基于物联网的石油钻机安全监控技术研究

2023-01-05朱小辉郭关波刘晶

中国设备工程 2022年15期

朱小辉，郭关波，刘晶

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010）

石油钻机的工作环境一般比较恶劣，且需要经过复杂的作业流程，安全风险较高，对于施工开采人员来说危险性较高，为了降低石油钻机的安全风险，提升石油钻机的安全性，设计安全监控系统非常有必要，利用物联网技术，实现井下数据信息、图像信息的采集和处理，实时视频监控，危险预警等，可大幅度提升石油钻机的安全性。

1 物联网技术概述

物联网它通过物联网技术将互联网与传感器等设备结合起来，构建一个庞大的通信网络，让人、机、物随时随地进行通信，实现信息可以交换时间和地点。执行智能管理和意识。物联网的核心底层仍然是互联网，但它在互联网之上进行了扩展，是下一代无线通信技术的重要组成部分。常用的物联网技术包括GPRS。NB-IoT、ZigBee 和WiFi。随着物联网技术的飞速发展，许多国家和政府都在加大人力和财力对物联网技术的研究和投入，推动了物联网产业的快速发展。物联网技术结合传感器技术正在慢慢渗透到各个行业。从日常生活到航空航天，我们都能看到物联网的影子。预计未来会有更多行业转向物联网。

物联网可以分为3个层次，每个层次都有不同的功能，从功能上来看，可以分为感知层、网络层和应用层。

感知层采集的信息数据为物联网技术的应用层提供了基础条件。正如我们人类通过我们的五个感觉器官，我们的感觉器官和我们的皮肤感知外部世界的一切一样，我们将其传递给大脑进行分析和处理，以确定我们的行动。物联网技术的认知层主要利用设备标签技术、射频技术、传感器网络技术、远程控制等相关技术，形成物联网五感官、感官、皮肤，并采集相关数据。外部物理世界的感知层。

物联网技术的网络层就像人脑的中枢神经系统，基于无线网络通信。网络层利用无线网络技术完成设备接入和可靠的数据传输功能，为信息交换和数据传输提供稳定可靠的连接路径，主要解决识别层获得的数据传输问题。连接属于。这是介于应用层和感知层之间的层。是物联网技术的重要组成部分。

物联网技术的应用层就像人的大脑，人从外部获取相关信息，进行思考，得出结论。物联网技术的应用层从识别层接收数据，然后控制数据的分析和处理，识别层主要解决信息处理和人机交互的问题来实现和实现发展。

2 安全监控系统构成

智能安全监控系统由图像数据采集模块、图像数据处理模块、输出报警模块和视频监控模块四个部分组成。

2.1 图像数据采集模块

目前市场上常用的一种视频监控模块是由摄像头和网络硬盘录像机组成，这是为了便于图像信息的采集，在选择摄像头的时候，一定要根据实际情况和需求，选择合适的摄像头类型和模型，尤其是摄像头要高清摄像头，才能保证拍到的图像信息比较真实可靠，而网络硬盘摄像机可以实现图像信息的储存，用户可以通过网络硬盘摄像机的参数设置模块，设置一个偏向自己喜好的图像采集方式和储存方式，同样可以实现有效的图像数据信息的筛选和利用。

2.2 图像数据处理模块

石油钻井设备中安全监控系统组成中，最重要的一个组成部分就是图像数据的处理内容，一个好的图像数据处理系统能够保证操作者良好地控制石油钻井设备，目前最常用的一种图像数据处理模块是基于物联网实现的，要高于普通的视图像数据处理器。当摄像头采集到图像信息之后，该部分需要对图像信息进行预处理，对图像进行灰度处理、降噪处理、颜色处理等一系列的算法操作，在完成这些内容之后，该模块会将图片信息与现实世界的坐标位置进行链接，从而便于操作者实时观察现场情况，同样的也会与报警模块连接，当出现风险时，会传输到报警模块提醒操作者积极规避风险。

2.3 视频监控模块

视频监控模块是基于物联网设计的用户与系统之间的交互平台，用户可以通过视频监控模块进行自定义的参数设计，从而达到更好地操作系统的目的，该部分主要通过显示部分显示当前平台监控到的图像信息，然后有一个操控模块，提供给操作者进行该视频监控中出现的问题的监控，智能化的电子设备更能满足用户的偏好需求，以及一些人性化的内容设置，更能让操作者实现对石油钻井设备的操控。除此之外，还有一些更智能化的操作部门，允许用户通过过滤、配置、跟踪、保存、实时监控和保存参数软件。我们为收集的视频信息运行一个程序。用户只需根据监控区域的时间坐标配置现场平面图，制定与工票信息对应的安全作业指导书，并保存设置，即可达到减轻监管人员劳动强度的目的。

2.4 输出报警模块

报警系统是与图像信息处理模块相连接的，当图像信息处理模块将图像信息处理之后，如果由风险问题，就会通过报警模块进行报警，报警模块也会进行图像信息传输的内容的分析，当该模块分析图像信息有问题或需要报警提示时，模块的中枢系统就会发出警告，将判断结果传输到监控室，同时也传送到操作控制人员的视频监控模块中，从而便于操作者做出正确的判断。

3 安全监控系统设计

3.1 顶驱监控设计

旋挖钻机已经逐渐消失在石油钻井工作环境中，现在主要使用的是一种顶驱钻井系统，顶驱钻井系统能够为石油钻机持续提供动力，并保证钻井设备的使用，而且减少了司钻与管体的连接次数，同时还可以保证钻井液的重复使用，降低了成本，因此研究顶驱钻机的运行状态非常重要，进行顶驱系统的实时监控，可实现钻井工作的顺利进行。

顶驱钻井系统主要由顶钻电机总成、电机支架/导向块总成、钻杆总成上下料装置等辅助系统组成。顶钻电机组件提供钻孔动力，并让电机转速和电机温度指示电机是否正常运行。冷却风扇的风压也会影响电机温度，因此需要监测。如果发生需要电机停止的事故，例如在钻孔过程中钻头被夹住，则必须控制制动缸中的压力。控制系统的自动控制，以及启动和关闭的操作，可以通过设置制动缸压力的参数来实现。钻杆总成的修理或拆卸单元提供起下钻服务，顶驱钻机的最大优点是可以节省钻井时间，减轻操作人员的劳动强度。因此，监测该位置对于钻井作业非常重要。通过控制转塔头电机，可以实时掌握转塔头的位置，通过控制倾斜结构的气缸压力来确定倾斜位置结构。更重要的是，可以监测井内压力，及时触发报警。

3.2 移动区块挂钩监控设计

在石油钻机使用的过程中，司钻一定要持续运行，才能保证孔位的准确，在钻孔的过程中，多数是处于单孔状态，因此需要连续不断的进行钻孔，因此这是需要对司钻部分添加一个特殊的挂钩装置，主要是为了保证在司钻的运行过程中，如果出现问题时，可以通过手动来解决当前的问题，并且保证司钻的安全运行。而且在井架的下方安装的有传感器装置，主要时为了用来实时监测司钻的位置和高度，方便司钻的工作，司钻在钻孔的过程中，需要面对不同的作业压力，在不同的作业压力下，应该选择不同的吊块，也就是所谓应急装置，当出紧急情况时，紧急装置就会启动，从而保证石油钻机的安全使用。光敏传感器和应急装置，一个判断司钻是在作业中还是停止状态，而应急装置是当司钻出现紧急情况时，例如被卡住，停止了工作，两个同时进行反馈，将控制系统进行关闭，从而避免事故的发生，大幅度的提升了石油钻机的使用安全性。

3.3 井架和司钻控制室监控设计

司钻的工作环境监控非常重要，良好的工作环境才能保证钻井设备的良好运行，为了更好的实现司钻的工作环境，需要定期对井架进行监控，并且保证司钻工作的安全，而司钻控制室是控制司钻工作的地方，需要设计一个基于PLC 的报警系统编程，在系统中设置一个临界值，当司钻在作业中，达到临界值时，此时的预警系统就会进行预警，控制室作为该部分的中枢系统，对于石油钻井设备的安全运行有重要的作用，工作环境的监测也非常重要，对于环境的温度和湿度的监测，才能保证司钻设备的使用寿命，降低腐蚀的进程，从而减低石油开采的成本。同时也要对井架进行定义检查，出现问题时，要及时进行停业检查和维修，保证石油开采作业的安全。

3.4 安全监控软件功能的实现

（1）数据收集。钻机设备安全运行平台的主要数据采集库是由King IO Server 支持的，该内容可以实现数据信息的自动化采集，从而进行数据分析和整理。

（2）数据交互。数据交互安全协议主要采用Modbus/TCP 协议和WITS 协议，这2 种协议不仅能保证交互数据的安全，还能实现有线设备的数据交互，也可以实现无线数据的交互，从数据交互安全协议，视频安全监控平台可以实现数据信息的收集和集成，并将视频信息在监控界面进行展现，同时将数据信息储存到平台数据库中，便于操作人员可以查看历史数据，同时面对这些数据信息，动态数据信息的交互，可以通过ODBC 和API 2 种接口来实现动态信息数据的交互。

（3）人机界面开发。人机交互界面主要包含7个组成部分，每个组成部分有不同的功能，一是用户登录管理界面，可以进行用户的登录操作；二是登录主页界面，主要用来展示用户的基本信息和一些常规的操作，保证用户的信息安全；三是工作状态监控界面，用来实时监控钻井设备的工作状态和遇到的工作情况；四是单元作业状态监控界面，主要监控系统的工作状态，监测系统是否在稳定运行当中；五是电子巡检，主要作用是监控整体的系统，保证系统的安全运行；六是预警报警界面，当系统运行出现问题或者钻井设备出现故障时，该功能就会自动报警和预警，提醒操作者注意及时规避风险；七是报表和趋势曲线界面，主要作用的是监控系统的工作状态并汇集成表格和数据信息，便于操作者查看。

（4）视频图像嵌入。石油钻井平台安全监控中的重要组成部分为视频监控部分，可选择King SCADA 作为石油钻井平台安全监控的视频监控系统。King SCADA 表现良好，具有较强的可扩展性，同时还能接受来自于网络的视频，并将视频展示在人机交互的视频监控界面。

（5）数据库链接设计。数据库在链接的过程中，主要的数据库链接步骤可以分为5个步骤，第一步是在安全监控系统中创建数据源，便于数据的查找、储存和利用；第二步创建记录体，主要目的是可以实现数据的搜索；第三步进行数据库链接，利用算法函数，编辑命令脚本，当系统被启动时，就可以自动链接到数据库；第四步创建数据表格，主要储存位置为SQL 数据库，创建格式统一的数据表格，可以更好的实现数据实时搜查查找；第五步利用SQL 语句以及King SCADA3.1 的脚本函数，进行数据库控制脚本的编写，实现数据库的稳定链接。