CN114135275B - 基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置、系统及测调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置、系统及测调方法，该装置包括：控制系统、驱动系统、电机以及电池组，所述控制系统包括主控单元、传感器模块以及分别电连接所述主控单元的存储单元、信号解调模块、AD模块、USB接口，所述驱动系统包括驱动模块与电源管理模块，所述电机的输出端连接有阀门机构。基于本发明的技术方案，以压力脉冲作为信息载体实现井上与井下的无线通讯，不存在有线测调技术对井深、井下环境的苛刻要求，并且大大节省线缆成本、减少了作业时间，也不存在线缆硬件老化、损伤带来的工程错误、故障的问题。

Description

基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置、系统及测调方法
技术领域
本发明涉及石油开采技术领域，特别地涉及一种基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置、系统及测调方法。
背景技术
目前，随着油田开发的深入，精细分层注水工艺对测调技术提出了更高的要求，不仅需要对各小层流量定期进行测试调节，还需随时监测注水井各层吸水状况以及各层系统压力变化规律，以便指导制定合理的调配测试周期。
井下电机等工具的高效、低成本操作和控制技术一直是石油钻探工具面临的重要技术难题，传统的方法包括投掷金属球、铺设电缆、声纳等来触发PLC实现动作，从而实现对井下工具的操控。但油井一般比较深，且管径很小，直接机械触发的方式较难实现；而线缆等有线连接方式不仅传输成本很高，且耐久性和可靠性较难得到保证。进而，上述对于井下工具的控制方法在高温高压且腐蚀的环境中，都存在昂贵、易腐蚀、控制不灵活等缺点。
如果能采用无线通讯技术以及装置来代替现有的有线连接，则能有效的解决上述问题，大大节省线缆成本，同时也能避免线缆硬件老化、损伤带来的工程错误、故障及经济损失。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置、系统及测调方法，相较于现有的有线测调方式，可大大节省线缆成本、减少了作业时间，也不存在线缆硬件老化、损伤带来的工程错误、故障以及经济损失的问题。
本发明的一种基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，包括：
控制系统，所述控制系统包括主控单元、传感器模块以及分别电连接所述主控单元的存储单元、信号解调模块、AD模块、USB接口，所述传感器模块分别与所述信号解调模块、所述AD模块电连接；
驱动系统，所述驱动系统包括驱动模块与电源管理模块，所述驱动模块与所述主控单元电连接；
电机，所述电机的输出端连接有阀门机构，所述电机的运转以及供电由所述驱动系统控制；
电池组，所述电池组为所述控制系统、所述驱动系统以及所述电机供电。
在一个实施方式中，所述传感器模块包括传感器接口与传感器组，所述传感器接口分别与所述信号解调模块、所述AD模块电连接。
在一个实施方式中，所述存储单元包括EEPROM存储器与FLASH存储器，所述EEPROM存储器以IIC接口连接所述主控单元、所述FLASH存储器以SPI接口连接所述主控单元。
在一个实施方式中，所述信号解调模块用于处理所述传感器模块接收的压力脉冲信号，包括放大电路与比较电路。
在一个实施方式中，所述AD模块包括AD转换芯片及其周围电路。
在一个实施方式中，所述主控单元采用微控制器。
在一个实施方式中，还包括封闭的套筒，所述控制系统、所述驱动系统以及所述电池组均容纳于所述套筒中，所述电机通过贯穿所述套筒的线缆连接所述驱动系统与所述电池组。
本发明的一种测调系统，包括上述的智能测调装置，还包括：
井口设备，所述井口设备用于向井下的所述智能测调装置发出压力脉冲控制信号。
本发明的一种测调方法，应用于上述智能测调装置，包括以下步骤：
S1、将智能测调装置安装于井下目标层位，井口设备按照预设格式向井下发出包含命令数据的压力脉冲控制信号；
S2、智能测调装置中的传感器模块接收到所述压力脉冲控制信号并传递给信号解调模块进行处理，所述信号解调模块将所述压力脉冲控制信号进行预处理后传递给主控单元进行命令解析；
S3、所述主控单元根据解析出的命令控制所述传感器模块采集井下目标数据并编制成二进制数据；
S4、所述主控单元按照预设格式以控制电机运转的方式生成匹配所述目标数据编制成的二进制数据的压力脉冲反馈信号，所述压力脉冲反馈信号由所述电机驱动阀门机构达到目标开合度来触发生成并向井口设备发出。
在一个实施方式中，还包括步骤：
S0、在井上，通过USB接口与USB线缆将智能测调装置与电脑连接，通过调试软件设置智能测调装置的基本工作参数以及调试传感器模块与电机。
在一个实施方式中，步骤S1中，将智能测调装置安装于井下目标层位时，根据井下划分出的多个层位，在不同层位中均分别对应安装智能测调装置。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明提供的一种基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置、系统及测调方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
本发明的基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置、系统及测调方法，其智能测调装置以压力脉冲作为信息载体实现井上与井下的双向无线通讯，通过无线通讯来进行测调工作数据的双向交换；其不存在有线测调技术对井深、井下环境的苛刻要求，并且大大节省线缆成本、减少了作业时间，也不存在线缆硬件老化、损伤带来的工程错误、故障以及经济损失的问题。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了本发明的智能测调装置的结构示意图；
图2显示了本发明的智能测调装置实际使用时的工作流程图；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
附图标记：
1-智能测调仪，10-控制系统，11-主控单元，12-传感器模块，121-传感器接口，122-传感器组，13-存储单元，14-信号解调模块，15-AD模块，16-USB接口，20-驱动系统，21-驱动模块，22-电源管理模块，30-电机，31-阀门机构，40-电池组，50-套筒，60-井口设备。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明提供的一种基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，包括：
控制系统10，控制系统10包括主控单元11、传感器模块12以及分别电连接主控单元11的存储单元13、信号解调模块14、AD模块15、USB接口16，传感器模块12分别与信号解调模块14、AD模块15电连接；
驱动系统20，驱动系统20包括驱动模块21与电源管理模块22，驱动模块21与主控单元11电连接；
电机30，电机30的输出端连接有阀门机构31，电机30的运转以及供电由驱动系统20控制；
电池组40，电池组40为控制系统10、驱动系统20以及电机30供电。
本发明还提供了一种测调系统，包括上述智能测调装置，其还包括：
井口设备60，井口设备60用于向井下的所述智能测调装置发出压力脉冲控制信号。
具体地，本实施例中的智能测调装置通过压力脉冲来实现信号传递，进而实现与井口设备60的无线通讯，其结构如附图图1所示。其中，控制系统10与驱动系统20实际应用中是结合为一个整体的智能测调仪1，电池组40外接于智能测调仪1。智能测调装置安装时，智能测调仪1与电池组40组装好后放置在套筒50中并通过线缆与电机30连接，之后智能测调装置整体下入井下预定位置。
实际使用时，整个测调工作的流程如附图图2所示，井口设备60根据测调需求向安装在井下的智能测调装置发送压力脉冲控制信号，该信号是井口设备60按照预设格式将测调命令转化并生成的一定规律的压力脉冲。智能测调仪1中的传感器模块12接收到压力脉冲控制信号并通过信号解调模块14传递给主控单元11，主控单元11解析出调测命令并根据调测命令的需求采集相关数据，采集数据也是通过传感器模块12进行，传感器模块12采集的数据通过AD模块15的转换后传递给主控单元11。主控单元11此时需要将采集的数据通过压力脉冲的方式传递至井上，所以，主控单元11向驱动系统20的驱动模块21发出信号使驱动模块21驱动并控制电机30的运转，电机30驱动并控制阀门机构31的开合程度并使其按预设格式将采集到的井下数据触发并生成压力脉冲反馈信号。最终，压力脉冲反馈信号传递至井上并经过解析就得到了井下相关的测调数据。
进而，本实例中的测调系统通过以上方式实现了以压力脉冲作为信息载体来进行井上、井下的无线通讯。
电池组40向直接向智能测调仪1供电，而向电机30供电时是通过智能测调仪1中驱动系统20的电源管理模块22，电源管理模块22主要是起到对输送至电机30的电流进行变压。因为智能测调仪1内部的电气元件的工作电压与电机30的工作电压不相同，而电池组40需要向二者同时供电，故电池组40的额定电压往往与电机30的额定电压不匹配，进而需要电源管理模块22使供电的电压满足电机30的额定电压。
需要说明的是，压力脉冲的产生以及传递实际上也是需要传播介质，故本实施例中的智能测调装置以及整个测调系统适用于注水井，通过井眼中的液体作为压力脉冲的传播介质。井上设备与井下的阀门机构31都是通过控制阀门按预设格式开合来改变井眼中的液体压力，进而转化为具有规律并携带信息的压力脉冲进行传递。
实施例2
本发明提供的一种基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，包括：
控制系统10，控制系统10包括主控单元11、传感器模块12以及分别电连接主控单元11的存储单元13、信号解调模块14、AD模块15、USB接口16，传感器模块12分别与信号解调模块14、AD模块15电连接；
驱动系统20，驱动系统20包括驱动模块21与电源管理模块22，驱动模块21与主控单元11电连接；
电机30，电机30的输出端连接有阀门机构31，电机30的运转以及供电由驱动系统20控制；
电池组40，电池组40为控制系统10、驱动系统20以及电机30供电。
其中，主控单元11采用微控制器；
传感器模块12包括传感器接口121与传感器组122，存储单元13包括EEPROM存储器与FLASH存储器，EEPROM存储器以IIC接口连接主控单元11、FLASH存储器以SPI接口连接主控单元11，信号解调模块14包括放大电路与比较电路，AD模块15包括AD转换芯片及其周围电路。
具体地，在实施例1的基础上，本实施例主要对智能测调仪1中的各个电气元件进行进一步阐述。
主控单元11采用微控制器，微控制器技术成熟、功耗低，能够在井下长周期的工作。
传感器模块12作为测调装置的数据采集与接收部件，不仅要接收井上设备发出的压力脉冲控制信号，还要采集井下的相关数据，所以传感器模块12中实际包括多种具体的传感器，包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等，用于采集地层压力、温度、流量原始数据。传感器模块12包括传感器接口121与传感器组122，传感器接口121与控制系统10结合为整体，传感器组122外接于传感器接口121，可以根据实际使用情况进行传感器组122的选择更换、拆卸检修等工作。
存储单元13用于存储整个测调过程中的相关数据，测调装置中的存储单元13根据需要存储的数据类型用分为EEPROM存储器与FLASH存储器。EEPROM存储器的可靠性更高，但由于其电路复杂、制造成本更高，通常容量很小，所以用于存储关键数据，例如任务反馈、关键节点的温度与压力数据，断电、故障情况下数据不丢失。而FLASH存储器的电路结构较简单，同样容量占芯片面积较小，用作存储调试的初始化数据。
信号解调模块14主要用于传感器模块12接收的压力脉冲控制信号的初步解析，然后将初步解析的压力脉冲控制信号传至给主控单元11进行最终的解析。
AD模块15用于将传感器模块12采集的数据进行转换，主要是将模拟信号转换为主控单元11能够直接识别的数字信号。
驱动模块21实际应用中采用DRV10970驱动芯片。
实施例3
本发明的一种测调方法，应用于上述实施例中的智能测调装置，包括以下步骤：
S0、在井上，通过USB接口与USB线缆将智能测调装置与电脑连接，通过调试软件设置智能测调装置的基本工作参数以及调试传感器模块与电机。
S1、将智能测调装置安装于井下目标层位，井口设备按照预设格式向井下发出包含命令数据的压力脉冲控制信号；
S2、智能测调装置中的传感器模块接收到所述压力脉冲控制信号并传递给信号解调模块进行处理，所述信号解调模块将所述压力脉冲控制信号进行预处理后传递给主控单元进行命令解析；
S3、所述主控单元根据解析出的命令控制所述传感器模块采集井下目标数据并编制成二进制数据；
S4、所述主控单元按照预设格式以控制电机运转的方式生成匹配所述目标数据编制成的二进制数据的压力脉冲反馈信号，所述压力脉冲反馈信号由所述电机驱动阀门机构达到目标开合度来触发生成并向井口设备发出。
具体地，智能测调装置在下入井下前需要进行调试，调试时利用USB数据线通过USB接口连接智能测调仪与电脑，通过电脑上的调试软件进行调试，主要包括在智能测调仪内设置基本工作参数并进行传感器模块与电机的运行调试。USB接口的规格标准根据实际情况设置，本实施例中采用T型USB接口。
调试后的智能测调装置封装在套筒中下入井下目标位置，而后通过井口设备产生的压力脉冲信号来激活并控制智能测调装置的数据采集工作，智能测调仪通过控制电机的运转来控制阀门机构的开合度生成压力脉冲，将采集后的数据通过生成的压力脉冲反馈信号反馈至井上。通过压力脉冲作为信息载体来实现井上、井下的无线通讯。
进一步地，整个测调工作的流程如附图图2所示，井口设备根据测调需求向安装在井下的智能测调装置发送压力脉冲控制信号。智能测调仪中的传感器模块接收到压力脉冲控制信号并通过信号解调模块传递给主控单元，主控单元解析出调测命令并根据调测命令的需求采集相关数据，采集数据也是通过传感器模块进行，传感器模块采集的数据通过AD模块的转换后传递给主控单元。主控单元向驱动系统的驱动模块发出信号使驱动模块驱动并控制电机的运转，电机驱动并控制阀门机构的开合程度并使其按预设格式将采集到的井下数据触发并生成压力脉冲反馈信号。
实施例4
本发明的一种测调方法，应用于上述实施例中的智能测调装置，包括以下步骤：
S0、在井上，通过USB接口与USB线缆将智能测调装置与电脑连接，通过调试软件设置智能测调装置的基本工作参数以及调试传感器模块与电机。
S1、将智能测调装置安装于井下目标层位，根据井下划分出的多个层位，在不同层位中均分别对应安装智能测调装置，井口设备按照预设格式向井下发出包含命令数据的压力脉冲控制信号；
S2、智能测调装置中的传感器模块接收到所述压力脉冲控制信号并传递给信号解调模块进行处理，所述信号解调模块将所述压力脉冲控制信号进行预处理后传递给主控单元进行命令解析；
S3、所述主控单元根据解析出的命令控制所述传感器模块采集井下目标数据并编制成二进制数据；
S4、所述主控单元按照预设格式以控制电机运转的方式生成匹配所述目标数据编制成的二进制数据的压力脉冲反馈信号，所述压力脉冲反馈信号由所述电机驱动阀门机构达到目标开合度来触发生成并向井口设备发出。
具体地，注水井中通常是划分多个地层层位，所以需要根据划分的层位的数量来准备智能测调装置，在每个层位中均对应设置智能测调装置。所有智能测调装置在经过调试后，对应下入井下目标地层。
测调时，井口设备发出的压力脉冲控制信号携带的测调命令中包含有地址号，不同的地址号对应不同层位的智能测调装置。井下的智能测调装置接收到压力脉冲控制信号后，与地址号匹配的目标智能测调装置被激活并进行测调数据的采集与传递工作，其余的智能测调装置保持休眠。
休眠的智能测调装置进入低功耗模式，根据预设的工作参数周期性地苏醒并采集、存储温度与压力等数据，关键节点的数据存入EEPROM存储器。被井口设备激活的智能测调装置在完成测调数据的采集、传递工作后，在一定时间内未再次收到井口信号也进入休眠。
在本发明的描述中，需要理解在完成的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (11)

1.一种基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，其特征在于，包括：
控制系统，所述控制系统包括主控单元、传感器模块以及分别电连接所述主控单元的存储单元、信号解调模块、AD模块、USB接口，所述传感器模块分别与所述信号解调模块、所述AD模块电连接，所述存储单元包括用于存储任务反馈、关键节点温度与压力数据的EEPROM存储器以及用于存储调试的初始化数据的FLASH存储器；
驱动系统，所述驱动系统包括驱动模块与电源管理模块，所述驱动模块与所述主控单元电连接；
电机，所述电机的输出端连接有阀门机构，所述电机的运转以及供电由所述驱动系统控制；
电池组，所述电池组为所述控制系统、所述驱动系统以及所述电机供电；
其中，压力脉冲控制信号携带的测调命令中包含有地址号，不同的地址号对应不同层位的智能测调装置，井下的智能测调装置接收到压力脉冲控制信号后，与地址号匹配的目标智能测调装置被激活并进行测调数据的采集与传递工作，其余的智能测调装置保持休眠；
休眠的智能测调装置进入低功耗模式，根据预设的工作参数周期性地苏醒并采集、存储温度与压力等数据，关键节点的数据存入EEPROM存储器。
2.根据权利要求1所述的基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，其特征在于，所述传感器模块包括传感器接口与传感器组，所述传感器接口分别与所述信号解调模块、所述AD模块电连接。
3.根据权利要求1所述的基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，其特征在于，所述EEPROM存储器以IIC接口连接所述主控单元、所述FLASH存储器以SPI接口连接所述主控单元。
4.根据权利要求1所述的基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，其特征在于，所述信号解调模块用于处理所述传感器模块接收的压力脉冲信号，包括放大电路与比较电路。
5.根据权利要求1所述的基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，其特征在于，所述AD模块包括AD转换芯片及其周围电路。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，其特征在于，所述主控单元采用微控制器。
7.根据权利要求1至5任一项所述的基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，其特征在于，还包括封闭的套筒，所述控制系统、所述驱动系统以及所述电池组均容纳于所述套筒中，所述电机通过贯穿所述套筒的线缆连接所述驱动系统与所述电池组。
8.一种测调系统，其包括如权利要求1至7任一项所述的基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，其特征在于，还包括：
井口设备，所述井口设备用于向井下的所述智能测调装置发出压力脉冲控制信号。
9.一种测调方法，其应用于如权利要求1至7任一项所述的基于井下压力脉冲通讯的智能测调装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将智能测调装置安装于井下目标层位，井口设备按照预设格式向井下发出包含命令数据的压力脉冲控制信号；
S2、智能测调装置中的传感器模块接收到所述压力脉冲控制信号并传递给信号解调模块进行处理，所述信号解调模块将所述压力脉冲控制信号进行预处理后传递给主控单元进行命令解析；
S3、所述主控单元根据解析出的命令控制所述传感器模块采集井下目标数据并编制成二进制数据；
S4、所述主控单元按照预设格式以控制电机运转的方式生成匹配所述目标数据编制成的二进制数据的压力脉冲反馈信号，所述压力脉冲反馈信号由所述电机驱动阀门机构达到目标开合度来触发生成并向井口设备发出。
10.根据权利要求9所述的测调方法，其特征在于，步骤S1之前，还包括步骤：
S0、在井上，通过USB接口与USB线缆将智能测调装置与电脑连接，通过调试软件设置智能测调装置的基本工作参数以及调试传感器模块与电机。
11.根据权利要求9或10所述的测调方法，其特征在于，步骤S1中，将智能测调装置安装于井下目标层位时，根据井下划分出的多个层位，在不同层位中均分别对应安装智能测调装置。
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