤波器构成反馈闭环系统，在抖动频率为零时测量值即为光栅的反射波长值。本发明采用的光纤光栅解调仪1数据硬件通讯接口为RS232串口，支持Modbus RTU和Modbus TCP/IP通讯协议。

如图2所示，基于串口通讯技术的石油井架应力应变现场数据传输与存储子系统，该系统分为石油钻井井架静态应力应变测试现场和串口数据采集两部分，测试现场主要由传输光缆4、多功能光纤光栅解调仪1和光纤光栅传感器矩阵网络10组成。串口数据采集系统包括24V直流电源、ADAM串口通讯模块、和工业控制计算机11，24V直流电源为ADAM串口通讯模块提供电源电压，工业控制计算机11采用二线制RS485通讯接口模式与光纤光栅解调仪1进行数据交换，为了降低电磁干扰和共模干扰的影响连接导线采用带屏蔽的双绞线9且整个系统的接地处理一定要符合国家标准GBI79-85《工业企业通信接地设计规范》的要求。采用Modbus通讯协议和地址区分技术读取光纤光栅分析仪中各个通道的数据，实现对石油钻井井架应力应变现场数据的采集。由串口采集的石油井架应力应变数据经过算术平均滤波后分成两路，一路数据在VB应用程序界面13上实时显示数据和曲线，另一路数据写入到已经建立好的Access后台数据库12中，从而完成石油井架应力应变现场数据的传输、监控与存储。

如图3所示，为石油钻井井架应力应变现场数据实时显示和存储流程图，石油钻井井架静态载荷测试系统中每次的测试参数与实验测量数据都保存在数据库中，所以用户应用软件的一个重要功能就是对数据库的读、写和编辑等操作。为了便于后台数据处理和存储，本发明的数据模型选择了具有严格数学概念的关系模型。在Microsoft Access数据库中建立了StrainDB数据库用于存储现场采集数据和历史试验数据，它由一个自建的表DevInfo许多系统动态创建表组成。DevInfo表主要是用来保存操作人员、日期、试验载荷、数据文件名和钻井井架编号，每次的钻井井架现场数据保存到系统动态创建的表中，数据表名称由用户输入且文件名不能重复，通过DevInfo表中“数据文件名”字段将动态数据表与DevInfo表相关联。由于在试验过程中，用户应用程序需要不断地调用和编辑StrainDB数据库，为了提高运算速度和减少数据库写入错误，本发明将多次重复的数据库SQL查询语句封装为类模块，将通过RS485串口采集到的试验数据要存储到数据库中时更为方便和简洁。本发明的实时性是一个非常重要的指标，光纤光栅解调仪提供系统时钟以确保各个传感器在同一时刻采集数据，工控机发出读命令道接收到光纤光栅节点反馈的数据一般不超过50ms，因此需要在用户应用程序中设计好延时程序以免造成数据的丢失。

如图4所示，为基于OLE技术和Matlab计算程序的石油井可靠性评定系统流程图，当石油钻井架静态载荷试验结束后，在用户应用程序计算模块中输入存储现场数据的文件名，根据文件名在Access数据库中查找到相关的数据以矩阵格式写入Matlab井架静力荷载计算模块中，实现Matlab与Access软件之间的数据交换。在Matlab计算模块中采用非线性方法计算井架静力荷载效应，根据布点情况计算出各层各立柱的平均应力值，算出整个截面均值，利用截面均值与各立柱的均值算出弯曲应力，同时找出最大应力值，分别计算出各层的计算强度及稳定应力，找出其中最大的应力值，通过公式计算出承载能力，在Matlab绘图模块中绘制杆件和井架载荷分布图。同时将计算结果写入到Access数据库中，以便和该井架历史数据进行比较与分析，为石油井架的可靠性等研究和石油井架检测工作的管理提供方便快捷的数据资料。根据石油钻井架静载试验的实测数据为主，辅以井架使用情况调查、井架外观检查结果，综合评定井架当前状况下的承载能力，由用户应用软件形成Word版评估报告。

如上所述，本发明提供的基于分布式光纤光栅传感器网络的石油井架应力应变多点测量与数据自动采集系统，可以克服现有技术中易受到电磁干扰、应变仪零漂、电阻应变片安装繁琐、连接导线过多、测量点少、不适于海洋作业等方面的不足，可以实现对陆地和海洋石油钻井井架多测点静态应力应变试验数据的自动测量、采集和记录，根据井架现场大量的实测数据与SY/T 6326-1997《石油钻机用井架承载能力检测评定方法》计算出井架承载能力和绘制杆件和井架载荷分布图。为保证井架作业的安全性、确定井架安全承载能力以及对井架降级使用和报废，提供了科学的技术依据，给用户正确使用井架提供指导性意见和技术服务。利用本实用新型提供的井架检测数据库可快速查询、对比和分析井架不同时期的检测数据，随时提供用户有关的井架基础信息，找出井架的薄弱环节，制定井架的检修方案，通过检修提高晚期服役井架的承载能力。另外，本发明提供的石油井架应力应变多点测量与数据自动采集系统采用分布式光纤光栅传感器网络，光纤光栅传感器安装方便且多次使用，宽带光源与光栅的反射信号在同一条传输光缆传输，大大减少了石油钻井井架现场实验人员安装的操作强度和危险性。