CN115822573A - 用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气井通信技术领域，具体而言，涉及用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输方法及系统，井上和井下各设置有一电源模块、通信控制模块以及阻抗匹配模块，通信控制模块通过阻抗匹配模块与单芯电缆连接，其中，井上通信控制模块用于将输入信号调制为差分信号，井下通信控制模块用于对差分信号进行解调处理，电源模块分别与通信控制模块、单芯电缆连接，电控工具与单芯电缆连接，由单芯电缆进行供电。本发明采用OOK调制解调与差分信号传输技术，并通过信号调制频率对线路阻抗进行匹配，可在数据通信时克服大功率电动工具产生的干扰，减少传输信号在单芯电缆上因阻抗不匹配造成的回波损耗，适应性强。

Description

用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输方法及系统

技术领域

本发明涉及油气井通信技术领域，具体而言，涉及用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输方法及系统。

背景技术

油气资源在我国储量十分丰富，近年来，对油气资源的开采技术在不断创新和发展，越来越多的大功率电动控制工具被运用到油气井中，提高油气开采的效率，在如今大功率电动控制工具的使用场景中，井上和井下的信息交互就显得极为重要。

目前，国内基本都采用单芯电缆为井下电动控制工具进行供电，为了不增加额外的传输成本及操作复杂性，依然广泛采用单芯电缆作为数据传输的介质，目前，在井下使用大功率电动控制工具时，单芯电缆通信干扰大，通信质量不佳，可靠性也有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输方法及系统，控制指令通过通信控制模块和阻抗匹配模块传输到单芯电缆，在输出端将单芯电缆上的信号经通信控制模块和阻抗匹配模块进行解析读取，采用OOK信号调制解调及差分信号的传输方式，可以抑制共模干扰，在干扰中解析出通信数据，可适用于各种单芯电缆与井下大功率电动控制工具进行实时通信的油气井中。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输系统，井上和井下各设置有一电源模块、通信控制模块以及阻抗匹配模块，所述通信控制模块通过阻抗匹配模块与单芯电缆连接，其中，井上通信控制模块用于将输入信号调制为差分信号，井下通信控制模块用于对差分信号进行解调处理，所述电源模块分别与通信控制模块、单芯电缆连接，所述电控工具与单芯电缆连接，由单芯电缆进行供电。

根据一种优选实施方式，所述井上通信控制模块与井上阻抗匹配模块连接，所述井上阻抗匹配模块与单芯电缆井上端连接，井上电源模块分别与井上通信控制模块、单芯电缆井上端连接，单芯电缆井下端分别与电控工具、井下阻抗匹配模块连接，井下阻抗匹配模块与井下通信控制模块连接，井下电源模块分别与井下通信控制模块、单芯电缆井下端连接，所述电控工具与井下通信控制模块连接。

根据一种优选实施方式，所述井上电源模块包括井上通信控制模块电源以及单芯电缆直流电源，所述井上通信控制模块电源接井上通信控制模块，所述单芯电缆直流电源的两极分别接单芯电缆的缆芯与壳体。

根据一种优选实施方式，所述通信控制模块包括MCU、信号调制模块、差分信号控制模块以及信号解调模块；

所述MCU用于在通信控制模块处于信号接收/发送状态时，调节通信频率，以及产生基波信号；

所述信号调制模块用于对输入信号以及基波进行OOK调制处理；

所述差分信号控制模块用于在通信控制模块处于信号发送状态时，将经过OOK调制处理的输入信号转换为差分信号并发送至单芯电缆，在通信控制模块处于信号接收状态时，将单芯电缆传输的差分信号传送到信号解调模块；

所述信号解调模块用于对单芯电缆传输的差分信号进行OOK解调处理，并将解调后的信号传输到通信控制模块的输出端。

根据一种优选实施方式，所述阻抗匹配模块包括若干个电容器与若干个电阻器，若干个所述电容器串联在通信控制模块与单芯电缆之间，若干个所述电阻器串联在单芯电缆的缆芯与壳体之间，所述阻抗匹配模块用于调整电容器与电阻器的取值与单芯电缆的特性阻抗进行阻抗匹配。

本发明还提供基于上述所述单芯电缆实时数据传输系统的单芯电缆实时数据传输方法，包括如下步骤：

上位机将原始数据发送至井上通信控制模块；

在接收到上位机下发的原始数据后，井上通信控制模块对原始数据以及MCU产生的基波信号进行差分信号转换，并通过井上阻抗匹配模块将差分信号送入单芯电缆，所述井上阻抗匹配模块用于根据MCU设置的调制频率对线路阻抗进行匹配；

井下阻抗匹配模块在接收到来自单芯电缆传输的差分信号后，送入井下通信控制模块，所述单芯电缆还用于为井下设备进行供电；

在接收到差分信号后，井下通信控制模块对差分信号进行解调处理，得到原始数据，并将原始数据传输至电控工具。

根据一种优选实施方式，所述井上通信控制模块对原始数据以及MCU产生的基波信号进行差分信号转换具体包括：

将原始数据以及基波信号输入信号调制模块进行OOK调制处理，当原始数据为低电平时，输出低电平，当原始数据为高电平时，输出基波信号；

将经过OOK调制处理后的原始数据输入差分信号控制模块进行差分信号转换。

根据一种优选实施方式，所述井下通信控制模块对差分信号进行解调处理具体包括：

根据MCU设置的调制频率对差分信号进行解调得到载波数据信号，再经过OOK解调处理，得到原始数据以及基波信号，当载波数据信号为低电平时，输出的原始数据为低电平，当载波数据信号为基波信号时，输出的原始数据为高电平。

根据一种优选实施方式，所述原始数据采用曼彻斯特编码方式。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明采用OOK调制解调技术与差分信号传输技术，并且设计了阻抗匹配模块，可根据信号调制频率对线路阻抗进行匹配，可以在数据通信时克服大功率电动工具产生的干扰，减少传输信号在单芯电缆上因阻抗不匹配造成的回波损耗，适应性强；在本发明中，单芯电缆既作为井下设备供电的通道，又作为通信的载体，在井下大功率电动控制工具使用的场景下，满足实时数据通信的同时没有增加额外的传输介质，降低了成本；通过设计的通信控制模块和阻抗匹配模块，在井下使用大功率电动控制工具时，可以满足对井下电动控制工具的实时控制和实时信息反馈，提高作业效率和精确性。

附图说明

图1为本发明提供的单芯电缆实时数据传输系统的整体结构示意图；

图2为本发明提供的通信控制模块的结构示意图；

图3为本发明提供的信号调试示例波形图；

图4为本发明提供的信号解调示例波形图；

图5为本发明提供的数据信号转换示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

参考图1所示，图1示出了本发明实施例提供的单芯电缆实时数据传输系统的整体结构图。

本发明实施例所提供的用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输系统，包括井上电源模块、井下电源模块、井上通信控制模块、井下通信控制模块、井上阻抗匹配模块、井下阻抗匹配模块、电控工具以及上位机，电控工具即图1中所示负载，上位机包含控制软件，用于提供人机交互功能，以及输入和显示传输的信息。

上位机通过MCU接井上通信控制模块的信号输入和信号输出端，井上通信控制模块通过井上阻抗匹配模块与单芯电缆井上端连接，井上通信控制模块用于将输入信号调制为差分信号，井下通信控制模块通过井下阻抗匹配模块与单芯电缆井下端连接，井下通信控制模块用于对差分信号进行解调处理。

井上电源模块分别与井上通信控制模块、单芯电缆井上端连接，在本实施例中，井上电源模块包括两部分，分别为井上通信控制模块电源以及单芯电缆直流电源，所述井上通信控制模块电源接井上通信控制模块，所述单芯电缆直流电源的两极分别接单芯电缆的缆芯与壳体，将直流电源通过单芯电缆输送至井下，为井下设备进行供电。

井下电源模块分别与井下通信控制模块、单芯电缆井下端连接，单芯电缆井下端与电控工具连接；井下电源模块用于通过对单芯电缆输送的直流电进行适应性的降压调节，使其满足井下通信控制模块和电控工具的供电要求，对井下通信控制模块和电控工具进行供电，使井下通信控制模块和电控工具可以正常工作。在本实施例的一种实施方式中，电控工具为直流无刷电机和压力检测装置，由单芯电缆进行供电，所述电控工具通过MCU与井下通信控制模块连接。在本发明中，单芯电缆既作为井下设备供电的通道，又作为通信的载体，在井下大功率电动控制工具使用的场景下，满足实时数据通信的同时没有增加额外的传输介质，降低了成本。

在本发明实施例的一种实施方式中，所述通信控制模块包括MCU、信号调制模块、差分信号控制模块以及信号解调模块，采用载波通信的方式来传输原始数据，原始数据通过通信控制模块进行调制发送或接收解调；需要说明的是，原始数据是指需要通过单芯电缆进行传送的消息，例如井上控制指令信息和井下设备工作反馈信息，其中，井上控制指令信息包括检测电机是否在线、调节电机转速、打开/关闭电机等；井下设备工作反馈信息包括电机转速、电机打开成功/失败反馈信息、井下实时压力信息等。

以下对通信控制模块中各子模块的功能进行简单说明：

关于MCU：(1)用于控制通信控制模块的实时状态，包括信号接收状态以及信号发送状态，在接收数据的一端处于信号接收状态，例如井上通信控制模块在接收井下工作反馈信息时处于信号接收状态；在发送数据的一端处于信号发送状态，例如井上通信控制模块在发送上位机控制指令至井下时处于信号发送状态；(2)调节通信频率，根据通信的需求利用上位机写入通信频率数值，基于写入的通信频率数值，对通信频率进行调节；(3)根据设定的频率、周期和幅值产生基波信号，对传输信号进行调制或解调。

关于信号调制模块：(1)在通信控制模块处于信号发送状态时，利用基波对原始数据进行调制。在本实施例的一种实施方式中，信号调制模块采用OOK调制对原始数据进行调制，将输入的原始数据与基波信号进行OOK调制处理，发送至差分信号控制模块，其中，井上信号调制模块是对上位机发送的指令信息进行调制，井下信号调制模块是对直流无刷电机和压力检测装置的反馈信息进行调制。OOK调制的具体流程如下：当信号调制模块接收到原始数据时，将MCU产生的基波信号与原始数据进行调制，当原始数据为低电平时，信号调制输出低电平，当原始数据为高电平时，信号调制输出非0的基波信号，OOK信号调制的示例波形如图3所示。

需要说明的是，OOK调制的载波频率通过MCU进行设置，载波频率的取值根据所需数据速率和通过电缆的预期损耗确定，在本实施例的一种实施方式中，数据速度采用19200波特率，载波频率选取300kHz。

关于差分信号控制模块：(1)在信号发送状态时，差分信号控制模块将经过OOK调制的输入信号转换为差分信号，发送至单芯电缆的缆芯与壳体，通过单芯电缆进行信号传输；(2)在信号接收状态时，将单芯电缆传送来的差分信号进行处理，并将处理后的信号传送到信号解调模块进行解调。

关于信号解调模块：将经过差分信号控制模块处理后的信号进行OOK解调，得到真实的数据信号，并将解调后的信号传输到通信控制模块的输出端，供上位机或电控工具使用。OOK解调的具体流程如下：信号解调模块接收到差分信号控制模块传送来的载波数据信号时，根据MCU设置的载波频率对载波数据信号进行解调，得到原始数据以及基波信号，当载波数据信号为低电平时，信号解调输出的原始数据为低电平，当载波数据信号为非0的基波信号时，信号解调输出的原始数据为高电平。信号解调的示例波形图参考图4所示。

进一步地，所述阻抗匹配模块包括若干个电容器与若干个电阻器，若干个所述电容器串联在通信控制模块与单芯电缆之间，若干个所述电阻器串联在单芯电缆的缆芯与壳体之间，所述阻抗匹配模块用于调整电容器与电阻器的取值与单芯电缆的特性阻抗进行阻抗匹配。本发明实施例所设计的阻抗匹配模块通过添加电路元器件的方式来调节线路的阻抗；在本发明实施例的一种实施方式中，共设置有四个电容器、四个电感器和两个电阻器，设置具体如下：单芯电缆直流电源的两级分别连接一个电感器，再连接到单芯电缆的缆芯与壳体上；井上通信控制模块的两个信号输出端分别连接一个电容器，再连接到单芯电缆上；井上通信控制模块的两个信号输出端之间接一个电阻器；电控工具的两端分别连接一个电感器，再连接到单芯电缆上；单芯电缆井下端的缆芯与壳体分别连接一个电容器，再连接到井下通信控制模块的信号输入端；井下通信控制模块的两个信号输入端之间接一个电阻器；基于上述设置，可通过调整电阻器与电容器的取值与单芯电缆的特定阻抗进行阻抗匹配，以此减少传输信号在单芯电缆上因阻抗不匹配造成的回波损耗。具体连接方式参考图1所示。

本发明采用OOK调制解调技术与差分信号传输技术，并且设计了阻抗匹配模块，可根据信号调制频率对线路阻抗进行匹配，可以在数据通信时克服大功率电动工具产生的干扰，减少传输信号在单芯电缆上因阻抗不匹配造成的回波损耗，适应性强。

本发明实施例还提供基于上述所述的单芯电缆实时数据传输系统的单芯电缆实时数据传输方法，包括如下步骤：

上位机将原始数据发送至井上通信控制模块；

在接收到上位机下发的原始数据后，井上通信控制模块对原始数据以及MCU产生的基波信号进行差分信号转换，并通过井上阻抗匹配模块将差分信号送入单芯电缆，所述井上阻抗匹配模块用于根据MCU设置的调制频率对线路阻抗进行匹配；

井下阻抗匹配模块在接收到来自单芯电缆传输的差分信号后，送入井下通信控制模块，所述单芯电缆还用于为井下设备进行供电；

在接收到差分信号后，井下通信控制模块对差分信号进行解调处理，得到原始数据，并将原始数据传输至电控工具。

进一步地，所述井上通信控制模块对原始数据以及MCU产生的基波信号进行差分信号转换具体包括：将原始数据以及基波信号输入信号调制模块进行OOK调制处理，当原始数据为低电平时，输出低电平，当原始数据为高电平时，输出基波信号；将经过OOK调制处理后的原始数据输入差分信号控制模块进行差分信号转换。

进一步地，所述井下通信控制模块对差分信号进行解调处理具体包括：根据MCU设置的调制频率对差分信号进行解调得到载波数据信号，再经过OOK解调处理，得到原始数据以及基波信号，当载波数据信号为低电平时，输出的原始数据为低电平，当载波数据信号为基波信号时，输出的原始数据为高电平。

进一步地，所述原始数据采用曼彻斯特编码方式。

以下对本发明所提供的方法原理进行说明：

关于上位机传输控制指令至井下电控工具，具体地，在上位机传输控制指令至井下电控工具时，井上通信控制模块处于信号发送状态，井下通信控制模块处于信号接收状态，控制指令经过曼彻斯特编码后输入到井上通信控制模块的输入端，在信号调制模块中与MCU产生的基波信号进行OOK调整，经过OOK调制后的信号传输到差分信号控制模块，转换得到差分信号，并将差分信号发送至单芯电缆的缆芯与壳体，通过单芯电缆将差分信号传输到井下；单芯电缆井下端将接收的差分信号传输至井下通信控制模块，通过差分信号控制模块进行处理，得到的信号再经过信号解调模块进行解调，得到控制指令，经MCU将控制指令发送至电控工具，基于控制指令对电控工具进行控制。

关于井下电控工具反馈信息至上位机，具体地，在井下电控工具反馈信息至上位机时，井上信号控制模块处于信号接收状态，井下通信控制模块处于信号发送状态，反馈信息经过曼彻斯特编码后输入到井下通信控制模块的输入端，在信号调制模块中与MCU产生的基波信号进行OOK调制，经过OOK调制后的信号传输到差分信号控制模块，转换得到差分信号，并将差分信号发送至单芯电缆的缆芯与壳体，通过单芯电缆将差分信号传输到井上；单芯电缆井上端将接收的差分信号传输至井上通信控制模块，通过差分信号控制模块进行处理，得到的信号再经过信号解调模块进行解调，得到反馈信息，经MCU将反馈信息发送至上位机，通过上位机读取井下电控工具的反馈信息。

需要说明的是，本发明通过设计的通信控制模块和阻抗匹配模块，在井下使用大功率电动控制工具时，可以满足对井下电动控制工具的实时控制和实时信息反馈，提高作业效率和精确性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输系统，其特征在于，井上和井下各设置有一电源模块、通信控制模块以及阻抗匹配模块，所述通信控制模块通过阻抗匹配模块与单芯电缆连接，其中，井上通信控制模块用于将输入信号调制为差分信号，井下通信控制模块用于对差分信号进行解调处理，所述电源模块分别与通信控制模块、单芯电缆连接，所述电控工具与单芯电缆连接，由单芯电缆进行供电。

2.如权利要求1所述的用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输系统，其特征在于，所述井上通信控制模块与井上阻抗匹配模块连接，所述井上阻抗匹配模块与单芯电缆井上端连接，井上电源模块分别与井上通信控制模块、单芯电缆井上端连接，单芯电缆井下端分别与电控工具、井下阻抗匹配模块连接，井下阻抗匹配模块与井下通信控制模块连接，井下电源模块分别与井下通信控制模块、单芯电缆井下端连接，所述电控工具与井下通信控制模块连接。

3.如权利要求2所述的用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输系统，其特征在于，所述井上电源模块包括井上通信控制模块电源以及单芯电缆直流电源，所述井上通信控制模块电源接井上通信控制模块，所述单芯电缆直流电源的两极分别接单芯电缆的缆芯与壳体。

4.如权利要求1至3任一项所述的用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输系统，其特征在于，所述通信控制模块包括MCU、信号调制模块、差分信号控制模块以及信号解调模块；

所述MCU用于在通信控制模块处于信号接收/发送状态时，调节通信频率，以及产生基波信号；

所述信号调制模块用于对输入信号以及基波进行OOK调制处理；

所述差分信号控制模块用于在通信控制模块处于信号发送状态时，将经过OOK调制处理的输入信号转换为差分信号并发送至单芯电缆，在通信控制模块处于信号接收状态时，将单芯电缆传输的差分信号传送到信号解调模块；

所述信号解调模块用于对单芯电缆传输的差分信号进行OOK解调处理，并将解调后的信号传输到通信控制模块的输出端。

5.如权利要求3所述的用于油气井电控工具的单芯电缆实时数据传输系统，其特征在于，所述阻抗匹配模块包括若干个电容器与若干个电阻器，若干个所述电容器串联在通信控制模块与单芯电缆之间，若干个所述电阻器串联在单芯电缆的缆芯与壳体之间，所述阻抗匹配模块用于调整电容器与电阻器的取值与单芯电缆的特性阻抗进行阻抗匹配。

6.基于权利要求1至5任一项所述单芯电缆实时数据传输系统的单芯电缆实时数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

上位机将原始数据发送至井上通信控制模块；

在接收到上位机下发的原始数据后，井上通信控制模块对原始数据以及MCU产生的基波信号进行差分信号转换，并通过井上阻抗匹配模块将差分信号送入单芯电缆，所述井上阻抗匹配模块用于根据MCU设置的调制频率对线路阻抗进行匹配；

井下阻抗匹配模块在接收到来自单芯电缆传输的差分信号后，送入井下通信控制模块，所述单芯电缆还用于为井下设备进行供电；

在接收到差分信号后，井下通信控制模块对差分信号进行解调处理，得到原始数据，并将原始数据传输至电控工具。

7.如权利要求6所述的单芯电缆实时数据传输方法，其特征在于，所述井上通信控制模块对原始数据以及MCU产生的基波信号进行差分信号转换具体包括：

将原始数据以及基波信号输入信号调制模块进行OOK调制处理，当原始数据为低电平时，输出低电平，当原始数据为高电平时，输出基波信号；

将经过OOK调制处理后的原始数据输入差分信号控制模块进行差分信号转换。

8.如权利要求7所述的单芯电缆实时数据传输方法，其特征在于，所述井下通信控制模块对差分信号进行解调处理具体包括：

根据MCU设置的调制频率对差分信号进行解调得到载波数据信号，再经过OOK解调处理，得到原始数据以及基波信号，当载波数据信号为低电平时，输出的原始数据为低电平，当载波数据信号为基波信号时，输出的原始数据为高电平。

9.如权利要求6所述的单芯电缆实时数据传输方法，其特征在于，所述原始数据采用曼彻斯特编码方式。

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