CN107706954B - 一种随钻仪器供电管理装置 - Google Patents

一种随钻仪器供电管理装置 Download PDF

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Abstract

一种随钻仪器供电管理装置，包括：时钟电路，其用于提供时钟信号；电池组电压测量电路，其与电池组连接，用于测量电池组的电压，得到测量电压数据；电池组电流测量电路，其与电池组连接，用于测量电池组的电流，得到测量电流数据；控制电路，其与时钟电路、电池组电压测量电路和电池组电流测量电路连接，用于根据时钟信号、测量电压数据和测量电流数据，生成电池组激活信号；电池组激活电路，其连接在电池组的正负极之间，用于根据电池组激活信号对所述电池组进行激活处理。该装置不仅能够充分优化随钻仪器(特别是近钻头仪器)的电池组供电效率，还能够避免电池组因长时间不使用而出现的钝化现象。

Description

一种随钻仪器供电管理装置
技术领域
本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种随钻仪器供电管理装置。
背景技术
随着石油和天然气开发的不断进行，早期的常规油气藏已经开发接近尾声，目前已经向开发非常规油气藏、复杂油气藏发展，由浅层向深层发展。定向井的施工在这些非常规油气藏和复杂油气藏中应用的越来越普遍。
随着现代电子测量技术的不断发展，近钻头仪器可在钻进过程中实时测量钻头处的井斜、方位等工程参数，电阻率、伽马等地质参数。近钻头仪器由于其特殊的结构，其内部的电池组、近钻头测量电路与传感器等都是高度紧凑的安装在近钻头1米左右的短节内。常规的随钻测量仪器(MWD/LWD)一般都是在钻井现场进行电池组的链接和安装，这样保证在仪器和电池组的储存和安装过程，不需要相互链接，避免电池组电量的消耗。由于近钻头仪器短节紧密安装在钻头之后，其承受更严重的震动、冲击，因此对其可靠性要求极为苛刻。
由于近钻头的空间限制，所能安装的电池组更为有限，只有一组电池组供电。而且电池组很难在钻井现场进行更换，因此对电池组的供电优化管理要求更高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种随钻仪器供电管理装置，所述装置包括：
时钟电路，其用于提供时钟信号；
电池组电压测量电路，其与电池组连接，用于测量所述电池组的电压，得到测量电压数据；
电池组电流测量电路，其与所述电池组连接，用于测量所述电池组的电流，得到测量电流数据；
控制电路，其与所述时钟电路、电池组电压测量电路和电池组电流测量电路连接，用于根据所述时钟信号、测量电压数据和测量电流数据，生成电池组激活信号；
电池组激活电路，其连接在所述电池组的正负极之间，用于根据所述电池组激活信号对所述电池组进行激活处理。
根据本发明的一个实施例，所述电池组激活电路包括可控开关，所述可控开关包括：控制端口、第一外接端口和第二外接端口，其中，所述控制端口通过第一电阻与所述控制电路的相应控制端口连接，所述控制端口还通过第二电阻与所述电池组的负极连接，所述第一外接端口通过第三电阻与所述电池组的正极连接，所述第二外接端口与所述电池组的负极连接。
根据本发明的一个实施例，所述可控开关为场效应管，所述场效应管的栅极形成所述可控开关的控制端口，源极和漏极分别形成所述第一外接端口和第二外接端口。
根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：
存储电路，其与所述控制电路连接；
温度检测电路，其与所述控制电路连接，用于采集所述电池组的温度数据。
根据本发明的一个实施例，所述控制电路配置为根据所述测量电压数据、测量电流数据、温度数据和时钟信号，生成所述电池组的状态信息。
根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：
切换电路，其包含多个结构相同的切换支路，各个切换支路的输入端与所述电池组的正极连接，输出端与对应的随钻测量电路连接，控制端与所述控制电路连接，各个切换支路能够在所述控制电路的控制下导通或断开对应随钻测量电路与所述电池组之间的连接。
根据本发明的一个实施例，所述切换支路包括：
第一开关件和第二开关件，其中，所述第一开关件的输入端和输出端分别形成所述切换支路的输入端和输出端，所述第二开关的输入端和输出端分别与所述第一开关件的控制端和地连接，所述第二开关的控制端与所述控制电路的相应控制端口连接，所述第一开关件的控制端还通过电阻与自身输入端连接，所述第二开关件的控制端还通过电阻与自身输出端连接。
根据本发明的一个实施例，所述控制电路配置为根据各个随钻测量电路的工作特征来控制对应切换支路的通断。
根据本发明的一个实施例，所述控制电路配置为根据各个随钻测量电路的工作优先级参数来控制对应切换支路的通断，从而控制各个随钻测量电路与电池组之间电连接的通断。
根据本发明的一个实施例，所述电池组电流测量电路包括：
采样电阻，其与所述电池组的正极连接；
电压采样电路，其两个输入端分别连接在所述采样电阻的两端，输出端与所述控制电路连接。
本发明所提供的随钻仪器供电管理装置能够充分优化随钻仪器(特别是近钻头仪器)的电池组供电效率。该装置还能够避免电池组因长时间不使用而出现的钝化现象，同时，通过优化供电控制，该装置还能够延长随钻仪器的供电时长。此外，该装置还能够完整地记录电池组的工作参数(例如电池组电压、电池组电流以及温度等)，从而为后续分析电池组工作状态以及系统优化提供数据支撑。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的随钻仪器供电管理装置的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的时钟电路的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的电池组电压测量电路的结构示意图；
图4是根据本发明一个实施例的电压采样电路的结构示意图；
图5是根据本发明一个实施例的电池组激活电路的结构示意图；
图6是根据本发明一个实施例的存储电路的电路示意图；
图7是根据本发明一个实施例的温度检测电路的电路示意图；
图8是根据本发明一个实施例的通讯电路的结构示意图；
图9是根据本发明一个实施例的切换支路的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
当近钻头仪器电池组安装完毕以后，由于储存、运输和现场使用时间的不确定性，往往会出现电池组长期不用的现象。而电池组长时间不使用，极板上的部分活性物质会失去活性，因此也就导致电池组发生钝化现象。当电池组发生钝化后，电池组会表现为充电显示已经充满，一使用电压迅速下降，电池组与正常状态相比其容量明显下降。
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供给了一种新的随钻仪器供电管理装置，该装置特别适用于近钻头测量仪器中供电的优化管理，从而提高电能的利用率。
图1示出了本实施例中随钻仪器供电管理装置的结构示意图。
如图1所示，本实施例所提供的供电管理装置包括：控制电路101、时钟电路102、电池组电压测量电路103、电池组电流测量电路104以及电池组激活电路105。
时钟电路102与控制电路101连接，其用于产生始终信号，并将该时钟信号传输给控制电路101。具体地，本实施例中，时钟电路102的电路示意图如图2所示。从图2中可以看出，本实施例所提供的时钟信号102包括晶振Y1以及实时时钟芯片U4。其中，晶振Y1的振荡频率优选的配置为32.768KHz，实时时钟芯片U4优选地采用DS1308芯片来实现，DS1308是一款低功耗、二-十进制编码(BCD)的时钟/日历，外加56字节NV RAM。对于DS1308芯片来说，地址与数据通过I2C总线串行传输，其能够提供秒、分、时、星期、日、月和年信息。对于少于31天的月份，其能够自动调整月末日期，包括闰年修正。
再次如图1所示，电池组电压测量电路103与电池组连接，其用于测量电池组111的电压(即电池组正负极两端的电压)，从而得到测量电压数据。控制电路101与电池组电压测量电路103的输出端连接，其能够根据电压测量电路103传输来的测量电压数据计算得到电池组111的正负极两端的电压。
图3示出了电池组电压测量电路103的电路示意图。从图3中可以看出，本实施例所提供的电池组电压测量电路103包括：放大器芯片U2、分压电阻R5、电阻R6以及电阻R7。其中，电阻R5的一端与电池组111的正极(即图3中所示的IN+端)连接，另一端与电阻R6连接，电阻R6的另一端与地(即电池组111的负极)连接。电阻R5以及电阻R6的公共连接端与放大器芯片U2的输入端正极连接，放大器芯片U2的输入端负极与其输出端连接，其输出端(即图3中所示的OUT3端)通过电阻R7与控制电路101连接。
本实施例中，放大器芯片U2优选的采用AD8031芯片来实现，电阻R5的阻值优选地配置为180kΩ，电阻R6的阻值优选地配置为20kΩ，电阻R7的阻值优选地配置为10Ω。
再次如图1所示，电池组电流测量电路104与电池组111的正极连接，其用于测量电池组111的输出电流，从而得到测量电流数据。控制电路101与电池组电流测量电路104的输出端连接，其能够根据电池组电流测量电路104传输来的测量电流数据计算得到电池组111的输出的电流大小。
具体地，如图1所示，本实施例中，电池组电流测量电路104优选地包括：采样电阻R1以及电压采样电路104a。其中，采样电阻R1连接在电池组111的导电回路中，电压采样电路104a的两个输入端分别与采样电阻R1的两端连接，电压采样电路104a的输出端与控制电路连接。控制电路101接收到电压采样电路104a传输来的采样电压信号后，便可以根据该采样电压信号与采样电阻R1的电阻值的比值计算出流经采样电阻R1的电流值，该电流值约等于电池组111所输出的电流值。
图4示出了本实施例中电压采样电路的结构示意图。从图4中可以看出，本实施例中，电压采样电路104a优选地包括：高电压采样芯片U1、电容C2以及电阻R8。其中，高电压采样芯片U1采用LT6100来实现，电容C2连接在LT6100芯片的FIL端口与地之间，LT6100的两个输入端IN-以及IN+分别连接在采样电阻R1的两端，LT6100的输出端通过电阻R8形成电压采样电路的输出端口OUT1与控制电路101连接。本实施例中，控制电路101所接收到的LT6100芯片传来的信号为表征采样电阻R1两端电压的信号，由于采样电阻R1的电阻值是已知的，因此控制电路101也就可以根据采样电阻R1两端的电压与其电阻值之比来计算得到电池组111输出的电流值，从而实现对电池组电流值的测量。
再次如图1所示，本实施例中，电池组激活电路105连接在电池组111的正负极之间。其中，控制电路101能够根据时钟电路102所生成的实时时钟信号、电池组电压测量电路103所生成的测量电压数据以及电池组电流测量电路104所生成的测量电流数据生成电池组激活信号。电池组激活电路105则会根据电池组激活信号对电池组111进行强电流放电，从而实现对电池组111的激活。
具体地，如图5所示，本实施例所提供的电池组激活电路105优选地包括可控开关Q1。其中，可控开关Q1形成有控制端口、第一外接端口以及第二外接端口。可控开关Q1的控制端口通过第一电阻R2与控制电路101的相应控制端口(即CTRL1端口)连接，该控制端口还通过第二电阻R4与地(即电池组111的负极)连接，可控开关Q1的第一外接端口通过第三电阻R3与电池组111的正极IN+连接，第二外接端口与地连接。
本实施例中，可控开关Q1优选地采用场效应管芯片IRF9024来实现，下拉电阻R4的阻值配置为100kΩ，输入电阻R2的阻值配置为1kΩ，放电电阻R3的阻值配置为阻值为50Ω、该功率为10W的大功率电阻。
其中，当控制电路生成高电平的电池组激活信号时，场效应管Q1的源极与漏极之间连接被导通，电池组的正极也就等效于通过放电电阻R3与地(即电池组的负极)连接，由于放电电阻R3的阻值较小，因此也就可以实现电池组的大电流放电，即实现对电池组的激活处理，从而优化电池组的性能。
再次如图1所示，本实施例所提供的随钻一起供电管理装置还包括：存储电路106、通讯电路107、温度检测电路108、切换电路109以及DC/DC转换电路112。其中，通讯电路107与控制电路101连接，其能够实现该装置与其它装置/设备之间的数据交换。温度检测电路108与控制电路101连接，其能够采集电池组或整个装置的温度数据，并将该数据传输给控制电路。存储电路106同样与控制电路101连接，其用于存储控制电路101传输来的数据。例如，本实施例中，控制电路101会将所接收到的时钟信号、测量电压数据、测量电流数据以及温度数据等转存到存储电路106中。DC/DC转换电路112与电池组111的正极连接，其能够对电池组111所输出的电压大小进行转换，从而形成适合随钻仪器要求的各个工作电压。
本实施例中，控制电路101还能够根据所接收到的时钟信号、测量电压数据、测量电流数据以及温度数据等生成电池组的状态信息，以供用户快速对电池组的生命周期和工作状态进行完整和全面地分析。
图6示出了本实施例所提供的存储电路的电路示意图。从图6中可以看出，本实施例中，存储电路106所使用的存储芯片U5优选地采用1Mbit存储器AT24CM01来实现，该存储器的存储容量足够完整地存储相关数据。
图7示出了本实施例所提供的温度检测电路108的电路示意图。从图7中可以看出，温度检测电路108所使用的温度传感器芯片U3优选地采用温度传感器芯片LM80来实现，其中，温度传感器芯片的电源正极与地之间所连接的去耦电容优选地配置为0.1μF。温度检测电路108的输出端OUT2与控制电路的相应端口连接，其能够将检测到的温度数据传输至控制电路。
图8示出了本实施例所提供的通讯电路的电路示意图。从图8中可以看出，通讯电路107所使用的通讯芯片U6采用了485总线转换芯片MAX485。
再次如图1所示，本实施例所提供的随钻仪器供电管理装置还包括切换电路109。其中，切换电路109包含多个结构相同的切换支路，各个切换支路的输入端均与电池组111的正极连接，输出端分别与对应的随钻测量电路连接，控制端分别与控制电路101的对应控制端口连接。各个切换支路能够在控制电路101的控制下导通或断开对应随钻测量电路与电池组之间的连接。
具体地，如图1所示，在本实施例所提供的供电管理装置中，切换电路109包含3个由切换支路(即第一切换支路SW1、第二切换支路SW2和第三切换支路SW3)构成的切换支路，这三个切换支路的输出端分别与其对应的随钻测量电路连接，即第一切换支路SW1的输出端与第一随钻测量电路110a连接，第二切换支路SW2的输出端与第二随钻测量电路110b连接，第三切换支路SW3的输出端与第一随钻测量电路110c连接。
本实施例中，切换电路109所包含的各个切换支路的结构相同，因此了描述的方便，以下仅以某一开关件为例来对切换支路的具体电路结构进行进一步的描述。
图9示出了本实施例中切换支路SW1的电路结构示意图。
如图9所示，本实施例中，切换支路SW1包括：第一开关件Q2和第二开关件Q3。其中，第一开关件Q2的输入端和输出端分别形成切换支路SW1的输入端IN+和输出端VCC，第二开关件Q3的输入端和输出端分别与第一开关件Q2的控制端和地连接，第二开关件Q3的控制端与控制电路101的相应控制端口SW_CTRL1连接，第一开关件Q2的控制端还通过电阻R10与其输入单连接，第二开关件Q3的控制端也通过电阻R9与其输出端连接。
本实施例中，第一开关件Q2优选地采用场效应管IRF90254来实现，第二开关件Q3优选地采用场效应管IRLD120来实现，上拉电阻R10的电阻值优选的配置为100kΩ，下拉电阻R9的电阻值优选的配置为100kΩ。
本实施例中，控制电路101能够根据电池组111的状况以及各个随钻测量电路的工作特征，来控制对应切换支路的通断，从而提供优化的供电方式。具体地，例如，第一随钻测量电路110a中的工程参数测量可以进行间断式的测量，那么控制电路101也就可以在第一随钻测量电路110a处于非测量时段时将开关支路SW1断开，从而不向第一随钻测量电路110a供电。
此外，当电池组111的剩余电量不多时(例如电池组111的剩余电量小于某一预设电量阈值时)，控制电路101还可以根据各个随钻测量电路的工作优先级参数来控制对应切换支路的通断，从而控制各个随钻测量电路与电池组之间电连接的通断。具体地，例如，当电池组111的剩余电量不多时，控制电路101可以通过将开关支路SW1断开，来将工作优先级较低的第一随钻测量电路110a的电源断开，从而保证其他优先级较高的随钻测量电路的正常供电。
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，上述各个电路所采用的具体电路结构、芯片型号以及器件取值均可以为其他合理结构、型号以及取值，本发明不限于此。
从上述描述中可以看出，本实施例所提供的随钻仪器供电管理装置能够充分优化随钻仪器(特别是近钻头仪器)的电池组供电效率。该装置还能够避免电池组因长时间不使用而出现的钝化现象，同时，通过优化供电控制，该装置还能够延长随钻仪器的供电时长。此外，该装置还能够完整地记录电池组的工作参数(例如电池组电压、电池组电流以及温度等)，从而为后续分析电池组工作状态以及系统优化提供数据支撑。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (7)

1.一种用于近钻头测量仪器的供电管理装置，其特征在于，所述装置包括：
时钟电路，其用于提供时钟信号；
电池组电压测量电路，其与所述近钻头测量仪器的仅有的一组电池组连接，用于测量所述电池组的电压，得到测量电压数据；
电池组电流测量电路，其与所述电池组连接，用于测量所述电池组的电流，得到测量电流数据；
控制电路，其与所述时钟电路、电池组电压测量电路和电池组电流测量电路连接，用于根据所述时钟信号、测量电压数据和测量电流数据，生成电池组激活信号，还根据电池组的状况以及各个随钻测量电路的工作特征或工作优先级参数来控制对应的切换支路的通断，从而控制各个随钻测量电路与电池组之间电连接的通断；
电池组激活电路，其连接在所述电池组的正负极之间，用于根据所述电池组激活信号对仅有的一组电池组进行强电流放电，从而实现激活处理，避免电池组因长时间不使用而出现的钝化现象；所述电池组激活电路包括可控开关，所述可控开关包括：控制端口、第一外接端口和第二外接端口，其中，所述控制端口通过第一电阻与所述控制电路的相应控制端口连接，所述控制端口还通过第二电阻与所述电池组的负极连接，所述第一外接端口通过第三电阻与所述电池组的正极连接，所述第二外接端口与所述电池组的负极和地连接；
切换电路，其包含多个结构相同的切换支路，各个切换支路的输入端与所述电池组的正极连接，输出端与对应的随钻测量电路连接，控制端与所述控制电路连接，各个切换支路能够在所述控制电路的控制下导通或断开对应随钻测量电路与所述电池组之间的连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可控开关为场效应管，所述场效应管的栅极形成所述可控开关的控制端口，源极和漏极分别形成所述第一外接端口和第二外接端口。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
存储电路，其与所述控制电路连接；和/或，
温度检测电路，其与所述控制电路连接，用于采集所述电池组的温度数据。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制电路配置为根据所述测量电压数据、测量电流数据、温度数据和时钟信号，生成所述电池组的状态信息。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切换支路包括：
第一开关件和第二开关件，其中，所述第一开关件的输入端和输出端分别形成所述切换支路的输入端和输出端，所述第二开关的输入端和输出端分别与所述第一开关件的控制端和地连接，所述第二开关的控制端与所述控制电路的相应控制端口连接，所述第一开关件的控制端还通过电阻与自身输入端连接，所述第二开关件的控制端还通过电阻与自身输出端连接。
6.如权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述控制电路配置为根据各个随钻测量电路的工作特征来控制对应切换支路的通断。
7.如权利要求1～5中任一项所述的装置，其特征在于，所述电池组电流测量电路包括：
采样电阻，其与所述电池组的正极连接；
电压采样电路，其两个输入端分别连接在所述采样电阻的两端，输出端与所述控制电路连接。
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