非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

譚 威 黃 剛 黃 弋 鄭 永 黃鈺琦

(①上海神開石油科技有限公司；②中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院)

0 引 言

硫化氫是一種劇毒氣體，一旦泄漏可能導(dǎo)致災(zāi)難性的中毒事故[1]，會(huì)對(duì)人體機(jī)能產(chǎn)生無法逆轉(zhuǎn)的損害，輕則頭暈昏厥，重則即刻死亡。鉆井工程事故會(huì)對(duì)油田的勘探進(jìn)程造成嚴(yán)重的影響[2-3]，尤其在高含硫油氣田勘探開發(fā)過程中極易發(fā)生硫化氫氣體泄漏事故，造成人員傷亡并腐蝕破壞井場(chǎng)裝備[4]，嚴(yán)重時(shí)可能要對(duì)事故井口實(shí)施點(diǎn)火操作。綜合錄井是鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要手段[5]，但在發(fā)生硫化氫氣體泄漏等重大事故后將無法工作(井場(chǎng)電源被切斷)。在這種非常態(tài)情況下，作為綜合錄井的一部分，硫化氫的監(jiān)測(cè)已不能持續(xù)進(jìn)行，特別是后續(xù)井場(chǎng)硫化氫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)更無法實(shí)現(xiàn)，為事故井的后續(xù)處理帶來極大障礙，這就需要有一套獨(dú)立于井場(chǎng)電源、能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作、可遠(yuǎn)距離多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的硫化氫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]。非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用鋰電池供電，獨(dú)立于井場(chǎng)電源，能夠在井場(chǎng)無任何電源的情況下正常工作；無線方式傳輸，保證了在非常態(tài)情況下數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性；低功耗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)；通過中繼節(jié)點(diǎn)拓展了監(jiān)測(cè)距離；可多主機(jī)同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的需求。非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足了非常態(tài)情況下硫化氫的監(jiān)測(cè)需求，工作人員無需進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)便可實(shí)現(xiàn)硫化氫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為事故井的后續(xù)處理提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是獨(dú)立于鉆井現(xiàn)場(chǎng)其他硫化氫監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，一般在井場(chǎng)的四個(gè)角落布置四個(gè)傳感器，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，包括無線主機(jī)、無線從機(jī)、無線中繼、硫化氫傳感器、無線聲光報(bào)警器、監(jiān)測(cè)軟件、計(jì)算機(jī)等。系統(tǒng)具有可移動(dòng)性強(qiáng)、組網(wǎng)方便、受地理環(huán)境因素干擾較小等優(yōu)點(diǎn)[7]。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 無線主機(jī)設(shè)計(jì)

無線主機(jī)負(fù)責(zé)所有傳感器數(shù)據(jù)及相關(guān)命令的轉(zhuǎn)發(fā)，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何處理。為了設(shè)計(jì)的便捷性，無線主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)通過USB線傳輸至計(jì)算機(jī)，同時(shí)USB線給無線主機(jī)提供電源，在內(nèi)部通過一塊USB轉(zhuǎn)TTL的芯片實(shí)現(xiàn)外部USB和內(nèi)部微處理器的通信，這樣既能實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信，又實(shí)現(xiàn)了USB通信的便捷性。系統(tǒng)支持多主機(jī)同時(shí)工作，能夠?qū)崿F(xiàn)多主機(jī)同時(shí)在線監(jiān)測(cè)，滿足數(shù)據(jù)備份和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)需求。

1.3 無線從機(jī)設(shè)計(jì)

無線從機(jī)與硫化氫傳感器相連接，并給傳感器提供電源，主要功能是實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過無線方式發(fā)送到無線主機(jī)。無線從機(jī)采用鋰電池供電，為實(shí)現(xiàn)同樣體積電池容量最大化，采用單節(jié)鋰電池并聯(lián)增大容量的方式實(shí)現(xiàn)。采用低壓差線性穩(wěn)壓器對(duì)從機(jī)內(nèi)部單片機(jī)核心電壓降壓，以實(shí)現(xiàn)電量利用最大化，對(duì)于傳感器供電高于單節(jié)鋰電池電壓的情況，采用升壓方式實(shí)現(xiàn)，從而使電源的管理比較合理，既實(shí)現(xiàn)了低壓系統(tǒng)核心電壓的穩(wěn)定，又滿足了高電壓傳感器的供電需求。無線從機(jī)電源設(shè)計(jì)如圖2所示。

為實(shí)現(xiàn)傳感器可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作的功能，無線從機(jī)采用低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是微處理器的低功耗設(shè)計(jì)，首先對(duì)微處理器未使用的外設(shè)進(jìn)行關(guān)閉，其次在保證速度滿足要求的情況下降低系統(tǒng)的主頻率；二是微處理器和無線傳輸模塊的定時(shí)休眠設(shè)計(jì)，無線從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采用定時(shí)方式，在一個(gè)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送周期內(nèi)，微處理器采集數(shù)據(jù)并處理后通過無線通信方式發(fā)送，數(shù)據(jù)傳輸完成后微處理器和無線傳輸模塊立刻進(jìn)入休眠模式，同時(shí)定時(shí)器開啟，在定時(shí)器達(dá)到所設(shè)時(shí)間后，系統(tǒng)由外部晶振喚醒進(jìn)行下一周期的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。通過以上兩方面的低功耗設(shè)計(jì)，無線從機(jī)整體功耗低，連續(xù)工作時(shí)間可滿足非常態(tài)情況下硫化氫監(jiān)測(cè)要求。

圖2 無線從機(jī)電源設(shè)計(jì)圖

1.4 無線中繼設(shè)計(jì)

無線中繼在無線主機(jī)和無線從機(jī)通信過程中選擇一條最優(yōu)路徑傳輸數(shù)據(jù)。在無線從機(jī)和無線主機(jī)被遮擋或距離較遠(yuǎn)時(shí)，導(dǎo)致信號(hào)較差，可在適當(dāng)位置增設(shè)無線中繼以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。無線中繼必須實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，要求中繼節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)入休眠狀態(tài)，但為了滿足系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，中繼轉(zhuǎn)發(fā)采取微處理器定時(shí)休眠和無線傳輸模塊實(shí)時(shí)工作的方式。中繼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)無需微處理器參與，微處理器在定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)后進(jìn)入休眠狀態(tài)，僅顯示中繼節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，如信號(hào)強(qiáng)度、電池電量等信息。

常態(tài)下，無線主機(jī)和無線從機(jī)在可視范圍內(nèi)傳輸距離為1.5 km左右。在非常態(tài)情況下，由于井場(chǎng)已無人值守，此時(shí)要在幾公里外的地方查看現(xiàn)場(chǎng)硫化氫的濃度情況，就需要在無線主機(jī)和無線從機(jī)之間設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)，每加一級(jí)中繼節(jié)點(diǎn)傳輸距離會(huì)延長(zhǎng)1.5 km左右。中繼級(jí)數(shù)可按監(jiān)測(cè)距離的需求添加，但每加一級(jí)路由，數(shù)據(jù)傳輸相應(yīng)會(huì)有延時(shí)增加，為了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，在滿足監(jiān)測(cè)距離的情況下應(yīng)盡量減少中繼節(jié)點(diǎn)的布置。

1.5 無線聲光報(bào)警器設(shè)計(jì)

為了在出現(xiàn)硫化氫氣體時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和安全撤離，設(shè)計(jì)了一款聲音大、亮度高的無線聲光報(bào)警器，該報(bào)警器由報(bào)警節(jié)點(diǎn)和聲光報(bào)警器組成。報(bào)警節(jié)點(diǎn)要實(shí)時(shí)接收所有傳感器的硫化氫數(shù)據(jù)，相較于無線從機(jī)，聲光報(bào)警節(jié)點(diǎn)功耗較大，必須處于實(shí)時(shí)工作模式，不允許休眠。一旦其中有一個(gè)硫化氫傳感器的硫化氫濃度值超過所設(shè)定的報(bào)警閾值，則報(bào)警節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器報(bào)警，直到硫化氫濃度值降到所設(shè)閾值以內(nèi)停止報(bào)警。報(bào)警節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，同時(shí)為聲光報(bào)警器提供電源，因報(bào)警節(jié)點(diǎn)核心電壓是低壓，而聲光報(bào)警器是高壓并且功耗大，為了整個(gè)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源統(tǒng)一，所有電源均采用單節(jié)鋰電池并聯(lián)的方式，因此設(shè)計(jì)一款放電電流大、低電壓升高、輸出電流大的電路是無線聲光報(bào)警器的關(guān)鍵。無線聲光報(bào)警器電源電路設(shè)計(jì)如圖3所示。一方面因低電壓升到高電壓大電流時(shí)鋰電池的放電電流大，要做好鋰電池的保護(hù)工作，需采用大功率MOS管(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，使放電電流能夠達(dá)到10 A以上，并在鋰電池出現(xiàn)過度放電、過度充電和短路的情況下都會(huì)及時(shí)地?cái)嚅_鋰電池與充電器或負(fù)載的連接，從而有效保護(hù)鋰電池的安全；另一方面在聲光報(bào)警器啟動(dòng)的瞬間，瞬時(shí)沖擊非常大，必須采取一定措施抑制瞬時(shí)沖擊，否則報(bào)警節(jié)點(diǎn)的核心電壓會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致微處理器停止工作。因此，高電壓大電流電路的設(shè)計(jì)要考慮諸多因素，如電子元件的布局、電氣線路的布線、各種電源之間的隔離等因素。

1.6 采集監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)

采集監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)硫化氫傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)，通過分布在鉆井現(xiàn)場(chǎng)各指定位置的無線硫化氫傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有害氣體濃度值，提供各種監(jiān)測(cè)管理和警報(bào)工具，有效保障鉆井現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境安全。采集監(jiān)測(cè)軟件界面如圖4所示，除了常規(guī)的菜單區(qū)、工具欄區(qū)，主視圖分為三個(gè)功能區(qū)：數(shù)據(jù)視圖區(qū)、曲線視圖區(qū)、動(dòng)畫視圖區(qū)。軟件的主要功能有：(1)實(shí)時(shí)采集各通道傳感器數(shù)據(jù)，精確計(jì)算所需時(shí)間段的平均數(shù)據(jù)，并形成數(shù)據(jù)庫以供查看回放；(2)數(shù)據(jù)超過設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)提示聲光報(bào)警以警示管理員；(3)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各通道傳感器的壽命、標(biāo)定天數(shù)、電池電量、信號(hào)強(qiáng)度等，全面監(jiān)測(cè)各通道傳感器運(yùn)行狀態(tài)；(4)系統(tǒng)提供U盤實(shí)時(shí)備份數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、PDF曲線導(dǎo)出打印、WITS數(shù)據(jù)輸入輸出、LAS格式文件數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能；(5)系統(tǒng)自動(dòng)生成日志文檔，詳細(xì)記錄系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間、狀態(tài)、異常狀況等。

圖3 無線聲光報(bào)警器電路設(shè)計(jì)圖

圖4 采集監(jiān)測(cè)軟件界面圖示

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 測(cè)試方法

研制的非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)在四川邛崍平探X井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。井場(chǎng)布局如圖5所示，在井場(chǎng)入口處面對(duì)井架方向，將井場(chǎng)的四個(gè)角落分為右前場(chǎng)、右后場(chǎng)、左前場(chǎng)、左后場(chǎng)。在現(xiàn)場(chǎng)四角分別布置四個(gè)無線硫化氫傳感器，在錄井儀器房頂放置無線主機(jī)1，通過USB線連接至采集計(jì)算機(jī)，在錄井儀器房旁邊放置無線聲光報(bào)警器。為測(cè)試傳輸距離及多點(diǎn)監(jiān)測(cè)功能，在生活區(qū)的職工宿舍房頂放置了無線主機(jī)2，在無線主機(jī)2和現(xiàn)場(chǎng)四角硫化氫傳感器的中間位置放置一臺(tái)中繼節(jié)點(diǎn)，以便增強(qiáng)傳感器與無線主機(jī)2之間通信的可靠性。所有硬件設(shè)備布置到固定位置后，設(shè)備上電，打開采集監(jiān)測(cè)軟件，此時(shí)采集監(jiān)測(cè)軟件顯示所有傳感器數(shù)據(jù)和曲線等相關(guān)信息。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片如圖6所示。

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布局圖

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)景圖片

2.2 硫化氫數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)測(cè)試

硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上電，工作正常，對(duì)右前場(chǎng)、右后場(chǎng)、左前場(chǎng)、左后場(chǎng)硫化氫傳感器分別施加50 μL/L濃度的硫化氫氣樣，在采集監(jiān)測(cè)軟件上可見右前場(chǎng)、右后場(chǎng)、左前場(chǎng)、左后場(chǎng)硫化氫傳感器的數(shù)據(jù)值分別顯示硫化氫濃度的實(shí)時(shí)值、定時(shí)的平均值及定時(shí)的最大值，在數(shù)字顯示下面對(duì)應(yīng)的曲線區(qū)域顯示相應(yīng)的曲線，同時(shí)在軟件顯示的右邊有儀表盤顯示，其界面如圖7所示。

軟件中硫化氫參數(shù)名稱、顯示位置等參數(shù)可自定義設(shè)置。在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，每間隔1 s將每個(gè)硫化氫傳感器的硫化氫濃度值、平均值、最大值等存入數(shù)據(jù)庫，用戶可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出PDF或者以Excel格式的文件另行存儲(chǔ)，同時(shí)還可以直接導(dǎo)出到U盤存儲(chǔ)。

2.3 通信距離及功耗測(cè)試

無線主機(jī)和無線從機(jī)在可視范圍內(nèi)通信距離能夠達(dá)到1.5 km，現(xiàn)場(chǎng)專門進(jìn)行了測(cè)試。將備用的無線主機(jī)移到相距1.5 km的地方放置，中間無遮擋物，此時(shí)備用無線主機(jī)數(shù)據(jù)接收正常。改變備用主機(jī)的位置，如果備用無線主機(jī)和無線從機(jī)之間有遮擋物，備用無線主機(jī)數(shù)據(jù)接收即出現(xiàn)大量丟包現(xiàn)象，此時(shí)在無線主機(jī)和無線從機(jī)之間放置無線中繼(無線中繼對(duì)無線主機(jī)和無線從機(jī)均可視)，無線主機(jī)數(shù)據(jù)接收恢復(fù)正常。在無線主機(jī)和無線從機(jī)通信不暢時(shí)，適當(dāng)添加中繼節(jié)點(diǎn)，可有效增加通信的可靠性。

無線從機(jī)工作在低功耗模式，正常每秒發(fā)送兩次數(shù)據(jù)的狀態(tài)下，無線從機(jī)和傳感器連續(xù)工作3個(gè)月后，電池電量還剩20%。由此可見，無線從機(jī)和傳感器在正常的工作模式下功耗較低，完全可以滿足連續(xù)工作1個(gè)月的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為在非常態(tài)環(huán)境下井場(chǎng)硫化氫的監(jiān)測(cè)提供了保障。系統(tǒng)采用成熟的無線傳輸模式，一方面可減輕現(xiàn)場(chǎng)工作人員安裝的工作量，另一方面?zhèn)鬏斁嚯x遠(yuǎn)，可移動(dòng)性好。無線主機(jī)可隨意放置，當(dāng)與無線從機(jī)通信不暢時(shí)可添加無線中繼節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展性好，通過無線中繼的作用可擴(kuò)展硫化氫的監(jiān)測(cè)距離，以保障非常態(tài)下工作人員生命安全。非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在常態(tài)情況下也極有意義，它是獨(dú)立于井場(chǎng)常規(guī)硫化氫監(jiān)測(cè)的一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的硫化氫數(shù)據(jù)。

非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和傳感器功耗低，在非常態(tài)如井場(chǎng)電源完全切斷的情況下，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，能夠?yàn)槭鹿示畧?chǎng)提供連續(xù)實(shí)時(shí)的硫化氫監(jiān)測(cè)，為后續(xù)的處理提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。通過現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試應(yīng)用，進(jìn)一步證明了非常態(tài)無線硫化氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求，完全滿足非常態(tài)環(huán)境下硫化氫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。