地质钻孔钻探过程中会涉及到众多数据参数，这些参数实时反映出钻机的运行状态和钻探成果，技术人员需要实时、准确地获得钻探的数据参数，通过分析、计算这些数据来了解工程的情况，以优化施工方案、预防和排除事故隐患、解决复杂问题，因此钻探参数的实时传输监控非常必要[1]。

目前钻孔钻探现场用电线将传感器与控制器连接，电线杂乱排列，现场非常凌乱，易受到施工过程中或人员的无意破坏，直接影响钻井作业，给钻探工作带来不便[2]。大型钻场同时分布了多个钻孔，这些钻孔钻探岩性大多是相关的，现在采用单钻孔分别记录的方式，钻探数据是孤立的，不利于整个钻场的数据联合反演，并且外地的专家不能及时得到资料而不能进行指导。因此建立现场数据采集、传输、处理一体化的钻探参数无线监控系统势在必行，通过物联网技术，将现场传感器无线连接起来，结合移动通信技术，采集到数据实时发送给数据中心和专家终端，构建一个基于物联网技术的钻孔钻探参数无线监控系统平台。

1 总体设计

钻孔钻探参数无线监控系统是一个复杂的参数采集、传输、处理以及控制系统，其主要包括3个部分：1）钻井现场钻探参数的无线采集终端，起到收集众多分算数据的目的，终端数量可以根据钻场情况增减；2）现场指挥中心的近距离无线数据传输以及显示，现场工程师可以根据实时显示的参数数据，第一时间处理不合理的钻探操作；3）外地数据中心的远距离数据无线传输以及实时显示，外地专家调取数据中心的实时数据，可以同时对整个钻场的多个钻孔参数联合反演，给出顶层的操作建议。本文设计的系统平台实现了以上3个部分的内容，图1是系统平台结构框图。

图1 系统平台结构框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片CC2630介绍

主控芯片采用TI公司的CC2630，其是符合Zigbee协议的低功耗芯片，采用ARM Cortex-M3内核，具有20 kB数据存储器和128 kB程序存储器以及8 kB的数据缓存，外围资源丰富，具有8通道200 ksps采样率的12位模数转换器，本系统利用其中3个通道分别采集钻井液入口温度、出口温度和钻井液密度，具有4个32位定时器，利用其采集钻机转速，还利用其UART和SPI接口以及高达31个GPIO与其它外围电路通信，CC2630芯片功耗低，3种不同的封装以及宽电压范围可以在不同的应用环境中使用。

2.2 钻孔现场钻探参数采集

钻孔现场钻探参数采集部分由8个Zigbee节点终端组成[3-5]，根据需要，节点数量还可以增加，以VQFN32封装的CC2630作为节点模块的控制核心[6]，从钻机上读取钻孔深度、钻压、扭矩等数据，用PT100采集钻井液入口温度或出口温度，用CC2630自带的ADC进行模数转换，采样率设置为1 ksps；用磁感应非接触式霍尔传感器采集钻机转速数据，安装时传感器面距离磁珠转盘面3 mm左右，保证信号完好的同时又不影响机械转动，由于霍尔传感器电路是集电极开路的，需要2 kΩ的上拉电阻；钻井液密度采集采用中南大学电子设备厂生产的一体化结构的传感器，测量精度0.005 g/cm3，12VDC供电，4～20 mA电流输出，利用运算放大器TL081CP把电流信号转化为0.4～2 V的电压信号，利用CC2630自带的ADC进行模数转换传输，在转换电路的前端采用0.1%精度的100 Ω金属膜电阻，为了防止干扰，在输入电路上并接0.01 uF瓷片滤波电容，并用2只IN4148构成电压保护电路，在使用中发现钻井液密度传感器的零点电流有误差，在3.7～4.2 mA之间偏移，需要加入零点偏移校准电路，保证每个钻孔采集的钻井液密度是准确的，具有可比性和可参考性。

钻孔钻探参数通过无线方式实时传输到远程数据中心，钻孔负责人和分布在全球的各地钻探专家可以通过连接在Internet网上的计算机访问钻井数据服务器，能及时的获取钻井钻探数据，通过分析这些数据实时的了解钻进的进展，为判断设计是否合理、以后的工作方案是否需要优化等提供数据支持，同时大大减少事故隐患[16]。基于Labview实现的远程数据中心实时监控系统软件中显示部分的程序图主要有3部分构成[17-18]，下面分别详细介绍。

2.3 现场指挥中心无线监控

为了在保障农民利益的前提下充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，将价格形成交由市场决定，以促进产业上下游协调发展，2014年中央一号文件提出对临时收储政策进行改革，并以棉花和大豆为试点实施目标价格政策。目标价格政策试点实施三年后，2017年3月23日国家发改委发布消息，要调整东北大豆目标价格政策，统筹玉米、大豆补贴机制。这意味着实施了三年的东北大豆目标价格政策会被取消，进而实行像玉米一样的市场化销售加补贴的政策。围绕大豆目标价格政策的提出、试点和退出，学者开展了大量研究，从不同角度分析大豆目标价格的政策效果。

钻孔现场指挥中心监控系统以VQFN48封装的CC2630作为主控制器[10]，通过Zigbee协议和节点终端交互数据[11-15]，将8个节点终端采集的数据汇总成一个60字节的数据包，加上16字节的日期时间等信息，构成76字节的钻探参数帧数据包。时钟芯片采用高精度的DS3231芯片，3.3 V电压供电，可实时产生秒、分、时、日、月、年等信息，与CC2630采用IIC接口通信，地址默认为0x57，实测每周的误差约2秒，在可接受范围之内。帧数据需要在钻孔现场存储并显示，以便现场工程师分析数据。系统采用900 nit亮度可阳光下可视的5.6寸DMT64480S056屏幕显示数据，其与CC2630串行接口通信，显示屏是工业级的，实验测试在零下20摄氏度的北方雪地环境和高达50摄氏度的沙漠环境下都能长期稳定运行。数据存储部分如图3所示，采用M25P128存储数据，其存储容量是16 M字节，按每3秒存储1帧，每帧钻孔参数数据76字节计算，整个存储器可以存储175.4小时的数据，能满足实际的需求，其与CC2630采用SPI接口连接通信。

图2 电源转换器LTC3256原理图

图3 数据存储电路原理图

2.4 远程数据中心无线监控

第一部分是接受Internet网络传输过来的数据，首先，打开UDP函数，本系统采用的端点号是9 798，此端点号不是我们常用端点，保证数据的唯一性，然后启动读取UDP数据函数，从UDP端口读取数据并在数据输出中返回结果，数据包是我们自定义的长度为76字节的数据，包括钻探参数、时间信息和钻孔号等内容，由于钻孔现场数据传输装置的发射心跳时间是间隔1 000毫秒发送一次，此处的最大超时时间设定是2 000毫秒，具体实现程序如图4所示。

放疗的毒性反应较强，治疗期间应采取以下护理措施：①照射野皮肤护理。照射野皮肤会产生发痒、红斑、脱皮等症状，或发生放射性皮炎，不宜抓挠，避免冷热刺激，不宜反复清洗，放射性皮炎患者可在患处涂抹冰片滑石粉；②骨髓抑制的处理。长时间大面积放疗，会引起骨髓造血功能损伤，白细胞下降，病情严重时，应停止放疗，应用升白细胞药物，同时做好保护性隔离措施；③食道反应的护理。患者存在吞咽困难的问题，治疗期间宜进流质/半流质食物，忌食粘性或带骨头、鱼刺的食物，吞咽疼痛患者，可在餐前10 min口服适量黏膜表面麻醉剂，以缓解疼痛。

3 系统软件设计

每个Zigbee节点采用2节3 500 mAh的18 650锂电池作为供电电源[7-9]，满载电压8.4 V，持续工作电压不低于7.2 V，由于节点终端要连续长时间稳定工作，电源使用效率和纹波等级是关键因素，本系统节点终端中采用LINEAR公司的LTC3256作为电源转换器，其输入电压范围是5.5 V到38 V，能提供最大2.8 W功耗降幅的固定的5 V/100 mA和3.3 V/250 mA输出，转换效率高，发热量低，电路原理图如图2所示。实际使用表明LTC3256电压转换模块能够满足每个节点的要求，以功耗最大的钻井液密度采集节点为例，实测其5 V耗电电流是39 mA，3.3 V耗电电流是67 mA，节点模块连续运行稳定且只有微热。

钻孔现场采集的钻探参数需要实时传输给远程的数据中心，供外地有权限的专家和工程师查看，需要远程传输的有效钻探参数是76字节（包括头字节和校验字节），每3秒刷新1次，远程无线模块采用华为MG301通信模块，其与CC2630串行接口通信，由于CC2630的唯一串口被LCD占用，故利用其第17和18的GPIO引脚模拟串口协议通信，1个起始位，8个数据位，1个停止位，波特率9 600，部分传输程序如下所示：

（5）把握发散与归纳的“度”。课前学习活动由教师围绕学习目标进行设计，学生课前预习，收集相关资料，要避免只看到问题的点而忽视问题的面，出现发散过度以至偏离问题中心的现象。课上，教师及时引导、启发、点拨、鼓励、评价，在看似发散的学习活动中自然流畅地归纳出本课知识点，在培养学生能力中达到德育课教学的情感、态度及价值目标。

图4 UDP接收数据程序图

第二部分程序的作用是转换数据格式，UDP函数传输过来的数据是字符串格式，要对数据进行处理前必须转换成数值类型，图5所示程序的功能有两个，左边for循环框作用是把60字节长的监控数据字符串转换成十进制数值，右边for循环框作用是把数据分成10组，每组6字节，按照自定义协议恢复出每个钻探参数的数值，数值由6位数构成，精确到小数点后2位。此数值还被处理程序调用，用曲线的方式显示，以便分析单个钻探参数的时间变化曲线。

第四步，根据风险估计的结果确定总体风险等级。本次项目共存在隐患风险点123处，其中，必须实施风险管控的II级风险点，且会产生严重或非常严重后果的风险点有10处，占总数的8.1%；可采取风险处理措施的III级风险有22处，占总数的17.9%。因此,本项目必须采取风险控制措施以消除或降低风险。

图5 处理监控数据程序图

第三部分程序的作用是显示。如图6所示，钻孔钻探参数在一个界面中同时显示。

图6 钻孔钻探参数显示程序图

4 监控系统测试

图7是本文研制的钻孔现场指挥中心监控系统仪器实物图，仪器面板中包括控制键盘、显示LCD、电源接头、GPS天线、3根数据传输天线，同时仪器面板上还装配了一个19芯接头，目的是为了跟以前的电缆系统对接，可以最优化最经济改造现有的钻机系统。仪器经过了多次模拟环境测试和江汉石油油田现场测试，运行稳定。

图7 监控系统仪器实物图

图8是在江汉石油油田现场测试的其中一桢钻孔钻探参数，现场采集到的地面和井下钻探参数实时显示在仪器LCD屏幕上和远程数据中心服务器屏幕上，显示的钻探数据包括钻孔深度、钻井压力、泵压力、扭矩、钻速、转速、出口流量、入口流量、出口温度、液面高度、钻井液密度等。

图8 远程监控软件显示界面

表1 其中一帧钻孔钻探参数

参数名称钻孔深度钻机转速泵压钻机钻速钻井液入口温度钻井液出口温度液面高度钻井液密度钻杆扭矩数值552.5 301 6.78 1.5 16 29 98.5 1.01 1 099.5单位m r/min MPa m/h℃℃c m g/cm3 N.m

5 结 论

钻孔钻探参数无线监控系统采用了物联网技术和现代移动通信技术，通过无线的方式对钻孔现场分算的钻探数据进行采集、处理和传输，使钻探参数能同时实时的显示在钻孔现场工程师和远程专家的面前，及时处理钻孔钻进过程中出现的问题，提高了决策的机动性，改变了传统钻孔作业的工作方式，提高了工作效率，并且有利于同一钻场不同钻孔之间的联合反演解释，特别对于大型的石油钻场有明显的优势。监控系统进行了多次现场实验，实验结果证明了系统设计的合理性，系统实用性高，性能稳定，具有良好的市场应用前景。

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