CN115977592A - 一种应用于无线射孔系统中的速度-频率自适应时钟 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油开采工程领域,具体涉及一种用于无线射孔技术中的具有速度‑频率自适应特性的时钟系统。通过提出一种将射孔枪下落速度与射孔枪内部时钟输出频率实现正比例变化的一种自适应时钟系统,使射孔枪内部时钟的输出频率跟随射孔枪的下落速度变化而变化,同时时钟频率控制内部模数转换器采样的采样精度以及射孔枪内部定位导航模块中的深度计算模块的处理速度跟随射孔枪下落速度的变化,从而减小射孔枪下落过程中速度变化引起的射孔枪内部模块的深度计算误差,提高射孔枪的定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采工程领域,具体涉及一种用于无线射孔技术中的具有速度-频率自适应特性的时钟系统。
背景技术
射孔技术是一种将采用特殊材料制成的装置送入井下,并在装置到达预先设定好的位置时引爆,在井内开孔,从而让地表下层的流体通过孔眼流入井内的技术。该技术因为在地下开采方面的的便捷性和实用性,因此被广泛应用于地下石油,地下燃气,地下煤矿等方面的开采领域。目前射孔技术领域采用的最多的方式是有线射孔技术,即在射孔枪上面接上物理上的连接线,并通过连接线将射孔枪送入井底,例如金属线连接射孔,电缆连接射孔等等。这种方式的优点在于简单直接,并可以人为掌握射孔枪下落的速度;但该方式的缺点也较为明显,一方面是该技术只适用于井深不深的情况,而当井深过深时,射孔枪的物理连接线就需要很长,就会大大增加人力物力成本;另一方面是在引爆的过程中会由于金属线或绳子等的张力影响,从而导致对井下深度的估计错误,射孔枪无法在准确位置引爆。其他的例如在射孔枪下井过程中的人工操作不当等人为因素也会对射孔操作的成功率造成影响。
随着集成电路行业的不断发展,大规模超大规模集成电路已经在各个领域得到广泛应用,芯片的面积越来越小,功能越来越多。特别是在通信领域内,无线技术在近几年也是逐渐独占鳌头。而将无线技术与传统射孔技术相结合得到的无线射孔技术则是汲取了两种技术各自的优势,有着诸多优点。例如克服了传统射孔领域连接介质长度有限的缺点,并将人工操作改为自动控制,大大降低了人工失误和人为成本。但无线射孔技术刚兴起不久,在某些方面也有一定的局限性。由于没有连接介质,因此需要射孔枪下落过程中自动计算出下落的深度,速度等信息,但井里环境多变且复杂,温度,湿度,井里的流体等都会对射孔枪的自身操作计算定位等造成影响。同时射孔枪下落的过程中速度也在不停的发生变化,速度的快慢同样也会使射孔枪的定位精度发生偏差。因此,如何减小射孔枪的下落速度变化对定位精度造成的影响就成为了亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的在于:通过提出一种将射孔枪下落速度与射孔枪内部时钟输出频率实现正比例变化的一种自适应时钟系统,使射孔枪在下落过程中速度越来越快时,时钟的输出频率也能跟随射孔枪的下落速度变化而越来越大,从而保证射孔枪在下落过程中经过接箍时传感器产生的CCL波形被射孔枪内部模数转换器采样的采样精度以及射孔枪内部定位导航模块中的深度计算模块的处理速度能跟得上射孔枪下落速度的变化,从而大大减小射孔枪下落过程中速度变化引起的射孔枪内部模块的深度计算误差,提高射孔枪的定位精度。同时通过CCL波形计算出来的射孔枪下落速度在通过时钟系统的自适应调节过程后转换成对应的频率,即速度-频率信号,该信号对模数转换器采样率进行调节,模数转换器通过不同采样率又对CCL波形进行不同精度的采样,计算出对应的射孔枪下落速度,最终实现一个反馈调节,从而提高计算出的射孔枪下落速度的准确度。
本发明采用的技术方案如下:
本发明是一种用于无线射孔技术中的速度-频率自适应时钟,整个系统具体包括传感器模块,神经网络模块,时钟控制模块,缓冲器模块和控制计算模块。
所述传感器模块由多个种类的传感器构成,包括但不限于磁传感器,温度传感器,湿度传感器等,主要用于采集井下接箍信号,以及井内温度,湿度等各种环境信息并生成相应的模拟信号;
所述神经网络模块主要由内置有神经网络算法的数据存算电路构成。主要作用是通过CCL波形计算出射孔枪在下落过程中的速度信息,并将其以电压的形式输出;同时将计算出的速度电压信号在模块中储存起来;
所述时钟控制模块主要实现将神经网络模块计算出的速度电压信号映射转换为对应的速度-频率信号的作用;
所述缓冲器模块主要起一个电压信号滤波,输入输出数据暂存,共模电平匹配等作用;
所述控制计算模块主要进行关键数据信息的计算和处理。
进一步的,所述时钟控制模块包括信号调制器模块,锁相环模块;
信号调制器由内部多个比较器电路和数字逻辑电路组成。主要作用是将神经网络模块计算出的速度电压信号转化为相对应的数字控制信号,实现对锁相环中分频器模块分频比的控制;
锁相环由鉴频鉴相器,电荷泵,低通滤波器,压控振荡器和分频器等模块构成。主要作用是通过信号调制器生成的数字控制信号控制分频器电路分频比,从而输出与速度电压相对应的速度-频率信号。
所述控制计算模块包括模数转换器模块,定位导航模块,数据处理模块。
模数转换器模块用于将传感器采集接箍信号并处理得到的CCL波形进行模拟信号到数字信号的转换,并将采样后的信号传递给其他模块进行进一步的数据计算和处理;
定位导航模块主要由深度计算模块构成,用于射孔枪下落过程中的下落深度计算和位置信息的存储更新;
数据处理模块用于收集存储控制计算模块中的数据信息,例如射孔枪下落深度信息,井内温度,湿度信息等,并对这些信息做简单的数据处理,使射孔枪在到达井内预定深度,外界环境改变需要进行调整,当前位置引爆时机等作出判断和决策,并给后级模块输出相应的控制信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例所介绍的技术方案,下面将对实施例中所需要使用到的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅仅展示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的一种限定,对于本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图来获得其他相关的附图,本说明书附图中的各个部件的比例关系并不代表实际选材设计时的比例关系,其仅仅为结构或者位置的示意图,其中:
图1是无线射孔技术中射孔枪的结构示意图;
图2是系统中速度-频率信号生成过程及其对模块的控制示意图;
图3是时钟控制模块的结构示意图;
图4是信号调制器的结构示意图;
图5是本发明的控制方法流程示意图;
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白,下面结合附图及实施例,对本发明作出进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用来解释本发明,并不用于限定本发明,即所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来进行布置和设计。
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例一
本发明是一种用于无线射孔技术中的速度-频率自适应时钟,整个系统具体包括传感器模块,神经网络模块,时钟控制模块,缓冲器模块和控制计算模块。
所述传感器模块由多个种类的传感器构成,包括但不限于磁传感器,温度传感器,湿度传感器等,主要用于采集井下接箍信号,以及井内温度,湿度等各种环境信息并生成相应的模拟信号;
所述神经网络模块主要由内置有神经网络算法的数据存算电路构成。主要作用是通过CCL波形计算出射孔枪在下落过程中的速度信息,并将其以电压的形式输出;同时将计算出的速度电压信号在模块中储存起来;
所述时钟控制模块主要实现将神经网络模块计算出的速度电压信号映射转换为对应的速度-频率信号的作用;
所述缓冲器模块主要起一个电压信号滤波,输入输出数据暂存,共模电平匹配等作用;
所述控制计算模块主要进行关键数据信息的计算和处理。
进一步的,所述时钟控制模块包括信号调制器模块,锁相环模块;
信号调制器由内部多个比较器电路和数字逻辑电路组成。主要作用是将神经网络模块计算出的速度电压信号转化为相对应的数字控制信号,实现对锁相环中分频器模块分频比的控制;
锁相环由鉴频鉴相器,电荷泵,低通滤波器,压控振荡器和分频器等模块构成。主要作用是通过信号调制器生成的数字控制信号控制分频器电路分频比,从而输出与速度电压相对应的速度-频率信号。
所述控制计算模块包括模数转换器模块,定位导航模块,数据处理模块。
模数转换器模块用于将传感器采集接箍信号并处理得到的CCL波形进行模拟信号到数字信号的转换,并将采样后的信号传递给其他模块进行进一步的数据计算和处理;
定位导航模块主要由深度计算模块构成,用于射孔枪下落过程中的下落深度计算和位置信息的存储更新;
数据处理模块用于收集存储控制计算模块中的数据信息,例如射孔枪下落深度信息,井内温度,湿度信息等,并对这些信息做简单的数据处理,使射孔枪在到达井内预定深度,外界环境改变需要进行调整,当前位置引爆时机等作出判断和决策,并给后级模块输出相应的控制信号。
如图1所示,该装置主要由火工品模块,电源模块,传感器模块,MCU,时钟控制模块,神经网络模块以及控制计算模块等构成。传感器模块识别井下接箍信号并生成CCL波形;MCU对系统内部的数据信息进行主要处理;神经网络模块和时钟控制模块进行系统内速度信号到频率信号的转换;火工品模块负责射孔枪到达预定深度后的引爆操作;电源模块主要负责向各个模块供电;控制计算模块进行关键数据例如深度信息的处理计算。
如图2所示,该图展示了系统中速度电压向速度-频率信号转换的过程以及对其他模块的控制。神经网络模块通过CCL波形计算出表征射孔枪下落速度的速度电压信号,该速度电压信号通过时钟控制模块生成对应的速度-频率信号,并在通过缓冲器进行电压滤波,电平匹配后控制ADC和数字电路模块,从而改变ADC的采样频率和数字处理电路例如深度计算模块的处理计算速度。
如图3所示,该图展示了本实施例中时钟控制模块的结构示意图,其中包括信号调制器模块和锁相环模块。神经网络模块输出的速度电压信号经过信号调制器映射转化为与速度电压对应的数字控制信号,该数字控制信号通过控制锁相环中的分频器模块从而得到与速度电压对应的分频比,并经过锁相环模块内部反馈调整输出与速度电压相对应的输出频率信号,即速度-频率信号。
如图4所示,该图展示了本实施例中信号调制器模块的结构示意图。该模块主要由多个电压比较器以及数字逻辑电路构成。神经网络模块计算出的速度电压通过与多个代表不同速度的参考电压刻度相比较,从而得到输入速度电压信号的精确范围,并输出代表该范围值的0/1二进制代码,再将该二进制代码通过数字逻辑的方式转化为分频器的输入数字控制信号,从而实现输入速度信号与分频器分频比N的正比例同向变化对应关系。
实施例二
基于无线射孔技术中的速度-频率自适应时钟的系统控制方法,包括上述实施例一中的模块和控制系统,其控制方法流程如下:
步骤1,射孔枪自井口向井里下落,内部传感器模块识别并采集井里接箍信号,生成CCL波形;
步骤2,射孔枪内部模数转换器模块对CCL波形进行初步采样,将采集到的模拟信号量转化为易于处理的数字信号量,并传输给神经网络模块;
步骤3,神经网络模块利用步骤2中模数转换器采集到的CCL波形信息和事先存储在模块中已知相邻接箍间的距离信息等计算出射孔枪下落的速度,并输出表征射孔枪下落速度信息的速度电压信号;
步骤4,时钟控制模块收到来自神经网络模块输出的速度电压信号后,通过内部的信号调制器将表征速度信号的速度电压映射为对应的数字控制信号,并对锁相环中的分频器模块的分频比N进行控制,输出与速度信号一一对应的分频比,并通过锁相环内部的反馈调节输出与射孔枪下落速度成正比例对应关系的时钟频率信号,即速度-频率信号;
步骤5,时钟控制模块输出的表征速度信息的频率信号通过缓冲器模块,进行电压滤波,共模电平转换,摆幅放大等处理,并输出到后级控制模块中进行进一步处理;
步骤6,经缓冲器模块处理后的速度-频率信号分别对模数转换器和控制计算模块进行频率控制,使模数转换器对CCL波形的采样率和控制计算模块中定位导航模块对射孔枪下落深度的计算处理速度与射孔枪下落速度实现同步的自适应变化,且射孔枪下落速度越快,模数转换器的采样率越高,定位导航模块深度计算速度越快,射孔枪内部深度计算结果精度越高。同时,模数转换器对CCL波形进行不同精度的采样操作又反馈到步骤2中,经过步骤3处理得到更加精确的速度电压,实现速度电压信号的自我校准。
如图5所示,该图展示了整个系统的控制工作流程,主要流程是射孔枪在下落过程中速度越来越快,经过传感器采集到接箍信号生成CCL波形,并通过神经网络模块计算出相应的速度电压信号,速度电压信号通过时钟控制模块中的信号调制器将速度电压映射为对应的数字控制信号,并通过该信号控制锁相环中分频器的分频比,实现速度和分频比的正比例映射关系,再通过锁相环输出与速度信号相对应的速度-频率信号,速度-频率信号控制模数转换器和定位导航模块中深度计算模块的处理速度,使模数转换器采样CCL波形的精度更高,深度计算模块处理速度更快,从而使计算出的射孔枪下落深度更准确。此外,从速度-频率信号控制模数转换器采样率,到模数转换器采样CCL波形,通过神经网络模块计算速度电压,之间又形成一个反馈循环,从而提升速度信息和深度信息计算的精确度。
以上所述,仅为本发明的优选实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围之内,可不经过创造性劳动想到的变化或者替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应当以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种用于无线射孔技术中的速度-频率自适应时钟,整个系统具体包括传感器模块,神经网络模块,时钟控制模块,缓冲器模块和控制计算模块:
所述传感器模块由多个种类的传感器构成,包括但不限于磁传感器,温度传感器,湿度传感器等,主要用于采集井下接箍信号,以及井内温度,湿度等各种环境信息并生成相应的模拟信号;
所述神经网络模块主要由内置有神经网络算法的数据存算电路构成。主要作用是通过CCL波形计算出射孔枪在下落过程中的速度信息,并将其以电压的形式输出;同时将计算出的速度电压信号在模块中储存起来;
所述时钟控制模块主要实现将神经网络模块计算出的速度电压信号映射转换为对应的速度-频率信号的作用;
所述缓冲器模块主要起一个电压信号滤波,输入输出数据暂存,共模电平匹配等作用;
所述控制计算模块主要进行关键数据信息的计算和处理。
2.根据权利要求1所述一种用于无线射孔技术中的速度-频率自适应时钟,其特征在于:
所述时钟控制模块包括信号调制器模块,锁相环模块;
信号调制器由内部多个比较器电路和数字逻辑电路组成。主要作用是将神经网络模块计算出的速度电压信号转化为相对应的数字控制信号,实现对锁相环中分频器模块分频比的控制;
锁相环由鉴频鉴相器,电荷泵,低通滤波器,压控振荡器和分频器等模块构成。主要作用是通过信号调制器生成的数字控制信号控制分频器电路分频比,从而输出与速度电压相对应的速度-频率信号;
所述控制计算模块包括模数转换器模块,定位导航模块,数据处理模块;
模数转换器模块用于将传感器采集接箍信号并处理得到的CCL波形进行模拟信号到数字信号的转换,并将采样后的信号传递给其他模块进行进一步的数据计算和处理;
定位导航模块主要由深度计算模块构成,用于射孔枪下落过程中的下落深度计算和位置信息的存储更新;
数据处理模块用于收集存储控制计算模块中的数据信息,例如射孔枪下落深度信息,井内温度,湿度信息等,并对这些信息做简单的数据处理,使射孔枪在到达井内预定深度,外界环境改变需要进行调整,当前位置引爆时机等作出判断和决策,并给后级模块输出相应的控制信号。
3.基于无线射孔技术中的速度-频率自适应时钟的系统控制方法,包括如权利要求1-2中任意一条所述的电路模块,其特征在于,其控制方法流程如下:
步骤1,射孔枪自井口向井里下落,内部传感器模块识别并采集井里接箍信号,生成CCL波形;
步骤2,射孔枪内部模数转换器模块对CCL波形进行初步采样,将采集到的模拟信号量转化为易于处理的数字信号量,并传输给神经网络模块;
步骤3,神经网络模块利用步骤2中模数转换器采集到的CCL波形信息和事先存储在模块中已知相邻接箍间的距离信息等计算出射孔枪下落的速度,并输出表征射孔枪下落速度信息的速度电压信号;
步骤4,时钟控制模块收到来自神经网络模块输出的速度电压信号后,通过内部的信号调制器将表征速度信号的速度电压映射为对应的数字控制信号,并对锁相环中的分频器模块的分频比N进行控制,输出与速度信号一一对应的分频比,并通过锁相环内部的反馈调节输出与射孔枪下落速度成正比例对应关系的时钟频率信号,即速度-频率信号;
步骤5,时钟控制模块输出的表征速度信息的频率信号通过缓冲器模块,进行电压滤波,共模电平转换,摆幅放大等处理,并输出到后级控制模块中进行进一步处理;
步骤6,经缓冲器模块处理后的速度-频率信号分别对模数转换器和控制计算模块进行频率控制,使模数转换器对CCL波形的采样率和控制计算模块中定位导航模块对射孔枪下落深度的计算处理速度与射孔枪下落速度实现同步的自适应变化,且射孔枪下落速度越快,模数转换器的采样率越高,定位导航模块深度计算速度越快,射孔枪内部深度计算结果精度越高。同时,模数转换器对CCL波形进行不同精度的采样操作又反馈到步骤2中,经过步骤3处理得到更加精确的速度电压,实现速度电压信号的自我校准。
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