CN106593419B - 一种基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统，属于无线通讯领域。所述系统包括井下子系统、地面子系统、电缆和天线，所述地面子系统包括显示模块、控制模块和第一信号转换模块，所述井下子系统包括双极性天线、核心处理模块、驱动模块、执行模块、第二信号转换模块和传感器模块，通过电磁波建立井上、井下的双向通信通道，可以准确简便地实现中深井井下测量信号向地面的实时传输和地面指令信号向井下的实时传输，完成井下设备的操作管理和井下信息的获取显示，提高了油气藏生产过程的参数监测能力以及油气井开发过程的自动化控制水平。

Description

一种基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统

技术领域

本发明涉及无线通讯领域，特别涉及一种基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统。

背景技术

我国现在绝大多数油田已经进入了开采的中后期，研究方向向着中深井和水平井方向展开，在油气田开发的过程中，将中深井井下数据传输到地面和讲地面控制信息传输到井下，对于开发人员了解油井的开采动态、及时合理地规划油井的后续开采方案和知道油气田更高效地开发有着非常重要的作用。

现有井下数据的传输技术有有线方式和无线方式两种，其中，有线方式主要包括投捞式传感器监测技术，永久式毛细管传感器监测技术，永久式光纤传感器监测技术，通过电缆、光纤等物理介质，将井下数据传输到井上；无线方式主要利用泥浆脉冲、声波等通过大地、钻杆、套管、环空等作为传输途径，获得井下待测的动态数据。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

现有的有线方式在完井过程中和气井后期开采作业中极为不便利，无线方式中利用泥浆脉冲的传输方式信息的传输速度较低且只针对钻井作业，利用声波的传输方式由于信号衰减快，背景干扰性强，所以面临信号采集、检测困难的问题，同时，现有的传输技术大多是单向传输，还未实现基于电磁波的油气井井下远距离无线双向通讯。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统，用于井下远距离双向传输无线信号。

具体而言，所述基于电磁波的中深井无线双向通讯系统如下：

一种基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统，所述系统包括井下子系统、地面子系统、电缆和天线；

所述地面子系统包括显示模块、控制模块和第一信号转换模块；

所述井下子系统包括双极性天线、核心处理模块、驱动模块、执行模块、第二信号转换模块和传感器模块；

所述控制模块的第一端与所述第一信号转换模块的第一端连接，所述控制模块的第二端与所述显示模块连接，所述第一信号转换模块的第二端与所述天线连接，所述第一信号转换模块的第三端与所述电缆相连；

所述第二信号转换模块包括第一信号转换单元、第二信号转换单元、第三信号转换单元和第四信号转换单元，所述传感器模块包括第一传感器单元和第二传感器单元；

所述核心处理模块的第一端与所述驱动模块相连，所述驱动模块与所述执行模块相连；

所述核心处理模块的第二端与所述第二信号转换模块相连，其中，所述第一信号转换单元与所述第一传感器单元相连，所述第二信号转换单元与所述第二传感器单元相连，所述第三信号转换单元与所述双极性天线的第一端相连，所述双极性天线的第二端与所述第四信号转换单元相连。

进一步地，所述地面子系统还包括限幅滤波器和功率放大器，所述限幅滤波器和所述功率放大器位于所述第一信号转换模块和所述天线之间，所述第一信号转换模块的第二端与所述限幅滤波器一端相连，所述限幅滤波器的另一端与所述功率放大器的一端相连，所述功率放大器的另一端与所述天线连接。

进一步地，所述地面子系统还包括电源模块，所述电源模块分别与所述显示模块、所述控制模块、所述限幅滤波器和所述功率放大器相连。

进一步地，所述第一信号转换模块包括D/A通道和A/D通道。

进一步地，所述井下子系统还包括电源模块。

进一步地，所述电源模块包括第一电源单元和第二电源单元，所述第一电源单元分别与所述传感器模块、所述存储模块和所述核心处理模块相连，所述第二电源单元分别与所述驱动模块、所述执行模块和所述第二信号转换模块相连。

进一步地，所述井下子系统还包括存储模块，所述核心处理模块的第三端与所述存储模块相连。

进一步地，所述井下子系统还包括功率放大器，所述功率放大器位于所述双极性天线与所述第三信号转换单元和所述第四信号转换单元之间。

进一步地，所述天线与大地相连。

进一步地，所述电缆的另一端与井口相连。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明的基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统，包括井下子系统、地面子系统、电缆和天线，所述地面子系统包括显示模块、控制模块和第一信号转换模块，所述井下子系统包括双极性天线、核心处理模块、驱动模块、执行模块、第二信号转换模块和传感器模块，通过电磁波建立井上、井下的双向通信通道，可以准确简便地实现中深井井下测量信号向地面的实时传输和地面指令信号向井下的实时传输，完成井下设备的操作管理和井下信息的获取显示，提高了油气藏生产过程的参数监测能力以及油气井开发过程的自动化控制水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统整体示意图；

图2为地面子系统结构示意图；

图3为井下子系统结构示意图。

图中的附图标记分别表示：

1、井口；2、电缆；3、地面子系统；4、天线；5、套管；6、井下子系统；

301、控制模块；302、显示模块；303、第一信号转换模块；304、天线；

305、电源模块；306、电缆；307、限幅滤波器；308、功率放大器；

601、核心处理模块；602、驱动模块；603、执行模块；

604、第二信号转换模块；605、传感器模块；606、存储模块；

607、电源模块；608、功率放大器；609、双极性天线。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统，如图1所示，包括井下子系统6、地面子系统3、电缆2和天线4；

具体地，如图2所示，地面子系统3包括显示模块302、控制模块301和第一信号转换模块303；如图3所示，井下子系统6包括双极性天线609、核心处理模块601、驱动模块602、执行模块603、第二信号转换模块604和传感器模块605；

其中，控制模块301的第一端与第一信号转换模块303的第一端连接，控制模块301的第二端与显示模块302连接，第一信号转换模块303的第二端与天线4连接，第一信号转换模块303的第三端与电缆2的一端相连；

第二信号转换模块604包括第一信号转换单元、第二信号转换单元、第三信号转换单元和第四信号转换单元，传感器模块605包括第一传感器单元和第二传感器单元，核心处理模块601的第一端与驱动模块602相连，驱动模块602与执行模块603相连，核心处理模块601的第二端与第二信号转换模块604相连，第一信号转换单元与第一传感器单元相连，第二信号转换单元与第二传感器单元相连，第三信号转换单元与双极性天线609的第一端相连，双极性天线609的第二端与第四信号转换单元相连。

因此，本发明利用井下子系统6、地面子系统3、电缆2和天线4构成了地面与井下的通讯回路，通过电磁波建立井上、井下的双向通讯通道，准确简便地实现中深井井下测量信号向地面的实时传输和地面指令信号向井下的实施传输，完成井下设备的操作管理和井下信息的获取显示，提高了油气藏生产过程的参数监测能力以及油气井开发过程的自动化控制水平。

对于地面子系统3而言，地面子系统3可以用来接收信号和发射信号。具体地，地面子系统3还包括限幅滤波器307和功率放大器308，限幅滤波器307和功率放大器308位于第一信号转换模块303和天线304之间，限幅滤波器307用于限幅滤波，功率放大器308用于功率的放大，第一信号转换模块303的第二端与限幅滤波器307一端相连，限幅滤波器307的另一端与功率放大器308的一端相连，功率放大器308的另一端与天线304连接，；地面子系统3还包括电源模块305，电源模块305分别与显示模块302、控制模块301、限幅滤波器307和功率放大器308相连，用于为显示模块302、控制模块301、限幅滤波器307和功率放大器308提供电力支持，同时，需要说明的是，第一信号转换模块303包括D/A通道和A/D通道，其中，D/A通道用于将数字编码信号转换为模拟信号，A/D通道用于将模拟信号转换为数字编码信号。

在本实施例的实际使用过程中，一方面，控制模块301负责地面的数据获取、数据处理和人机交互软件的运行，采用MSK调制算法调制指令以中心频率为6.25Hz的正弦波震荡信号调制包含启动信号、标识信号和操作指令信号等的数字编码信号，经过第一信号转换模块303的D/A通道，以调频形式形成模拟信号，该模拟信号经过功率放大到50W后，以电磁波的形式进入天线4中发射给井下子系统6；另一方面，天线4可以接收井下子系统6双极性天线609发射出的关于执行信息、压力信息、温度信息等数字编码信号的电磁波，在功率发大过之后，经过第一信号转换模块303的D/A通道对信号进行数模转换和信号处理后，传给控制模块301，控制模块301采用基于LabVIEW开发的信号处理系统将接收到的信号进行解析，解调出位置信息、压力信息和温度信息的状态信号，并将相应数据传送到显示模块302中进行显示。

对于井下子系统6而言，井下子系统6也可以用来接收信号和发射信号。具体地，井下子系统6还包括电源模块607，电源模块607包括第一电源单元和第二电源单元，第一电源单元分别与传感器模块605、存储模块606和核心处理模块601相连，第二电源单元分别与驱动模块602、执行模块603和第二信号转换模块604相连，井下子系统6还包括存储模块606，核心处理模块601的第三端与存储模块606相连，井下子系统6还包括功率放大器608，功率放大器608位于双极性天线609与第三信号转换单元和第四信号转换单元之间。

在本实施例的实际使用过程中，第一传感器单元包括温度传感器和压力传感器，第二传感器单元包括位置传感器。一方面，核心处理模块601收集通过第一传感器单元采集的温度信息和压力信息、第二传感器单元采集的位置信息，将信息存储到存储模块606中，同时经过命令信息的处理，采用中心频率为6.25Hz的正弦波震荡信号调制包含位置信号、压力信号和温度信号等的数字编码信号，经过第二信号转换模块604的第四信号转换单元，以调频形式形成模拟信号，该模拟信号经过功率放大到30W后，以电磁波的形式进入双极性天线609中发射给地面子系统3；另一方面，双极性天线609可以接收地面子系统3天线4发射出的关于启动信号、标示信号等的数字编码信号，在功率放大器608的功率发大过之后，经过第二信号转换模块604的第三信号转换单元对信号解调处理传送到核心处理模块601，核心处理模块601将得到的标识信号与自身标识码进行对比，如果相同，则回传自身标识码，建立与地面子系统3的通信通道并继续接收信号，然后将得到的标识信号与操作指令与自身标识再次进行对比，如果相同，核心处理模块601经过滤波消噪和信号提取等算法后将有效控制信息解读出来，执行模块602按操作指令进行相应操作，如果不相同，执行模块602不做出响应。

需要说明的是，天线4与大地相连，电缆2的另一端与井口1相连，使得整个基于电磁波的无线双向通讯系统构成一个回路。

在本实施例中，核心处理单元601的内置芯片的长宽高分别为300mm、40mm和16mm，天线成桶状结构，外径Φ154mm，内径Φ128mm，长度320mm，且2～3个天线串联安装，井下子系统6能在温度150℃、压力最高达到140MPa的密封装置中长期稳定工作。

本发明的基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统，包括井下子系统、地面子系统、电缆和天线，地面子系统包括显示模块、控制模块和第一信号转换模块，井下子系统包括双极性天线、核心处理模块、驱动模块、执行模块、第二信号转换模块和传感器模块，通过电磁波建立井上、井下的双向通信通道，可以准确简便地实现中深井井下测量信号向地面的实时传输和地面指令信号向井下的实时传输，完成井下设备的操作管理和井下信息的获取显示，提高了油气藏生产过程的参数监测能力以及油气井开发过程的自动化控制水平。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电磁波用于中深井的无线双向通讯系统，其特征在于，所述系统包括井下子系统、地面子系统、电缆和天线；

所述地面子系统包括显示模块、控制模块和第一信号转换模块；

所述井下子系统包括双极性天线、核心处理模块、驱动模块、执行模块、第二信号转换模块和传感器模块；

所述控制模块的第一端与所述第一信号转换模块的第一端连接，所述控制模块的第二端与所述显示模块连接，所述第一信号转换模块的第二端与所述天线连接，所述第一信号转换模块的第三端与所述电缆的一端相连；

所述控制模块用于运行人机交互软件以获取地面指令数字信号，还用于调制所述地面指令数字信号并传输至所述第一信号转换模块，其中，所述地面指令数字信号包含启动信号、标识信号和操作指令信号；

所述第一信号转换模块用于将调制后的地面指令数字信号进行数模转换以得到地面指令模拟信号并传输至所述天线；

所述天线用于将所述地面指令模拟信号发送至所述井下子系统，还用于接收所述井下子系统发送的井下信息模拟信号并传输至所述第一信号转换模块，其中，所述井下信息模拟信号包含温度信号、压力信号和位置信号；

所述第一信号转换模块还用于将所述井下信息模拟信号进行模数转换以得到井下信息数字信号并传输至所述控制模块；

所述控制模块还用于解调所述井下信息数字信号以得到状态信号并传输至所述显示模块，其中，所述状态信号与温度信息、压力信息和位置信息相对应；

所述显示模块用于显示所述状态信号对应的所述温度信息、所述压力信息和所述位置信息；

所述第二信号转换模块包括第一信号转换单元、第二信号转换单元、第三信号转换单元和第四信号转换单元，所述传感器模块包括第一传感器单元和第二传感器单元，所述第一传感器单元包括温度传感器和压力传感器，所述第二传感器单元包括位置传感器；

所述核心处理模块的第一端与所述驱动模块相连，所述驱动模块与所述执行模块相连；

所述核心处理模块的第二端与所述第二信号转换模块相连，其中，所述第一信号转换单元与所述第一传感器单元相连，所述第二信号转换单元与所述第二传感器单元相连，所述第三信号转换单元与所述双极性天线的第一端相连，所述双极性天线的第二端与所述第四信号转换单元相连；

所述温度传感器用于采集所述温度信息，所述压力传感器用于采集所述压力信息，所述位置传感器用于采集所述位置信息；

所述第一传感器单元用于将采集到的所述温度信息和所述压力信息传输至所述第一信号转换单元，所述第二传感器单元用于将采集到的所述位置信息传输至所述第二信号转换单元；

所述第一信号转换单元和所述第二信号转换单元用于将所述温度信息、所述压力信息和所述位置信息进行模数转换以得到所述井下信息数字信号，所述井下信息数字信号包含所述温度信号、所述压力信号和所述位置信号；

所述核心处理模块用于收集并调制所述井下信息数字信号，并将调制后的井下信息数字信号传输至所述第四信号转换单元；

所述第四信号转换单元用于将所述调制后的井下信息数字信号进行数模转换以得到所述井下信息模拟信号并传输至所述双极性天线；

所述双极性天线用于将所述井下信息模拟信号发送至所述地面子系统，还用于接收所述地面子系统发送的所述地面指令模拟信号并传输至所述第三信号转换单元，其中所述地面指令模拟信号包含所述启动信号、所述标识信号和所述操作指令信号；

所述第三信号转换单元用于将所地面指令模拟信号进行模数转换以得到所述地面指令数字信号并传输至所述核心处理模块；

所述核心处理模块还用于解调所述地面指令数字信号以得到所述启动信号、所述标识信号和所述操作指令信号，并将所述标识信号与自身标识码进行对比，响应于所述标识信号与所述自身标识码相同，回传所述自身标识码并与所述地面子系统建立通信通道以持续接收所述地面子系统发送的地面指令数字信号，响应于后续接收到的地面指令数字信号中的标识信号与所述自身标识码相同，通过算法解析所述后续接收到的地面指令数字信号中的操作指令信号以得到有效控制信息，并基于所述有效控制信息控制所述执行模块进行操作。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面子系统还包括限幅滤波器和功率放大器，所述限幅滤波器和所述功率放大器位于所述第一信号转换模块和所述天线之间，所述第一信号转换模块的第二端与所述限幅滤波器一端相连，所述限幅滤波器的另一端与所述功率放大器的一端相连，所述功率放大器的另一端与所述天线连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述地面子系统还包括电源模块，所述电源模块分别与所述显示模块、所述控制模块、所述限幅滤波器和所述功率放大器相连。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一信号转换模块包括D/A通道和A/D通道。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下子系统还包括电源模块。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电源模块包括第一电源单元和第二电源单元，所述第一电源单元分别与所述传感器模块、存储模块和所述核心处理模块相连，所述第二电源单元分别与所述驱动模块、所述执行模块和所述第二信号转换模块相连。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述井下子系统还包括所述存储模块，所述核心处理模块的第三端与所述存储模块相连。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下子系统还包括功率放大器，所述功率放大器位于所述双极性天线与所述第三信号转换单元和所述第四信号转换单元之间。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述天线与大地相连。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电缆的另一端与井口相连。