钻井现场硫化氢气体监测系统设计.pdf

钻井现场硫化氢气体监测系统设计Design of Hydrogen Sulfide Gas Monitoring System for Drilling Sites王心月1 孙士平1通信作者 张奕震1 李涛2（1.长江大学电子信息与电气工程学院，湖北荆州 434023；2.湖北师范大学电气工程与自动化学院，湖北黄石 435002）摘 要 针对油田钻井开采过程中经常产生硫化氢气体的情况，设计了一套硫化氢气体监测系统，实现了对钻井现场硫化氢气体浓度的在线监测及数据的远程传输。本监测系统以STM32单片机为核心，使用半导体式可燃气体传感器，利用ESP8266无线通信模块，通过MQTT协议实现现场监测系统与管理端云平台的数据交互，达到数据远程传输和远程管理的目的。实验表明，该系统可以实现硫化氢气体浓度的远程实时监测、定期自检等功能，能够及时发现并解决问题，显著增强油田工作现场的安全性，具有较好的市场推广价值。关键词 STM32单片机；气体传感器；多点监测；无线通信中图分类号 TE937 文献标识码 B钻井现场硫化氢气体监测系统设计王心月，等基金项目：国家自然科学基金项目“有人参与的复杂多智能体网络的协同控制”（61873287）0 引言在石油天然气井的开采阶段，特别是在开采高压深井时，常常面临地层中存在硫化氢的问题1。一旦硫化氢气体含量超标，会造成油气井发生井喷失控，不仅危害到人们的生命安全，还会对环境造成极大损害2。因此，钻井现场必须时刻监测硫化氢气体的浓度，避免硫化氢中毒等事故发生，保障安全生产3。无线传感器网络克服了现有硫化氢气体监测中有线通信网络不易部署的缺点，具有低成本、低能耗的优点。这一技术的应用在环境监测领域正逐步扩大，并取得了显著的应用效果4。本研究将无线传感器网络应用于硫化氢气体监测中，通过无线传感器网络对各个传感器进行及时监控，并利用STM32单片机对获取的数据进行分析处理，最终将处理后的数据通过网络上传到监测中心5，使工作人员能够远程实时监测钻井现场的硫化氢气体浓度，并及时采取措施。1 系统整体设计方案硫化氢气体监测系统包括检测模块、基于STM32F103 单片机的主控模块、ESP8266 无线通信模块和云平台模块。总体设计框架如图1所示。硫化氢气体监测系统使用硫化氢气体传感器采集油田钻采过程中可能会产生的硫化氢气体的浓度，以模拟信号的形式输入单片机的 A/D转换输入端，并通过 MQTT 协议将得到的数字信号-11仪器仪表与分析监测 2024年第2期由无线通信模块推送至云平台，一旦气体浓度超标，将立即启动报警装置。用户可通过云平台远程实时监测环境中硫化氢气体的浓度，并根据情况下达指令开启喷淋装置和通风系统等设备。2 系统硬件设计2.1 系统电路框图本系统以 STM32 单片机为控制核心，采用STM32F103ZET6自带的 A/D 转换电路，ADC 的分辨率为12位。传感器在恒压电源供电下检测硫化氢气体浓度，将硫化氢的浓度信息以模拟电压的形式传送至 STM32 单片机的片内 AD，经过单片机的计算处理得出浓度值，并通过 ESP-01S 的WiFi 模块以无线通信的方式将浓度信息传输至OneNET云平台；同时OneNET云平台也可以通过WiFi向该系统发送控制信号，当气体浓度超过一定的范围时，单片机通过 LED 灯闪亮进行报警，并通过控制开关打开通风系统和喷淋装置等设备。硫化氢气体监测系统如图2所示。系统主控芯片选择 STM32F103ZET6 单片机，其具有低功耗、引脚数量多的优点，可满足连接传感器及无线通信模块的需求，且运算速度快。根据硫化氢气体具有腐蚀性的特性，选择 MQ-136硫化氢气体传感器。图2 硫化氢监测系统框图无线通信模块选择 WiFi模块 ESP-01S，该模块核心处理器为 ESP8266，集成了 Tensilica L106 32位微型MCU（Microcontroller Unit），功耗极低，且带有 16位精简模式，封装尺寸较小。ESP8266的主频支持 80 MHz 和 160 MHz，同时支持RTOS（Real Time Operating System），集成 WiFi 的 MAC/BB/RF/PA/LNA板载天线，支持标准的IEEE802.11 b/g/n协议，具有完整的TCP/IP协议栈，是高性能的无线片上系统，能以最经济的成本提供最大实用性，为WiFi功能嵌入其他系统提供了广泛的应用可能性。借助该模块，用户能够为现有设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。云平台选择OneNET平台，该平台由中国移动开图1 总体设计框图-12发，是一种PaaS（Platform as a Service）物联网开放平台，它不仅能够轻松实现设备的连接，还提供了全面的物联网解决方案，可以对物联网设备数据进行高效的管理和展示。2.2 传感器监测电路硫化氢气体传感器使用 MQ-136 半导体式气体传感器，采用双路信号的形式输出。如果用户选用模拟量输出，硫化氢气体传感器的输出信号将以模拟量的形式输送至单片机的 AD 转换输入端。如果用户选用数字量输出，硫化氢气体传感器的信号会以TTL电平的形式输送至单片机的IO口。当浓度值超过阈值时（可通过调节电位器RP调整输出电平跳变的阈值），传感器产生低电平信号，反之，传感器产生高电平信号。为了更精确地得到硫化氢气体浓度信息，本硫化氢气体监测系统主要选用模拟量输出。硫化氢气体检测流程如图 3所示，硫化氢气体传感器原理如图4所示。图3 硫化氢气体检测框图3 系统软件设计系统软件设计主要包括数据采集、数据处理及数据传输等功能，采用 Keil uVision5 作为系统的开发软件，使用Keil公司开发的ARM开发工具MDK（Microcontroller Development Kit）作为系统的开发环境。数据采集主要通过采集硫化氢气体传感器的输出信号，经过单片机计算处理以后，通过无线网络上传至云平台。采集设备与云平台之间采用 MQTT 协议进行通信，可以极少的代码和有限的带宽在设备与云平台之间建立起高效、可靠的通道，为远程设备提供实时消息服务。单片机主程序流程如图5所示。系统初始化完成后，单片机通过串口将读取到的传感器浓度数据图4 硫化氢气体传感器原理图图5 单片机主程序流程图钻井现场硫化氢气体监测系统设计王心月，等-13仪器仪表与分析监测 2024年第2期发送至 ESP-01S，再由 ESP-01S 将浓度数据经由WiFi发送至云平台。一旦监测到硫化氢浓度超过设定的安全阈值，单片机将立即启动警报灯，并向云平台推送“硫化氢泄漏”和浓度数值信息，用户可以通过云平台下达指令，指令数据经由WiFi发送给单片机。4 测试结果研究人员对标定硫化氢气体浓度进行检测，得出测试结果如表1所示。由表1可知，测试的最大误差为4%，远低于5%的国家标准。本系统能实时、精确地监测油田工作现场的硫化氢气体浓度，并在其达到安全临界浓度值时及时通知工作人员处理突发状况，采取相应措施。5 结论本文设计了一套基于STM32单片机的钻井现场硫化氢气体监测系统，整个系统满足环境所需的技术指标。监测系统应用了无线传感器网络进行硫化氢气体浓度检测，提高了钻井采油开发过程中硫化氢气体监测的准确性和可靠性，防控效果得到大幅提升。本系统采用无线通信的方式将传感器数据传输至云平台，极大地减少了电缆沟开挖的工作量，节省了人力物力，并大大提高了钻井现场工作的安全性。该监测系统显示信息准确，使用方法简单，工作人员能够及时应对可能出现的特殊情况，满足了现代油田开采的安全性和实用性需要，具有很好的应用价值和前景。通信作者：孙士平，参考文献：1徐娟.井场硫化氢监测防护系统的设计J.云南化工,2018,45(04):135.2杨振东,金化线,孙昊.硫化氢监测仪在生产中潜在的安全问题分析J.化学工程与装备,2019,(11):241-242.3周田田.含硫油气井中的硫化氢气体监测和防护应急程序J.中国石油和化工标准与质量,2021,41(14):39-41+43.4王学军.浅谈无线传感器网络在环境监测中的应用J.皮革制作与环保科技,2022,3(07):72-73+77.5王慧莹.无线传感器网络在环境监测中的应用J.科技创新与应用,2021,11(28):173-175.表1 硫化氢气体检测测试结果标定值10ppm20ppm30ppm40ppm50ppm60ppm70ppm80ppm90ppm100ppm测量值/ppm10.420.330.340.150.060.370.280.390.2100.1误差/%+4+1.5+1+0.250+0.5+0.29+0.38+0.22+0.1标定值/ppm110120130140150160170180190200测量值/ppm110.3120.1130.0140.1150.1160.1170.0180.0190.0199.8误差/%+0.27+0.080+0.07+0.06+0.06000-0.1-14