CN110986710A - 一种智能选发开关及起爆系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种智能选发开关，包括电源防反接模块、起爆处理模块、后级供电控制模块、通信模块、电源模块以及处理器模块，电源防反接模块用于防止智能选发开关的两根电源输入线反接；起爆处理模块用于完成雷管的起爆处理过程；后级供电控制模块用于控制每级选发开关电压相同；通信模块用于实现智能选发开关和起爆器之间的双向通信功能；电源模块用于将智能选发开关的输入电压降压到各个模块可以稳定工作的电压值；处理器模块用于控制和/或接收各个模块的指令信息。本申请实现了选发开关与起爆器间的双向通信，还具有逐级供电、串行网络，防止总线短路故障的优点。本申请还公开了一种应用该智能选发开关的起爆系统。
Description
技术领域
本申请涉及页岩射孔雷管起爆控制技术领域，尤其涉及一种智能选发开关及起爆系统。
背景技术
随着页岩油、气储量的勘测和开采的难度、精度越来越高，页岩油、气勘测和开采的设备也越来越成熟。目前，页岩油、气开采完井过程中一个关键技术是页岩射孔技术，但是页岩射孔技术中使用的高压高温雷管的起爆系统太过于简单、可靠性也不高，其次，执行雷管起爆的单元主要包括二极管压力开关和磁电开关实现，更高端的设备仍需进口，成本较高。
现有技术中，单芯电缆的多级起爆技术主要是压力开关逐级起爆或磁电开关起爆两种方式实现，压力开关逐级起爆一般使用炸药爆炸形成的压力源作为线路切换源，依靠二极管进行起爆限制，从而实现逐次起爆，依次引爆多个雷管；磁电开关起爆则依靠磁力模块和电子器件组成磁电感应开关，依次起爆多个雷管。其中，压力开关逐级起爆的机械结构复杂，磁电开关起爆则体积大、结构设计复杂，并且两种起爆方式均不能实现对多级雷管进行随意起爆、逐级供电、过流检测，也不能实现选发开关与起爆器之间的双向通信，还不具备防止总线短路故障和故障告警的功能。
因此，设计一种操作简单、性能可靠、成本较低、设计灵活以及能实现逐级供电、过流检测、故障告警、短路保护的智能选发开关及起爆系统成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种智能选发开关及起爆系统，以解决现有技术中存在的问题。
本申请的一方面，提供一种智能选发开关，包括：
电源防反接模块，所述电源防反接模块用于防止所述智能选发开关的两根电源输入线反接，保证各个电路模块的正常工作；
起爆处理模块，所述起爆处理模块用于完成雷管的起爆处理过程；所述起爆处理模块还包括限压保护电路和起爆使能电路以及雷管检测电路；
后级供电控制模块，所述后级供电控制模块用于控制每级选发开关电压相同；
通信模块，所述通信模块用于实现所述智能选发开关和起爆器之间的双向通信功能；
电源模块，所述电源模块用于将所述智能选发开关的输入电压降压到各个模块可以稳定工作的电压值；
处理器模块，所述处理器模块用于控制和/或接收各个模块的指令信息；
其中，所述电源防反接模块、起爆处理模块、后级供电控制模块、通信模块以及所述电源模块均与所述处理器模块电连接。
上述技术方案中，两根电源输入线分别为“贯通线(即8mm的井用单芯线缆)”和“接地线(即油井井壁)”，处理器模块可以实现报文解析、逻辑分析、地址分配、功能检测、爆破使能等功能。
采用上述技术方案，可以实现智能选发开关的状态自检、雷管起爆，智能选发开关与起爆器间的双向通信，智能选发开关的通信地址即时设置，适应性强，操作简单、可靠，智能选发开关还可以实现逐级供电，串行网络的使用，可以有效防止总线短路故障。
可选的，所述后级供电控制模块主要包括分立器件R23、R24、R26、R29、Q8以及Q9，所述后级供电控制模块R23的一端连接所述处理器模块的CTL1，所述CTL1控制所述Q8和所述Q9的通断。
采用上述技术方案，当所述CTL1信号为低电平时，后级供电开关打开，后级智能选发开关具备工作条件，当所述CTL1信号为高电平时，后级供电开关关闭，后级智能选发开关不具备工作条件；其中，所述CTL1的信号默认为低电平，所述Q9为导通状态，可以保证本级智能选发开关出现故障，不能正常工作时，后级智能选发开关仍然具备工作条件，解决了现有技术中因单个选发开关故障而带来的系统崩溃，甚至中断作业的问题。
可选的，所述通信模块由接收电路和发送电路组成，所述接收电路用于接收供电总线上的电压变化，所述发送电路用于向供电总线施加电流信号。
采用上述技术方案，所述通信模块实现了智能选发开关和起爆器之间的检测命令、地址设定、起爆命令等信息交互任务，使得整个起爆系统达到了闭环控制，增加了系统的可靠性、工作状态的互动性以及故障的响应性能。
可选的，所述接收电路主要包括耐高压分立器件R5、R6、R9、R10、D2、D3以及Q3，所述接收电路D2的一端分别连接所述电源防反接模块的一端和所述发送电路R1的一端，所述接收电路R10的一端连接所述处理器模块；所述发送电路主要包括耐高压分立器件R1、R2、R3、R4、Q1以及Q2，所述发送电路R4的一端连接所述处理器模块。
采用上述技术方案，所述接收电路接收到供电总线上的电压变化后，由处理器模块和嵌入式软件一起，解析出命令报文；所述发送电路向供电总线施加电流信号后，起爆器接收电流变化信号，并由起爆器中的MCU和嵌入式软件共同解析出通信报文。
可选的，所述电源模块包括第一级降压电路和第二级降压电路，所述第一级降压电路用于将所述智能选发开关的输入电压-500～-50V降到恒定的15V，所述第二级降压电路用于将所述第一级降压电路的输出电压15V降到恒定的3.3V。
采用上述技术方案，第一级降压电路的转换效率高，但输出电压精度不高，第二级降压电路转换效率和输出电压精度均较高，将两者结合起来的电源模块在具备转换效率的基础上输出电压精度也能满足实际供电需求。
可选的，所述电源防反接模块包括一个二极管。
采用上述技术方案，利用二极管的单向导电性，在电源输电线接反时，二极管阻止电流通过，从而防止负载电路构成回路，导致负载电路烧毁。
可选的，所述限压保护电路主要由分立器件R20、R21、R22、D7、D8以及Q7组成，用于判断雷管状态是否安全。
采用上述技术方案，当起爆电压小于120V时，施加在雷管两端(DETO+，DETO-)上的电压始终为0V，雷管处于绝对安全的状态。
可选的，所述起爆使能电路由所述限压保护电路和R15、R16、R17、R18、R19、Q4、Q5、Q6以及Q7组成，所述起爆使能电路的R15的一端连接所述处理器模块的CTL2，当所述CTL2输出高电平且当起爆总线电压大于120V时，施加在雷管两端(DETO+，DETO-)上的电压大于0V，雷管起爆，完成射孔。
采用上述技术方案，可以实现雷管的可靠起爆，满足页岩气开采中对于安全起爆的要求。
可选的，所述雷管检测电路主要包括R20、R21、R22、D8、D10、R11、R12、R13以及雷管，用于判断雷管与智能选发开关之间是否连接可靠。
采用上述技术方案，处理器模块可以采集到uA级别的雷管绝对安全电流的电流信号，经处理器模块进行信号转换后，就可以判断雷管的接线是否可靠，如果雷管连接有误，就不可能可靠的完成射孔腔内火药的引爆，完成射孔任务。
本申请的另一方面，还提供一种起爆系统，包括起爆器、至少两个智能选发开关以及至少两个雷管，所述起爆器与所述至少两个智能选发开关通信连接，所述至少两个智能选发开关与所述至少两个雷管电连接，相邻的两个智能选发开关之间电连接。
采用上述技术方案，智能选发开关网络与起爆器建立通信连接后，地面上的起爆器输出低电压，完成每个智能选发开关的地址设定、功能检测、后级供电等功能，完成准备工作，等待起爆指令，可以根据实际工程作业需求，从后往前依次起爆各个雷管，也可以选择起爆的目标雷管。
相对于现有技术而言，本申请具有有益效果如下：
(1)本申请的后级供电控制模块采用耐高压的N沟道MOS管作为开关器件，其导通电阻为不超过100mΩ，压降很小(可以忽略不计)，因此可以保证每级智能选发开关的电压相同，从而实现对智能选发开关进行逐级供电的功能。
(2)本申请的后级供电控制模块在后一级雷管起爆前，前一级智能选发开关可以切断后一级智能选发开关的供电回路，避免在后一级雷管起爆后，强大的能量将“贯通线”和“接地线”相连，会出现供电回路短路、网络瘫痪的情况。
(3)本申请可以实现短路隔离的功能，后级供电控制模块中的R24、R25组成的后级供电回路过流检测部分可以实时检测后级供电回路的电流，再将检测到的电流传输到处理器模块，如果出现大电流故障，处理器模块会输出控制信号CTL1为高电平，切断后级智能选发开关的供电回路，起到保护系统的作用，能够保证系统的稳健性、抗过载性以及抗干扰性，保证起爆系统网络的安全。
(4)本申请可以实现故障告警功能，包括后级智能选发开关供电故障告警和雷管接线故障告警，当处理器模块检测到后级供电异常，雷管连接异常，电源模块出现异常等故障信息，则记录告警信息，与地面起爆系统通信时，将告警信息(自检数据)上传。
(5)本申请的通信模块基于M-bus通信原理，配合耐高压分立器件组成的接收电路和发送电路，实现了智能选发开关和起爆器之间的双向通信。
(6)本申请的电源模块采用二级降压方案，第一级降压电路将电压稳定到15V，第二级降压电路将输出电压稳定到3.3V，能够满足智能选发开关电路中各个模块所需的供电电压。
(7)本申请的智能选发开关电路均采用分立器件实现，具有操作简单、性能可靠、成本较低、设计灵活的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请智能选发开关的逻辑框图；
图2为本申请智能选发开关的整体电路结构示意图；
图3为本申请智能选发开关的流程图；
图4为本申请起爆系统的网络连接结构示意图；
图5为本申请实际应用的简易结构示意图；
附图标记说明：
其中，1-电源防反接模块，2-起爆处理模块，3-后级供电控制模块，4-通信模块，5-电源模块，6-处理器模块。
具体实施方式
参见图1至图3，一种智能选发开关，包括电源防反接模块1、起爆处理模块2、后级供电控制模块3、通信模块4、电源模块5以及处理器模块6，其中，所述起爆处理模块2还包括限压保护电路和起爆使能电路以及雷管检测电路；所述电源防反接模块1用于防止所述智能选发开关的两根电源输入线反接，保证各个模块的正常工作；所述起爆处理模块2用于完成雷管的起爆处理过程；所述后级供电控制模块3用于控制每级选发开关电压相同；所述通信模块4用于实现所述智能选发开关和起爆器之间的双向通信功能；所述电源模块5用于将所述智能选发开关的输入电压降压到各个模块可以稳定工作的电压值；所述处理器模块6用于控制或接收各个模块的指令信息；其中，所述电源防反接模块1、起爆处理模块2、后级供电控制模块3、通信模块4以及所述电源模块5均与所述处理器模块6电连接。
上述技术方案中，两根电源输入线分别为“贯通线(即8mm的井用单芯线缆)”和“接地线(即油井井壁)”，处理器模块6可以实现报文解析、逻辑分析、地址分配、功能检测、爆破使能等功能；处理器模块6可以选择8位、16位或32位的单片机，需要特别说明的是，本实施例中处理器模块6采用STM32L0系列芯片。
采用上述技术方案，可以实现智能选发开关的状态自检、雷管起爆，智能选发开关与起爆器间的双向通信，智能选发开关的通信地址即时设置，适应性强，操作简单、可靠，智能选发开关还可以实现逐级供电，串行网络的使用，可以有效防止总线短路故障。
上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述后级供电控制模块3主要包括分立器件R23、R24、R26、R29、Q8以及Q9，所述后级供电控制模块3中R23的一端连接所述处理器模块6的CTL1，所述CTL1控制所述Q8和所述Q9的通断。
采用上述技术方案，当所述CTL1信号为低电平时，后级供电开关打开，后级智能选发开关具备工作条件，当所述CTL1信号为高电平时，后级供电开关关闭，后级智能选发开关不具备工作条件；其中，所述CTL1的信号默认为低电平，所述Q9为导通状态，可以保证本级智能选发开关出现故障，不能正常工作时，后级智能选发开关仍然具备工作条件，解决了现有技术中因单个选发开关故障而带来的系统崩溃，甚至中断作业的问题。
需要特别说明的是，在本实施例中，后级供电控制模块3采用耐高压的N沟道MOS管作为开关器件，其导通电阻为几十到一百毫欧姆，没有压降，因此可以保证每一级智能选发开关的电压均相同。
上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述通信模块4由接收电路和发送电路组成，所述接收电路用于接收供电总线上的电压变化，所述发送电路用于向供电总线施加电流信号，本实施例中，通信模块4的实现原理是基于M-bus通信原理，采用自适应波特率，能够实现300-1200bps的通信波特率。
采用上述技术方案，所述通信模块4实现了智能选发开关和起爆器之间的检测命令、地址设定、起爆命令等信息交互任务，使得整个起爆系统达到了闭环控制，增加了系统的可靠性、工作状态的互动性以及故障的响应性能，也保证了通信的可靠性，提高了通信效率。
上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述接收电路主要包括耐高压分立器件R5、R6、R9、R10、D2、D3以及Q3，所述接收电路D2的一端分别连接所述电源防反接模块1的一端和所述发送电路R1的一端，所述接收电路R10的一端连接所述处理器模块6；所述发送电路主要包括耐高压分立器件R1、R2、R3、R4、Q1以及Q2，所述发送电路R4的一端连接所述处理器模块6。
采用上述技术方案，所述接收电路接收到供电总线上的电压变化后，由处理器模块6和嵌入式软件一起，解析出命令报文；所述发送电路向供电总线施加电流信号后，起爆器接收电流变化信号，并由起爆器中的MCU和嵌入式软件共同解析出通信报文。
上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述电源模块5包括第一级降压电路和第二级降压电路，所述第一级降压电路用于将所述智能选发开关的输入电压-500～-50V降到恒定的15V，所述第二级降压电路用于将所述第一级降压电路的输出电压15V降到恒定的3.3V。
采用上述技术方案，第一级降压电路的转换效率高，但输出电压精度不高，第二级降压电路转换效率和输出电压精度均较高，将两者结合起来的电源模块5在具备转换效率的基础上输出电压精度也能满足实际供电需求。
上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述电源防反接模块1包括一个二极管。
采用上述技术方案，利用二极管的单向导电性，在电源输电线接反时，二极管阻止电流通过，从而防止负载电路构成回路，导致负载电路烧毁。
上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述限压保护电路主要由分立器件R20、R21、R22、D7、D8以及Q7组成，用于判断雷管状态是否安全。
采用上述技术方案，当起爆电压小于120V时，施加在雷管两端(DETO+，DETO-)上的电压始终为0V，雷管处于绝对安全的状态。
上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述起爆使能电路由所述限压保护电路和R15、R16、R17、R18、R19、Q4、Q5、Q6以及Q7组成，所述起爆使能电路的R15的一端连接所述处理器模块6的CTL2，当所述CTL2输出高电平且当起爆总线电压大于120V时，施加在雷管两端(DETO+，DETO-)上的电压大于0V，雷管起爆，完成射孔。
采用上述技术方案，可以实现雷管的可靠起爆，满足页岩气开采中对于安全起爆的要求。
上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述雷管检测电路主要包括R20、R21、R22、D8、D10、R11、R12、R13以及雷管，用于判断雷管与智能选发开关之间是否连接可靠。
采用上述技术方案，处理器模块6可以采集到uA级别的雷管绝对安全电流的电流信号，经处理器模块6进行信号转换后，就可以判断雷管的接线是否可靠，如果雷管连接有误，就不可能可靠的完成射孔腔内火药的引爆，完成射孔任务。
参见图4，本申请的另一方面，提供一种起爆系统，包括起爆器、至少两个智能选发开关以及至少两个雷管，所述起爆器与所述至少两个智能选发开关通信连接，所述至少两个智能选发开关与所述至少两个雷管电连接，相邻的两个智能选发开关之间电连接。
采用上述技术方案，智能选发开关网络与起爆器建立通信连接后，地面上的起爆器输出低电压，完成每个智能选发开关的地址设定、功能检测、后级供电等功能，完成准备工作，等待起爆指令，可以根据实际工程作业需求，从后往前依次起爆各个雷管，也可以选择起爆的目标雷管。
本实施例中，选取n个智能选发开关和n个雷管，并且施加在智能选发开关的输入电压为-500V～-50V，其中，第一个智能选发开关控制第二个智能选发开关的供电，第二个智能选发开关控制第三个智能选发开关的供电，第n-1个智能选发开关控制第n个智能选发开关的供电(如图4所示)，由于每一级智能选发开关分别连接雷管再串行连接，后一级雷管起爆后，强大的能量会将“贯通线”和“接地线”相连，造成起爆系统短路，网络瘫痪，因此在后一级雷管起爆前，前一级智能选发开关必须将作业的智能选发开关的供电回路切断，避免供电回路短路，导致整个网络瘫痪的情况出现。
参见图5，为本申请在实际应用过程中的安装结构示意图，其中，地面上的起爆器通过8mm井用单芯线缆和油井井壁连接第一级智能选发开关，第一级选发开关与雷管电连接，第一级智能选发开关连接后一级智能选发开关，实现逐级供电的功能，多个智能选发开关与雷管组成的起爆网络位于井筒中。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种智能选发开关，其特征在于，包括：
电源防反接模块(1)，所述电源防反接模块(1)用于防止所述智能选发开关的两根电源输入线反接；
起爆处理模块(2)，所述起爆处理模块(2)用于完成雷管的起爆处理过程；所述起爆处理模块(2)还包括限压保护电路和起爆使能电路以及雷管检测电路；
后级供电控制模块(3)，所述后级供电控制模块(3)用于控制每级选发开关电压相同；
通信模块(4)，所述通信模块(4)用于实现所述智能选发开关和起爆器之间的双向通信功能；
电源模块(5)，所述电源模块(5)用于将所述智能选发开关的输入电压降压到各个模块可以稳定工作的电压值；
处理器模块(6)，所述处理器模块(6)用于控制和/或接收各个模块的指令信息；
其中，所述电源防反接模块(1)、起爆处理模块(2)、后级供电控制模块(3)、通信模块(4)以及所述电源模块(5)均与所述处理器模块(6)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能选发开关，其特征在于，所述后级供电控制模块(3)主要包括分立器件R23、R24、R26、R29、Q8以及Q9，所述后级供电控制模块(3)R23的一端连接所述处理器模块(6)的CTL1，所述CTL1控制所述Q8和所述Q9的通断。
3.根据权利要求1所述的一种智能选发开关，其特征在于，所述通信模块(4)由接收电路和发送电路组成，所述接收电路用于接收供电总线上的电压变化，所述发送电路用于向供电总线施加电流信号。
4.根据权利要求3所述的一种智能选发开关，其特征在于，所述接收电路主要包括耐高压分立器件R5、R6、R9、R10、D2、D3以及Q3，所述接收电路D2的一端分别连接所述电源防反接模块(1)的一端和所述发送电路R1的一端，所述接收电路R10的一端连接所述处理器模块(6)；所述发送电路主要包括耐高压分立器件R1、R2、R3、R4、Q1以及Q2，所述发送电路R4的一端连接所述处理器模块(6)。
5.根据权利要求1所述的一种智能选发开关，其特征在于，所述电源模块(5)包括第一级降压电路和第二级降压电路，所述第一级降压电路用于将所述智能选发开关的输入电压-500～-50V降到恒定的15V，所述第二级降压电路用于将所述第一级降压电路的输出电压15V降到恒定的3.3V。
6.根据权利要求1所述的一种智能选发开关，其特征在于，所述电源防反接模块(1)包括一个二极管。
7.根据权利要求1所述的一种智能选发开关，其特征在于，所述限压保护电路主要由分立器件R20、R21、R22、D7、D8以及Q7组成，用于判断雷管状态是否安全。
8.根据权利要求1所述的一种智能选发开关，其特征在于，所述起爆使能电路为所述限压保护电路和R15、R16、R17、R18、R19、Q4、Q5、Q6以及Q7组成，所述起爆使能电路的R15的一端连接所述处理器模块(6)的CTL2，当所述CTL2输出高电平且当起爆总线电压大于120V时，施加在雷管两端(DETO+，DETO-)上的电压大于0V，雷管起爆，完成射孔。
9.根据权利要求1所述的一种智能选发开关，其特征在于，所述雷管检测电路主要包括R20、R21、R22、D8、D10、R11、R12、R13以及雷管，用于判断雷管与智能选发开关之间是否连接。
10.一种起爆系统，其特征在于，基于权利要求1-9任一所述的一种智能选发开关，包括起爆器、至少两个智能选发开关以及至少两个雷管，所述起爆器与所述至少两个智能选发开关通信连接，所述至少两个智能选发开关与所述至少两个雷管电连接，相邻的两个智能选发开关之间电连接。
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