CN112796716B - 一种可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气田井口设备技术领域，涉及一种可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，包括井下智能机器人及与井下智能机器人进行无线双向通讯的地面控制站。该系统集无线充电与无线通讯于一体，可替代现有的柱塞气举工艺，井下智能机器人与地面控制站能够进行无线双向通讯，具有地面施工量小、可实时掌握井下工况、产液量可量化、排采效率高、维护方便、无需定期打捞等优势，能够达到降本增效的效果。同时，该井下智能机器人系统，还可作为井下测井工具使用，具有很高的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于油气田井口设备技术领域，涉及测井工艺或气井柱塞气举排液采气工艺，具体涉及一种可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统。
背景技术
随着气井开采进入中后期，井内边底水的推进以及压裂、酸化等作业措施，造成井筒内水体累积，并且气井产量、压力逐渐降低，携液能力逐渐变差，井底积液、水淹越来越频繁。
随着气田地层能量的衰竭，主力排采工艺的效果逐年递减，造成气井积液不能及时排出，影响气井稳产能力，部分排液采气工艺(如泡沫排水采气工艺)对气井污染严重，工艺体系适用性逐渐变差。
目前较为常用的柱塞式气举因需要改变地面流程，频繁关井，形成间歇生产，影响产量，并且携液漏失较大，排液效率不高。现有的智能柱塞棒采用一次性放电电池供电，需要定期打捞至地面读取内部存储的井下数据，这无疑增加了关井时间，影响产量，且增加了设备维护成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，以解决频繁打捞读取井下数据以及更换电池的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
这种可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，包括井下智能机器人，与所述井下智能机器人可进行无线双向通讯的地面控制站；
所述井下智能机器人包括机器人本体、位于所述机器人本体内部的第一电源模块、信号采集电路、第一控制单元、电机驱动组件、耐磨可膨胀皮囊、第一无线充电及通讯模块、第一存储单元，所述第一电源模块为整个井下智能机器人供电，所述信号采集电路分别与传感器组件、第一控制单元连接，所述第一控制单元分别与第一无线充电及通讯模块、第一存储单元、电机驱动组件连接，所述电机驱动组件与耐磨可膨胀皮囊连接；所述耐磨可膨胀皮囊采用高温耐磨耐腐蚀材料制成，所述高温耐磨耐腐蚀材料为氟橡胶、丁腈橡胶、氢化丁氰橡胶中的任意一种；
所述地面控制站的内部设有第二控制单元，所述第二控制单元分别与地面控制站内部的第二无线充电及通讯模块、第二存储单元、第二电源模块连接；所述地面控制站的外部设有供用户读取数据的通讯接口，所述通讯接口与第二控制单元连接；所述第二电源模块包括分布于地面控制站顶端的太阳能光伏板，所述太阳能光伏板与地面控制站内部的太阳能充电管理器连接，所述太阳能充电管理器分别与第二控制单元、第二蓄电池连接。
进一步，所述第一电源模块包括第一蓄电池、保护电路及两个buck电路，所述第一蓄电池的输出电压分别经过保护电路为电机驱动组件供电，通过第一buck电路降压转换为第一电压给传感器组件供电，再通过第二buck电路降压转换为第二电压给第一控制单元及第一存储单元供电。
进一步，所述第一无线充电及通讯模块包括数模转换器及功率放大电路；所述第一控制单元控制其内部的数字信号发生电路产生两个不同频率的载波信号，所述载波信号通过D触发器输出控制开关选择“1”或“0”的数字信号输出，所述数模转换器将所述数字信号转换为模拟信号输出至功率放大电路，所述功率放大电路输出交流信号在第一线圈产生磁场，通过电磁感应方式与第二线圈耦合，实现能量与信号的传递。
进一步，所述第一线圈位于采气树防喷管相应位置的透磁结构件内侧，所述第二线圈位于井下智能机器人的外壳透磁区的内侧。
进一步，所述机器人本体的上端设置扶正器，所述扶正器与采气树防喷管的内侧结构相适配，用以降低井下智能机器人在高压气流下的抖动程度。
进一步，所述防喷管的内侧安装有捕捉器，所述捕捉器包括顶盖，所述顶盖与位于其下方的筒体螺纹固定；所述筒体底端内部设有电磁铁，所述电磁铁的外部设有电磁铁护套，所述电磁铁护套与筒体螺纹固定；所述顶盖内安装弹簧，所述弹簧的下方设置活塞，所述弹簧的上、下端分别卡在顶盖和活塞的卡槽内，所述活塞可在筒体内上下滑动；所述活塞的下方设置弹簧卡爪，所述弹簧卡爪通过锁紧螺栓固定于柱塞上方。
进一步，所述井下智能机器人在充电过程中可采用FSK或ASK调制解调技术与地面控制站进行双向通讯。
进一步，所述通讯接口为RS232、RS485、RS422、USB、Ethernet通讯接口中的任意一种。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：该井下智能机器人系统，集无线充电与无线通讯于一体，可替代现有的柱塞气举工艺，井下智能机器人与地面控制站能够进行无线双向通讯，具有地面施工量小、可实时掌握井下工况、产液量可量化、排采效率高、维护方便、无需定期打捞等优势，能够达到降本增效的效果。同时，该井下智能机器人系统，还可作为井下测井工具使用，具有很高的经济效益。
附图说明
图1为本发明提供的井下智能机器人系统组成框架图；
图2为本发明提供的井下智能机器人组成框架图；
图3为本发明提供的地面控制站的组成框架图；
图4为本发明提供的井下智能机器人系统的工作原理示意图；
图5(a)、图5(b)分别为井下智能机器人下落过程中压力、加速度随时间的变化图；
图6为井下智能机器人到达地面时和改制防喷管内侧透磁区位置重合的示意图；
图7为本发明提供的捕捉器的结构示意图；
图8为本发明提供的第一无线充电及通讯模块的电路结构图。
附图标记说明：1、井下智能机器人；2、地面控制站；3、改制防喷管；4、第一电源模块；5、信号采集电路；6、第一控制单元；7、电机驱动组件；8、耐磨可膨胀皮囊；9、第一无线充电及通讯模块；10、第一存储单元；11、传感器组件；12、第二控制单元；13、第二无线充电及通讯模块；14、第二存储单元；15、第二电源模块；16、通讯接口；17、太阳能充电管理器；18、太阳能光伏板；19、第二蓄电池；20、顶盖；21、筒体；22、电磁铁；23、电磁铁护套；24、柱塞；25、弹簧；26、活塞；27、弹簧卡爪；28、锁紧螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1所示，本发明提供了一种可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，包括井下智能机器人1，与井下智能机器人1可进行无线双向通讯的地面控制站2；
结合图2所示，井下智能机器人1包括机器人本体、位于机器人本体内部的第一电源模块4、信号采集电路5、第一控制单元6、电机驱动组件7、耐磨可膨胀皮囊8、第一无线充电及通讯模块9、第一存储单元10，第一电源模块4为整个井下智能机器人1供电，信号采集电路5分别与传感器组件11、第一控制单元6连接，第一控制单元6分别与第一无线充电及通讯模块9、第一存储单元10、电机驱动组件7连接，电机驱动组件7与耐磨可膨胀皮囊8连接；
结合图3所示，地面控制站2的内部设有第二控制单元12，第二控制单元12分别与地面控制站2内部的第二无线充电及通讯模块13、第二存储单元14、第二电源模块15连接；地面控制站2的外部设有供用户读取数据的通讯接口16，通讯接口16与第二控制单元12连接；第二电源模块15包括分布于地面控制站2顶端的太阳能光伏板18，太阳能光伏板18与地面控制站2内部的太阳能充电管理器17连接，太阳能充电管理器17分别与第二控制单元12、第二蓄电池19连接。
进一步，上述传感器组件11包括位于井下智能机器人1上端的压力传感器、位于第一控制单元6电路板上的温度传感器及加速度传感器。当井下智能机器人1位于井底时，压力传感器用于检测井底压力；在上行排液时压力传感器用于检测上部液柱的高度，内置的温度传感器用于检测设备工作的环境温度，加速度传感器用于检测井下智能机器人1的上升速度及井下位置。结合图5(a)、图5(b)所示，井下智能机器人1在下落过程中，其压力传感器和加速度传感器进入高速实时监测模式，不断寻找入液位置点，体现在压力采集值上为压力由小变大的突变值，此时根据h＝1/2gxt2可以计算当前液面距离井口深度，记录初始压力值P1；当井下智能机器人1到达液面，在液体中下落，当压力传感器采集到的压力值P2＝P1+ρ液体gh0时，其中，h0为地面控制站2设置给井下机器人的设定高度值，第一控制单元6控制电机驱动组件7自动打开耐磨可膨胀皮囊8，机器人下降速度放缓，耐磨可膨胀皮囊8撑开后在油管内形成上下封闭界面，机器人逐渐停止在油管中。
进一步，第一控制单元6主要由单片机的最小系统、RTC电路等组成，用于采集压力、温度、加速度传感器的数据信息，控制电机驱动组件7工作，计算携液高度，存储数据，管理第一无线充电及通讯模块9，并具有电源检测的功能。
进一步，耐磨可膨胀皮囊8的内部设有一传动杆，且传动杆上端的直径大于下端的直径；耐磨可膨胀皮囊8采用高温耐磨耐腐蚀材料制成，高温耐磨耐腐蚀材料为氟橡胶、丁腈橡胶、氢化丁氰橡胶中的任意一种。在下落过程中，由于传动杆上端的直径大于下端的直径，可以将耐磨可膨胀皮囊8的直径撑大，进而紧贴管壁，使柱塞24的下降速度放缓，耐磨可膨胀皮囊8变径(膨胀)后在油管内形成上、下封闭界面，柱塞24逐渐停止在油管中。
进一步，第一电源模块4包括第一蓄电池、保护电路及两个buck电路，第一蓄电池的输出电压分别经过保护电路为电机驱动组件7供电，通过第一buck电路降压转换为第一电压给传感器组件11供电，再通过第二buck电路降压转换为第二电压给第一控制单元6及第一存储单元10供电。
进一步，结合图8所示，第一无线充电及通讯模块9包括数模转换器及功率放大电路；第一控制单元6控制其内部的数字信号发生电路产生两个不同频率的载波信号，载波信号通过D触发器输出控制开关选择“1”或“0”的数字信号输出，数模转换器将数字信号转换为模拟信号输出至功率放大电路，功率放大电路输出交流信号在第一线圈产生磁场，通过电磁感应方式与第二线圈耦合，实现能量与信号的传递。其中，功率放大电路主要由高速运算放大器结合功率三极管或MOSFET推挽输出，以放大输出功率，输出的交流信号在发送线圈产生强磁场，通过电磁感应方式耦合在接收线圈，实现能量与信号的传递。
进一步，第一线圈位于采气树防喷管相应位置的透磁结构件内侧，第二线圈位于井下智能机器人1的外壳透磁区的内侧；井下智能机器人1在地层压力的作用下到达地面，机器人的外壳透磁区和地面控制站2在防喷管上的透磁区重合，此时，第二线圈位于第一线圈的内部，与传统线圈“平行式”的分布设计相比，线圈“包含式”的分布设计有利于改变磁通量，以提高电磁感应效率。此外，还可利用电磁感应原理、磁场共振原理、无线电波原理、电场耦合原理中的任一种实现无线充电。
进一步，机器人本体的上端设置扶正器，扶正器与采气树防喷管的内侧结构相适配，用以降低井下智能机器人1在高压气流下的抖动程度。
进一步，结合图7所示，防喷管的内侧安装有捕捉器，所述捕捉器包括顶盖20，顶盖20与位于其下方的筒体21螺纹固定；筒体21底端内部设有电磁铁22，电磁铁22的外部设有电磁铁护套23，电磁铁护套23与筒体21螺纹固定；顶盖20内安装弹簧25，弹簧25的下方设置活塞26，弹簧25的上、下端分别卡在顶盖20和活塞26的卡槽内，活塞26可在筒体21内上下滑动；活塞26的下方设置弹簧卡爪27，弹簧卡爪27通过锁紧螺栓28固定在活塞26的下端。
进一步，井下智能机器人1在充电过程中可采用FSK或ASK调制解调技术与地面控制站2进行双向通讯；其中，FSK或ASK调制解调技术可使用成熟的集成电路方案，也可以使用PWM控制器通过驱动电路搭建。
进一步，通讯接口16为地面控制站2对外提供的数据接口，可以是RS232或RS485或RS422通讯接口，也可以是USB或Ethernet通讯接口，选配4G DTU(或网桥、电台)部件实现数据的远传。
进一步，第二电源模块15不限于太阳能供电，还可以是风能配合风光互补器供电，或者交流市电经过电源模块转换获得。
综上，本发明提供的这种可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，结合图4，其工作原理如下：
在油管中投入井下智能机器人1，机器人在重力的作用下沿油管内壁下落，在下落的过程中实时检测传感器组件11的采集值，当检测到加速度突然发生变化，表示此时已进入油管内的积液中，读取压力传感器的当前值，即为P1，随着机器人进一步下落，当检测到压力传感器的采集值为P2(P2等于初始压力值P1加上设定液柱压力值P0＝ρ液体gh0，h0为地面控制站2设置给井下机器人的设定高度值)时，控制单元控制电机驱动部分自动打开耐磨可膨胀皮囊8，机器人下降速度放缓，耐磨可膨胀皮囊8撑开后在油管内形成上下封闭界面，机器人逐渐停止在油管中。当地层压力继续增大时，机器人的耐磨可膨胀皮囊8下部压力随之增大，推动机器人及其上部液体向上移动，当到达井口后，液柱到达地面油管排出，机器人被顶端的改制防喷管3卡住，机器人与地面控制站2进行无线通讯，上传井下当次采集的传感器数据，接收地面控制站2下发的控制命令，同时进行无线充电，在机器人内部的电池充满后，内部的耐磨可膨胀皮囊8收缩，地面控制站2控制防喷管内部的微电机，卡扣松开机器人，机器人在重力的作用下延油管内壁下落，进行下次的排液。地面控制站2将当次读取的数据存储在存储单元，对外提供RS485接口供用户读取数据，系统第二电源模块15采用太阳能光伏板18和第二蓄电池19组成的供电系统，如图3所示。
进一步，结合图6所示，井下智能机器人1在地层压力的作用下到达地面时，改制防喷管3内侧卡扣结构弹出，紧固在打捞头位置，井下智能机器人1上端扶正器和改制防喷管3内侧特殊结构吻合，以降低井下智能机器人1在高压气流下的抖动程度。其中，改制防喷管3内侧的卡扣结构通过捕捉器实现，柱塞24上行撞击弹簧卡爪27，弹簧卡爪27被撑开，柱塞24继续上行碰撞缓冲装置(由活塞26和弹簧25组成)，待积液排出后，推动柱塞24的力消失，柱塞24下落，卡在弹簧卡爪27上，此时结合内置的传感器组件11判断柱塞24已到达指定位置，柱塞24开始和地面控制站2进行数据传输，当数据传输完成后地面控制站2控制电磁铁22工作，电磁铁22工作使弹簧卡爪27张开，柱塞24靠自重进入井筒，通讯中断后，第一控制单元6使电磁铁22断电消磁，完成一个生产周期，开始下一个生产周期。
综上，本发明提供的这种可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，集无线充电与无线通讯于一体，可替代现有的柱塞气举工艺，井下智能机器人1与地面控制站2能够进行无线双向通讯，具有地面施工量小、可实时掌握井下工况、产液量可量化、排采效率高、维护方便、无需定期打捞等优势，能够达到降本增效的效果。同时，该井下智能机器人系统，还可作为井下测井工具使用，具有很高的经济效益。
以上仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解，本发明并不局限于上述已描述的内容，且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (5)
1.一种可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，其特征在于，包括井下智能机器人(1)，与所述井下智能机器人(1)可进行无线双向通讯的地面控制站(2)；
所述井下智能机器人(1)包括机器人本体、位于所述机器人本体内部的第一电源模块(4)、信号采集电路(5)、第一控制单元(6)、电机驱动组件(7)、耐磨可膨胀皮囊(8)、第一无线充电及通讯模块(9)、第一存储单元(10)，所述第一电源模块(4)为整个井下智能机器人(1)供电，所述信号采集电路(5)分别与传感器组件(11)、第一控制单元(6)连接，所述第一控制单元(6)分别与第一无线充电及通讯模块(9)、第一存储单元(10)、电机驱动组件(7)连接，所述电机驱动组件(7)与耐磨可膨胀皮囊(8)连接；所述耐磨可膨胀皮囊(8)采用高温耐磨耐腐蚀材料制成，所述高温耐磨耐腐蚀材料为氟橡胶、丁腈橡胶、氢化丁氰橡胶中的任意一种；
所述地面控制站(2)的内部设有第二控制单元(12)，所述第二控制单元(12)分别与地面控制站(2)内部的第二无线充电及通讯模块(13)、第二存储单元(14)、第二电源模块(15)连接；所述地面控制站(2)的外部设有供用户读取数据的通讯接口(16)，所述通讯接口(16)与第二控制单元(12)连接；所述第二电源模块(15)包括分布于地面控制站(2)顶端的太阳能光伏板(18)，所述太阳能光伏板(18)与地面控制站(2)内部的太阳能充电管理器(17)连接，所述太阳能充电管理器(17)分别与第二控制单元(12)、第二蓄电池(19)连接；
所述第一无线充电及通讯模块(9)包括数模转换器及功率放大电路；所述第一控制单元(6)控制其内部的数字信号发生电路产生两个不同频率的载波信号，所述载波信号通过D触发器输出控制开关选择“1”或“0”的数字信号输出，所述数模转换器将所述数字信号转换为模拟信号输出至功率放大电路，所述功率放大电路输出交流信号在第一线圈产生磁场，通过电磁感应方式与第二线圈耦合，实现能量与信号的传递；
所述机器人本体的上端设置扶正器，所述扶正器与采气树防喷管的内侧结构相适配，用以降低井下智能机器人(1)在高压气流下的抖动程度；所述防喷管的内侧结构包括捕捉器，所述捕捉器安装于防喷管的内侧，且包括顶盖(20)，所述顶盖(20)与位于其下方的筒体(21)螺纹固定；所述筒体(21)底端内部设有电磁铁(22)，所述电磁铁(22)的外部设有电磁铁护套(23)，所述电磁铁护套(23)与筒体(21)螺纹固定；所述顶盖(20)内安装弹簧(25)，所述弹簧(25)的下方设置活塞(26)，所述弹簧(25)的上、下端分别卡在顶盖(20)和活塞(26)的卡槽内，所述活塞(26)可在筒体(21)内上下滑动；所述活塞(26)的下方设置弹簧卡爪(27)，所述弹簧卡爪(27)通过锁紧螺栓(28)固定于柱塞(24)上方。
2.根据权利要求1所述的可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，其特征在于，所述第一电源模块(4)包括第一蓄电池、保护电路及两个buck电路，所述第一蓄电池的输出电压分别经过保护电路为电机驱动组件(7)供电，通过第一buck电路降压转换为第一电压给传感器组件(11)供电，再通过第二buck电路降压转换为第二电压给第一控制单元(6)及第一存储单元(10)供电。
3.根据权利要求1所述的可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，其特征在于，所述第一线圈位于采气树防喷管相应位置的透磁结构件内侧，所述第二线圈位于井下智能机器人(1)的外壳透磁区的内侧。
4.根据权利要求1所述的可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，其特征在于，所述井下智能机器人(1)在充电过程中可采用FSK或ASK调制解调技术与地面控制站(2)进行双向通讯。
5.根据权利要求1所述的可无线充电和无线通讯的井下智能机器人系统，其特征在于，所述通讯接口(16)为RS232、RS485、RS422、USB、Ethernet通讯接口中的任意一种。
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