CN109577961B - 一种井下跨螺杆数据通讯装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种井下跨螺杆数据通讯装置，包括近钻头仪器、远钻头仪器、螺杆和通讯结构，所述螺杆安装在近钻头仪器和远钻头仪器之间，所述近钻头仪器和远钻头仪器通过所述通讯结构传输数据，所述近钻头仪器包括近钻头控制器，所述远钻头仪器包括远钻头控制器，所述远钻头控制器根据近钻头控制器的数据向近钻头控制器发出反馈信息，所述近钻头控制器根据反馈信息调整自身的发射功率，这样近钻头控制器可以使用一个尽可能小的发射功率来实现数据的可靠传输，从而使得外界环境(如泥浆和温度)所带来的负面影响可以得到实时补偿。
Description
技术领域
本发明涉及通讯领域，特别涉及一种井下跨螺杆数据通讯装置。
背景技术
随钻测量仪器广泛使用在油气开发中，对油气地层进行评估和控制钻井轨迹。为了迅速对钻头经过的地层进行测量，以便即时对钻井轨迹进行调整，一些测量仪器比如伽玛仪、压力传感器、震动传感器等，通常安装在靠近钻头的位置。当钻头从一种地层到另一种地层时，如从页岩层到沙层时，这些仪器能提供高精度的差异值，迅速进行地层判读。而其它功能仪器，比如与地面通讯的脉冲器，测量钻井轨迹的测斜仪等，通常安装在远离钻头的位置。这两种仪器分别安装在长度可达10米的螺杆两端，螺杆在泥浆流动的动力推动下，带动钻头旋转。
近钻头仪器的数据需要跨越螺杆从螺杆下端靠近钻头处传到螺杆上端处，进而通过位于螺杆上端的脉冲器传到地面。由于螺杆在工作时每分钟旋转速度超过100转，且缺乏可靠的旋转连接器，跨螺杆的数据传输不能通过有线方式进行。而传统的无线传输方式受螺杆外部导电泥浆的影响，无线信号衰减迅速，传输距离不能达到螺杆长度。传统的无线传输方式是使用低频的电磁信号，通过加大发射功率来提高信号的信噪比。由于近钻头仪器所处空间有限，不能使用泥浆发电机进行不间断的工作，近钻头仪器的电力来源仅限于高温电池，以适应井下超过150度的环境，由于高温电池的容量有限，钻井施工者要频繁把近钻头仪器从井下取出更换电池，这样降低了钻井效率并且增大了施工风险。
用于油气开发的井下无线通讯不同于常温环境下的设计，整体仪器外壳要求承受170Mpa的泥浆压力，需使用高强度无磁不锈钢。金属外壳使得无线通讯中的天线或电极需要面对电磁屏蔽和密封的挑战。不同于常规以空气作为传输介质的无线通讯，井下的跨螺杆通讯的介质为钻井泥浆，钻井泥浆有水基和油基两种，里面根据需要加入了各种材料和药品，一般都含有大量的钠盐，电导率比空气大很多，因此在导电泥浆中的无线信号面临信号迅速衰减的挑战。同时整个仪器要求在25个重力震动的环境中稳定工作。更具挑战的要求是超宽工作温度，井下环境温度范围从-25℃到150℃间。在高温环境下，电池和电子器件的性能与常温会有很大不同，常规的无线方案不能适应井下高温环境。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种由电池供电的无线通讯装置，该装置把钻头数据跨螺杆传输，该装置能适应井下密封、高温、高导电介质等多种因素带来的影响，能量利用效率较高。
为解决上述技术问题，本发明提供一种井下跨螺杆数据通讯装置，包括近钻头仪器、远钻头仪器、螺杆和通讯结构，所述螺杆安装在近钻头仪器和远钻头仪器之间，所述近钻头仪器与所述螺杆之间设有第一绝缘环，所述远钻头仪器与所述螺杆之间设有第二绝缘环，所述近钻头仪器和远钻头仪器通过所述通讯结构传输数据，所述近钻头仪器包括近钻头控制器，所述远钻头仪器包括远钻头控制器，所述远钻头控制器接收由所述近钻头控制器发出的数据，并根据所述数据向近钻头控制器发出反馈信息，若所述远钻头控制器向近钻头控制器发出数据不正确的反馈信息，则所述近钻头控制器根据该数据不正确的反馈信息提高自身的发射功率。
优选地，若所述远钻头控制器向近钻头控制器发出数据正确的反馈信息，则所述近钻头控制器根据该数据正确的反馈信息降低自身的发射功率。
优选地，所述近钻头控制器包括发射结构和接收结构，所述发射结构包括微处理器、PWM、桥式驱动电路和多个MOS管，所述接收结构包括所述微处理器、数模转换模块、保护开关，所述微处理器在近钻头控制器处于接收状态时导通保护开关以接收来自远钻头控制器的反馈信息，该反馈信息经数模转换模块转化为数字信号后输至微处理器，所述微处理器在接受到该数字信号后，利用PWM调整MOS管的导通占空比以调整自身的发射功率。
优选地，所述远钻头控制器结构与近钻头控制器相同。
优选地，所述通讯结构包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极设在近钻头仪器上，所述第二电极和第四电极设在螺杆上，所述第三电极设在远钻头仪器上，所述第一电极和第二电极连接近钻头控制器，所述第三电极和第四电极连接远钻头控制器。
优选地，所述第二电极通过第一密封插针穿过第一绝缘环连接近钻头控制器，所述第四电极通过第二密封插针穿过第二绝缘环连接远钻头控制器。
本发明具有以下有益效果：当远钻头控制器收到来自近钻头控制器的数据后，会根据数据把相应的反馈信息反馈回近钻头控制器，近钻头控制器收到反馈信息后，根据反馈信息重新调整自身的发射功率，这样近钻头控制器可以使用一个尽可能小的发射功率来实现数据的可靠传输，从而使得外界环境(如泥浆和温度)所带来的负面影响可以得到实时补偿。
附图说明
图1是井下跨螺杆数据通讯装置的结构示意图；
图2是井下跨螺杆数据通讯装置用于通讯的主要部件的结构示意图；
图3是近钻头控制器的发射结构示意图；
图4是近钻头控制器的接收结构示意图；
图5是近钻头控制器的发射功率闭环调整的方案图。
附图标记说明：1-钻头；2-近钻头仪器；3-螺杆；4-远钻头仪器；5-第一绝缘环；6-第二绝缘环；7-近钻头控制器；8-第一密封插针；9-远钻头控制器；10-第二密封插针。
具体实施方式
井下跨螺杆数据通讯装置如图1所示，图1左端为上端，右端为下端，井下跨螺杆数据通讯装置从下往上依次包括钻头1、近钻头仪器2、螺杆3和远钻头仪器4，其中远钻头仪器包括测斜仪和脉冲器。螺杆3上端的远钻头仪器4随着井下跨螺杆数据通讯装置的功能配置不同会有所改变，比如加入电阻率检测仪，中子密度检测仪等。井下跨螺杆数据通讯装置还包括第一绝缘环5和第二绝缘环6，第一绝缘环5用于隔离近钻头仪器2和螺杆3，第二绝缘环6用于隔离远钻头仪器4和螺杆3。绝缘环5、6由陶瓷、树脂或其它绝缘材料制成，从而能阻断仪器2、4与螺杆3之间的电流。在数据传输时，第一绝缘环5的两端会有电压差，且第二绝缘环6的两端也有电压差。
图2给出了井下跨螺杆数据通讯装置用于通讯的主要部件，该部件主要包括近钻头仪器2、螺杆3、远钻头仪器4、第一绝缘环5和第二绝缘环6。近钻头仪器2包括近钻头控制器7、接到近钻头仪器2的外壳的第一电极1-1和接到螺杆3的金属外壳下端的第二电极1-2，其中第一电极1-1直接连接近钻头控制器7，第二电极1-2利用第一密封插针8穿过第一绝缘环5连接近钻头控制器7。远钻头仪器4包括远钻头控制器9、接到远钻头仪器4的外壳的第三电极2-1和接到螺杆3的金属外壳上端的第四电极2-2，其中第三电极2-1直接连接远钻头控制器9，第四电极2-2利用第二密封插针10穿过第二绝缘环6连接远钻头控制器9。
近钻头控制器7具有发射数据和接收数据的功能，远钻头仪器4上的远钻头控制器9具有同样的结构。在近钻头仪器2和远钻头仪器4中，近钻头控制器7和远钻头控制器9分别由一个电池供电，电池分别通过直流转换后提供5V或3.3V的低电压供钻头控制器7、9使用。因为远钻头仪器4远离钻头1，即远钻头仪器4所处空间没有收到限制，所以用于给远钻头控制器9供电的电池可以被泥浆发电机替代；但因为近钻头仪器2靠近钻头1，即近钻头仪器2所处空间受限，所以近钻头控制器7仅能由电池供电。
在近钻头仪器2上的数据发射至远钻头仪器4上时，近钻头控制器7通过第一电极1-1和第二电极1-2在第一绝缘环5的两端产生一个电压信号，该电压信号的频率通常低于1000Hz。由于第一绝缘环5的阻断作用，第一电极1-1和第二电极1-2之间的电流只能沿着第一绝缘环5外部的泥浆和地层流动。由于第二电极1-2和第四电极2-2都连接到螺杆3的金属外壳，第二电极1-2和第四电极2-2处于同一电位。在第一电极1-1和第二电极1-2之间的电流绕过第一绝缘环5后，该电流通过螺杆3的金属外壳流到第二绝缘环6的下端。同样地，由于第二绝缘环6的阻断作用，第二绝缘环6外部的泥浆和地层相当于在第三电极2-1和第四电极2-2之间增加了一个电阻，电流沿着第二绝缘环6外部的泥浆和地层流到远钻头仪器上的第三电极2-1，即远钻头仪器4接收到数据。
图3给出了近钻头控制器7的发射结构，该发射结构包括微处理器、脉冲宽度调制器(PWM)、桥式驱动电路、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管。微处理器通过调节PWM来控制在第一电极1-1和第二电极1-2之间产生的电压差。PWM信号通过一个桥式驱动电路来驱动四个MOS管。当第一MOS管和第四MOS管导通时，第一电极1-1和第二电极1-2之间的电压为正；当第二MOS管和第三MOS管导通时，第一电极1-1和第二电极1-2之间的电压为负。电压正负切换的频率通常低于1000Hz。由于电池直接给两电极1-1、1-2供电，微处理器可以通过PWM控制第一MOS管和第四MOS管导通的占空比，来调节第一电极1-1和第二电极1-2之间的电压。第二MOS管和第三MOS管导通的占空比也通过类似的PWM调整。当MOS管导通的占空比变小时，实际电极电压就变低，发射功率也随之减低，电池使用时间会因此增加，即实现了闭环控制。在不同泥浆，温度环境中，通过上述闭环控制，调整PWM占空比，可以在实现可靠通讯的同时，延长电池的使用寿命。
图4给出了近钻头控制器7的接收结构，该接收结构包括微处理器、数模转化模块(ADC)、可调增益器、模拟放大滤波器和保护开关，其中近钻头控制器7的发射结构与接收结构共用同一个微处理器。近钻头控制器7在接收期与发射期共用第一电极1-1和第二电极1-2。为了在发射期保护接收电路，需要设有保护开关，该保护开关在发射时切断接收电路或钳制接收电路端的电压；近钻头控制器7仅在接收信号时打开保护开关，接入弱电压信号。弱电压信号需要经过模拟放大滤波器把非发射频率的信号滤掉以增强信号，然后再进入数模转化模块，数模转化模块把电压信号转为数字信号后发给微处理器，微处理器对该信号进行分析、处理后得到发射功率数据。在数模转化前可以通过一个可调增益器进一步提高信号。相对于发射功率，接收时所耗功率可以小到忽略。
近钻头控制器7具有接收和发射双功能，其主要作用是把数据从近钻头仪器2传到远钻头仪器4，而远钻头控制器9同样具有接收和发射双功能，但其主要作用是接收从近钻头仪器2传来的数据。由于两钻头控制器7、9的不对称性，本实施例利用远钻头控制器9接收数据的误码率，来确定可以接收的近钻头控制器7的最低发射功率，并把这信息传给近钻头控制器7，近钻头控制器7根据反馈回的信息，调整自身的发射功率，具体地：图5给出了近钻头控制器7的发射功率闭环调整的方案，在近钻头控制器7发射的数据中会包含校正码，在数据发射完毕后，近钻头控制器7会进入接收状态，直到下次数据发射；远钻头控制器9的默认状态是接收状态，当远钻头控制器9收到来自近钻头控制器7的数据后，会根据数据中的校正码来判断该数据是否接收正确，同时记录该数据的平均信号强度，然后远钻头控制器9会把数据是否接收正确和平均信号强度反馈回近钻头控制器7，近钻头控制器7收到反馈信息后，根据反馈信息重新调整自身的发射功率，也就是通过PWM调整施加在两电极上的实际电压。在这样一个闭环系统中，近钻头控制器7可以使用一个尽可能小的发射功率来实现数据的可靠传输，从而使得外界环境(如泥浆和温度)所带来的负面影响可以得到实时补偿，具体地：若远钻头控制器9判断来自近钻头控制器7的数据正确，并把数据正确的信息反馈回近钻头控制器7，则近钻头控制器7根据该反馈信息调低自身的发射功率以减少耗能；若远钻头控制器9判断来自近钻头控制器7的数据不正确，并把数据不正确的信息反馈回近钻头控制器7，则近钻头控制器7根据该反馈信息提高自身的发射功率。因此，若远钻头控制器9判断出的数据正确率越高(即误码率越低)，则近钻头控制器7的发射功率越低，若远钻头控制器9判断出的数据正确率越低(即误码率越高)，则近钻头控制器7的发射功率越高。若近钻头控制器7因通讯异常断开或其它原因而没有接收到远钻头控制器9发出的反馈信息，则近钻头控制器7会保持当前的发射功率。
Claims (5)
1.一种井下跨螺杆数据通讯装置，包括近钻头仪器、远钻头仪器、螺杆和通讯结构，所述螺杆安装在近钻头仪器和远钻头仪器之间，所述近钻头仪器与所述螺杆之间设有用于隔绝电流的第一绝缘环，所述远钻头仪器与所述螺杆之间设有用于隔绝电流的第二绝缘环，所述近钻头仪器和远钻头仪器通过所述通讯结构传输数据，其特征在于：所述近钻头仪器包括近钻头控制器，所述远钻头仪器包括远钻头控制器，所述远钻头控制器接收由所述近钻头控制器发出的数据，并根据所述数据向近钻头控制器发出反馈信息，若所述远钻头控制器向近钻头控制器发出数据不正确的反馈信息，则所述近钻头控制器根据该数据不正确的反馈信息提高自身的发射功率，所述通讯结构包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极设在近钻头仪器上，所述第二电极和第四电极设在螺杆上，所述第三电极设在远钻头仪器上，所述第一电极和第二电极连接近钻头控制器，所述第三电极和第四电极连接远钻头控制器。
2.根据权利要求1所述的井下跨螺杆数据通讯装置，其特征在于：若所述远钻头控制器向近钻头控制器发出数据正确的反馈信息，则所述近钻头控制器根据该数据正确的反馈信息降低自身的发射功率。
3.根据权利要求1所述的井下跨螺杆数据通讯装置，其特征在于：所述近钻头控制器包括发射结构和接收结构，所述发射结构包括微处理器、PWM、桥式驱动电路和多个MOS管，所述接收结构包括所述微处理器、数模转换模块、保护开关，所述微处理器在近钻头控制器处于接收状态时导通保护开关以接收来自远钻头控制器的反馈信息，该反馈信息经数模转换模块转化为数字信号后输至微处理器，所述微处理器在接受到该数字信号后，利用PWM调整MOS管的导通占空比以调整自身的发射功率。
4.根据权利要求3所述的井下跨螺杆数据通讯装置，其特征在于：所述远钻头控制器结构与近钻头控制器相同。
5.根据权利要求1所述的井下跨螺杆数据通讯装置，其特征在于：所述第二电极通过第一密封插针穿过第一绝缘环连接近钻头控制器，所述第四电极通过第二密封插针穿过第二绝缘环连接远钻头控制器。
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