CN109756248B - 用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井工程技术领域，尤其是涉及一种用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，包括如下步骤：步骤1：发电机短节带动钻头旋转；步骤2：探管短节内的地质参数传感器测量信号，通过无线磁耦合通信及携能装置传至主控电路短节；工程参数传感器通过无线磁耦合通信及携能装置将测量信号传输至无线接收短节；步骤3：无线接收短节进行信号放大、滤波、解调处理，上传至地面系统。本发明利用电磁感应原理，采用无线磁耦合通信方式实现无线非接触式通信，叠加无线磁通信过程，实现共用耦合机构的电能和信息同步传输，避免了通信载体因井下高温、强腐蚀及密封性要求导致的结构易损、可靠性差、使用寿命短等问题，提高了数据传输可靠性。

Description

用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法

技术领域

本发明属于钻井工程技术领域，尤其是涉及一种用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法。

背景技术

在石油钻井过程中，利用井下随钻测量仪器对井下信息实时测量和上传，可提高大位移井、高难度水平井的工程控制能力和地层评价能力，提高油层的钻遇率，为钻井工程施工提供有力保障。井下随钻测量仪器通常是依靠内套在钻铤中的各类短节串联组合而成。短节内部嵌有工程参数测量传感器、泥浆脉冲发生器、发电机、驱动电路等功能性部件，通过相互串联配合以达到实时采集井下随钻参数的目的。由于随钻测量仪器串在井下受高压、强振动、强腐蚀性等恶劣环境的影响，因而必须保证短节间信号传输的稳定性、精确性。同时，井下随钻测量仪器各部件的正常运转离不开电能的供应，电能传递的高效性及稳定性决定了井下随钻测量任务的成功与否和品质高低。

目前公知的短节间的信号传输是通过总线电缆或多芯插接件轴向插接实现的。这两种方式存在以下问题：

(1)电缆方式安装布线复杂，且由于长时间在恶劣的井下环境中使用，电缆易出现表面磨损、线路老化、泥浆浸入失效等问题，进而导致信号传输中断，直接影响钻井作业的施工和监测；

(2)因密封要求导致的插接件结构的复杂性以及井下强腐蚀、强振动等因素，导致器件易损坏、可靠性差、使用寿命短，人员维修保养成本高。

另外，井下短节供电主要通过高压泥浆冲刷叶轮使动涡轮发电机发电。为避免井下振动等因素对地质方位测量信号的干扰，需在停泵时进行井斜、方位等参数的测量，因此涡轮发电机无法对测量探管短节进行供电。

目前常采用电池组对探管测量短节进行供电，这种方式存在电池组需频繁更换、更换时费时费力且更换成本较高的问题，这给现场钻井施工人员和随钻测量工作造成了诸多不便。

近年来，无线信息传输技术不断发展，电磁波、光波等不同形式的信息传输方式被广泛应用于各个领域。磁耦合通信技术是无线信息传输领域的新兴技术之一，它能够实现在非接触形式下信息的有效传输，且信息传输的误码率及传输效率表现出色。与此同时，无线电能传输技术也成为能量传输领域研究的一大热点，以其为基础的非接触供电系统被广泛应用于各领域，有效解决了特殊环境的供电问题。

目前，用于井下随钻测量的无线通信携能系统中，信号的传输是通过将调制信号加载到电能发送线圈，发送线圈将调制信号和电能发送出去，电能接收线圈接收电能，再通过滤波等方法将信号载波提取出来，之后通过解调完成信号传输。该方法中载波信号易受到高频电能逆变器的干扰，信号解调部分需要做滤波等处理，系统设计较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于井下随钻测量实际需求的磁耦合携能反向通信方法，该方法避免了现有信号通信方式中电缆及插接件结构易损、数据传输可靠性差、人工维修及保养成本高的问题，实现了测量信号的无线非接触通信以及电能传输。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，包括如下步骤：

步骤1：发电机短节带动钻头旋转，进行井下钻井作业；

步骤2：位于螺杆上端探管短节内的地质参数传感器测量实时井斜、方位、工具面等地质参数信号，通过无线磁耦合通信及携能装置传至主控电路短节；同时，位于测量钻铤中的工程参数传感器也通过无线磁耦合通信及携能装置将钻压、扭矩等实时测量信号向内传输至无线接收短节；

步骤3：无线接收短节接收来自测量钻铤的工程参数信号，并进行信号放大、滤波、解调处理，进而将信号传输至脉冲器，将所测得井下随钻参数上传至地面系统。

所述的无线磁耦合通信及携能装置包括电磁能转换子系统、信号通信子系统和控制电路。

所述的电磁能转换子系统包括逆变电路和耦合线圈，

所述的逆变电路包括D类功率放大器和驱动电路，

所述的耦合线圈采用铜芯漆包线进行同心圆环绕制，原端副端的两个螺旋线圈以轴线平行的关系摆放，副端整体工作在旋转的主轴上，线圈缠绕在其上，副端线圈半径及缠绕匝数固定。

所述的信号通信子系统包括信号调制电路和信号解调电路，

所述的信号调制电路包括调制电阻和双向开关器件，此双向开关器件由两个反接的开关管组成，

所述的信号解调电路包括二极管包络检波电路、低通滤波和电路比较电路。

所述的D类功率放大器由两个开关管串联而成，所述的驱动电路包括栅极电阻gR、驱动芯片和光耦隔离设备。

所述的二极管包络检波电路包括二极管、负载电阻和电容。

所述的控制电路包括单片机硬件外围电路、电平转换电路和单片机通信电路。

本发明的优点：

(1)本发明的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，利用电磁感应原理，采用无线磁耦合通信方式实现井下随钻测量仪器短节之间的无线非接触式通信，避免了常规通信载体因井下高温、强腐蚀性及密封性要求导致的结构易损、可靠性差、使用寿命短等问题，降低了额外铺设通信线路的成本，节省了设备维修及人员维护保养成本，提高了数据传输可靠性；

(2)本发明的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，在无线电能传输的基础上，设计叠加无线磁通信过程，实现共用耦合机构的电能和信息同步传输，不仅解决了井下随钻测量短节间近距离信号通信问题，也为井下短节的测量传感器提供了更为安全、便捷的供电方式，降低了随钻测量仪器的结构复杂度并提高传输效率和传输距离；

(3)本发明的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，针对井下环境的介质特点，采用陶瓷芯体以及铜芯漆包线绕制耦合线圈，线圈以同心圆环形式绕制，且绕制直径小，该芯体材质及线圈缠绕方式有效提高了耦合信号强度，进一步提高了信号有效传输距离；

(4)本发明的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，在无线通信携能的基础上，根据井下随钻测量实际情况，设计简化了电路拓扑，给出反向信号传输方法，与现有同向不同，数据发射端省去了信号调制环节，并且采样数字通信，极大地简化了井下随钻中通信携能系统的结构和拓扑，降低了空间占用率，有效提高了能量利用效率。

附图说明

图1为本发明的井下随钻测量短节与磁耦合反向通信及无线携能系统连接示意图。

图2为本发明的磁耦合反向通信及无线携能系统组成示意图。

图3为本发明的电磁能转换子系统组成示意图。

图4为本发明的信号通信子系统组成示意图框图。

图5为本发明的耦合线圈及相应电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1-5所示，本发明的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，包括如下步骤：

步骤1：发电机短节带动钻头旋转，进行井下钻井作业；

步骤2：位于螺杆上端探管短节1内的地质参数传感器测量实时井斜、方位、工具面等地质参数信号，通过无线磁耦合通信及携能装置4传至主控电路短节3；同时，位于测量钻铤中的工程参数传感器也通过无线磁耦合通信及携能装置4将钻压、扭矩等实时测量信号向内传输至无线接收短节2；

步骤3：无线接收短节2接收来自测量钻铤的工程参数信号，并进行信号放大、滤波、解调处理，进而将信号传输至脉冲器，将所测得井下随钻参数上传至地面系统。

所述的无线磁耦合通信及携能装置4包括电磁能转换子系统、信号通信子系统和控制电路。

所述的电磁能转换子系统包括逆变电路和耦合线圈，

所述的逆变电路包括D类功率放大器和驱动电路，

所述的耦合线圈采用铜芯漆包线进行同心圆环绕制，原端副端的两个螺旋线圈以轴线平行的关系摆放，副端整体工作在旋转的主轴上，线圈缠绕在其上，副端线圈半径及缠绕匝数固定。

所述的信号通信子系统包括信号调制电路和信号解调电路，

所述的信号调制电路包括调制电阻和双向开关器件，此双向开关器件由两个反接的开关管组成，

所述的信号解调电路包括二极管包络检波电路、低通滤波和电路比较电路。

所述的D类功率放大器由两个开关管串联而成，所述的驱动电路包括栅极电阻gR、驱动芯片和光耦隔离设备。

所述的二极管包络检波电路包括二极管、负载电阻和电容。

所述的控制电路包括单片机硬件外围电路、电平转换电路和单片机通信电路。

本发明的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法利用无线能量和信息传输都具备谐振电路、耦合机构以及驱动设备，且能量和信息都可以在电磁场工作这两个基本条件，在磁耦合谐振式无线能量传输系统上叠加通信过程，从而实现近距离的能量与信息非接触式同步传输，满足井下随钻测量传感器的供电要求以及实时返回其测量数据的通信需求。本方法根据随钻测量的实际需求，简化了电路拓扑给出反向通信携能方法，其可实现电能与信息的同步传输，且传输方向相反。本方法首先通过计算选择适用于能量与信息同步传输系统的谐振回路结构，电磁能转换机构设计包括选择高效的功率放大器以及相应具备驱动能力的驱动模块和副端的整流滤波稳压电路。通信机构包括调制电路的双向开关以及解调电路的包络检波、滤波、比较输出等电路；最后对原端和副端控制电路进行设计，保证可实现数字化控制。

实施例

本实施例将具体阐述所述磁耦合反向通信及携能方法进行井下随钻测量的具体过程及装置各部分组成。首先结合附图1，给出无线磁耦合反向通信及携能方法进行井下随钻测量的步骤：

步骤1：发电机短节带动钻头旋转，进行井下钻井作业。

步骤2：位于螺杆上端探管短节1内的地质参数传感器测量实时井斜、方位、工具面等地质参数信号，通过无线磁耦合通信及携能装置4传至主控电路短节3；同时，位于测量钻铤中的工程参数传感器也通过无线磁耦合通信及携能装置4将钻压、扭矩等实时测量信号向内传输至无线接收短节2；

步骤3：无线接收短节2接收来自测量钻铤的工程参数信号，并进行信号放大、滤波、解调处理，进而将信号传输至脉冲器，将所测得井下随钻参数上传至地面系统。

其次，本方法共包括电磁能转换子系统、信号通信子系统以及控制电路三部分。

所述电磁能转换子系统由逆变电路和耦合线圈组成。

所述逆变电路包括D类功率放大器和驱动电路。

所述D类功率放大器由两个开关管串联而成，根据实际需求选择MOSFET作为功率开关器件。

所述驱动电路包括选择适当的栅极电阻gR和能够提供MOSFET驱动功率的驱动芯片，以及光耦隔离设备。

所述耦合线圈，采用铜芯漆包线进行同心圆环绕制，原端副端的两个螺旋线圈以轴线平行的关系摆放。副端整体工作在旋转的主轴上，线圈缠绕在其上，副端线圈半径及缠绕匝数固定。

所述信号通信子系统包括信号调制电路、信号解调电路。

所述调制电路由调制电阻和双向开关器件组成，其中开关通过单片机和驱动芯片控制。系统工作时，单片机发送含有信息量的二进制数据，控制双向开关通断组成的可控交流通路使调制电阻有规律的并入谐振网络，通过反映阻抗的变化反映到原端读取信息。双向开关器件可工作在交流电路里，由两个反接的开关管组成。

所述信号解调电路包括二极管包络检波电路、低通滤波以及电路比较电路。

所述二极管包络检波电路由二极管、负载电阻、电容组成，利用RC电容充放电以及二极管单向导通原理工作。

所述低通滤波器用于滤除高频载波成分，将解调输出的模拟电信号送入单片机。

所述比较电路用于将数据解码以及恢复传输的测量数据。

所述控制电路包括单片机硬件外围电路、电平转换电路、单片机通信电路。

单片机接口电路为电平转换芯片。

通信控制电路单片机芯片选择C8051F020作为核心控制芯片。

载波产生电路用数字电路构成波形产生器得到方波，晶振外部的芯片电路，采用一个非门电路。

发射电路采用串联谐振电路，所述接收电路采用并联谐振回路，所述功率放大器采用乙类互补推挽功率放大器。

发射电路的载波电路用于产生载波，单片机通过串口产生需要调制的控制指令信号，ASK载波调制电路将单片机产生的控制指令信号调制到载波上，再经过功率放大电路进行功率放大，功率放大器输出的已调信号输出到耦合线圈上通过谐振向四周发射电磁场。

接收电路采用并联谐振回路，前级放大电路选用集成运放来完成微弱信号的放大，利用有源滤波器作为该系统的滤波电路，二极管电路作为检波电路。

数字信号还原电路设计有LM339比较器和74HC00与非门构成的RS触发器。LM339用来确定该触发器的上下限，74HC00构成后级的电平触发器电路。在耦合线圈接收到电磁场信号后，经过二级放大电路将信号放大，放大后的信号输出到二阶有源低通滤波器滤除有用信号以外的信号，再将低通滤波器输出的信号输入到二极管包络检波电路，解调出调制在3MHz上畸变了的基带信号。基带信号再通过另一个二阶低通滤波器后，输出到数字信号还原电路，从而还原出原始的数字基带信号。

控制部分采用带双串口的单片机控制电路使整个电路工作在半双工状态，该方式现既有发送功能，又有接收功能。

本发明的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，利用电磁感应原理，采用无线磁耦合通信方式实现井下随钻测量仪器短节之间的无线非接触式通信，避免了常规通信载体因井下高温、强腐蚀性及密封性要求导致的结构易损、可靠性差、使用寿命短等问题，降低了额外铺设通信线路的成本，节省了设备维修及人员维护保养成本，提高了数据传输可靠性；本发明在无线电能传输的基础上，设计叠加无线磁通信过程，实现共用耦合机构的电能和信息同步传输，不仅解决了井下随钻测量短节间近距离信号通信问题，也为井下短节的测量传感器提供了更为安全、便捷的供电方式，降低了随钻测量仪器的结构复杂度并提高传输效率和传输距离；针对井下环境的介质特点，采用陶瓷芯体以及铜芯漆包线绕制耦合线圈，线圈以同心圆环形式绕制，且绕制直径小，该芯体材质及线圈缠绕方式有效提高了耦合信号强度，进一步提高了信号有效传输距离；本发明在无线通信携能的基础上，根据井下随钻测量实际情况，设计简化了电路拓扑，给出反向信号传输方法，与现有同向不同，数据发射端省去了信号调制环节，并且采样数字通信，极大地简化了井下随钻中通信携能系统的结构和拓扑，降低了空间占用率，有效提高了能量利用效率。

Claims (5)

1.一种用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：将探管短节、无线接收短节及主控电路短节设置于测量钻铤内径中空部分，将无线磁耦合通信及携能装置及工程参数传感器设置于测量钻铤上，所述无线磁耦合通信及携能装置包括电磁能转换子系统、信号通信子系统和控制电路，所述电磁能转换子系统包括逆变电路和耦合线圈，所述逆变电路包括D类功率放大器和驱动电路，所述耦合线圈采用铜芯漆包线进行同心圆环绕制，原端副端的两个螺旋线圈以轴线平行的关系摆放，副端整体工作在旋转的主轴上，线圈缠绕在其上，副端线圈半径及缠绕匝数固定，发电机短节带动钻头旋转，进行井下钻井作业；

步骤2：位于螺杆上端探管短节内的地质参数传感器测量实时井斜、方位、工具面的地质参数信号，通过无线磁耦合通信及携能装置的信号通信子系统及控制电路以对信号进行调制、解调及通信数字化控制，从而将地质参数信号传至主控电路短节；同时，位于测量钻铤中的工程参数传感器也通过无线磁耦合通信及携能装置的信号通信子系统及控制电路将钻压、扭矩的实时测量信号向内传输至无线接收短节；与此同时，无线磁耦合通信及携能装置的电磁能转换子系统将电能进行功率放大、驱动、整流稳压后传输至探管短节、无线接收短节及主控电路短节；

步骤3：无线接收短节接收来自测量钻铤的工程参数信号，并进行信号放大、滤波、解调处理，进而将信号传输至脉冲器，将所测得井下随钻参数上传至地面系统。

2.根据权利要求1所述的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，其特征在于所述的信号通信子系统包括信号调制电路和信号解调电路，

所述的信号调制电路包括调制电阻和双向开关器件，此双向开关器件由两个反接的开关管组成，

所述的信号解调电路包括二极管包络检波电路、低通滤波和电路比较电路。

3.根据权利要求1所述的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，其特征在于所述的D类功率放大器由两个开关管串联而成，所述的驱动电路包括栅极电阻gR、驱动芯片和光耦隔离设备。

4.根据权利要求2所述的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，其特征在于所述的二极管包络检波电路包括二极管、负载电阻和电容。

5.根据权利要求1所述的用于井下随钻测量的磁耦合携能反向通信方法，其特征在于所述的控制电路包括单片机硬件外围电路、电平转换电路和单片机通信电路。

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