CN107100613A - 大功率井下钻机载波远程监测系统 - Google Patents

大功率井下钻机载波远程监测系统 Download PDF

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张世平
裴学良
聂云飞
张辉
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Abstract

本发明提供了一种大功率井下钻机载波远程监控系统，它是在井上变频器输出端接入电感、电容和井上通讯模块；在井下电机输入端接入井下通讯模块和测量电路；测量电路包括交流参数测量电路和转速测量电路；井上通讯模块和井下通讯模块同时接入三相驱动线路中的任意两相，在其中的一相中同时接入井上阻波器和井下阻波器，在井上通讯模块和井下通讯模块的线路前端分别接入井上陷波器和井下陷波器。本发明采用LC阻波器克服了变频器匹配电容对传输信号的衰减；系统中采用LC陷波器抑制了变频器的谐波干扰；系统中通讯信号的发送和接收分别采用了单独的发送耦合器和接收耦合器，使通讯信号在线路上的传输达到最佳状态。

Description

大功率井下钻机载波远程监测系统
技术领域
本发明提供了一种大功率井下钻机载波远程监控系统，能对井下的大功率钻井电机的运行状态进行远程监测。
背景技术
在钻井过程中，需要了解井下电机的一些参数及信息，如电机的扭矩、转速的信息，因此井上与井下必须实现信息的有效传输。
泥浆脉冲法最先出现，早在20世纪50年代就已经用于测井中，也是目前最成熟、应用最广泛的传输技术，一度作为随钻数据传输的现代工业标准。典型传输速率是3～6bit/s，理想状态下为12bit/s，因此该方法不能适应现在钻井所需的高速实时数据传输要求。
电磁波传输信号最早应用于煤矿安全和军事方面。电磁波传输信号有两种方法：以地层为传输介质和以钻杆为传输导体。电磁波传输数据的速度比较快且不需要特殊钻杆，其主要缺点在于电磁波在井壁地层中衰减严重，该方法仅限于在浅井中应用。
井下端口带着三相电缆随钻杆至井下几公里处，电机的运行状态如果能通过电力线载波通讯方式传输至地面，将是最行之有效的方式。
但井下电机功率几十千瓦或更大，变频器的输出电机驱动波形含有丰富的谐波分量干扰极大，造成通讯信号很难解调；同时变频器输出时的匹配电容也对高频通讯信号造成了极大的衰减，信号的直接传输距离很短，不可能到达几公里的传输距离。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种利用电力线载波通讯方式将电机参数实时、高速传输至地面的大功率井下钻机载波远程监控系统。
其技术方案是：
大功率井下钻机载波远程监测系统，在井上变频器1的输出端依次接入阻抗匹配的电感2、电容3和井上通讯模块8；在井下电机10的输入端接入井下通讯模块9和测量电路16；测量电路16包括交流参数测量电路17和转速测量电路18；其中交流参数测量电路17由连接井下电机10端口的电压互感器和电流互感器组成，转速测量电路18连接于井下电机10的一组专用线圈19；井上通讯模块8和井下通讯模块9同时接入三相驱动线路中的任意两相，在其中的一相中同时接入井上阻波器4和井下阻波器5，其中井上阻波器4串联接入在输出匹配阻抗的电感2和电容3的线路后端，且在井上通讯模块8的线路前端；井下阻波器5串联接入在井下电机10的线路前端，且在井下通讯模块9的线路后端；在井上通讯模块8和井下通讯模块9的线路前端分别接入井上陷波器6和井下陷波器7。
上述方案进一步包括：
所述井上通讯模块8、井下通讯模块9均由信号发送电路和信号接收电路组成，其中信号发送电路包括串口通信电路、信号调制电路、前级放大电路、功率放大电路、滤波电路、发送耦合器11；信号接收电路包括接收耦合器12、滤波电路、放大器电路、微调电路15、解调电路、串口通信电路。
发送耦合器11和接收耦合器12均包含信号变压器13。
在发送耦合器11的信号变压器13之后连接有耐压电容14。
井上陷波器6和井下陷波器7分别是一个或多个。
本发明提供了大功率井下钻机载波远程监控系统，采用LC阻波器克服了变频器匹配电容对传输信号的衰减，实现长距离的稳定传输；系统中采用LC陷波器抑制了变频器的谐波干扰；系统中通讯信号的发送和接收分别采用了单独的发送耦合器和接收耦合器，使通讯信号在线路上的传输达到最佳状态。
附图说明
图1是大功率井下钻机载波远程监控系统的结构图。
图2是通讯模块中的信号发送电路原理图。
图3是通讯模块中的信号接收电路原理图。
图4是井下测量部分结构图。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的具体实施方案。
参照图1 ，一种大功率井下钻机载波远程监控系统，在井上变频器1的输出端依次接入阻抗匹配的电感2、电容3和井上通讯模块8；在井下电机10的输入端接入井下通讯模块9和测量电路16。井上通讯模块8和井下通讯模块9同时接入三相驱动线路中的任意两相，在其中的一相中同时接入井上阻波器4和井下阻波器5，其中井上阻波器4串联接入在输出匹配阻抗的电感2和电容3的线路后端，且在井上通讯模块8的线路前端；井下阻波器5串联接入在井下电机10的线路前端，且在井下通讯模块9的线路后端；在井上通讯模块8和井下通讯模块9的线路前端分别接入井上陷波器6和井下陷波器7。参照图4，测量电路16包括交流参数测量电路17和转速测量电路18；其中交流参数测量电路17由连接井下电机10端口的电压互感器和电流互感器组成，转速测量电路18连接于井下电机10的一组专用线圈19。
该电路的工作原理是：井上通讯模块8、井下通讯模块9和井上陷波器6、井下陷波器7共同构成了信号传输回路，且该传输回路处于井上阻波器4、井下阻波器5之间。井上通讯模块8、井下通讯模块9发送出的调制信号，在装有井上阻波器4、井下阻波器5的相位和另一相位之间形成回路，井上阻波器4、井下阻波器5的阻波频率设置为和载波频率一致，这样在理论上因为井上阻波器4、井下阻波器5的阻波作用，该调制信号的传输回路中只包括井上通讯模块8、井下通讯模块9和井上陷波器6、井下陷波器7，调制信号不会流经变频器1、匹配电感2、匹配电容3以及井下电机10等处，则该调制信号就不会受到线路本身以外因素的影响而发生变化如衰减。
由于线路上的变频器1输出含有大量的谐波成分，其幅度远远超过信号的幅度，一旦进入井上通讯模块8、井下通讯模块9后，因为过小的信噪比，再用滤波的手段很难清除。因此在井上通讯模块8、井下通讯模块9前加入井上陷波器6、井下陷波器7先将谐波幅度降低，井上陷波器6、井下陷波器7可以是一个或多个，井上陷波器6、井下陷波器7的陷波频点和谐波中幅度最大的一个或多个频率相一致。
图2 是井上通讯模块8、井下通讯模块9中的信号发送电路原理图，由以下几个部分构成，包括：串口通信电路、信号调制电路、前级放大电路、功率放大电路、滤波电路、发送耦合器11。井上通讯模块8、井下通讯模块9发出的信息经串口通信电路，输入至信号调制电路，调制后通过前级放大电路和功率放大电路使输出具有足够带载能力。滤波电路主要是为了使耦合到线路上时的波形不含干扰信号，提高传输效率和距离。发送耦合器11是将调制信号耦合到线路上，信号变压器13将井上通讯模块8、井下通讯模块9中和传输线路进行电气隔离，变比值由线路电压和发送电路参数确定，信号变压器13之后有一个耐压电容14，和信号变压器13组成一个选频网络滤除干扰信号。
图3是井上通讯模块8、井下通讯模块9中的信号接收电路原理图，由以下几个部分构成：接收耦合器12、滤波电路、放大器电路、微调电路15、解调电路、串口通信电路。接收耦合器12是将通信信号从传输回路上耦合到井上通讯模块8、井下通讯模块9中，信号变压器13将井上通讯模块8、井下通讯模块9中和传输线路进行电气隔离，其变比值由线路电压和解调电路参数确定。滤波电路主要是滤除接收信号中的干扰成分，放大电路的目的是为了对接收到的信号幅度进行放大，后面的微调电路15是对幅度进一步调节，由信号解调电路解调出传输信息，由串口通信电路将井下电机10运行的状态信息传送至地面。
由于接收耦合器12和发送耦合器11是相互独立的，其变比值由调制和解调电路各自的参数独立确定，这样，使井上通讯模块8、井下通讯模块9不论是信号发送还是信号接收，都可以调整为各自功能的最佳状态。
参照图4是井下测量部分结构图，测量电路16具备交流参数测量电路17，通过电压互感器和电流互感器，测量井下电机10的端口电压和电流，可计算出井下电机10的运行扭矩。测量电路16具备转速测量电路18，用于测量井下电机10提供的一组专用线圈19的电压，可标定出井下电机10的运行速度。

Claims (5)

1.大功率井下钻机载波远程监测系统，其特征在于：在井上变频器（1）的输出端依次接入阻抗匹配的电感（2）、电容（3）和井上通讯模块（8）；在井下电机（10）的输入端接入井下通讯模块（9）和测量电路（16）；测量电路（16）包括交流参数测量电路（17）和转速测量电路（18）；其中交流参数测量电路（17）由连接井下电机（10）端口的电压互感器和电流互感器组成，转速测量电路（18）连接于井下电机（10）的一组专用线圈（19）；井上通讯模块（8）和井下通讯模块（9）同时接入三相驱动线路中的任意两相，在其中的一相中同时接入井上阻波器（4）和井下阻波器（5），其中井上阻波器（4）串联接入在输出匹配阻抗的电感（2）和电容（3）的线路后端，且在井上通讯模块（8）的线路前端；井下阻波器（5）串联接入在井下电机（10）的线路前端，且在井下通讯模块（9）的线路后端；在井上通讯模块（8）和井下通讯模块（9）的线路前端分别接入井上陷波器（6）和井下陷波器（7）。
2.根据权利要求1所述的大功率井下钻机载波远程监测系统，其特征在于：所述井上通讯模块（8）、井下通讯模块（9）均由信号发送电路和信号接收电路组成，其中信号发送电路包括串口通信电路、信号调制电路、前级放大电路、功率放大电路、滤波电路、发送耦合器（11）；信号接收电路包括接收耦合器（12）、滤波电路、放大器电路、微调电路（15）、解调电路、串口通信电路。
3.根据权利要求2所述的大功率井下钻机载波远程监测系统，其特征在于：发送耦合器（11）和接收耦合器（12）均包含信号变压器（13）。
4.根据权利要求3所述的大功率井下钻机载波远程监测系统，其特征在于：在发送耦合器（11）的信号变压器（13）之后连接有耐压电容（14）。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的大功率井下钻机载波远程监测系统，其特征在于：井上陷波器（6）和井下陷波器（7）分别是一个或多个。
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