CN108957326B - 一种用于随钻电池的安全检测装置 - Google Patents

Abstract

一种用于随钻电池的安全检测装置，其包括：随钻电池物理状态检测模块，其用于检测随钻电池的物理状态并生成相应的物理状态信号；控制模块，其与随钻电池物理状态检测模块连接，用于根据物理状态信号生成随钻电池的安全状态信号；输出端子；可控开关模块，其连接在随钻电池与输出端子之间，并与控制模块连接，用于根据安全状态信号导通或断开随钻电池与输出端子之间的电连接。该装置能够实时地对随钻电池的工作状态参数，并根据上述工作状态参数来判断电池的安全状态，并在随钻电池的安全状态过低时切断随钻电池的输出共供电，从而保证随钻电池以及相关外部电路的安全。

Description

一种用于随钻电池的安全检测装置

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种用于随钻电池的安全检测装置。

背景技术

在石油勘探开发的钻井工程中，随钻测量是井眼轨迹监测与控制中的一项核心技术，而为随钻系统供电的电池模块是随钻测量系统的基本组成单元之一。电池模块本身是一种能量密集体，它必须封装在一定的密闭空间当中，它是一种即使在常温的地面也可能发生爆炸的易爆体，例如已经经常发生过的各种手机电池爆炸。

而在随钻测量系统中应用的电池的工作环境更为恶劣，这些环境可能是高温高压、剧烈振动、电路异常引起的大电流输出或是偶然遇到强扭矩等，这些因素的单个或者多个组合都有可能引起极大的爆炸风险。根据调查，目前在一些高温井当中已经发生多起电池在井下爆炸的事故。

现有技术主要是解决如何充分利用随钻电池电量的问题，这些技术虽然对随钻电池具有一定的监控功能，但是远远达无法对随钻电池组件的安全进行有效检测。因此，亟需一种能够对随钻电池的安全进行有效检测的装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于随钻电池的安全检测装置，所述装置包括：

随钻电池物理状态检测模块，其用于检测随钻电池的物理状态并生成相应的物理状态信号；

控制模块，其与所述随钻电池物理状态检测模块连接，用于根据所述物理状态信号生成所述随钻电池的安全状态信号；

输出端子；

可控开关模块，其连接在所述随钻电池与输出端子之间，并与所述控制模块连接，用于根据所述安全状态信号导通或断开所述随钻电池与输出端子之间的电连接。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块包括：

时钟电路，其用于生成时钟信号；

数据处理器，其与所述时钟电路和随钻电池物理状态检测模块连接，用于根据各个物理状态信号及其持续时长生成所述安全状态信号。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：

输出电流检测模块，其与所述随钻电池和控制模块连接，用于检测所述随钻电池的输出电流，并将检测得到的输出电流信号传输至所述控制模块，以由所述控制模块结合所述输出电流信号生成所述随钻电池的安全状态信号。

根据本发明的一个实施例，所述随钻电池物理状态检测模块包括以下所列项中的任一项或几项：

压力检测单元、扭矩检测单元、温度检测单元和振动检测单元。

根据本发明的一个实施例，所述压力检测单元包括：

光纤压力传感器，其缠绕在所述随钻电池的外部，用于在所述随钻电池受到挤压时生成相应的检测压力信号，并将所述检测压力信号传输至所述控制模块。

根据本发明的一个实施例，所述光纤压力传感器还设置在所述随钻电池的电池保护筒的内壁上。

根据本发明的一个实施例，所述扭矩检测单元包括轴向扭矩检测单元和/或径向扭矩检测单元，所述轴向扭矩检测单元和/或径向扭矩检测单元贴合在所述随钻电池的外表面，用于根据自身形变检测所述随钻电池的轴向和/或径向上承受的扭矩，并将生成的轴向扭矩信号和/或径向扭矩信号传输至所述控制模块。

根据本发明的一个实施例，所述温度检测单元贴合在所述随钻电池的外表面，用于检测所述随钻电池的温度，并将生成的温度信号传输至所述控制模块。

根据本发明的一个实施例，所述振动检测单元和控制模块分布在电路基板上，所述振动检测单元用于检测所述电路基板的振动状态，并将生成的振动信号传输至所述控制模块。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块配置为根据如下表达式生成所述安全状态信号：

A＝{p*(P-P_A)*t₁+tor*(Tor-Tor_A)*t₂+g*(G-G_A)*t₃+i*(I-I_A)*t₄}*{t*(T-T_A)}

其中，A表示安全状态信号，p表示压力归一化系数，P和P_A分别表示检测压力值和预设安全压力值，t₁表示检测压力信号的持续时长，tor表示扭矩归一化系数，Tor和Tor_A分别表示检测扭矩值和预设安全扭矩值，t₂表示检测扭矩信号的持续时长，g表示振动归一化系数，G和G_A分别表示检测振动值和预设安全振动值，t₃表示检测振动信号的持续时长，i表示输出电流归一化系数，I和I_A分别表示检测输出电流值和预设安全输出电流值，t₄表示检测输出电流信号的持续时长，t表示温度归一化系数，T和T_A分别表示检测温度值和预设安全温度值。

在随钻测量系统中所应用的电池的工作环境恶劣，随钻电池很可能遭遇高温高压、剧烈振动、电路异常引起大电流输出以及偶然遇到强扭距等情况，这些因素单个或者多个组合都有可能引起极大的爆炸风险。而本发明所提供的用于随钻电池的安全检测装置能够实时地对随钻电池的工作状态参数(包括随钻电池工作时的表面温度、形变、压力、输出电流以及随钻电池所受到的扭矩或者拉伸等)进行检测，并根据上述工作状态参数来判断电池的安全状态(例如爆炸风险等)，并在随钻电池的安全状态过低时切断随钻电池的输出供电，从而保证随钻电池以及相关外部电路的安全。

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用于随钻电池的安全检测装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的安全检测装置的具体电路示意图；

图3是根据本发明一个实施例的用于随钻电池的安全检测装置的装配示意图；

图4是根据本发明一个实施例的电路基板上的组成模块示意图。

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。

通过研究发现，现有的一些随钻电池监控系统主要功能都是监控电池的供电情况，具体地是监测电流、电压以及时间等数据，并通过这些数据来计算剩余电量，从而确定出该随钻电池在下一趟钻井过程是否能够继续使用。

另一些现有技术则是进行主从电池的切换，具体方法是把一根电池的电量尽量地使用彻底，从而充分利用电池所存储的有限电量。这些方法通过主电池组参数检测电路和从电池组参数检测电路分别获取主、从电池组参数，并在主电池组的电量耗尽时接通切换开关，采用从电池组为随钻测量系统进行供电。该方法能够精确地检测主、从电池组的剩余电量，当检测到主电池组剩余电量不足而导致其输出电压低于设定阈值时，实现主、从电池组之间无缝切换供电。

由此可知，现有技术主要都是解决如何充分利用随钻电池电量的问题，这些方案虽然对随钻电池具有一定的监控功能，但是其远远达不到有效检测电池安全的效果。

针对现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种新的用于随钻电池的安全检测装置。该安全检测装置能够检测出随钻电池的物理状态，并根据随钻电池的物理状态来判断随钻电池是否安全，进而在随钻电池的安全等级过低时及时地切断其供电输出。

图1示出了本实施例所提供的用于随钻电池的安全检测装置的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的用于随钻电池的安全检测装置优选地包括：随钻电池物理状态检测模块101、输出电流检测模块102、控制模块103、可控开关模块104以及输出端子105。

随钻电池物理状态检测模块101用于检测随钻电池100的物理状态并生成相应的物理状态信号。同时，输出电流检测模块102则用于检测随钻电池的输出电流，从而生成相应的输出电流信号。

控制模块103与随钻电池物理状态检测模块101以及输出电流检测模块102电连接，其能够根据随钻电池物理状态检测模块101所传输来的随钻电池的物理状态信号以及输出电流检测模块102所传输来的输出电流信号生成随钻电池的安全状态信号。

可控开关模块104连接在随钻电池100与输出端子105之间，同时，可控开关模块104的控制端口还与控制模块103电连接。可控开关模块104能够根据控制模块103所传输来的安全状态信号来进行自身开关状态的切换，从而导通或断开随钻电池100与输出端子105之间的电连接。

具体地，当随钻电池100的安全状态正常时，控制模块104则会生成相应的安全状态信号来控制可控开关模块100导通随钻电池100与输出端子105之间的电连接，这样随钻电池100也就会为相关的外部电路供电；而当随钻电池100的安全状态过低时，控制模块104则会生成相应的安全状态信号来控制可控开关模块100断开随钻电池100与输出端子105之间的电连接，这样随钻电池100也就不会再为相应的外部电路供电，从而实现对随钻电池100以及其外部电路的保护。

为了更加清楚地阐述本实施例所提供的用于随钻电池的安全检测装置实现其功能的原理以及过程，以下结合图2所示的安全检测装置的具体电路图以及图3所示的安全检测装置的装配示意图来对该装置作进一步地描述。

如图2所示，本实施例中，随钻电池物理状态检测模块101优选地包括：压力检测单元101a、扭矩检测单元101b、温度检测单元101c以及振动检测单元101d。

具体地，压力检测单元101a包括分布式光纤压力传感器。如图3所示，本实施例中，分布式光纤压力传感器缠绕在随钻电池100的外壁以及随钻电池100的电池保护筒200的内壁。当电池保护筒200受到压力时，随钻电池100的外壁与电池保护筒200的内壁将会产生挤压，此时随钻电池100的外壁与电池保护筒200的内壁上所布置的光纤压力传感器会将这些压力转换为相应的电信号，从而得到相应的检测压力信号。

为了保证随钻电池100任何一处受到的挤压均能够被检测到，本实施例中，光纤压力传感器需要尽量地缠绕到整个随钻电池100以及电池保护筒200。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，光纤压力传感器还可以仅分布在随钻电池100的外壁或者电池保护筒200的内壁，而压力检测单元101a还可以采用其他合理的器件或电路来实现，本发明不限于此。

扭矩检测单元101b安装在随钻电池100的外表面，其优选地包括轴向扭矩检测单元60和径向扭矩检测单元70。其中，轴向扭矩检测单元60和径向扭矩检测单元70能够根据自身的形变来检测随钻电池100的轴向和径向上所承受的扭矩，并根据该扭矩来生成相应的轴向扭矩信号和径向扭矩信号。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，扭矩检测单元101b还可以仅包含轴向扭矩检测单元60或径向扭矩检测单元70，本发明不限于此。

温度检测单元101c同样安装在随钻电池100的外表面，这样温度检测单元101c也就可以检测到随钻电池100的温度，并生成的相应温度信号。

如图4所示，本实施例中，振动检测单元101d和控制模块103分布在电路基板30上，振动检测单元101d能够检测电路基板30的振动状态，并根据其振动状态来生成相应的振动信号。同时，电路基板30上还分布有输出电流检测模块102和可控开关模块104。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，电路基板30上还可以分布有其他合理的电路或器件，本发明不限于此。

输出电流检测模块102通过电池输出连接线51与电池接线端面50连接，这这样输出电流检测模块102也就可以检测到随钻电池100所输出的电流大小。同时，输出电流检测模块102直接通过电路基板30上的走线来与控制模块103连接，从而将检测到的输出电流信号传输至控制模块103。

压力检测单元101a、扭矩检测单元101b、温度检测单元101c以及振动检测单元101d均与控制模块103电连接，控制模块103能够根据上述模块或单元所传输来的信号来生成随钻电池100的安全状态信号。具体地，本实施例中，轴向扭矩检测单元60和径向扭矩检测单元70分别通过轴向扭矩检测单元连接线61和径向扭矩检测单元连接线71与控制模块103连接，温度检测单元101c则通过温度检测单元连接线81与控制模块103连接。

电路基板30分别通过供电输出连接线31、串行总线输出连接线32和报警电压输出连接线33来与输出端子105连接。具体地，电路基板30中的控制模块103通过串行总线输出连接线32和报警电压输出连接线33来与输出端子105的相应接口连接，控制模块103与可控开关模块104的控制端口连接，可控开关模块104的功率端口则连接在随钻电池100与输出端子105之间，输出端子105再与外部的随钻系统连接。

具体地，如图2所示，本实施例中，控制模块103优选地包括：数据处理器201、时钟电路202、模拟信号处理电路203以及模数转换电路204。模拟信号处理电路203会对接收到的检测输出电流信号、检测压力信号、检测扭矩信号、检测温度信号以及检测振动信号进行模拟信号处理(例如滤波和/或放大等)，随后将处理后的模拟信号传输至与之连接的模数转换电路205。模数转换电路205会对接收到的模拟信号进行模数转换，并将转换得到的数字信号传输至与之连接的数据处理器301。

本实施例中，数据处理器201中写入固件程序，其能够实现各种采集、计算以及输出控制等功能。数据处理器201通过编程实现预警模型算法，并通过输出端子来输出预警信号，同时通过可控开关104来完成电池输出的切断。

具体地，本实施例中，数据处理器201在接收到各个物理状态信号以及输出电流信号时，还会根据时钟电路202所传输来的时钟信号记录各个物理状态信号以及输出电流信号的持续时长，即数据处理器201可以得到检测压力信号及其持续时长t₁、检测扭矩信号及其持续时长t₂、检测振动信号及其持续时长t₃、检测输出电流信号及其持续时长t₄。

本实施例中，数据处理器301优选地根据如下表达式来生成随钻电池100的安全状态信号：

A＝{p*(P-P_A)*t₁+tor*(Tor-Tor_A)*t₂+g*(G-G_A)*t₃+i*(I-I_A)*t₄}*{t*(T-T_A)}

其中，A表示随钻电池的安全状态信号，p表示压力归一化系数，P和P_A分别表示检测压力值和预设安全压力值，t₁表示检测压力信号的持续时长，tor表示扭矩归一化系数，Tor和Tor_A分别表示检测扭矩值和预设安全扭矩值，t₂表示检测扭矩信号的持续时长，g表示振动归一化系数，G和G_A分别表示检测振动值和预设安全振动值，t₃表示检测振动信号的持续时长，i表示输出电流归一化系数，I和I_A分别表示检测输出电流值和预设安全输出电流值，t₄表示检测输出电流信号的持续时长，t表示温度归一化系数，T和T_A分别表示检测温度值和预设安全温度值。

数据处理器201能够根据上述安全状态信号的具体取值来生成相应的报警信号。具体地，如果安全状态信号的取值超过预设第一安全状态值但小于第二安全状态值，数据处理器201则会生成预警信号并将上述预警信号传输至输出端子105；而如果安全状态信号的取值超过第二安全状态值，此时数据处理器201则会生成相应的告警信号，并直接控制可控开关模块104直接切断随钻电池100与输出端子105之间的电连接。

具体地，本实施例中，第一安全状态值优选地配置为4，第二安全状态值优选地配置为40。当然，在本发明的其他实施例中，第一安全状态值和/或第二安全状态值还可以根据实际需要配置为其他合理值，本发明不限于此。

此外，需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，随钻电池物理状态检测模块中所包含的检测单元既可以仅包含以上所列项中的任一项或几项，抑或是包含其他未列出的合理项，本发明不限于此。此外，在本发明的其他实施例中，用于随钻电池的安全检测装置中还可以不配置输出电流检测模块102，而是仅根据随钻电池物理状态检测模块101来对随钻电池100进行安全检测以及保护，本发明同样不限于此。

在随钻测量系统中所应用的电池的工作环境恶劣，随钻电池很可能遭遇高温高压、剧烈振动、电路异常引起大电流输出以及偶然遇到强扭距等情况，这些因素单个或者多个组合都有可能引起极大的爆炸风险。而本发明所提供的用于随钻电池的安全检测装置能够实时地对随钻电池的工作状态参数(包括随钻电池工作时的表面温度、形变、压力、输出电流以及随钻电池所受到的扭矩或者拉伸等)进行检测，并根据上述工作状态参数来判断电池的安全状态(例如爆炸风险等)，并在随钻电池的安全状态过低时切断随钻电池的输出供电，从而保证随钻电池以及相关外部电路的安全。

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 (8)

1.一种用于随钻电池的安全检测装置，其特征在于，所述装置包括：

随钻电池物理状态检测模块，其用于检测随钻电池的物理状态并生成相应的物理状态信号，所述随钻电池物理状态检测模块包括以下所列项中的任一项或几项：压力检测单元、扭矩检测单元、温度检测单元和振动检测单元，其中，所述扭矩检测单元包括轴向扭矩检测单元和/或径向扭矩检测单元，所述轴向扭矩检测单元和/或径向扭矩检测单元贴合在所述随钻电池的外表面，用于根据自身形变检测所述随钻电池的轴向和/或径向上承受的扭矩，并将生成的轴向扭矩信号和/或径向扭矩信号传输至控制模块；

控制模块，其与所述随钻电池物理状态检测模块连接，用于根据所述物理状态信号生成所述随钻电池的安全状态信号；

输出端子；

可控开关模块，其连接在所述随钻电池与输出端子之间，并与所述控制模块连接，用于根据所述安全状态信号导通或断开所述随钻电池与输出端子之间的电连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括：

时钟电路，其用于生成时钟信号；

数据处理器，其与所述时钟电路和随钻电池物理状态检测模块连接，用于根据各个物理状态信号及其持续时长生成所述安全状态信号。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

输出电流检测模块，其与所述随钻电池和控制模块连接，用于检测所述随钻电池的输出电流，并将检测得到的输出电流信号传输至所述控制模块，以由所述控制模块结合所述输出电流信号生成所述随钻电池的安全状态信号。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力检测单元包括：

光纤压力传感器，其缠绕在所述随钻电池的外部，用于在所述随钻电池受到挤压时生成相应的检测压力信号，并将所述检测压力信号传输至所述控制模块。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光纤压力传感器还设置在所述随钻电池的电池保护筒的内壁上。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度检测单元贴合在所述随钻电池的外表面，用于检测所述随钻电池的温度，并将生成的温度信号传输至所述控制模块。

7.如权利要求1～6中任一项所述的装置，其特征在于，所述振动检测单元和控制模块分布在电路基板上，所述振动检测单元用于检测所述电路基板的振动状态，并将生成的振动信号传输至所述控制模块。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制模块配置为根据如下表达式生成所述安全状态信号：

A＝{p*(P-P_A)*t₁+tor*(Tor-Tor_A)*t₂+g*(G-G_A)*t₃+i*(I-I_A)*t₄}*{t*(T-T_A)}

其中，A表示安全状态信号，p表示压力归一化系数，P和P_A分别表示检测压力值和预设安全压力值，t₁表示检测压力信号的持续时长，tor表示扭矩归一化系数，Tor和Tor_A分别表示检测扭矩值和预设安全扭矩值，t₂表示检测扭矩信号的持续时长，g表示振动归一化系数，G和G_A分别表示检测振动值和预设安全振动值，t₃表示检测振动信号的持续时长，i表示输出电流归一化系数，I和I_A分别表示检测输出电流值和预设安全输出电流值，t₄表示检测输出电流信号的持续时长，t表示温度归一化系数，T和T_A分别表示检测温度值和预设安全温度值。

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