CN204632083U - 井喷应急演练模拟系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种井喷应急演练模拟系统，包括喷射系统、蓄水池及供水管线、回水管线、应急处理监测系统和上位机，所述的喷射系统包括喷头、高压输送管线、水泵、变频器；所述的蓄水池通过供水管线供水，所述的水泵通过变频器与接收来自上位机的控制信号；所述的应急处理监测系统包括设置于井喷现场需要观察的各类仪表、开关上加装的传感检测装置，所述的传感检测装置将采集到的仪表的读数和开关的开关情况发送至上位机。本实用新型井喷模拟系统以最大程度模拟高压流体连续不断的涌入井筒，喷出地面为设计原则，由清水模拟井底流体，以完全可控的方式从井筒内向上喷射出钻井平台，喷射的液体流量大小和学员的操作联动，由系统自动控制输出。

Description

井喷应急演练模拟系统

技术领域

本实用新型涉及一种井喷应急演练模拟系统。

背景技术

全世界各大产油国几乎都含有H2S气藏,含硫化氢气井的开采是具有高度危险性的作业,在含硫气井开采过程中,井喷事故的发生层出不穷。不管是国内还是国外公众利益也在油气开发生产过程中需要得到充分保护。为确保在含硫化氢油气田开发过程中减少安全事故，降低事故带来的经济损失，所以在应急演练中特别制定出井喷应急演练模拟及逃生方案。本实用新型将在保证人员安全的前提条件下尽可能的模拟真实事故的产生、处置、及后续工作安排过程。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种井喷应急演练模拟系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：井喷应急演练模拟系统，它包括喷射系统、蓄水池及供水管线、回水管线、应急处理监测系统和上位机，所述的喷射系统包括喷头、高压输送管线、水泵、变频器；所述的蓄水池通过供水管线供水，所述的水泵通过变频器与接收来自上位机的控制信号，将蓄水池中的水通过高压输送管线进行喷射；所述的回水管线对喷射的水向蓄水池进行回水处理；所述的应急处理监测系统包括设置于井喷现场需要观察的各类仪表、开关上加装的传感检测装置，所述的传感检测装置将采集到的仪表的读数和开关的开关情况发送至上位机。

井喷应急演练模拟系统还包括一个找坡型蓄水导流板，所述的蓄水导流板通过回水管线将回水处理的水送入蓄水池；所述的蓄水导流板设置于井架平台下方。

井喷应急演练模拟系统还包括一个有毒气体检测系统，所述的有毒气体检测系统包括便携式硫化氢检测仪，所述的便携式硫化氢检测仪包括无线模块、第一微控制器、DA转换模块、放大电路、AD转换模块、第二微控制器和数字显示模块；所述的无线模块接收来自上位机传送过来的信号，无线模块的输出端与第一微控制器连接，第一微控制器的输出端与DA转换模块连接， DA转换模块的输出端与放大电路连接，放大电路的输出端与AD转换模块连接， AD转换模块的输出端与第二微控制器连接，第二微控制器的输出端与数字显示模块连接。

井喷应急演练模拟系统还包括一个数据服务器，所述的数据服务器用于存储数据。 

井喷应急演练模拟系统还包括一个抢险人员定位系统，所述的抢险人员定位系统包括多个有源电子标签、多个传感器、网络交换机；所述的有源电子标签设置于抢险人员身上，所述的传感器的信号覆盖整个监控区域，所述的上位机为导入整个监控区域多维地图的上位机，所述的上位机为导入多个传感器的位置数据、仰角数据和偏角数据的上位机；所述的传感器的接收端接收来自有源电子标签发送的信号并对其进行解码，所述的传感器的发送端将解码得到的数据通过网络交换机发送至上位机，上位机将得到的数据进行拟合并给出判定结果。

所述的多个传感器包括一个主传感器和至少一个从传感器，所述的从传感器的时间同步接口通过时间同步线与主传感器的时间同步接口连接，所述的从传感器的以太网数据传送接口和主传感器的以太网数据传送接口均通过网线连接至网络交换机；所述的传感器的发送端还将时间差数据通过网络交换机发送至上位机；所述的传感器处于绝对水平位置；

所述的多个传感器的位置数据为包括以其中一台传感器为坐标原点、确定一个横向方向为X轴、面向横向方向的为Y轴、垂直于水平面方向为Z轴的所建立的坐标系，以及所有传感器在所述坐标系所处的坐标。

所述的抢险人员定位系统还包括一个DHCP服务器，所述的DHCP服务器用于给传感器动态分配IP地址，并且分配和上位机相同的子网和子网掩码，所述的DHCP服务器与网络交换机连接。

所述的有源电子标签为发送超宽带无线电脉冲的有源电子标签；所述的有源电子标签包括用于识别的LED灯、用于激活标签的震动传感器和用于触发事件的按钮；所述的传感器为高精度超宽带传感器，所述的传感器包括一组天线阵列和一个超宽带无线接收器；所述的传感器与网络交换机之间通过超5类网线连接。

本实用新型的有益效果是：（1）井喷模拟系统以最大程度模拟高压流体连续不断的涌入井筒，喷出地面为设计原则，由清水模拟井底流体，以完全可控的方式从井筒内向上喷射出钻井平台，喷射的液体流量大小和学员的操作联动，由系统自动控制输出，后期也可根据实训情况，手动实时调整井喷大小；（2）本实用新型在应急演练人员身上安装有源电子标签，通过传感器对有源电子标签进行定位之后，将数据上传至上位机进行拟合，实现定位及跟踪；（3）采用主传感器与从传感器配合使用的蜂窝系统，一个小的单元由几个协同工作的传感器组成，大的区域由多个类似的小单元构成，数千个传感器可集成到系统中用于监控广阔的区域中存在的成千上万个标签，并且传感器可通过不同的方式连接到一起，满足设备成本及定位精度；（4）当传感器连接到POE交换机后，大多数POE交换机支持软开关功能，这对管理传感器供电来讲将会很方便，对于供电不是很方便的环境如仓库屋顶就可以采用POE 交换机供电，工程部署将会很方便；（5）主从传感器结构相同，使得在购买的时候更加方便；（6）采用激光测距仪测量坐标位置，更加快速精确；（7）采用超宽频的标签和传感器，而使用超宽频可以从反射信号中识别出直接的路径信号，使得精确的定位脉冲变得简单；（8）采用改进后的便携式硫化氢检测仪，使得本实用新型更加具有实用性。

附图说明

图1为现有技术的便携式硫化氢检测仪工作原理图；

图2为本实用新型结构方框图；

图3为本实用新型便携式硫化氢检测仪结构示意图；

图4为抢险人员定位系统结构方框图；

图5为井喷失控前模拟步骤流程图；

图6为井喷失控后模拟步骤流程图；

图7为定位跟踪子步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案：如图2所示，井喷应急演练模拟系统，它包括喷射系统、蓄水池及供水管线、回水管线、应急处理监测系统和上位机，所述的喷射系统包括喷头、高压输送管线、水泵、变频器；所述的蓄水池通过供水管线供水，所述的水泵通过变频器与接收来自上位机的控制信号，将蓄水池中的水通过高压输送管线进行喷射；所述的回水管线对喷射的水向蓄水池进行回水处理；所述的应急处理监测系统包括设置于井喷现场需要观察的各类仪表、开关上加装的传感检测装置，所述的传感检测装置将采集到的仪表的读数和开关的开关情况发送至上位机。

在本实施例中，改造的仪表和开关包括：立压表、套压表、回压阀、停机开关、停车开关、停炉开关。

蓄水池采用开敞式圆形蓄水池结构，池体由池底和池墙两部分组成。水池地基承载力按10 t/m²设计，池底板为C15混凝土，厚度10cm，池壁为M7.5浆砌石，其厚度根据荷载条件按标准设计或有关规范确定。

井喷应急演练模拟系统还包括一个找坡型蓄水导流板，所述的蓄水导流板通过回水管线将回水处理的水送入蓄水池；所述的蓄水导流板设置于井架平台下方。

回水管线可根据井架结构设计具体施工方案，利用井架平台的水平平面结构，回水方式可采用普通找坡型蓄水导流板结构，为了尽可能和现场一致，可将井架平台改造为双层金属网板形式，导流板设计在两层网板的夹层。

喷射系统首先需对喷头进行定制，喷头采用多口径组合方式，围绕钻井平台的井筒中心以环形展开，喷射水柱中心直径约1500mm，根据井喷事故级别，可进一步打开外围喷射水柱，形成震撼的井喷失控场景。

喷射系统的核心部件是离心泵，针对井喷系统流量压力大、扬程高的特点，方案选用卧式双吸泵及定制专用喷射泵组合安装方式，双吸泵和专用喷射泵均是离心泵的一种重要形式，具有扬程高、流量大等特点，在工程中得到广泛应用。这种泵型的叶轮实际上由两个背靠背的叶轮组合而成，从叶轮流出的水流汇入一个蜗壳中，它相当于两个相同直径的单吸叶轮同时工作，在同样的叶轮外径下流量可增大一倍。

由于应急演练过程中不能用真实的硫化氢气体进行泄露，因此需要对可以看见的硫化氢仪表显示部件进行改造。现有的便携式硫化氢检测仪工作原理图如图1所示：包括硫化氢传感器、放大电路、AD转换模块、微控制器和数字显示电路。改造的方法是将内部传感器检测单元去掉，加入无线控制模块。

井喷应急演练模拟系统还包括一个有毒气体检测系统，所述的有毒气体检测系统包括便携式硫化氢检测仪，如图3所示，所述的便携式硫化氢检测仪包括无线模块、第一微控制器、DA转换模块、放大电路、AD转换模块、第二微控制器和数字显示模块；所述的无线模块接收来自上位机传送过来的信号，无线模块的输出端与第一微控制器连接，第一微控制器的输出端与DA转换模块连接， DA转换模块的输出端与放大电路连接，放大电路的输出端与AD转换模块连接， AD转换模块的输出端与第二微控制器连接，第二微控制器的输出端与数字显示模块连接。

井喷应急演练模拟系统还包括一个数据服务器，所述的数据服务器用于存储数据。 

如图4所示，井喷应急演练模拟系统还包括一个抢险人员定位系统，所述的抢险人员定位系统包括多个有源电子标签、多个传感器、网络交换机；所述的有源电子标签设置于抢险人员身上，所述的传感器的信号覆盖整个监控区域，所述的上位机为导入整个监控区域多维地图的上位机，所述的上位机为导入多个传感器的位置数据、仰角数据和偏角数据的上位机；所述的传感器的接收端接收来自有源电子标签发送的信号并对其进行解码，所述的传感器的发送端将解码得到的数据通过网络交换机发送至上位机，上位机将得到的数据进行拟合并给出判定结果。每个在注册过的标签，进入传感器范围的时候，标签发出的信号会被一个或多个传感器接收。即蜂窝状。

所述的多个传感器包括一个主传感器和至少一个从传感器，所述的从传感器的时间同步接口通过时间同步线与主传感器的时间同步接口连接，所述的从传感器的以太网数据传送接口和主传感器的以太网数据传送接口均通过网线连接至网络交换机；所述的传感器的发送端还将时间差数据通过网络交换机发送至上位机；所述的传感器处于绝对水平位置。

主传感器和从传感器其实硬件上是一样的，有传感器配置属性设定。主传感器通过时间同步线连接到每台从传感器，每台从传感器接收主传感器的时间同步信号。

时间同步线是连接主传感器和从传感器之间的电缆，一条时间同步线有效距离是100m，超过这个距离可能不会工作。采用星型结构，这样能够容纳更多的单元。采用超5 类或以上优质屏蔽线，尽量减低电缆长度。非屏蔽线可能可以使用，但是在信号干扰比较严重的环境如工厂、变电站等应用环境受影响比较严重。最好不要使用手工制作的屏蔽双绞线，最好是采用工厂制作出来的工业用线。如果采用手工制作屏蔽线最好使用测线仪全部测试通过。

所述的网络交换机为POE交换机，所述的POE交换机。

传感器还支持通过原有的以太网数据传输线供电，这种供电模式需要带POE 功能的网络交换机支持。POE 交换机必须支持802.3af 供电标准，每台传感器会在7w 功率下运行，需要检查下POE 交换机的每个端口的供电情况和合计供电额度。当传感器连接到POE交换机后，传感器就会开始运行。大多数POE交换机支持软开关功能，这对管理传感器供电来讲将会很方便。对于供电不是很方便的环境如仓库屋顶就可以采用POE 交换机供电，工程部署将会很方便。

所述的多个传感器的位置数据为包括以其中一台传感器为坐标原点、确定一个横向方向为X轴、面向横向方向的为Y轴、垂直于水平面方向为Z轴的所建立的坐标系，以及所有传感器在所述坐标系所处的坐标。

所述的位置数据通过激光测距仪进行测算，所述的激光测距仪将测到的数据导入上位机。

传感器的位置需要确保绝对精确到5厘米从而保证系统的最佳性能，最佳的测距方法是采用激光测距仪测量坐标位置，这样可以快速精确地测量传感器位置。首先选择一个坐标原点，确定一个横向方向为坐标X 轴，面向这个方向的则为Y轴，上下位置则为Z轴，利用这个建立的坐标系标出传感器的坐标位置。并且要测量出每台传感器相对于原点的仰角和偏角，需要注意每台传感器所在的位置。

所述的抢险人员定位系统还包括一个DHCP服务器，所述的DHCP服务器用于给传感器动态分配IP地址，并且分配和上位机相同的子网和子网掩码，所述的DHCP服务器与网络交换机连接。

上位机需要连接在系统网络中，需要处于同一个子网中。需要有支持IGMP V2 或V3模式的路由器，支持广播传输传感器和路由器之间的信息。需要一个DHCP 服务器用来动态分配传感器的IP 地址，DHCP 服务器的需要分配和服务器相同的子网和子网掩码，并且确保路由器和网关是允许通过的，传感器在没有正确DHCP服务器配置下将无法正常工作。

所述的有源电子标签为发送超宽带无线电脉冲的有源电子标签；所述的有源电子标签包括用于识别的LED灯、用于激活标签的震动传感器和用于触发事件的按钮。

当没有按下触发键的时候，标签的指示灯会长亮，表面此时的标签正在深度睡眠。要唤醒标签，需要按下触发按钮，这时候灯会灭掉。这时候绿灯将会不停地闪烁，这表面标签正在寻找传感器。过了一段时间后，红灯也会闪亮起来，这表明标签被传感器找到。现在你就可以通过此标签来校准传感器单元。

所述的传感器为高精度超宽带传感器，所述的传感器包括一组天线阵列和一个超宽带无线接收器；所述的传感器与网络交换机之间通过超5类网线连接。

传感器使用传统的双向收发2.4GHz无线技术支持与标签之间的双向控制和遥测通信。双向通信是可以动态管理标签刷新率、发送反馈给用户（通过标签LED灯显示）、电池状态信息查询、及检测标签按键信息并可以以无线的方式对标签编程以启用新的功能。

本实用新型使用的频率范围约7.2千兆赫，左右波动为1.75千兆赫，功率约1毫瓦（ 约为一部移动电话的1 / 100），不会干扰未来的超宽带通信应用。

传统的镭射信号在建筑物间的反射干扰了直接的路径信号，使精确的定位脉冲变得困难。而使用超宽频可以从反射信号中识别出直接的路径信号，使得精确的定位脉冲变得简单。

所述的主控机将得到的数据进行拟合为对定位数据与逃生路径进行拟合，采用由整体到局部的平面曲线部分匹配算法；在整体匹配中采用子矩阵算法，而在局部匹配中采用比较曲率图的方法，并在保证准确性的基础上, 提高曲线拟合的速度。

实用本系统的井喷应急演练模拟方法，它包括井喷失控前模拟步骤和井喷失控后模拟步骤，如图5所示，所述的井喷失控前模拟步骤包括以下子步骤：

（1）对于井口安装有防喷器的井，组织抢险人员迅速控制井口；在关井期间，观察记录立压表和套压表上套压和立压的变化：如果压力迅速上升，超过允许套压值，应进行放喷点火或其它有效方法压井；同时，将套压和立压的值实时传回上位机，上位机进行监控；

（2）对于井口未安装防喷器的井，组织抢险人员尽可能多的下入钻具，立即抢接回压阀，抢接方钻杆，在现场的指挥人员的指挥下，组织抢险人员加重钻井液实施压井作业；同时，上位机对加装传感器的回压阀进行检测，检测是否在规定时间内连接；

如图6所示，所述的井喷失控后模拟步骤包括以下子步骤：

S1：井喷失控，上位机控制喷射系统加大压力、排量喷射；

S2：通信保障组立即通知油田公司主管部门、地方政府有关部门及相关的救助部门；

S3：抢险人员立即停机、停车、停炉，关闭井架、钻台、机泵房等处全部照明灯和电器设备，必要时打开专用防爆探照灯，严禁一切火源；上位机对停机、停车、停炉的开关进行检测，检测是否在规定时间内关闭；

S4：在确保抢险人员安全的前提下，迅速将氧气瓶、油罐等易燃易爆物品撤离危险区，清除井口周围和抢险通道上的障碍物，并尽可能抢救其它物资和设备；上位机通过抢险人员定位系统检测抢险人员是否按规定路线进行抢险和撤离；

S5：抢险人员通过有毒气体检测系统测定井口周围及附近天然气、H2S等有毒有害气体的浓度，划分安全范围；根据险情发展，对危险区域进行控制，通知可能受到危害的人员撤离；上位机对有毒气体检测系统发出信号，并通过抢险人员定位系统对人员撤离的方向进行定位与判断；

S6：若发生天然气井喷失控并且着火，现场指挥部立即组织所有人员迅速撤离到安全地方；上位机通过抢险人员定位系统检测所有人员是否按规定路线进行抢险和撤离。

井喷应急演练模拟方法还包括一个提高井喷压力步骤：上位机根据所述的井喷失控前模拟步骤和所述的井喷失控后模拟步骤中的判断结果，对井喷压力进行控制：在规定时间内学员如果没有按照预案要求完成相应步骤，上位机将视情况进一步提高井喷的压力及流量。

如图7所示，在井喷失控前模拟步骤和井喷失控后模拟步中骤需要定位的时候，均采用定位跟踪子步骤；所述的定位跟踪子步骤包括以下子步骤：

S101：在应急演练人员的服装上嵌入有源电子标签；

S102：在定位跟踪的现场安装传感器组，采集传感器组的位置信息，并将传感器组通过网络交换机与主控机进行连接，确保两者通信正常；

S103：在主控机中导入现场的三维地图以及传感器组的位置信息；

S104：警报器发出警报，应急演练人员听到警报后，按照逃跑路行进行撤离；

S105：传感器接收来自有源电子标签的信号，并将信号发送至主控机；

S106：主控机对数据进行拟合，包括以下子步骤：

S1061：整体匹配：首先提取两条路径的特征点，获取路径的整体信息，利用特征点之间的距离矩阵进行匹配，确定候选的匹配区域；

S1062：局部匹配：然后通过比较曲线段的曲率进行精确匹配；

S1063：转换：最后根据匹配的对应点集计算变换矩阵；

S107：主控机对得到的数据进行判断。

Claims (8)

1.井喷应急演练模拟系统，其特征在于：它包括喷射系统、蓄水池及供水管线、回水管线、应急处理监测系统和上位机，所述的喷射系统包括喷头、高压输送管线、水泵、变频器；所述的蓄水池通过供水管线供水，所述的水泵通过变频器与接收来自上位机的控制信号，将蓄水池中的水通过高压输送管线进行喷射；所述的回水管线对喷射的水向蓄水池进行回水处理；所述的应急处理监测系统包括设置于井喷现场需要观察的各类仪表、开关上加装的传感检测装置，所述的传感检测装置将采集到的仪表的读数和开关的开关情况发送至上位机。

2.根据权利要求1所述的井喷应急演练模拟系统，其特征在于：它还包括一个找坡型蓄水导流板，所述的蓄水导流板通过回水管线将回水处理的水送入蓄水池；所述的蓄水导流板设置于井架平台下方。

3.根据权利要求1所述的井喷应急演练模拟系统，其特征在于：它还包括一个有毒气体检测系统，所述的有毒气体检测系统包括便携式硫化氢检测仪，所述的便携式硫化氢检测仪包括无线模块、第一微控制器、DA转换模块、放大电路、AD转换模块、第二微控制器和数字显示模块；所述的无线模块接收来自上位机传送过来的信号，无线模块的输出端与第一微控制器连接，第一微控制器的输出端与DA转换模块连接， DA转换模块的输出端与放大电路连接，放大电路的输出端与AD转换模块连接， AD转换模块的输出端与第二微控制器连接，第二微控制器的输出端与数字显示模块连接。

4.根据权利要求1所述的井喷应急演练模拟系统，其特征在于：它还包括一个数据服务器，所述的数据服务器用于存储数据。

5.根据权利要求1所述的井喷应急演练模拟系统，其特征在于：它还包括一个抢险人员定位系统，所述的抢险人员定位系统包括多个有源电子标签、多个传感器、网络交换机；所述的有源电子标签设置于抢险人员身上，所述的传感器的信号覆盖整个监控区域，所述的上位机为导入整个监控区域多维地图的上位机，所述的上位机为导入多个传感器的位置数据、仰角数据和偏角数据的上位机；所述的传感器的接收端接收来自有源电子标签发送的信号并对其进行解码，所述的传感器的发送端将解码得到的数据通过网络交换机发送至上位机，上位机将得到的数据进行拟合并给出判定结果。

6.根据权利要求5所述的井喷应急演练模拟系统，其特征在于：所述的多个传感器包括一个主传感器和至少一个从传感器，所述的从传感器的时间同步接口通过时间同步线与主传感器的时间同步接口连接，所述的从传感器的以太网数据传送接口和主传感器的以太网数据传送接口均通过网线连接至网络交换机；所述的传感器的发送端还将时间差数据通过网络交换机发送至上位机；所述的传感器处于绝对水平位置；

所述的多个传感器的位置数据为包括以其中一台传感器为坐标原点、确定一个横向方向为X轴、面向横向方向的为Y轴、垂直于水平面方向为Z轴的所建立的坐标系，以及所有传感器在所述坐标系所处的坐标。

7.根据权利要求5所述的井喷应急演练模拟系统，其特征在于：所述的抢险人员定位系统还包括一个DHCP服务器，所述的DHCP服务器用于给传感器动态分配IP地址，并且分配和上位机相同的子网和子网掩码，所述的DHCP服务器与网络交换机连接。

8.根据权利要求5所述的井喷应急演练模拟系统，其特征在于：所述的有源电子标签为发送超宽带无线电脉冲的有源电子标签；所述的有源电子标签包括用于识别的LED灯、用于激活标签的震动传感器和用于触发事件的按钮；所述的传感器为高精度超宽带传感器，所述的传感器包括一组天线阵列和一个超宽带无线接收器；所述的传感器与网络交换机之间通过超5类网线连接。