防砂數據采集處理方法和設備,防砂數據采集處理系統的制作方法

專利名稱：防砂數據采集處理方法和設備,防砂數據采集處理系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及石油勘探領域，特別涉及一種用于油氣田開發的防砂數據采集處理方法方法和設備，以及防砂數據采集處理系統。
背景技術：
防砂作業是在油氣田開發階段，對油氣層進行保護以有效地阻止地層中砂粒隨著地層流體進入井筒的完井工藝。海上發現的疏松或較疏松油氣藏較多，多數疏松或較疏松的油層有出砂現象，油氣井出砂會造成磨蝕井下、地面設備和工具，橋堵或堵塞井眼，降低油氣產量或迫使油氣井停產。早期的防砂作業，均采用手工作業方式，不但作業效率較低，而且可靠性能較差。為了解決這些問題，出現了各種防砂工藝如化學防砂、機械防砂等等。其中管內礫石充填是一種有效的機械防砂方法之一。管內礫石充填防砂是在套管射孔后，將礫石充填在射孔炮眼內及篩管/套管、盲管/套管環形空間的一種機械方法，采用這種機械式防砂工藝，作業環境惡劣，工作壓力非常高，因此，需要準確搜集各種儀表信息，及時協調地控制各種加砂動力設備，否則會造成防砂效果較差，設備毀損乃至造成人身傷亡的后果。

發明內容
從上述分析可以看出，本發明的主要目的在于提供一種防砂數據采集處理方法及系統，所述的防砂數據采集處理方法及系統可以容易地進行防砂作業的實時監控及數據采集和處理，以有效地監測控制防砂施工現場中的各種設備，以保障作業的安全可靠。
按照本發明，上述目的是通過提供一種防砂數據采集處理方法實現的，所述防砂數據采集處理方法包括檢測步驟，用于檢測被測壓力和流量，接收步驟，用于接收來自于傳感器的各種防砂檢測數據；其特征在于，還包括數據采集步驟，用于采集來自于防砂數據采集接口裝置的信號；數據處理步驟，用于對所采集的信號進行相應的處理，以及進行數據回放和曲線回放。
進一步，上述目的是通過提供一種防砂數據采集處理設備實現的，所述防砂數據采集處理設備包括防砂數據采集接口裝置，用于接收來自于傳感器的各種防砂檢測數據；數據采集裝置，用于采集來自于防砂數據采集接口裝置的信號；數據處理裝置，用于對所采集的信號進行相應的處理，進行數據回放和曲線回放。
進一步，上述目的是通過提供一種防砂數據采集處理系統實現的，所述防砂數據采集處理系統包括多個傳感器，用于檢測被測壓力和流量；防砂數據采集處理設備，用于對傳感器所檢測的各種信號進行采集和處理，其中，所述防砂數據采集處理設備包括防砂數據采集接口裝置，用于接收來自于傳感器的各種防砂檢測數據；數據采集裝置，用于采集來自于防砂數據采集接口裝置的信號；數據處理裝置，用于對所采集的信號進行相應的處理，以及進行數據回放和曲線回放。
根據本發明防砂數據采集處理方法，對防砂施工中現場的各種技術參數及數據進行采集、計算、存儲、顯示、曲線處理和數據遠程傳輸。它可幫助現場指揮人員、現場操作人員及遠程操作者全面、準確地了解和掌握防砂施工過程中的各種信息，及時、快捷地處理各種情況，保證防砂施工能夠按照要求正確無誤的進行。施工完成后，系統可將施工過程中記錄的各種參數及數據通過彩色噴墨打印機打印輸出，并且可對各種防砂數據進行現場重放，資料存檔等，具有保障安全、作業監控、資料處理的作用。該系統可應用于酸化、壓裂等石油工程作業，以及其他工程作業的數據采集及數據處理。
通過下面的實施方式和附圖的描述，本發明的其他目的和特征將變得更加清楚，附圖中相同的標號表示相同的或類似的部件。
作為本發明的一部分的附圖和本說明一起用于說明本發明的實施例，用于解釋本發明的原理。


圖1是一方框圖，示出了根據本發明的防沙數據采集處理系統；圖2為一框圖，示出了根據本發明的防沙數據采集處理設備；圖3是一示意圖，示出了根據本發明的防砂數據采集處理的過程；圖4是一結構框圖，示出了根據本發明的數據采集接口裝置的具體連接關系；以及圖5是一示意圖，示出了根據本發明的用于數據采集接口裝置21通道擴展的連接關系。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細的說明。
圖1是一方框圖，示出了根據本發明的防沙數據采集處理系統。
參見圖1，根據本發明的防沙數據采集處理系統，包括傳感器11，...1n，防砂數據采集處理設備12，客戶工作站13和遠程終端14，網絡接口16和備份處理和遠程發送設備15。其中，傳感器11，...1n用于探測被測壓力， 比如注砂泵壓、環空壓力、泵排量、水流量、砂流量、返出流量等由，并通過信號電纜將電信號，比如模擬信號、脈沖信號，傳送到防砂數據采集處理設備12。對于所接收到的模擬信號，防沙數據采集處理設備12對其進行信號調整、A/D轉換后轉換為數字信息。而對于脈沖信號，經過防沙數據采集處理設備12中的計數器對其進行計數。然后，將所采集的數據作進一步的處理，比如數據處理，報警處理、實時監控處理和數據存儲等。最后將所處理的數據送至客戶工作站13，以完成報表處理、資料解釋、數據備份及實時數據的遠程發送等功能。
對于傳感器11，...1n，它包括(1)泵壓傳感器，用于測量注沙泵壓力，通常被安裝在泵頭壓包上，其信號輸出為4至20MA；(2)環空壓力傳感器，用于測量井口管匯壓力，通常被安裝在井口管匯的壓包上，其信號輸出為4至20MA；(3)清水流量傳感器，用于測量注水管線中的水流量，被安裝在注水罐出口管線上，其信號輸出為開關量信號；(4)返出流量傳感器，用于測量從井口返出的水流量，被安裝在沉砂罐入口管線上，其信號輸出為開關量信號；(5)泵沖傳感器，用于測量泵排量，通常被安裝在柴油機與泵之間的連動軸之間，測量泵軸的轉動圈數，其信號輸出為開關量信號，由于泵軸的轉動圈數與泵柱塞運動次數成正比，因此，根據這種比例關系可計算出泵排量；(6)砂流量傳感器，用于測量加砂量，通常被安裝出砂攪龍的主軸上，測量攪龍的轉動圈數，其信號輸出為開關量信號，由于攪龍的轉動圈數與出砂量之間存在一定的函數關系，因此，根據這種函數關系可計算出加砂量。但本發明并不僅限于上述的傳感器，根據工作需要，還可以增加其他類型的傳感器，以檢測溫度、位置變化等其他參數。
對于客戶工作站13，它主要是為作業現場操作人員設計的，用于進行曲線監測、數據監測、曲線回放、數據庫管理、報表輸出及實時數據遠程發送。它通過網絡接口16和防砂數據采集處理設備12相連。其中該網絡接口16是一網絡集線器。其中實時數據遠程發送主要完成將實時采集及計算后存放在公用數據緩沖區中的數據通過因特網或其他通信網絡發送到遠程網站(支持FTP文件傳送協議)，以便于遠程終端14的訪問，通過使用客戶工作站13，現場完井監督可在作業現場辦公室監視現場設備的工作狀態、作業狀況，并可通過Windows的對等局域網絡共享數據庫信息，查詢防砂數據、隨時打印各種防砂報表。
對于遠程終端14，它主要是為遠程操作者設計開發的，它用于進行曲線監測、數據監測、曲線回放、數據庫管理、報表輸出及實時數據遠程接收。其中實時數據遠程接收主要完成將客戶工作站13發送到遠程網站(支持FTP文件傳送協議)的實時數據信息通過因特網或其他通信網絡實時下載到本地終端系統，然后通過遠程終端14的進行處理，實現遠程實時終端功能。通過使用該遠程終端14，遠程操作者可在遠程辦公室監視現場設備的工作狀態、作業狀況。
根據本發明的防砂數據采集處理系統還包括一備份處理和遠程發送設備15，它主要完成報表處理、資料解釋、數據備份和實時數據的遠程發送等功能，可以作為防砂數據采集處理設備12的熱備份機。
從上所述可以看出，在根據本發明的防砂數據采集處理系統中，所用的實時終端分別為客戶工作站13、遠程終端14兩種，其中客戶工作站13可通過現場小型局域網以共享網絡驅動器中實時數據的方式實現。遠程終端14的實現方法有兩種，一是通過共享網絡驅動器的方式實現，一是通過FTP(文件傳輸協議)方式實現。其中，在第一種方式，需要將備份處理和遠程發送設備15加載成撥號網絡服務器，遠程終端14即可映射網絡驅動器，共享數據信息。在第二種方式，需要設置中轉站點，數據傳輸分兩步進行，首先備份處理和遠程發送設備15實時將系統的共享數據信息經壓縮、封裝后實時地通過諸如因特網發送到中轉站點，然后遠程終端14再實時將中轉站點的數據信息下載到本地機，通過本地的終端系統程序對數據進行解壓、解封處理，以完成遠程終端的功能。
圖2為一框圖，示出了根據本發明的防沙數據采集處理設備12。圖4是一結構框圖，示出了根據本發明的數據采集接口裝置的具體連接關系。
參見圖2，根據本發明的防砂數據采集處理設備包括一防砂數據采集接口裝置21，數據采集裝置22，數據處理裝置23。
對于防砂數據采集接口裝置21，它是一種分布式記錄和處理傳感器信號和數字狀態信息的裝置，根據不同的應用需要，可選用不同的數字量處理模塊和模擬量處理模塊，這些模塊可用于測量溫度、壓力、位置變化、重量等，有些模塊還具有模擬輸出通道以便進行各種工業控制。根據本發明的防砂數據采集設備12選用模擬量處理模塊，比如ISM111，和數字量處理模塊，比如IDM118，其中ISM111具有4個模擬輸入通道，4個數字I/O通道，IDM118具有12個數字I/O通道。這些模塊都具備信號預處理功能，如放大、線性化、增益矯正，信號規整等，因此不需要外部放大器及外部信號規整電路。
防砂數據采集接口裝置21對傳感器11...1n處理后存儲的數據可通過串行接口裝置，比如IRK100，送入數據采集裝置22。使用兩條線可連接127個模擬量處理模塊，即防少數據采集接口裝置21，模塊間通信線路可達幾百米。當完成采集模塊間的通信連接線路后，需要進行相應的設置以對各個采集模塊進行相應的地址編碼、通道設置(如低通濾波控制、量程范圍、控制方式等)及RS485通信模塊通信速率、通信協議的選擇與配置等操作，設置完成后，即可根據所設置通信協議的信息幀格式，以完成對各模塊各通道數據的讀取。
圖3是一示意圖，示出了根據本發明的防砂數據采集處理的過程。
參見圖3，根據本發明的防砂數據采集處理開始于步驟S20。在步驟S21，各傳感器11...1n檢測泵壓、環空壓力以及泵排量、水流量等。然后，流程進入步驟S22。在步驟S22，首先防砂數據采集接口裝置21接收來自于傳感器11...1n的所檢測的對應于注砂泵壓、環空壓力、泵排量、水流量、砂流量、返出流量等的各種檢測數據，并將它們分別提供給數據采集裝置22。然后，流程進入步驟S23。在步驟S23，數據采集裝置22完成對來自于防砂數據采集接口裝置21的模擬通道和數字通道上信號的采集。接著，流程進入步驟S24。在步驟S24，數據處理裝置23對所采集的信號進行分析處理，包括曲線回放、數據回放、報表輸出等。在步驟S24之后，流程進入步驟S25，即由實時監測裝置25對數據處理裝置23所處理的各種數據進行監測，并在步驟S26判斷被監測的數據是否超出預設的限值。如果在步驟S26確定有數據超出預設的限值，那么，流程進入步驟S29并報警。否則，流程進入步驟S28并結束。
在本領域中，流量是防砂數據采集系統的主要測量參數，公式(1)給出了流量的計算方法Q＝P*F*E/100/T (1)其中Q為流量(桶/分鐘或磅/分鐘)，P為一個采集周期內所采集的脈沖數，F為每脈沖當量(桶/脈沖或磅/脈沖)，E為設備效率，T為一個采集周期時間(大約為50毫秒)。
由公式(1)可以看出，由于采集周期較短，因此P的微量變化會引起Q的大幅度抖動現象，因此，瞬時流量值上下波動較大，所求得波形是脈動式干擾信號。根據本發明的防砂數據采集處理設備采用滑動平均值濾波技術有效解決了流量信號波動較大的問題。首先，在存儲器中為每個流量參數建立了各自的數據緩沖區，依次存放N1......Nn個流量數據，對每個數據緩沖區，每計算出一個新流量數據，就將最早計算的那個數據丟掉，而后求包括新數據在內的N1......Nn個數據的算術平均值作為某參數的瞬時流量值，這樣每進行一次采樣計算就可計算一個新的流量瞬時值，從而在不增大采集周期的條件下，快速計算出穩定的瞬時流量值，提高了系統的實時性能。在防砂數據采集處理系統中，用戶可根據各流量參數的具體波動情況，對每個流量參數的濾波因子(數據塊長度)設置不同的值，以在提高濾波效果的前提下最大限度地提高系統的實時性能。公式(2)給出了流量平均濾波的方法Y(k)＝(X(1)+X(2)+...X(i)+...+X(n))/N， (2)其中X(i)(i＝1，2...n)為第i次計算的流量值，N為濾波因子，Y(k)為最后N次流量值的算術平均值。
下面參照圖4，具體說明數據采集接口裝置21。從圖4可以看出，該數據采集接口裝置21包括供電電源、串行接口模塊(IRK100)、模擬量處理模塊(ISM111)、數字量處理模塊(IDM118)及相關傳感器連接電路。其中串行接口模塊、模擬量處理模塊、數字量處理模塊8之間通過兩條導線串聯，采用ASCII通信協議方式，通信速率設置為19200BPS。ISM111的四個模擬輸入通道設置為0到5V單端電壓輸入方式(各通道A/D轉換時間10MS)，四個I/O通道設置為脈沖計數方式(輸入最大頻率23KHz)，IDM118共有12個I/O通道，也設置為脈沖計數方式(輸入最大頻率23KHz)。根據本發明的防砂數據采集處理設備12的基本配置包括兩個模擬量信號傳感器，它們可分別接到ISM111上四個通道的任何一個通道，4個數字量信號傳感器(三線制)，它們可分別接到IDM118上12個通道的任何一個通道。由于兩個模擬量信號的傳感器的信號輸出為電流信號，因此需串聯一個250歐姆的電阻轉換為1至5V電壓輸入方式。IDM118的計數方式要求高電平在+1V到+3.5V之間，低電平在0到1V之間，而系統采用的數字信號傳感器的信號輸出為開關量，且采集模塊自身具備信號規整和預處理功能，因此直接連接即可完成規定的計數功能。在圖4中，25芯D型接頭(母)用于連接數字量信號傳感器，25芯D型接頭(公)用于連接模擬量信號傳感器，9芯D型接頭(母)用于連接數據采集裝置22。
圖5是一示意圖，示出了根據本發明的用于數據采集接口裝置21通道擴展的連接關系。在本發明中，數據采集接口裝置21可通過其本身提供的A、B口用兩條導線串聯連接在一起，最多可連接127個數據采集接口裝置，這種數據采集接口的型號很多，其各自所具有的通道數目也不相同，并且可識別各種傳感器信號，因此，如果在防砂數據采集處理系統基礎上增加采集通道，可以方便地實現測量深度、溫度、液位等功能，另外，這種數據采集接口裝置還具備各種信號輸出通道，為實現各種工業控制提供了技術條件。在石油勘探開發領域，各階段的工程作業，都需要工程技術參數的測量，這種通道可擴展的性能為將來實現數據采集系統之間的系統集成奠定了堅實的技術基礎。
下面仍然參照圖2，說明根據本發明的數據采集裝置22。數據采集裝置22具有通道設置、信號標定、數據采集、數據緩沖等功能。其中通道設置可使用戶根據具體情況，建立相應通道的聯系；數據采集可根據通道的設置情況完成4個模擬量通道和16個數字量通道上信號的采集并將信號用于信號標定；信號標定主要將模擬信號傳感器輸入的電壓值轉換為相應的物理值，將開關量信號傳感器對應的脈沖計數值讀入，再根據兩次讀入的時間差計算流量；數據緩沖主要將系統處理、計算后的數據送數據緩沖區以便其他連入網絡的其他客戶機共享。該數據采集裝置22可采集泵壓、環空壓力、泵排量、水流量、砂流量和返出流量。根據實際需要，還可測量位置變化(如大鉤高度)、溫度等其它參數。
另外，參見圖2，本發明的防砂數據采集處理設備12還包括數據處理裝置23，數據處理裝置23主要用于曲線回放、數據庫管理、數據回放、報表輸出、資料解釋等功能。其中曲線回放主要完成作業日志信息修改、曲線屬性設置、曲線屏幕預覽、曲線讀值器控制、曲線選擇打印等功能；數據庫管理主要完成對間斷性時間數據庫、曲線數據庫、注釋信息數據庫、采集階段描述信息數據庫的查詢、刪除、修改更新等功能；報表輸出主要完成作業日報表打印、實時記錄曲線報表打印、數據報表打印及相關作業設計報表打印等；資料解釋主要完成作業質量控制、根據數據采集數據信息綜合評價防砂效果、給出防砂效果評價報告等，從而實現防砂數據的采集和處理。
另外，為了更好地實時監控防砂數據采集和處理的情況，根據本發明的防砂數據采集處理設備12還包括一故障報警裝置24。該故障報警裝置24與防砂數據采集處理裝置23相連，用于完成需監測參數的高/低警報門限值設置、超限報警提示、故障報警提示、警報信息解釋、警報信息存儲及瀏覽。它可以給出報警提示方式，報警方式分聲音動畫、語音、顯示三種。可實現系統監測的所有參數的高/低警報處理及部分硬件系統故障。
還有，根據本發明的防砂數據采集處理設備12還包括一實時監測裝置25，該實時監測裝置25用于完成系統初始化、基本數據輸入、數據計算、數據監測、曲線檢測、數據存儲、數據處理。其中系統初始化主要完成采集接口裝置初始化、計數器清零及系統數據庫及系統文件的初始化等功能；基本數據輸入主要完成井名、作業公司名稱、承包公司名稱、油田名稱、作業平臺等基本作業信息的輸入；數據計算主要完成瞬時流量、累計量的計算功能，其主要計算參數有砂水比、累計用水、累計用砂、累計返出、累計沙漿、砂流量、水流量、沙漿流量、返出流量等；數據監測主要完成該系統所有數據的實時顯示及儀表輸出等功能，屏幕數據刷新速度100毫秒；曲線監測模塊主要完成實時曲線屬性設置、實時曲線顯示、曲線閱讀器控制等功能，曲線屬性包括曲線顏色、比例范圍、選擇開關、繪圖速度等；數據存儲模塊主要完成公用數據緩沖區的設置及實時刷新、數據庫存儲等功能，該系統存儲兩種類型的數據庫，一是按防砂作業數據記錄間隔(1至60分鐘)存儲的數據庫文件，稱之為間斷性時間數據庫，二是按100毫秒時間間隔存儲的數據庫文件，稱為連續性時間數據庫也稱曲線數據庫，兩種類型的數據庫、工程日志信息數據庫和采集階段描述信息數據庫共同構成該系統報表填寫、曲線打印、遠程傳輸的數據源。
在不脫離本發明的范圍和構思可以作出許多其他的改變和改型。應當理解，本發明并不限于特定的實施例，本發明的范圍由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種用于油氣田的防砂數據采集處理方法，包括檢測步驟，用于檢測被測壓力和流量，接收步驟，用于接收來自于傳感器的各種防砂檢測數據；其特征在于，還包括數據采集步驟，用于采集來自于防砂數據采集接口裝置的信號；數據處理步驟，用于對所采集的信號進行相應的處理，以及進行數據回放和曲線回放。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述壓力包括泵壓，環空壓力，所述流量包括泵排量、水流量、砂流量和返出流量。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述數據采集步驟包括采集模擬通道上的信號。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述數據采集步驟包括采集數字量通道上的信號。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括實時監測步驟，用于對所處理的數據進行監測，并用于監測曲線。
6.如權利要求1或5所述的方法，其特征在于，還包括故障報警步驟，當所監測的數據超出預設限值時進行報警。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，這樣確定瞬時流量值，即在存儲器中為每個流量建立了各自的數據緩沖區，依次存放N1......Nn個流量數據，對每個數據緩沖區，每計算出一個新流量數據，就將最早計算的那個數據丟掉，而后求包括新數據在內的N1......Nn個數據的算術平均值作為某參數的瞬時流量值。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，由下述公式確定流量值的算術平均值Y(k)＝(X(1)+X(2)+...X(i)+...+X(n))/N，其中X(i)(i＝1，2...n)為第i次計算的流量值，N為濾波因子，Y(k)為最后N次流量值的算術平均值。
9.一種用于油氣田的防砂數據采集處理設備，包括防砂數據采集接口裝置，用于接收來自于傳感器的各種防砂檢測數據；數據采集裝置，用于采集來自于防砂數據采集接口裝置的信號；數據處理裝置，用于對所采集的信號進行相應的處理，進行數據回放和曲線回放。
10.如權利要求9所述的設備，其特征在于，所述數據采集接口裝置包括數字量處理模塊，模擬量處理模塊和串行接口裝置。
11.如權利要求9或10所述的設備，其特征在于，通過兩條導線可以將多個所述數據采集接口裝置串聯在一起。
12.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述數據采集裝置采集防砂數據采集接口裝置的模擬通道上的信號。
13.如權利要求9所述的設備，其特征在于，所述數據采集裝置采集防砂數據采集接口裝置的數字量通道上的信號。
14.如權利要求9所述的設備，其特征在于，還包括實時監測裝置，用于對所處理的數據進行監測，并用于監測曲線。
15.如權利要求9或14所述的設備，其特征在于，還包括故障報警裝置，當所監測的數據超出預設限值時進行報警。
16.一種用于油氣田的防砂數據采集處理系統，包括多個傳感器，用于檢測被測壓力和流量；防砂數據采集處理設備，用于對傳感器所檢測的各種信號進行采集和處理，其中，所述防砂數據采集處理設備包括防砂數據采集接口裝置，用于接收來自于傳感器的各種防砂檢測數據；數據采集裝置，用于采集來自于防砂數據采集接口裝置的信號；數據處理裝置，用于對所采集的信號進行相應的處理，以及進行數據回放和曲線回放。
17.如權利要求16所述的系統，其特征在于，還包括一客戶工作站，通過網絡接口與防砂數據采集處理設備相連，用于對防砂采集數據進行監視和處理，并用于實時數據遠程發送。
18.如權利要求17所述的系統，其特征在于，所述網絡接口為一網絡集線器。
19.如權利要求17所述的系統，其特征在于，還包括一遠程終端，通過因特網或其他網絡與客戶工作站相連，以共享網絡驅動器方式或文件傳輸協議方式接收客戶工作站發送的數據，并對防砂采集數據進行監視和處理。
20.如權利要求17-19任一項所述的系統，其特征在于，還包括一備份處理和遠程發送設備，用于完成報表處理、資料解釋、數據備份和實時數據的遠程發送。
21.如權利要求16所述的系統，其特征在于，所述傳感器選自于下述傳感器(1)泵壓傳感器，(2)環空壓力傳感器；(3)清水流量傳感器；(4)返出流量傳感器；(5)泵沖傳感器；以及(6)砂流量傳感器。
全文摘要
一種用于油氣田的防砂數據采集處理方法、設備和系統。其中所述方法包括檢測步驟，用于檢測被測壓力和流量，接收步驟，用于接收來自于傳感器的各種防砂檢測數據；數據采集步驟，用于采集來自于防砂數據采集接口裝置的信號；數據處理步驟，用于對所采集的信號進行相應的處理，進行數據回放和曲線回放。根據本發明防砂數據采集處理方法，對防砂施工中現場的各種技術參數及數據進行采集、計算、存儲、顯示、曲線處理和數據遠程傳輸。
文檔編號E21B47/00GK1401881SQ01124278
公開日2003年3月12日 申請日期2001年8月23日 優先權日2001年8月23日
發明者白耀民 申請人:中海油田服務有限公司