CN101566060B - 钻井作业中用于指令下传的压力检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钻井作业中用于指令下传的压力检测装置，其特征在于包括：压力传感器电路、信号放大电路、高精度A/D转换电路、控制和处理单元、存储单元和通讯单元；其中所述压力传感器电路为一压力传感器，接收来自泥浆中的压力信号并将压力信号转换成电压信号，电压信号经由所述信号放大电路放大后传送到所述高精度A/D转换电路的模拟信号输入端，所述控制和处理单元控制所述高精度A/D转换电路的A/D转换芯片采样，并将所采集到的数据存入存储单元，通讯单元为单片机与PC机的通信提供接口。本发明可检测地面传输到井下的压力脉冲，从而实现了地面向井下传输的信息的检测，并能用于导向钻井系统的导向控制。

Description

钻井作业中用于指令下传的压力检测装置
技术领域
本发明涉及一种压力检测装置，特别是指一种钻井作业中用于指令下传的压力检测装置。
背景技术
钻井作业中井眼轨迹自动控制技术已成为当今钻井技术研究的热点，其技术关键之一就是地面和井底的信息和指令传输问题。随钻测量(MWD)技术主要用来监测井下工况，已经实现信息从井下向地面的传输。但信息从地面向井底传输的技术目前在国内实际上还属于探索、试制的阶段，成熟的仪器和方法在国内还未出现。
目前钻井作业中实现信息从地面向井底传递有如下几种方法：1、利用压力传感器感应井口立管中钻井液排量改变引发的压力变化来传递信息。其虽然采用的是压力下传方法，但主要侧重于管道结构的设计和压力脉冲的产生方法。2、利用钻杆转速的变化或上提、下放操作在井底造成的角速度的变化或加速度的变化来传递信息。3、利用安装在井下钻头附近的加速度传感器敏感振动变化来传递信息，振动可以通过钻进破岩，即地面控制钻头进尺产生，也可以通过驱动钻杆或使钻杆转动实现。4、国外有在多个钻杆接头处嵌入一组耦合线圈，后一组线圈感应前一组线圈电磁场的变化并使用中继传输的方式防止信号衰减成无用信号，实现信息的双向传输，但该方法对管材和机械结构有特殊的要求，不利于广泛使用。上述方法2、3、4是利用钻杆的角速度、振动和电磁信号向井下传输信息。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种能识别并存储地面指令下传装置发出的指令和数据的钻井作业中用于指令下传的压力检测装置，其可对比信息下传装置发出的指令、数据与该装置识别并存储的指令、数据，可以给研究人员分析泥浆脉冲信号传输中遇到的干扰从而改进指令编码提供依据。
为达到上述目的，本发明所提供的技术方案是：一种钻井作业中用于指令下传的压力检测装置，其特征在于包括：压力传感器电路、信号放大电路、高精度A/D转换电路、控制和处理单元、存储单元和通讯单元；其中所述压力传感器电路为一压力传感器，接收来自泥浆中的压力信号并将压力信号转换成电压信号，电压信号经由所述信号放大电路放大后传送到所述高精度A/D转换电路的模拟信号输入端，所述控制和处理单元控制所述高精度A/D转换电路的A/D转换芯片采样，并将所采集到的数据存入存储单元，通讯单元为单片机与PC机的通信提供接口。
所述控制和处理单元为单片机。
所述压力传感器电路为一超小型齐平膜片式压力传感器。
所述高精度A/D转换电路采用高精度24位A/D转换芯片构成。
所述信号放大电路包括四个运算放大器及相配的电阻和电容，其中二运算放大器分别连接所述压力传感器的PV+和PV-端，另两个运算放大器依次串接在该二运算放大器的输出端，与各所述电阻、电容共同构成所述信号放大电路。
采用上述技术方案，本发明可以实现钻井作业过程中地面与井下之间的信息传输，并具有以下优点：1、本发明可检测地面传输到井下的压力脉冲，从而实现了地面向井下传输的信息的检测，并用于导向钻井系统的导向控制。2、本发明由于采用高度集成化的芯片构成，因此实现了设备功耗低、体积小的优点，并提高了检测装置的抗冲击能力。3、本发明的控制和处理单元在将接收到的信息传输给钻井系统的导向控制器的同时，能够长时间存储地面传输到井下的信息，当系统提升到地面后，可将接收到的信息通过通信单元回放到地面计算机，实现数据的再现的故障诊断，确认导向钻井效果，验证指令下传系统的可靠性。4、采用低功耗电路检测电路，通过干电池对检测电路供电，使本发明能在井下长期监测地面发送到井下的压力脉冲。5、由于采用了具有高精度的24位A/D转换器ADS1226，提高了系统的解码能力。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图
图2是本发明的电路原理图
图3是本发明信号放大电路的原理图
具体实施方式
为了详细说明本发明的结构、特点及功效，现举以下较佳实施例并配合附图说明如下。
本发明所提供的用于指令下传的压力检测装置是一种下传装置试压接收短节，其接收并存储地面信息下传装置发出的指令和数据。信息下传装置通过泥浆的压力脉冲把地面的操作指令和数据传递到井下，下部的接收短节将压力脉冲信号所携带的信息识别并存储下来。对比地面信息下传装置所发出的指令、数据和接收短节识别并存储的指令、数据，可以帮助研究人员分析钻井过程中外部环境对泥浆脉冲信号传输的干扰。这样研究人员就可以改进指令编码，降低井下接收设备不能识别或者错误识别指令的概率，提高钻井系统的可靠性和效率。
如图1所示，为本发明的钻井作业中用于指令下传的压力检测装置的电路原理图，其包括压力传感器电路、信号放大电路、高精度A/D转换电路、控制和处理单元、存储单元和通讯单元。
其中压力传感器电路接收来自泥浆中的压力信号并将压力信号转换成电压信号，电压信号经由信号放大电路放大后传送到高精度A/D转换电路的模拟信号输入端。控制和处理单元控制高精度A/D转换电路的A/D转换芯片采样，将所采集到的压力信号解码，以获取与泥浆的压力变化相应的指令信息，并将解码后获取的指令信息传递给钻井系统的导向控制器，同时控制和处理单元还将A/D转换芯片所采集到压力信号存入存储单元。通讯单元为控制和处理单元与上层PC机的通信提供接口。
如图2所示，压力传感器电路为一压力传感器IC1，采用SENSOTEC公司的超小型齐平膜片式压力传感器，其压力测量范围为150至20,000psi。
如图3所示，信号放大电路包括运算放大器IC7、IC8、IC9、IC10，电阻R1-R7和电容C1、C2。运算放大器IC7、IC8分别连接压力传感器IC1的PV+和PV-端，运算放大器IC9、IC10依次串接运算放大器IC7、IC8的输出端，与电阻R1-R7和电容C1、C2共同构成信号放大电路。其中运放芯片IC7-IC10是型号为OPA4234的集成电路中的四个运放。信号放大电路中的电阻与电容的数值分别为：R1＝1KΩ，R2＝20KΩ，R3＝1KΩ，R4＝20KΩ，R5＝1KΩ，R6＝1KΩ，R7＝20KΩ；电容C1＝0.1μF，C2＝0.1μF。
再如图2所示，高精度A/D转换电路由A/D转换芯片IC2和电压参考源IC3构成，高精度模数转换芯片IC2为高精度的24位A/D转换器ADS1226，电压参考源IC3采用5V稳定基准电压源，型号为REF02。控制和处理单元由单片机IC4构成，型号为PIC16F877A。存储单元由双端口存储芯片IC5构成，型号为K9K8G08U0A。通讯单元由型号为RS232的接口芯片IC6构成。
本发明的工作过程如下：
压力传感器IC1接收来自泥浆中的压力信号并将压力信号转换成PV+和PV-两端的电压信号，PV+和PV-两端的电压信号经由信号放大电路放大后传送到高精度A/D转换芯片IC2的模拟信号输入端AINP1和AINN1。5V稳定基准电压源IC3接高精度A/D转换芯片IC2的REFP和REFN端，为高精度A/D转换芯片IC2提供稳定参考电压。单片机IC4控制A/D转换芯片IC2采样，并将所采集到的压力信号解码，存入双端口存储芯片IC5。芯片IC6为单片机与PC机通信提供接口。
其中A/D转换芯片IC2采用MODE端接地的连接方式，选择A/D转换芯片IC2的24位高精度采样模式。采用MUX端接地的连接方式，将A/D转换芯片IC2的模拟信号输入端AINP1和AINN1选通。
单片机IC4的RA0与A/D转换芯片IC2的START相连，RA1与A/D转换芯片IC2的SLK相连，RB0与A/D转换芯片IC2的DRDY/DOUT相连。其中RA0控制A/D转换芯片IC2是否开始采样；RA1给A/D转换芯片IC2一个上升沿，让A/D转换芯片IC2输出A/D转换结果。A/D转换芯片IC2的DRDY/DOUT为高电平表示数据正在输出，为低电平表示采样完毕可以输出转换结果了。
如图2所示，单片机IC4的CS、RA4、RA5、RA2、RA3、RD、WR依次与双端口存储芯片IC5的CE、CLE、ALE、WP、R/B、RE、WE相连。其中CS与CE相连，控制双端口存储芯片IC5的片选；RA4与CLE相连完成命令锁存使能的功能；RA5与ALE相连完成地址锁存使能的功能。RA2与WP相连完成写保护的功能。RA3与R/B相连，R/B高电平表示存储芯片IC5已准备好了，可以进行下一次读写操作，否则就不能进行下一次读写操作。RD与RE相连，完成从双端口存储芯片IC5读取数据使能的功能。WR与WE相连完成对双端口存储芯片IC5写数据使能的功能。单片机IC4的RD0-RD7与双端口存储芯片IC5的I/O0-I/O7依次相连，既是数据总线又是地址总线。
单片机IC4的TX与接口芯片IC6的T1IN相连，接口芯片IC6的T1OUT与PC机的串口线中的一条相连，负责将信号从单片机上传到上层的PC机。PC机的串口线中的一条与接口芯片IC6的R1IN相连，接口芯片IC6的R1OUT与单片机IC4的RX相连，负责将信号从PC机下传到单片机IC4。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明可检测地面传输到井下的压力脉冲，从而实现了地面向井下传输的信息的检测，并用于导向钻井系统的导向控制。
2、本发明由于采用高度集成化的芯片构成，因此实现了设备功耗低、体积小的优点，并提高了检测装置的抗冲击能力。
3、本发明的控制和处理单元在将接收到的信息传输给钻井系统的导向控制器的同时，能够长时间存储地面传输到井下的信息，当系统提升到地面后，可将接收到的信息通过通信单元回放到地面计算机，实现数据的再现的故障诊断，确认导向钻井效果，验证指令下传系统的可靠性。
4、采用低功耗电路检测电路，通过干电池对检测电路供电，使本发明能在井下长期监测地面发送到井下的压力脉冲。
5、由于采用了具有高精度的24位A/D转换器ADS1226，提高了系统的解码能力。
以上所述，仅为本发明的一个较佳实施例，凡本领域公知的能实现相同功能的单片机、传感器、A/D转换器及其它数据传输、存储芯片均应包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种钻井作业中用于指令下传的压力检测装置，其特征在于包括：压力传感器电路、信号放大电路、高精度A/D转换电路、控制和处理单元、存储单元和通讯单元；
其中所述压力传感器电路为一压力传感器，接收来自泥浆中的压力信号并将压力信号转换成电压信号，电压信号经由所述信号放大电路放大后传送到所述高精度A/D转换电路的模拟信号输入端，所述控制和处理单元控制所述高精度A/D转换电路的A/D转换芯片采样，并将所采集到的数据存入存储单元，通讯单元为单片机与PC机的通信提供接口；
所述信号放大电路包括四个运算放大器及相配的电阻和电容，其中二运算放大器分别连接所述压力传感器的PV+和PV-端，另两个运算放大器依次串接在该二运算放大器的输出端，与各所述电阻、电容共同构成所述信号放大电路。
2.如权利要求1所述的钻井作业中用于指令下传的压力检测装置，其特征在于：所述控制和处理单元为单片机。
3.如权利要求1所述的钻井作业中用于指令下传的压力检测装置，其特征在于：所述压力传感器电路为一超小型齐平膜片式压力传感器。
4.如权利要求2所述的钻井作业中用于指令下传的压力检测装置，其特征在于：所述压力传感器电路为一超小型齐平膜片式压力传感器。
5.如权利要求1或2或3或4所述的钻井作业中用于指令下传的压力检测装置，其特征在于：所述高精度A/D转换电路采用高精度24位A/D转换芯片构成。
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