CN114625040B - 油气井井下作业的电动控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种油气井井下作业的电动控制系统及方法，所述电动控制方法包括：利用地面主控制器将地面控制信息编码成井下控制指令来控制地面输出电压呈现规律性的增减变化，从而使井下通过检测井下输入电压来解调出地面控制信息，并依据地面控制信息调整井下作业工具的电机转速；利用井下主控制器将井下状态信息编码成井下输出指令来控制井下负载总电流呈现规律性的增减变化，从而使地面通过检测井下输出电流而解调出井下状态信息。本发明可以实现地面与井下的通信交互，既可以对井下作业工具的电机进行驱动控制，又能够接收井下信息，实时了解井下作业工具的运行状态。
Description
技术领域
本发明涉及油气井井下作业工具技术领域，具体来讲，涉及一种油气井井下作业的电动控制方法，以及一种油气井井下作业的电动控制系统。
背景技术
随着自动化大发展，油气井井下作业涉及电动作业的场景越来越多。比如，钻井过程中不可避免地会发生各种井下卡钻，采用将管柱在井下通过电动切断后直接提出井外的方式来解卡，其作业效率将显著提高。
针对井下电动作业工具的核心改进点包括两方面，一方面是机械部件的小型化，以适应井下狭小空间，另一方面是井下地面高效的信息传递和控制模式，以适应井下高强度的作业。目前，国外在井下电动作业工具方面已经取得不少显著的成果。例如，贝克休斯石油工程公司研发的一种高精度的电动管道切割装置(HarpponTM)，以及威德福石油公司研发的油管切割工具(RCT)，都取得了十分优秀的切割效果；英国凯撒石油公司(Kaseum)开发了纯电动电缆桥塞坐封工具，可对井下撬式进行坐封，避免火工品的使用，安全环保效益明显。而国内针对井下电动作业工具的研究重点则主要集中在机械外形的设计，对于井下电动控制方法的研究并不成熟，这也是制约我国油气井下电动自主化产品推向现场应用的瓶颈。
例如，于2020年12月25日公开的发明名称为井下管柱电动切割执行系统、公开号为CN112081550A的专利文献记载了一种井下管柱电动切割执行系统，包括切割刀头公转系统、切割头自转系统、切割头偏转系统。电机在经过主传动轴、副传动轴和刀翼主轴上的行星轮后将相同的扭矩最终作用在刀翼上，保证了刀翼扭矩能够实现与高速旋转扭矩相同的扭矩；电动切割执行系统能够自身转动，达到了沿管筒中心线进行圆周切割的目的；刀翼自身的偏转切割系统使切割刀头产生偏转。在高速切割刀头系统、切割头自转系统、切割头偏转系统的共同配合作用下，井下管柱切割执行系统能够精确地控制刀头切割角度及位置，达到了同一套井下切割执行系统可切割不同尺寸油套管的目的。
于2021年12月03日公开的发明名称为一种井下管柱切割工具、公开号为CN113738299A的专利文献记载了一种井下管柱切割工具，由锚定电缸、锚定机构、推刀电缸、工具壳体、电机外壳、空心轴井下电机、多级行星轮减速器、切割头旋转支架、刀具旋转传动齿轮轴、螺旋花键轴、刀具齿轮轴架、传动齿轮轴、引锥、铣削盘、刀具齿轮轴、刀具齿轮轴悬架、切割头外壳、锯齿形推块、刀具自转传动空心齿轮轴、刀具公转传动空心轴、电机传动轮组成。由电机低速端经过多级行星减速器驱动整个切割头低速公转，电机高速端驱动传动齿轮轴与刀具齿轮轴高速旋转，进而驱动刀具高速自转。推刀电缸推动锯齿形滑块带动螺旋花键轴使刀具完成进给运动。
这些井下电动技术的核心都是通过改进机械装置的结构来提高井下作业(例如，切割作业)的效率，但没有解决井下电动作业过程精细控制的技术瓶颈。因此，有必要形成一种实现井下电动作业过程精细控制的电动控制技术。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种油气井井下作业的电动控制系统和方法，通过建立地面与井下的通信及控制系统，来解决井下电动作业过程精细控制的技术瓶颈，保障系统安全高效运行。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种油气井井下作业的电动控制系统，用于传输井下作业工具与地面控制中心的通信信息，所述电动控制系统包括地面电路控制单元和井下电路控制单元，其中，所述地面电路控制单元包括电压升压模块、第一电压降压模块、地面主控制器、第一分压电阻、第二分压电阻和第一电子开关；电压升压模块被配置为能够将交流电进行升压并转化为直流电，以输送至井下供电端；第一电压降压模块被配置为能够将交流电进行降压并转化为直流电，以输送至地面主控制器；第一分压电阻与第二分压电阻串联连接在所述电压升压模块的输出端，以向井下供电端输出第一地面输出电压Vcc；第一电子开关通过与第二分压电阻并联设置的方式连接在第一分压电阻的输出端，以向井下供电端输出第二地面输出电压Vcc-ΔV；地面主控制器的输入端与第一电压降压模块连接，输出端与第一电子开关连接，并被配置为能够将地面控制信息编译为地面控制指令来控制第一电子开关的开启和关闭，以使地面至井下的输出电压呈现规律性的调幅信号，从而将地面控制信息反馈至井下；地面主控制器还被配置为能够采集地面输出电流I1，以获取井下状态信息；所述井下电路控制单元包括第二电压降压模块、电机驱动、第二电子开关、第一增流电阻和井下主控制器；所述第二电压降压模块的输入端通过导线与井下供电端连接，输出端分别与电机驱动连接以驱动井下作业工具的电机，以及与井下主控制器连接，以向井下主控制器供电，且第二电压降压模块被配置为能够将第一井下输入电压V0降压转化为第二井下输入电压Vk；第一增流电阻的输入端通过导线与井下供电端连接，输出端通过第二电子开关与井下主控制器连接，当第二电子开关关闭时，井下负载总电流为第一井下输出电流I0，当第二电子开关开启时，井下负载总电流为第二井下输出电流I0+ΔI；井下主控制器被配置为能够将井下状态信息编译为井下输出指令来控制第二电子开关的开启和关闭，以使井下负载总电流呈现规律性的调幅信号，从而将井下状态信息反馈至地面；井下主控制器还被配置为能够采集第一井下输入电压V0，以获取地面控制信息，从而控制井下作业工具的工作参数。
在本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例中，所述地面电路控制单元还可包括地面输出电流采集模块，地面输出电流采集模块分别与井下供电端和地面主控制器连接，并被配置为能够监测输往井下电流的变化情况。
在本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例中，所述井下电路控制单元还可包括稳压电源模块，稳压电源模块与井下主控制器连接，并被配置为能够提高井下主控制器的供电稳定性。
在本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例中，所述第一电子开关和第二电子开关可为MOS管。
在本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例中，所述地面主控制器可与井下供电端连接，并被配置为能够采集地面至井下的输出电压，以检测防止输出电压错误。
在本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例中，所述井下主控制器可与电机驱动连接，并被配置为能够监控驱动电流的异常情况。
在本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例中，所述电机可为霍尔电机。
在本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例中，所述ΔV可根据第一分压电阻和第二分压电阻的大小确定；所述ΔI可根据第一增流电阻的大小确定。
本发明再一方面提供了一种油气井井下作业的电动控制方法，采用如上所述的电动控制系统来建立地面与井下的通信和井下电动作业过程的控制。
在本发明的油气井井下作业的电动控制方法的一个示例性实施例中，所述电动控制方法可包括以下步骤：利用地面主控制器将地面控制信息编码成井下控制指令来控制地面输出电压呈现规律性的增减变化，从而使井下通过检测井下输入电压来解调出地面控制信息，并依据地面控制信息调整井下作业工具的工作参数；利用井下主控制器将井下状态信息编码成井下输出指令来控制井下负载总电流呈现规律性的增减变化，从而使地面通过检测地面输出电流而解调出井下状态信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明能够解决井下电动作业过程精细控制的技术瓶颈，保障系统安全高效运行；
(2)本发明可以实现地面与井下的通信交互，既可以对井下作业工具的电机进行驱动控制，又能够接收井下信息，实时了解井下作业工具的运行状态，这十分有利于地面及时调整井下作业工具的电机转速等工作参数，大大提高了井下作业工具的工作效率。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例电动控制系统的总体结构示意图。
图2示出了本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例的地面电路控制单元的结构示意图。
图3示出了本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例的地面-井下的电压变化通信载波原理图。
图4示出了本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例的井下电路控制单元的结构示意图。
图5示出了本发明的油气井井下作业的电动控制系统的一个示例性实施例的井下-地面的电流变化通信载波原理图。
附图标记说明：
1-地面电路控制单元，2-井下电路控制单元，101-电压升压模块，102-地面输出电流采集模块，103-第一电压降压模块，104-地面主控制器，105-第一电子开关，106-第一分压电阻，107-第二分压电阻，201-第二电压降压模块，202-电机驱动，203-稳压电源模块，204-井下主控制器，205-第二电子开关，206-第一增流电阻。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的油气井井下作业的电动控制系统及方法。
需要说明的是，“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。
总体来讲，本发明的关键改进点是当地面向井下传递信息时，利用地面主控制器控制MOS管的开关来使地面的输出电压呈现不断变化的调幅信号，从而把井口指令编码传输到井下，井下主控制器则通过检测井下输入电压的变化规律来解调出井口指令，从而调整电机的运行状态；当井下向地面传递信息时，利用井下主控制器控制MOS管的开关来使井下输出电流呈现不断变化的调幅信号，从而把井下信息编码传输到地面，地面主控制器则通过检测地面输出电流的变化规律来解调出井下信息，从而获知井下情况。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种油气井井下作业的电动控制系统，用于传输井下作业工具与地面控制中心的通信信息。
在本发明的一个示例性实施例中，一种油气井井下作业的电动控制系统可包括地面电路控制单元和井下电路控制单元，地面电路控制单元和井下电路控制单元相互连接，井下电路控制单元与井下作业工具的电机相连接。
具体来讲，地面电路控制单元可包括电压升压模块、第一电压降压模块、地面主控制器、第一分压电阻、第二分压电阻和第一电子开关。
其中，电压升压模块可与地面交流电源连接，且电压升压模块被配置为能够将交流电进行升压并转化为直流电，以输送至井下供电端。
第一电压降压模块可与地面交流电源连接，第一电压降压模块被配置为能够将交流电进行降压并转化为直流电，以输送至地面主控制器。
第一分压电阻与第二分压电阻串联连接在电压升压模块的输出端，以向井下供电端输出第一地面输出电压Vcc。
第一电子开关通过与第二分压电阻并联设置的方式连接在第一分压电阻的输出端，以向井下供电端输出第二地面输出电压Vcc-ΔV。
换句话说，第一分压电阻的输入端与电压升压模块连接，而第一分压电阻的输出端则并联连接有两条支路。其中一条支路上设置有第二分压电阻，用于向井下供电端输出第一井下输出电压Vcc；另一条支路上设置有第一电子开关，用于向井下供电端输出第二井下输出电压Vcc-ΔV。通过开启或关闭第一电子开关，可使地面至井下的输出电压发生一个电压变化ΔV。具体的：第一电子开关关闭时，设置有第二分压电阻的支路导通，电压升压模块输出电压中由第一分压电阻和第二分压电阻分得的电压被输出到井下线路上，输送到井下的电压为Vcc；第一电子开关打开时，设置有第二分压电阻的支路被屏蔽，只有第一分压电阻上的电压分配到输出线路上，输出到井下的电压为Vcc-ΔV。ΔV可根据第一分压电阻和第二分压电阻的大小确定。
地面主控制器的输入端与第一电压降压模块连接，输出端与第一电子开关连接。地面主控制器被配置为能够将地面控制信息编译为地面控制指令来控制第一电子开关的开启和关闭，以使地面至井下的输出电压呈现规律性的调幅信号，从而将地面控制信息反馈至井下。
井下电路控制单元包括第二电压降压模块、电机驱动、第二电子开关、第一增流电阻和井下主控制器。
其中，第二电压降压模块的输入端通过导线与井下供电端连接，输出端则并联连接有两条支路。其中一条支路与电机驱动连接，用于驱动井下作业工具的电机；另一条支路与井下主控制器连接，用于向井下主控制器供电。地面至井下的输出电压从井下供电端沿着导线输入至井下后，电压值从Vcc变为V0。第二电压降压模块被配置为能够将第一井下输入电压V0降压转化为第二井下输入电压Vk，以供井下作业工具的电机和井下主控制器使用。
第一增流电阻的输入端通过导线与井下供电端连接，输出端通过第二电子开关与井下主控制器连接。当第二电子开关关闭时，井下负载总电流为第一井下输出电流I0；当第二电子开关开启时，井下负载总电流为第二井下输出电流I0+ΔI。
换句话说，地面至井下的输出电压从井下供电端沿着导线输入至井下后，分别形成有两条并列的路线与井下电路控制单元连接。其中一条路线与第二电压降压模块连接，用于向井下作业工具的电机提供电源，另一条路线则通过第一增流电阻和第二电子开关与井下主控制器连接，用于控制井下负载总电流，使其发生一个电流变化ΔI。通过开启或关闭第二电子开关，可使井下井下负载总电流发生一个电流变化ΔI，从而井下到地面这条线路会有一个电流变化ΔI。具体的：第二电子开关关闭时，安装有第一增流电阻的路线断开，只有与第二电压减压模块连接的路线导通，井下负载总电流为I0；第二电子开关打开时，安装有第一增流电阻的路线导通，耗电增加，井下负载总电流变为I0+ΔI。ΔI可根据第一增流电阻的大小确定。
井下主控制器被配置为能够将井下状态信息编译为井下输出指令来控制第二电子开关的开启和关闭，以使井下负载总电流呈现规律性的调幅信号，从而将井下状态信息反馈至地面。
地面主控制器还被配置为能够采集地面输出电流I1，以获取井下状态信息。利用井下主控制器将井下状态信息编码成井下输出指令来控制井下负载总电流呈现规律性的增减变化(在I0和I0+ΔI之间)，由于井下和地面通过导线相连，从而地面输出电流采集处的电流I1也会产生规律性变化，通过利用地面主控制器采集这个电流变化，可以解调出井下状态信息。
井下主控制器还被配置为能够采集第一井下输入电压V0，以获取地面控制信息，从而控制井下作业工具的工作参数。利用地面主控制器将地面控制信息编码成井下控制指令来控制地面输往井下的电压呈现规律性的增减变化(在Vcc和Vcc-ΔV之间)，从而使得井下电路控制单元的第一井下输入电压V0发生规律性变化，通过利用井下主控制器检测V0的变化规律来解调出地面控制信息，并依据地面控制信息调整井下作业工具的工作参数。
需要说明的是，井下作业工具的工作参数包括电机转速。地面控制信息是指地面针对井下作业工具所发出的控制命令，例如，调整电机转速等；井下状态信息是指井下作业工具实时的相关运行状态信息，例如实时电机转速等。
另外，第一电子开关和第二电子开关可以为MOS管。
在本实施例中，地面电路控制单元还可包括地面输出电流采集模块，地面输出电流采集模块分别与井下供电端和地面主控制器连接，并被配置为能够监测井下至地面的输出总电流的变化情况。地面输出电流采集模块与地面主控制器连接，把监测到的电流变化情况传送到地面主控制器，从而解调出井下传送上来的规律变化的电流编码信号，识别出井下工况。
在本实施例中，井下电路控制单元还包括稳压电源模块，稳压电压模块与井下主控制器连接，并被配置为能够提高井下主控制器的供电稳定性。
在本实施例中，地面主控制器还可与井下供电端连接，并被配置为能够采集地面至井下的输出电压，以检测防止输出电压错误。
在本实施例中，井下主控制器还可与电机驱动连接，并被配置为能够监控驱动电流的异常情况。
在本实施例中，井下作业工具的电机可以为霍尔电机。
本发明另一方面提供了一种油气井井下作业的电动控制方法。
在本发明的另一个示例性实施例中，可采用如上所述的电动控制系统来建立地面与井下的通信和井下电动作业过程的控制。
具体来讲，一种油气井井下作业的电动控制方法包括以下步骤：
(1)利用地面主控制器将地面控制信息编码成井下控制指令来控制地面输出电压呈现规律性的增减变化，从而使井下通过检测井下输入电压来解调出地面控制信息，并依据地面控制信息调整井下作业工具的工作参数。
也就是说，利用地面主控制器控制第一电子开关的开启和关闭，以使第一电子开关关闭时，地面至井下的输出电压为第一地面输出电压Vcc，第一电子开关开启时，地面至井下的输出电压为第二地面输出电压Vcc-ΔV。根据工作需求将地面控制信息编码成井下控制指令，并利用该井下控制指令来控制第一电子开关的开启和关闭，使得地面输出电压按照井下控制指令在Vcc和Vcc-ΔV之间呈现有规律性的增减变化，从而实现将地面控制信息传递至井下。
地面输出电压经过导线传递到井下后，电压值变为V0(也就是第一井下输入电压)，当地面输出电压在Vcc和Vcc-ΔV之间变化时，第一井下输入电压V0也会相应地产生一个电压变化，井下主控制器通过采集第一井下输入电压V0的电压变化从而获得地面传下来的信号(即地面控制信息)。
(2)利用井下主控制器将井下状态信息编码成井下输出指令来控制井下负载总电流呈现规律性的增减变化，从而使地面通过检测地面输出电流而解调出井下状态信息。
也就是说，利用井下主控制器控制第二电子开关的开启和关闭，以使第二电子开关关闭时，井下负载总电流为第一井下输出电流I0，第一电子开关开启时，井下负载总电流为第二井下输出电流I0+ΔI。通过将井下状态信息编码成井下输出指令，并利用该井下输出指令来控制第二电子开关的开启和关闭，使得井下负载总电流按照井下输出指令在I0和I0+ΔI之间呈现有规律性的增减变化，从而实现将井下状态信息传递至地面。
当井下负载总电流在I0和I0+△I之间按编码规律变化，由于井下和地面通过导线相连，从而地面输出电流I1也会产生规律性变化，地面主控制器通过检测地面输出电流的变化规律从而解调出井下信息，就可知道井下情况。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。
示例1
如图1所示，油气井井下作业的电动控制系统由地面电路控制单元1和井下电路控制单元2组成。其中，地面电路控制单元1与井下电路控制单元2的一端连接，井下电路控制单元2的另一端与井下作业工具的电机M相连接。地面电路控制单元用于为井下电路控制单元提供电源，同时与井下电路控制单元进行通信交互，控制井下电机相应的动作，同时接收井下状态信息，如电机转速等。井下电路控制单元主要为接收地面的控制命令对相应的电机进行驱动控制，同时实时反馈相关运行状态，如电机转速等。
图2示出了地面电路控制单元的结构示意图，图2中的U1表示电压升压模块，U2表示地面输出电流采集模块，U3表示第一电压降压模块，U4表示地面主控制器，Q1表示第一电子开关，R1表示第一分压电阻，R2表示第二分压电阻，R3、R4、R5、R6、R7和R8表示其他连接电阻，C1-C7表示电容，VIN表示接入，GND表示接地，VOUT表示输出，VCC表示芯片的电源入口，ADC表示数模转化接口，FB反馈引脚。
如图2所示，地面电路控制单元包括电压升压模块101、地面输出电流采集模块102、第一电压降压模块103、地面主控制器104、第一电子开关105、第一分压电阻106和第二分压电阻107。地面交流电源一方面分别与电压升压模块101，电压升压模块101用于将交流电进行升压，并转化为直流电，用于往井下输电。第一分压电阻106(也就是电阻R1)和第二分压电阻107(也就是电阻R2)串联设置在地面交流电源和电压升压模块101之间，且第一电子开关105与第二分压电阻107(也就是电阻R2)并列设置。当第一电子开关105开启时，第一电子开关105这一条电路导通，相当于电阻R2这一路被断开。电压升压模块101的另一端与地面输出电流采集模块102连接，地面输出电流采集模块102与井下输出电源(也就是井下供电端)连接，用于输出地面至井下的输出电流。第一电子开关为MOS管。
其中，第一分压电阻R1与第二分压电阻R2为串联关系，在两个分压电阻之间引出一条电路与第一电子开关Q1相连，通过打开或关闭第一电子开关，可以形成一个输往井下的电压变化ΔV。具体的：第一电子开关Q1关闭时，电压升压模块输出电压中由第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分得的电压被输出到井下线路上，输送到井下的电压为Vcc；第一电子开关Q1打开时，只有第一分压电阻R1上的电压分配到输出线路上，输出到井下的电压为Vcc-ΔV。
地面交流电源另一方面和第一电压降压模块103连接，第一电压降压模块103用于将交流电进行降压，并输出直流电，以向地面主控制器104供电。地面主控制器104的一端与第一电压降压模块103连接以获取电源，另一端分别与第一电子开关105和地面输出电流采集模块102。地面主控制器104用于控制第一电子开关105的开启和关闭，以及监测地面输出电流采集模块102中的电流变化情况。
地面往井下的供电方式为：地面220V交流电输入经过电压升压模块U1的“AC-DC”端升压，输出为井下供电Vcc，Vcc通过导线把电输送到井下；地面220V交流电另一方面通过第一电压降压模块U3的“AC-DC”端降压输出直流电，为地面主控制器U4供电。地面主控制器U4的作用是地面电路控制和监测、人机界面等。其中Vcc根据井下负载所需功率Pload、电缆电阻R、线缆可承载的电流I和地面能提供的功耗和安全电压U确定，具体计算式如下。
Pload＝I×Uload
U＝IR+Uload
P＝I2R+Pload
式中，Pload为井下负载所需功率，W；I为线缆可承载的电流，A；Uload为井下负载所需电压，V；U为安全电压，V；R为电缆电阻，Ω；P为地面输出总功率，W。
地面向井下传递信息通过供电电压的幅度变化传递信息，具体过程为：当地面主控制器U4控制MOS管Q1打开时，Q1所在线路导通，输出电压Vcc为电阻R1所分得的电压；当Q1关闭时，Q1所在线路关闭，输出电压Vcc为电阻R1+R2所分得的电压。因此通过标记Q1关断时输出电压为Vcc，Q1打开时输出电压为Vcc-△V，从而输出呈现一个不断变化的调幅信号，从而把井口控制指令传到井下。如图3所示，当不传递地面信息时，地面输出电压为Vcc，当开始传递信息时，地面输出电压开始每间隔一段时间就由Vcc变化为Vcc-△V，每一批次电压的增减变化都传递了一次信号，从而实现将井口指令传到井下。其中△V通过Q1前端的R1和R2大小控制。
图4示出了井下电路控制单元的结构示意图，图4中的U5表示第二电压降压模块，U6表示电机驱动，U7表示稳压电压模块，U8表示井下主控制器，Q2表示第二电子开关，R11表示第一增流电阻，R9、R10以及R12～R16表示其他连接电阻，C8-C14表示电容，VIN表示接入，GND表示接地，VOUT表示输出，VCC表示芯片的电源入口，ADC表示数模转化接口，FB反馈引脚，U、V、W分别表示电机的三相。
如图4所示，井下电路控制单元包括第二电压降压模块201、电机驱动202、稳压电源模块203、井下主控制器204、第二电子开关205和第一增流电阻206。地面至井下的输出电压从井下供电端沿着导线输入至井下后，电压值从Vcc变为第一井下输入电压V0。第二电压降压模块201的输入端通过导线与井下输出电源(也就是井下供电端)连接，用于降压输出第二井下输入电压Vk；输出端直接与电机驱动202连接以驱动井下作业工具的电机M，以及与井下主控制器204连接，以向井下主控制器204供电。稳压电源模块203连接在井下主控制器204与第二电压降压模块201之间，用于提高井下主控制器的供电稳定性。
第一增流电阻206的一端通过导线与井下输出电源(也就是井下供电端)连接，另一端与第二电子开关205连接，第二电子开关205的一端与地线连接。第一增流电阻206(也就是电阻R11)和电阻R14+R13并联设置在井下输出电源和井下主控制器204之间，且第二电子开关205与电阻R11连接。当第二电子开关205开启时，则电阻R11这条支路导通，井下总电流是电阻R11和电阻R14+R13两条支路的电流之和；当第二电子开关205关闭时，则电阻R11这条支路关闭，井下总电流是电阻R14+R13这条支路的电流。井下主控制器204用于控制第二电子开关205的开启和关闭，以及监测第一井下输入电压V0的变化情况。第二电子开关为MOS管。
井下主控制器U8控制第二电子开关Q2的打开/关闭状态，从而导通或断开安装了第一增流电阻R11的这条电路，进而造成井下总耗电电流变化ΔI。具体的：第二电子开关Q2关闭时，安装了第一增流电阻R11的这条导线断开，井下总耗电电流为I0；第二电子开关Q2打开时，安装了第一增流电阻R11的这条导线连通，耗电增加，井下总耗电电流为I0+ΔI。
在井下获得地面供电后进行再次调节的方式：地面高压电Vcc经过导线到井下后电压变为V0，高压电V0经过第二电压降压模块U5的“DC-DC”端降压，输出为井下供电Vk，这个Vk一方面供电机M使用，一方面供井下主控制器U8使用。为了精确控制电机的转速，其中电机选择霍尔电机，电机驱动U6选择霍尔驱动。为了提高井下主控制器U8的稳定性，U7选择一种低压差线性稳压器LDO为井下主控制器U8供电。为了监测电机的运行故障，通过主控制器U8监控电机驱动U6的驱动电流异常情况。
井下获取地面发送下来的信息是通过井下主控制器U8检测电阻R14和R13之间的电压变化来实现的，具体为：当地面通过电压在Vcc和Vcc-△V之间变化产生编码往井下传递信号，井下的电压V0也产生一个电压变化，这个电压变化会使电阻R14和R13之间的电压也产生变化，井下主控制器U8通过采集这种电压变化从而获得地面传下来的信号，即井下主控制器U8可采集到地面传输至井下电压编码信号，经过解调出控制指令，进而控制电机的转速等。
井下往地面发送信息是通过井下负载电流的改变传递信息。具体如下：通过主控芯片U8控制MOS管Q2使其导通，从而增加了电阻R11这一路的电路消耗，井下总电流增大，通过关闭Q2，井下总电流恢复，这样通过开关Q2，形成一串电流有规律的增减变化，从而把井下信息编码往地面进行传递。地面主控制器U4通过检测地面输出电流的变化规律从而解调出井下信息，就可知道井下情况。
如图5所示，当不传递井下信息时，井下负载总电流为I0，当开始传递信息时，井下负载总电流开始每间隔一段时间就由I0变化为I0+△I，每一批次电流的增减变化都传递了一次信号，从而实现将井下信息传到地面。
另外在地面输出电源端加入输出电压采集，电压值输入到地面主控制器U4，通过检测防止输出电压错误。
地面输出电流采集模块安装在通往井下的送电线前端，并被配置为能够监测井下总耗电电流的变化情况，地面输出电流采集模块与地面主控制器连接，把监测到的电流变化情况传送到地面主控制器，从而解调出井下传送上来的规律变化的电流编码信号，识别出井下工况。也就是说，在地面输出电源端加入的地面输出电流采集模块，能够随时检测井下的负载电流变化情况，一方面可获取井下通过电流规律变化编码方式发送上来的井下信息，另一方面可指示井下电机堵转检测、短路检测等异常情况。
示例2
本示例以井下电动切割工具的应用为例对本发明的油气井井下作业的电动控制方法做进一步说明。
井下切割工具：切割电机功率高可达800W左右，而摆刀电机和铆钉电机功率大约100W。切割工具采用电缆连接下入井底进行作业。
(1)地面电路详细设计
交流电220V输入电压一方面经过“AC-DC”升压，输出为井下供电；另一方面通过“AC-DC”降压输出直流电，为地面电路控制和监测模块、人机界面提供电源。
井下总功率1000W，5000m导线电阻50Ω，计算了井下工具前端电压与井口电压、功率的关系。选择井口电压600V，功率1200W。故首先通过升压装置将电压由220V交流电升为600V直流电。
地面→井下的通信电路控制设计：通过控制输出电压，形成高低波形，达到通信目的。具体为：通过控制MOS管Q1的开关便可以改变输出井下的输出电压，当Q1关断时输出电压为600V，当Q1打开时输出电压为500V，故可以根据需求对输出电压进行相应的编码，从而把控制信号传到井下。同时在输出电源端加一个地面输出电流采集模块U2，可以随时检测井下的负载变化情况，可以用于井下电机堵转检测、短路检测及井下上传的编码信息传输。
(2)井下电路详细设计
井下→地面的通信电路控制设计：由计算可知通往井下的导线总电流2A，井下仪器前端电压500V，在图4的井下电路中，R11设置为5000Ω，当主控制器U8控制MOS管Q2打开时，电阻R12所在线路导通，电流为0.1A，这是通往井下的导线总电流为2.1A，通过有规律的打开关闭Q2(比如打开10s、关闭10s)，形成一个有规律变化的电流，从而把井下信息通过编码传递到地面。
对于切割电机功率高可达800W左右，而摆刀电机和铆钉电机功率大约100W，由于井下空间小，选择直流无刷电机，而其中具有代表的霍尔电机，通过单片机PWM控制和实时转子位置反馈，调速稳定可靠。对切割功能的霍尔电机功率大，具体设计时其电机三个电极采用3路独立供电，即600V输入电压经过3个栅极驱动器驱动电路转化成3路48V直流电源供给电机的每个极进行供电，并根据MCU采集的电机转速反馈，直接调整栅极电路供电频率，从而对电机进行调速。
而摆刀电机、铆钉电机的功率较低，具体设计时对于他们的电极供电方式为：采用一个栅极电路提供总电流，然后由后部驱动板把电流分到霍尔电机的每一个电极，驱动电机运转，MCU根据采集的电机转速反馈信息，通过控制驱动板，间接调整驱动板对电机每个电极的供电频率，从而对电机进行调速。
综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明能够解决井下电动作业过程精细控制的技术瓶颈，保障系统安全高效运行；
(2)本发明可以实现地面与井下的通信交互，既可以对井下作业工具的电机进行驱动控制，又能够接收井下信息，实时了解井下作业工具的运行状态，这十分有利于地面及时调整井下作业工具的电机转速，大大提高了井下作业工具的工作效率。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
Claims (10)
1.一种油气井井下作业的电动控制系统，用于传输井下作业工具与地面控制中心的通信信息，其特征在于，所述电动控制系统包括地面电路控制单元和井下电路控制单元，其中，
所述地面电路控制单元包括电压升压模块、第一电压降压模块、地面主控制器、第一分压电阻、第二分压电阻和第一电子开关；
电压升压模块被配置为能够将交流电进行升压并转化为直流电，以输送至井下供电端；
第一电压降压模块被配置为能够将交流电进行降压并转化为直流电，以输送至地面主控制器；
第一分压电阻与第二分压电阻串联连接在所述电压升压模块的输出端，以向井下供电端输出第一地面输出电压Vcc；
第一电子开关通过与第二分压电阻并联设置的方式连接在第一分压电阻的输出端，以向井下供电端输出第二地面输出电压Vcc-ΔV；
地面主控制器的输入端与第一电压降压模块连接，输出端与第一电子开关连接，并被配置为能够将地面控制信息编译为地面控制指令来控制第一电子开关的开启和关闭，以使地面至井下的输出电压呈现规律性的调幅信号，从而将地面控制信息反馈至井下；
地面主控制器还被配置为能够采集地面输出电流I1，以获取井下状态信息；
所述井下电路控制单元包括第二电压降压模块、电机驱动、第二电子开关、第一增流电阻和井下主控制器；
所述第二电压降压模块的输入端通过导线与井下供电端连接，输出端分别与电机驱动连接以驱动井下作业工具的电机，以及与井下主控制器连接，以向井下主控制器供电，且第二电压降压模块被配置为能够将第一井下输入电压V0降压转化为第二井下输入电压Vk；
第一增流电阻的输入端通过导线与井下供电端连接，输出端通过第二电子开关与井下主控制器连接，当第二电子开关关闭时，井下负载总电流为第一井下输出电流I0，当第二电子开关开启时，井下负载总电流为第二井下输出电流I0+ΔI；
井下主控制器被配置为能够将井下状态信息编译为井下输出指令来控制第二电子开关的开启和关闭，以使井下负载总电流呈现规律性的调幅信号，从而将井下状态信息反馈至地面；
井下主控制器还被配置为能够采集第一井下输入电压V0，以获取地面控制信息，从而控制井下作业工具的工作参数。
2.根据权利要求1所述的油气井井下作业的电动控制系统，其特征在于，所述地面电路控制单元还包括地面输出电流采集模块，地面输出电流采集模块分别与井下供电端和地面主控制器连接，并被配置为能够监测输往井下的电流变化情况。
3.根据权利要求1所述的油气井井下作业的电动控制系统，其特征在于，所述井下电路控制单元还包括稳压电源模块，稳压电源模块与井下主控制器连接，并被配置为能够提高井下主控制器的供电稳定性。
4.根据权利要求1所述的油气井井下作业的电动控制系统，其特征在于，所述第一电子开关和第二电子开关为MOS管。
5.根据权利要求1所述的油气井井下作业的电动控制系统，其特征在于，所述地面主控制器与井下供电端连接，并被配置为能够采集地面至井下的输出电压，以检测防止输出电压错误。
6.根据权利要求1所述的油气井井下作业的电动控制系统，其特征在于，所述井下主控制器与电机驱动连接，并被配置为能够监控驱动电流的异常情况。
7.根据权利要求1所述的油气井井下作业的电动控制系统，其特征在于，所述电机为霍尔电机。
8.根据权利要求1所述的油气井井下作业的电动控制系统，其特征在于，所述ΔV根据第一分压电阻和第二分压电阻的大小确定；所述ΔI根据第一增流电阻的大小确定。
9.一种油气井井下作业的电动控制方法，其特征在于，采用如权利要求1至8中任意一项所述的电动控制系统来建立地面与井下的通信和井下电动作业过程的控制。
10.根据权利要求9所述的油气井井下作业的电动控制方法，其特征在于，所述电动控制方法包括以下步骤：
利用地面主控制器将地面控制信息编码成井下控制指令来控制地面输出电压呈现规律性的增减变化，从而使井下通过检测井下输入电压来解调出地面控制信息，并依据地面控制信息调整井下作业工具的工作参数；
利用井下主控制器将井下状态信息编码成井下输出指令来控制井下负载总电流呈现规律性的增减变化，从而使地面通过检测地面输出电流而解调出井下状态信息。
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