CN105179012A - 一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统及方法，井下PLC通信处理模块和地面PLC通信处理模块对用户数据处理后将信号加载到电力线上传输，市电电源通过电力线传输到井下电力接收处理模块，井下电力接收处理模块将市电转化为适合的直流电，井下PLC通信处理模块、井下控制模块、导向工具控制电路、井下参数测试传感器、信号调理电路与井下电力接收处理模块连接。本发明能够实现地面与井下之间测控信号的随钻闭环有线双向通信；将电力供给与信号传输在电力线中完成，减轻了智能钻柱的钻柱负担，减少了接头数目，降低了钻柱制造的工艺难度。

Description

一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统及方法

技术领域

本发明属于钻井领域，尤其涉及一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统及方法。

背景技术

智能钻柱(IntelliDrillpipe或称ElectricDrillpipe电子钻柱)在具有常规钻柱功能的基础上还具有“井下电缆”和“井内通信缆线”的功能。有了智能钻柱就可以从地面向井下输送动力电能，又可以同时实现地面与井下之间测控信号的随钻闭环几乎零时差的有线双向通信，从根本上解决无线传输的缺陷及制约“瓶颈”，若与Internet/Intrustnet相联就可以构成油气井系统立体网络，使施工作业者与管理决策者多层次、多学科、多部门之间在网上进行远程协同工作。如果考虑到随后在地面与井下加配智能钻井专用软硬件，那么将能实现信息化、智能化、自动化的创新性智能钻井系统。智能钻井的先进性、创新性是现代石油钻完井工程理论与技术的重大革命，也是国际上已开始进入自动化钻井和远程遥控作业新阶段的重要技术内容之一。智能钻柱和智能钻井的研发应用有助于与智能油井管和智能化油田的研发工作相互交流、促进、共同发展。

美国能源部在20世纪90年代就设置了研究智能钻井的课题计划。美国GRANT公司是全球最大的钻杆生产商也是目前比较系统化研发智能钻杆最早且垄断性的公司。21世纪初已研制成功5⁷/8〞的对接式接头的6芯智能钻杆等管体产品。据悉，近年它将与Shell公司合作在中东进行5口井的智能钻井。它可以在向井下传输电力的同时，在井底与井口之间建立双向闭环信息通道，传输速率高达1×10⁴-2×10⁶bps，可同时双向传输几十个信号。美国Intelliserve公司近年研制成功了感应式接头的智能钻杆，它只能双向传输信息，不能传输电力，且需在钻柱每隔300-400m安装电流放大器。

在国内，张绍槐教授等从2000年开始调查研究智能钻井技术并在2003-2006年国家自然科学基金“十五”重点项目《复杂条件下钻井技术基础研究》(50234030号)中研究了智能钻柱和智能钻井并进行了室内试验工作。西南石油大学研究了电接头、电子旋转导向工具和井下传感器等。中国石油大学、石油管材研究所、胜利油田钻井研究院等单位也开展了这一方面的研究。长庆油田等石油企业愿意承担研制有自主知识产权的智能钻杆产品并组织从研制到井下试验以及开展智能钻井的应用研究。智能钻柱中信号传输方式以及信号传输速率是智能钻杆中的主要研究问题之一。

现有技术以及其存在的缺陷：

(1)钻井液压力脉冲法

钻井液压力脉冲法提出最早，也是目前发展最成熟、应用最广泛的传输方法。主要用于随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)中。它是运用钻杆内的钻井液作为传输介质进行信息传输的。压力波在钻井液中的传输速度约为1200m/s，再加上调制方式的限制以及传输过程中压力波的损耗，要得到有效的解调，传输速率一般只有3-5bps，最快也只有30-40bps。该方法不但速度慢延迟时间长，而且是单向通信，也无法用于欠平衡钻井。

(2)声波法

这种传输方式是根据声波能够沿钻柱传输的原理进行设计的。钻杆内安装有声波脉冲发生器，测量数据对其产生的声波脉冲序列进行调制，被调制的声波脉冲波沿井筒上传，并在地面对其进行解调，从而获得测量数据。声波在钻柱中的传输速度约为500m/s，再加上调制方式的限制以及传输过程中声波的损耗，要得到有效的解调，传输速率一般只有20-30bps。

(3)电磁波法

电磁波法的提出也比较早，可以追溯到20世纪40年代，我国对电磁波传播在20世纪90年代也进行了有关研究，取得了一定成果，但至今未进行商业化应用。2005年，俄罗斯推出的电磁波随钻测量系统(EM-MWD)在胜利油田进行了现场试验，效果亦不尽如人意。其基本工作原理就是通过在井底下发送低频电磁波沿井筒传输到地面实现信息的传输。其使用有两大限制，一是载波频率只能是低频，一般为30Hz以下，数据传输速率很难提高；二是传输深度受地层电阻率影响较大，要求地层有较高的电阻率，因此，很难推广使用。

(4)有线感应法

有线感应法是在每根钻杆内嵌入一对导线，在其两端接头中各设有一个感应线圈，当钻柱连接起来后，利用电磁感应原理，便可以使信号在钻杆间相互传递。为了克服信号衰减，每隔约300m需在钻杆内设置一个双向信号放大器，以提高通信距离。目前该方法已在试验井中应用并获得成功，它的最高传输速率可达2Mbps。其制作工艺相对简单，但不足就是只能传输信号不能传输电力。

(5)线对接法

线对接法是在每根钻杆内嵌入一对或多对导线，同时使用专门的钻杆接头，当钻柱接好后，信号可在钻杆间相互传递，形成高速双向信息网络，而且可以在双向传输信息的同时自地面向井下输送电力。目前该方法已在试验井中应用并获得成功，它的最高传输速率可达2Mbps。其制作工艺相对复杂。

以上各种方法都是传输速度慢，实时性差，难以实现对井下钻井参数的实时测控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统及方法，旨在解决现有的智能钻井通信方法传输速度慢，实时性差，难以实现对井下钻井参数的实时测控的问题。

本发明是这样实现的，一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统，所述的智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统包括市电电源、计算机、地面PLC通信处理模块、井上电力接收处理模块、电力线、井下电力接收处理模块、井下PLC通信处理模块、井下控制模块、导向控制工具控制电路、井下参数测试传感器、信号调理电路；

井下PLC通信处理模块和地面PLC通信处理模块对用户数据处理后将信号加载到电力线上传输；

计算机控制井上电力接收处理模块将市电电源通过电力线传输到井下电力接收处理模块，井下电力接收处理模块根据井下设备工作需要将市电转化为适合的直流电；

井下控制模块与导向工具控制电路连接，井下参数测试传感器与信号调理电路连接，信号调理电路与井下控制模块连接；

井下PLC通信处理模块、井下控制模块、导向工具控制电路、井下参数测试传感器、信号调理电路与井下电力接收处理模块连接。

进一步，所述的井上电力接收处理模块和井下电力接收处理模块都包括依次连接的数据接口电路、MCU、电力线载波调制解调模块，与电力线载波调制解调模块连接的滤波电路，与滤波电路连接的补偿电路，与补偿电路连接的耦合电路，井下电力接收处理模块的数据接口电路和井下控制模块连接；

所述数据接口电路，信号协调作用，使MCU能更好的获取信号；

所述MCU作为控制单元，用于控制电力线载波调制解调模块等协调工作；

所述电力线载波调制解调模块，用于对信号进行调制或解调工作；

所述滤波电路，滤除干扰信号，用于为信号发送做准备；

所述补偿电路对信号做功率补偿，用于使信号能量满足发射要求；

所述耦合电路，将信号加载到电力线上并起到强电隔离和阻抗匹配的作用。

本发明的另一目的在于提供一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信方法，所述的智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信方法包括：

步骤一、井上电力接收处理模块的MCU将来自计算机的用户指令传送给电力线载波调制解调模块，调制解调模块按照发送要求对用户数据进行打包、滤波、调制、D/A转换处理；

步骤二、经步骤一处理后的用户数据进入发送器外围电路，经过低通滤波、功率放大后，由耦合电路发送到电力线网络；

步骤三、来自电力线的载波信号由耦合电路进入接收器外围电路，信号经滤波处理，并根据信号强弱由缓冲放大电路进行放大或衰减处理，使信号满足解调需要；

步骤四、经步骤三处理后的信号在电力线载波调制解调模块中解调出用户指令，通过井下电力接收处理模块的MCU将数据发送给存储器或控制设备；

步骤五、井下电力接收处理模块的MCU将来自存储器或测试设备的数据传送给电力线载波调制解调模块，调制解调模块按照发送要求对数据进行打包、滤波、调制、D/A转换处理；

步骤六、经步骤五处理后的信号进入发送器外围电路，经过低通滤波、功率放大后，信号由耦合电路发送到电力线网络；

步骤七、来自电力线的载波信号由耦合电路进入接收器外围电路，信号经滤波处理，并根据信号强弱由自动增益控制放大电路进行放大或衰减处理，使信号满足解调需要；

步骤八、处理后的信号在电力线载波调制解调模块中解调出测试数据，通过井上电力接收处理模块的MCU将数据发送给计算机。

本发明能够实现地面与井下之间测控信号的随钻闭环几乎零时差的有线双向通信；将电力供给与信号传输在电力线中完成，减轻了智能钻柱的钻柱负担，减少了接头数目，降低了钻柱制造的工艺难度；为研究基于智能钻柱的随钻测压、随钻测井等电控地质导向系统、垂直钻井与定向钻井的电控旋转导向系统、监测控制井下工况、钻柱受力和井眼流体压力、流入流体性质等复杂性工况的高效安全的钻完井理论与技术奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统图；

图2是本发明实施例提供的井上电力接收处理模块和井下电力接收模块的结构组成图；

图3是本发明实施例提供的智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信方法流程图；

图中：1、市电电源；2、计算机；3、地面PLC通信处理模块；4、井上电力接收处理模块；5、电力线；6、井下电力接收处理模块；7、井下PLC通信处理模块；8、井下控制模块；9、导向控制工具控制电路；10、井下参数测试传感器；11、信号调理电路；12、数据接口电路；13、MCU；14、电力线载波调制解调模块；15、滤波电路；16、补偿电路；17、耦合电路。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

如图1所示，一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统包括市电电源、计算机、地面PLC通信处理模块、井上电力接收处理模块、电力线、井下电力接收处理模块、井下PLC通信处理模块、井下控制模块、导向控制工具控制电路、井下参数测试传感器、信号调理电路；

井下PLC通信处理模块和地面PLC通信处理模块对用户数据处理后将信号加载到电力线上传输；

计算机控制井上电力接收处理模块将市电电源通过电力线传输到井下电力接收处理模块，井下电力接收处理模块根据井下设备工作需要将市电转化为适合的直流电；

井下控制模块与导向工具控制电路连接，井下参数测试传感器与信号调理电路连接，信号调理电路与井下控制模块连接；

井下PLC通信处理模块、井下控制模块、导向工具控制电路、井下参数测试传感器、信号调理电路与井下电力接收处理模块连接。

如图2所示，所述的井上电力接收处理模块和井下电力接收处理模块都包括依次连接的数据接口电路12、MCU13、电力线载波调制解调模块14，与电力线载波调制解调模块14连接的滤波电路15，与滤波电路15连接的补偿电路16，与补偿电路16连接的耦合电路17，井下电力接收处理模块的数据接口电路12和井下控制模块连接；

12、数据接口电路；13、MCU；14、电力线载波调制解调模块；15、滤波电路；16、补偿电路；17、耦合电路。

所述数据接口电路12，信号协调作用，使MCU13能更好的获取信号；

所述MCU13作为控制单元，用于控制电力线载波调制解调模块14等协调工作；

所述电力线载波调制解调模块14，用于对信号进行调制或解调工作；

所述滤波电路15，滤除干扰信号，用于为信号发送做准备；

所述补偿电路16，对信号做功率补偿，用于使信号能量满足发射要求；

所述耦合电路17，将信号加载到电力线上并起到强电隔离和阻抗匹配的作用。

如图3所示，一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信方法包括：

S101、井上电力接收处理模块的MCU将来自计算机的用户指令传送给电力线载波调制解调模块，调制解调模块按照发送要求对用户数据进行打包、滤波、调制、D/A转换处理；

S102、经步骤S101处理后的用户数据进入发送器外围电路，经过低通滤波、功率放大后，由耦合电路发送到电力线网络；

S103、来自电力线的载波信号由耦合电路进入接收器外围电路，信号经滤波处理，并根据信号强弱由缓冲放大电路进行放大或衰减处理，使信号满足解调需要；

S104、经步骤S103处理后的信号在电力线载波调制解调模块中解调出用户指令，通过井下电力接收处理模块的MCU将数据发送给存储器或控制设备；

S105、井下电力接收处理模块的MCU将来自存储器或测试设备的数据传送给电力线载波调制解调模块，调制解调模块按照发送要求对数据进行打包、滤波、调制、D/A转换处理；

S106、经步骤S105处理后的信号进入发送器外围电路，经过低通滤波、功率放大后，信号由耦合电路发送到电力线网络；

S107、来自电力线的载波信号由耦合电路进入接收器外围电路，信号经滤波处理，并根据信号强弱由自动增益控制放大电路进行放大或衰减处理，使信号满足解调需要；

S108、处理后的信号在电力线载波调制解调模块中解调出测试数据，通过井上电力接收处理模块的MCU将数据发送给计算机。

本发明能够实现地面与井下之间测控信号的随钻闭环几乎零时差的有线双向通信；将电力供给与信号传输在电力线中完成，减轻了智能钻柱的钻柱负担，减少了接头数目，降低了钻柱制造的工艺难度。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统，其特征在于，所述的智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统包括市电电源、计算机、地面PLC通信处理模块、井上电力接收处理模块、电力线、井下电力接收处理模块、井下PLC通信处理模块、井下控制模块、导向控制工具控制电路、井下参数测试传感器、信号调理电路；

井下PLC通信处理模块和地面PLC通信处理模块对用户数据处理后将信号加载到电力线上传输；

计算机控制井上电力接收处理模块将市电电源通过电力线传输到井下电力接收处理模块，井下电力接收处理模块根据井下设备工作需要将市电转化为适合的直流电；

井下控制模块与导向工具控制电路连接，井下参数测试传感器与信号调理电路连接，信号调理电路与井下控制模块连接；

井下PLC通信处理模块、井下控制模块、导向工具控制电路、井下参数测试传感器、信号调理电路与井下电力接收处理模块连接。

2.如权利要求1所述的智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信系统，其特征在于，所述的井上电力接收处理模块和井下电力接收处理模块都包括依次连接的数据接口电路、MCU、电力线载波调制解调模块，与电力线载波调制解调模块连接的滤波电路，与滤波电路连接的补偿电路，与补偿电路连接的耦合电路，井下电力接收处理模块的数据接口电路和井下控制模块连接；

所述数据接口电路，信号协调作用，使MCU能更好的获取信号；

所述MCU，作为控制单元，用于控制电力线载波调制解调模块等协调工作；

所述电力线载波调制解调模块，用于对信号进行调制或解调工作；

所述滤波电路，滤除干扰信号，用于为信号发送做准备；

所述补偿电路，对信号做功率补偿，用于使信号能量满足发射要求；

所述耦合电路，将信号加载到电力线上并起到强电隔离和阻抗匹配的作用。

3.一种智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信方法，其特征在于，所述的智能钻柱中基于电力线载波双工信息通信方法包括：

步骤一、井上电力接收处理模块的MCU将来自计算机的用户指令传送给电力线载波调制解调模块，调制解调模块按照发送要求对用户数据进行打包、滤波、调制、D/A转换处理；

步骤二、经步骤一处理后的用户数据进入发送器外围电路，经过低通滤波、功率放大后，由耦合电路发送到电力线网络；

步骤三、来自电力线的载波信号由耦合电路进入接收器外围电路，信号经滤波处理，并根据信号强弱由缓冲放大电路进行放大或衰减处理，使信号满足解调需要；

步骤四、经步骤三处理后的信号在电力线载波调制解调模块中解调出用户指令，通过井下电力接收处理模块的MCU将数据发送给存储器或控制设备；

步骤五、井下电力接收处理模块的MCU将来自存储器或测试设备的数据传送给电力线载波调制解调模块，调制解调模块按照发送要求对数据进行打包、滤波、调制、D/A转换处理；

步骤六、经步骤五处理后的信号进入发送器外围电路，经过低通滤波、功率放大后，信号由耦合电路发送到电力线网络；

步骤七、来自电力线的载波信号由耦合电路进入接收器外围电路，信号经滤波处理，并根据信号强弱由自动增益控制放大电路进行放大或衰减处理，使信号满足解调需要；

步骤八、处理后的信号在电力线载波调制解调模块中解调出测试数据，通过井上电力接收处理模块的MCU将数据发送给计算机。