CN116950618B - 一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，属于油田分层采油技术领域，包括地面控制器、地面电缆以及由上到下依次设置的井口采油树、油管、采油泵、无线电能传输短节及井下智能分采工具段，传输短节包括传输短节公头和传输短节母头，传输短节公头轴向设置有通过油管连通的公头中心过流通道，公头中心过流通道外周设置有能量发射线圈和公头通信线圈，传输短节母头轴向设置有母头中心过流通道，母头中心过流通道外周设置有能量接收线圈和母头通信线圈，传输短节公头下端从传输短节母头上端的中心通道内插入，实现两者之间的非接触式无线电能传输和双向无线数据通信。
Description
技术领域
本发明属于油田分层采油技术领域，尤其涉及一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统。
背景技术
我国油田多为多层系、非均质构造，如果采用多层合采、笼统采油的方式，就无法解决层间矛盾。由于油井主产层为高压高含水层，具有压制低压、低渗透、低含水层的生产潜力，使得生产过程中含水率上升，产油量下降，影响原油采收率。
随着技术的进步，近几年开始试验并推广智能分层采油技术，该技术能够全自动的对油井的每个产出层的信息进行实时监测与控制，实现了油井各分层产液量可控性开采和节能高效开采，达到稳油控水、节能增产、降本增效的目的。
常规有缆智能分采技术中，以使用范围较广的管式泵为例，在施工完成后，若后期要检泵，需要将全部管柱提出地面，代价太高；后续引入湿接头工艺，在工具段上方安装湿接头母头入井，丢手完成后第二趟管柱管式泵下方安装湿接头公头入井与湿接头母头对接，后期检泵无需起出工具段管柱，简化了工艺。但湿接头工艺有对接失败风险，对接绝缘密封点易失效，长期密封可靠性难以保证，且对接有效使用次数十分有限。
在无缆智能分采技术中，由于无缆式智能分采仪为存储式仪器，采用电池供电，油嘴的开关采用预设定时程控或压力波控制，仪器采集的数据无法实时传回地面，只能起井后回放，地面难以判断仪器控制是否成功。
目前公开的井下无线电能传输短节现有技术方案大体分为两种：1、使用一组收发线圈用于无线电能传输，无线数据通信使用现成的无线通信模块；2、使用一组收发线圈同时实现无线电能传输和无线数据通信，无线通信载波耦合在供电波形中。
这两种方案在有缆智能分采技术中应用均有其局限性，使用无线通信模块的方案通信频率较高，通常在几百MHz级别，在井下有矿化度的液体介质环境中信号损耗大，且模块普遍耐温性能较差，在井下100℃以上长期工作可靠性难以保证；使用同一组线圈同时进行无线电能传输和无线通信的方案在负载较为固定时，可稳定工作，当有电机等变化负载时，在电机启停和电机电流变化较大时，通信可靠性难以保证，误码率高。
由上述分析可知现有技术存在以下问题：
1、湿接头对接的有缆智能分采工艺有对接失败风险，对接绝缘密封点易失效，长期密封可靠性难以保证，且对接有效使用次数十分有限；
2、使用无线通信模块的方案通信频率较高，通常在几百MHz级别，在井下有矿化度的液体介质环境中信号损耗大，且模块普遍耐温性能较差，在井下100℃以上长期工作可靠性难以保证；
3、使用同一组线圈同时进行无线电能传输和无线通信的方案在负载较为固定时，可稳定工作，当有电机等变化负载时，在电机启停和电机电流变化较大时，通信可靠性难以保证，误码率高；
4、现有井下无线电能传输技术方案普遍无线电能传输电路集成度不高，分立器件较多，电路占用空间较大，不利于在井下空间狭小的环境中长期使用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，采用无线电能传输技术和线圈感应式无线通信技术，以解决现有使用湿接头技术的有缆智能分采系统重复使用性差、维护困难、长期密封可靠性难以保证的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，包括：地面控制器、地面电缆以及由上到下依次设置的井口采油树、油管、采油泵、无线电能传输短节及井下智能分采工具段，所述油管从上到下依次串连有井口采油树、采油泵、无线电能传输短节及井下智能分采工具段；所述无线电能传输短节包括传输短节公头和传输短节母头，所述地面电缆与所述地面控制器及所述传输短节公头电连接，所述传输短节公头轴向设置有与所述油管连通的公头中心过流通道，所述公头中心过流通道外周设置有能量发射线圈和公头通信线圈，所述传输短节母头轴向设置有母头中心过流通道，所述母头中心过流通道外周设置有能量接收线圈和母头通信线圈；所述传输短节公头下端从传输短节母头上端的中心通道内插入，实现两者之间的非接触式无线电能传输，所述能量发射线圈和能量接收线圈互感耦合，所述公头通信线圈和母头通信线圈双向无线数据通信。
进一步地，所述传输短节公头还包括公头外护管，所述公头外护管的上端设置有公头上接头，所述公头外护管的下端设置有公头下接头，所述公头中心过流通道设置在所述公头外护管的中心并贯通所述的公头上接头和公头下接头，所述能量发射线圈和所述公头通信线圈设置在所述公头中心过流通道外周的公头外护管内；所述传输短节母头还包括母头外护管，所述母头外护管的上端设置有母头上接头，所述母头中心过流通道贯通所述母头外护管的轴心，所述能量接收线圈和所述母头通信线圈设置在所述母头中心过流通道外周的母头外护管内。
进一步地，所述母头外护管内设置有密封护筒，所述密封护筒连接套设在所述母头中心过流通道的外周，所述的密封护筒内设置有套设在所述母头中心过流通道的外周的母头线圈骨架，所述母头线圈骨架的中部环状设置有将所述母头线圈骨架分为上下两部分的母头隔离环，所述的能量接收线圈套设在所述的母头线圈骨架上端外周，所述母头通信线圈套设在所述的母头线圈骨架下端外周；所述公头外护管内设置有套设在所述公头中心过流通道的外周的公头线圈骨架，所述公头线圈骨架的中部环状设置有将所述公头线圈骨架分为上下两部分的公头隔离环，所述的能量发射线圈套设在所述的公头线圈骨架的上端外周，所述的公头通信线圈套设在所述的公头线圈骨架的下端外周。
进一步地，所述公头上接头上设有与所述公头中心过流通道上端连通的第一液孔和第二液孔，所述公头中心过流通道与所述母头中心过流通道连通，所述母头上接头上设有与所述母头中心过流通道连通的第三液孔，所述母头下接头上设置有所述母头中心过流通道下端连通的第四液孔，所述母头外护管内设置有与所述第三液孔和第四液孔连通的环形过流通道，所述第二液孔与所述第三液孔连通。
进一步地，所述传输短节公头内还设置有位于所述公头中心过流通道外周的公头控制组件，所述公头控制组件分别与所述能量发射线圈和所述公头通信线圈电连接，所述传输短节母头内还设置有位于所述母头中心过流通道外周的母头控制组件，所述母头控制组件分别与所述能量接收线圈和所述母头通信线圈电连接。
进一步地，所述的能量发射线圈和能量接收线圈均为螺旋结构，能量收发线圈组线圈层数可绕制一层或多层，所述传输短节公头和传输短节母头对接时，所述能量接收线圈套设在所述能量发射线圈的外周两者呈螺旋互套式结构。
进一步地，所述公头通信线圈和母头通信线圈均为螺旋结构，通信线圈组线圈层数可绕制一层或多层，所述传输短节公头和传输短节母头对接时，所述母头通信线圈套设在所述公头通信线圈的外周两者呈螺旋互套式结构。
进一步地，所述公头控制组件包括公头电缆载波通信电路、公头电源电路、公头主控电路、集成逆变电路、通信集成逆变电路、公头通信解码电路；所述母头控制组件包括整流滤波电路、母头电源电路、母头主控电路、母头电缆载波通信电路、母头通信调制电路、母头通信解码电路；所述公头主控电路接收到来自所述地面控制器下发的电缆载波通信指令，控制所述通信集成逆变电路进行谐振频率逆变，所述公头主控电路根据具体指令，产生ASK或FSK调制信号送入所述通信集成逆变电路，所述母头通信解码电路将ASK或FSK调制信号进行硬件解码，硬件解码完成后母头主控电路进行软件解码；发送上行测试数据时，所述母头主控电路产生ASK调制信号，经过母头通信调制电路产生ASK调制信号耦合至通信线圈组，所述公头通信解码电路进行硬件解码，硬件解码结果送入所述公头主控电路进行软件解码，最终通过电缆载波通信将测试数据上行传输至所述地面控制器。
进一步地，所述能量发射线圈内套设有能量发射线圈磁芯，所述公头通信线圈内套设有公头通信线圈磁芯。
进一步地，所述井下智能分采工具段包括若干层有缆智能分采仪和过电缆封隔器，若干层的所述过电缆封隔器和有缆智能分采仪依次通过油管及钢管电缆上下串接连接，最下层的所述有缆智能分采仪通过油管连接丝堵。
本发明提供的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统具有以下有益效果：
本发明采用非接触式对接，传输短节公头与传输短节母头之间无直接电气连接，对接方便、安全、可靠；无对接次数限制，避免了湿接头对接工艺的电气绝缘失效风险。
本发明中传输短节母头具备较大的中心通道，不影响测井仪器的使用。
本发明中使用与无线电能传输机制类似的无线数据通信方式，可长期工作于井下100℃以上高温环境，通信线圈与无线电能传输线圈各自独立，通信不受大扭矩电机负载影响，通信稳定，误码率低，无线通信使用ASK/FSK调制方式，通信可靠。
本发明中无线电能传输与无线数据通信使用集成式逆变芯片作为驱动级，集成度高，电路尺寸小，适用于井下空间狭小场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的系统管柱结构示意图。
图2为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的无线电能传输短节结构示意图。
图3为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的传输短节母头结构示意图。
图4为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的传输短节公头结构示意图。
图5为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的无线电能传输的有缆智能分采系统原理框图。
图6为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的无线电能传输短节原理框图。
图7为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的无线数据通信流程框图。
图8为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的集成式逆变电路原理框图。
图9为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的 ASK解调电路原理框图。
图10为本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的传输短节母头ASK调制电路原理框图。
附图标记说明：
1-1地面控制器、1-2井口采油树、1-3油管、1-4地面电缆、1-5传输短节公头、1-6采油泵、1-7传输短节母头、1-8钢管电缆、1-9 过电缆封隔器、1-10 有缆智能分采仪、1-11丝堵、2-1母头上接头、2-2母头外护管、2-3能量接收线圈、2-4母头线圈骨架、2-5母头通信线圈、2-6环形过流通道、2-7母头下接头、2-8母头中心过流通道、2-9第三液孔、2-10第四液孔、2-11母头控制组件、2-111整流滤波电路、2-112母头电源电路、2-113母头通信调制电路、2-114母头通信解码电路、2-115母头主控电路、2-116母头电缆载波通信电路、2-12密封护筒、2-13母头隔离环、3-1公头上接头、3-2能量发射线圈磁芯、3-3能量发射线圈、3-4公头外护管、 3-5公头通信线圈磁芯、3-6公头通信线圈、3-7公头中心过流通道、3-8第一液孔、3-9第二液孔、3-10公头控制组件、3-101公头电缆载波通信电路、3-102公头电源电路、3-103公头主控电路、3-104通信集成逆变电路、3-105集成逆变电路、3-106公头通信解码电路、3-11公头隔离环、3-12公头线圈骨架、3-13公头下接头。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，无线电能传输短节由传输短节公头和传输短节母头组成，传输短节公头插接在传输短节母头内，实现两者之间的非接触式无线电能传输，避免了因湿接头对接工艺的电气绝缘失效风险，同时能量发射线圈和能量接收线圈互感，公头通信线圈和母头通信线圈互感，实现井下无线电能传输和无线数据通信，从而使有缆智能分采系统具有无线电能传输和双向无线数据通信功能，通信线圈与无线电能传输线圈各自独立，通信不受大扭矩电机负载影响，通信稳定，误码率低。
如图1-10所示。本发明提供的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统包括地面控制器1-1、地面电缆1-4以及由上到下依次设置的井口采油树1-2、油管1-3、采油泵1-6、无线电能传输短节及井下智能分采工具段，油管1-3从上到下依次串连有井口采油树1-2、采油泵1-6、无线电能传输短节及井下智能分采工具段；无线电能传输短节包括传输短节公头1-5和传输短节母头1-7，地面电缆1-4通过电缆护卡外绑在油管1-3外部，地面电缆1-4上端穿越井口采油树1-2电连接地面控制器1-1，其下端连接采油泵1-6和传输短节公头1-5，采油泵1-6上端螺纹连接油管1-3，通过油管1-3连接井口采油树1-2，采油泵1-6下端螺纹连接油管1-3，通过油管1-3连接传输短节公头1-5；井下智能分采工具段包括若干层有缆智能分采仪1-10和过电缆封隔器1-9，若干层的过电缆封隔器1-9和有缆智能分采仪1-10依次通过油管1-3及钢管电缆1-8上下串接连接；最下层的有缆智能分采仪1-10通过油管1-3及钢管电缆1-8连接丝堵1-11；无线电能传输短节的作用是为下方的有缆智能分采仪1-10供电，双向无线数据通信的作用是下行传输来自地面控制器1-1的控制命令，上行传输来自有缆智能分采仪1-10的测试数据。
具体的，地面电缆1-4设置在地面上，传输短节母头1-7下端通过油管1-3连接井下智能分采工具段，井下智能分采工具段的每层过电缆封隔器1-9和有缆智能分采仪均通过油管1-3及钢管电缆1-8上下连接，每层的过电缆封隔器1-9和有缆智能分采仪1-10则设置在相应的采油层面上；每层的过电缆封隔器1-9用于密封上下相邻的注水层，最上层的有缆智能分采仪1-10通过油管1-3及钢管电缆1-8穿过过电缆封隔器1-9后与传输短节母头1-7的下端电连接，最下层的有缆智能分采仪1-10通过油管1-3及钢管电缆1-8连接丝堵1-11。
具体的，无线电能传输短节包括传输短节公头1-5和传输短节母头1-7，传输短节公头1-5轴向设置有通过油管1-3连通的公头中心过流通道3-7，公头中心过流通道3-7外周设置有能量发射线圈3-3和公头通信线圈3-6，传输短节母头1-7轴向设置有母头中心过流通道2-8，母头中心过流通道2-8外周设置有能量接收线圈2-3和母头通信线圈2-5；传输短节公头1-5下端从传输短节母头1-7上端的中心通道内插入，实现两者之间的非接触式无线电能传输，能量发射线圈3-3和能量接收线圈2-3互感耦合，公头通信线圈3-6和母头通信线圈2-5双向无线数据通信。
地面控制器1-1主要用来发送下行通信指令，同时接收并处理由传输短节公头1-5返回的上行测试数据。地面电缆1-4的上端连接地面控制器1-1，地面电缆1-4的下端连接传输短节公头1-5，其作用主要是给传输短节公头1-5供电和传输载波信号。过电缆封隔器1-9作用是坐封后将注水层隔开，同时可以直穿地面电缆1-4。有缆智能分采仪1-10则实现井下分层流量、含水率、温度、压力及油嘴开度的实时监测，以及调节油嘴实现产液量的实时控制，同时配合过电缆封隔器1-9实现在线直读验封功能。过电缆封隔器1-9和有缆智能分采仪1-10为现有技术。
具体地说，母头中心过流通道2-8设置在传输短节母头1-7的轴向中心，所述母头中心过流通道2-8从传输短节母头1-7的上端延伸至传输短节母头1-7的下端，母头中心过流通道2-8与传输短节母头1-7为同心结构。传输短节公头1-5和传输短节母头1-7对接状态下母头中心过流通道2-8被占用，所述能量接收线圈2-3与能量发射线圈3-3则互感耦合提供电能，当传输短节公头1-5上提后，母头中心过流通道2-8则空闲，此时母头中心过流通道2-8可以下入测井仪器至井下智能分采工具段各油层进行测试。传输短节公头1-5与传输短节母头1-7对接同时实现传输短节公头与传输短节母头之间的互感耦合无线电能传输和无线双向数据通信。
进一步地，传输短节公头1-5还包括公头外护管3-4，公头外护管3-4的上端设置有公头上接头3-1，公头外护管3-4的下端设置有公头下接头3-13，公头中心过流通道3-7设置在公头外护管3-4的中心并贯通公头上接头3-1和公头下接头3-13，能量发射线圈3-3和公头通信线圈3-6设置在公头中心过流通道3-7外周的公头外护管3-4内；传输短节母头1-7还包括母头外护管2-2，母头外护管2-2的上端设置有母头上接头2-1，母头外护管2-2的下端设置有母头下接头2-7，母头中心过流通道2-8设置在母头外护管2-2的中心并贯通母头上接头2-1和母头下接头2-7，能量接收线圈2-3和母头通信线圈2-5设置在母头中心过流通道2-8外周的母头外护管2-2内。
传输短节公头1-5内还设置有位于公头中心过流通道3-7外周的公头控制组件3-10，公头控制组件3-10分别与能量发射线圈3-3和公头通信线圈3-6电连接，传输短节母头1-7内还设置有位于母头中心过流通道2-8外周的母头控制组件2-11，母头控制组件2-11分别与能量接收线圈2-3和母头通信线圈2-5电连接。
具体的，公头上接头3-1内部设置的公头控制组件3-10，包含有公头电源电路、公头电缆载波通信电路、公头主控电路、集成逆变电路、通信集成逆变电路和公头通信解码电路。
传输短节母头1-7内部设置的母头控制组件2-11，包括整流滤波电路、母头电源电路、母头主控电路、母头电缆载波通信电路、母头通信调制电路和母头通信解码电路。
进一步地，母头外护管2-2内设置有密封护筒2-12，密封护筒2-12连接套设在母头中心过流通道2-8的外周，密封护筒2-12内设置有套设在母头中心过流通道2-8的外周的母头线圈骨架2-4，母头线圈骨架2-4的中部环状设置有将母头线圈骨架2-4分为上下两部分的母头隔离环2-13，能量接收线圈2-3套设在母头线圈骨架2-4上端外周，母头通信线圈2-5套设在母头线圈骨架2-4下端外周；公头外护管3-4内设置有套设在公头中心过流通道3-7的外周的公头线圈骨架3-12，公头线圈骨架3-12的中部环状设置有将公头线圈骨架3-12分为上下两部分的公头隔离环3-11，能量发射线圈3-3套设在公头线圈骨架3-12的上端外周，公头通信线圈3-6套设在公头线圈骨架3-12的下端外周。
具体地说，所述公头上接头3-1和公头下接头3-13均为上下贯通的管状结构，公头上接头3-1、公头外护管3-4、公头线圈骨架3-12及公头下接头3-13四者均使用螺纹密封依次上下连接共同组成机械刚体，实现传输短节公头1-5的整体机械耐压密封。母头上接头2-1和母头下接头2-7均为上下贯通的管状结构，母头上接头2-1、母头外护管2-2、母头线圈骨架2-4、密封护筒2-12及母头下接头2-7使用螺纹密封依次上下连接共同组成机械刚体，实现传输短节母头1-7的整体机械耐压密封。
为了增强能量发射线圈 3-3和能量接收线圈2-3之间的互感强度，在能量发射线圈 3-3内套设有能量发射线圈磁芯3-2，为了增强公头通信线圈3-6与母头通信线圈2-5之间的互感，公头通信线圈3-6内套设有公头通信线圈磁芯3-5。
当传输短节公头1-5与传输短节母头1-7进行对接后，一方面能量发射线圈3-3和能量接收线圈2-3进行互感实现传输短节公头与传输短节母头之间的无线电能传输，另一方面通过公头通信线圈3-6和母头通信线圈2-5之间实现传输短节公头1-5和传输短节母头1-7之间的无线双向数据通信，无线双向数据通信具体包括来自地面控制器1-1的下行通信指令和来自有缆智能分采仪1-10的上行回复数据信号。
进一步地，公头上接头3-1上设有与公头中心过流通道3-7上端连通的第一液孔3-8和第二液孔3-9，公头中心过流通道3-7下端与母头中心过流通道2-8下端连通，母头上接头2-1上设有与母头中心过流通道2-8连通的第三液孔2-9，母头下接头2-7上设置有母头中心过流通道2-8下端连通的第四液孔2-10，母头外护管2-2内设置有与第三液孔2-9和第四液孔2-10连通的环形过流通道2-6，第二液孔3-9与第三液孔2-9连通。
具体地说，母头外护管2-2内周与密封护筒2-12外周之间形成上下贯通的环形过流通道2-6，环形过流通道2-6的横向截面与第三液孔2-9和第四液孔2-10相通以实现环形过流通道2-6的上、下端分别与第三液孔2-9和第四液孔2-10上下密封贯通。第一液孔3-8为环形过流通道2-6的进液孔，第二液孔3-9为环形过流通道2-6的出液孔。
当传输短节公头1-5与传输短节母头1-7对接后，传输短节公头1-5的公头中心过流通道3-7插入传输短节母头1-7的母头中心过流通道2-8，此时传输短节组合体有两条过液通路，两条过液通道能够增加过流能力，使测井仪器适应不同的井况，第一条是公头中心过流通道3-7，产液可以从公头中心过流通道3-7下端流入，从公头中心过流通道3-7上端流出；第二条是由第四液孔2-10、第三液孔2-9、第二液孔3-9、第一液孔3-8共同组成的环形过流通路，产液可以从母头下接头2-7 流入，从第四液孔2-10进入母头中心过流通道2-8，从第三液孔2-9流出后流入第二液孔3-9，最后从第一液孔3-8流出传输短节，再通过油管1-3进入采油泵1-6，被采油泵1-6的能量提升至井口采油树1-2。
具体的，能量发射线圈3-3和能量接收线圈2-3均为螺旋结构，传输短节公头1-5和传输短节母头1-7对接时，能量接收线圈2-3套设在能量发射线圈3-3的外周两者呈螺旋互套式结构。
公头通信线圈3-6和母头通信线圈2-5均为螺旋结构，传输短节公头1-5和传输短节母头1-7对接时，母头通信线圈2-5套设在公头通信线圈3-6的外周两者呈螺旋互套式结构。
如图5所示。本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统中的供电路径如下：
传输短节公头1-5连接地面电缆1-4后下井，地面电缆1-4的另一端连接地面控制器1-1，地面控制器1-1通过地面电缆1-4为传输短节公头1-5提供直流电源，公头电源电路从地面电缆1-4上获取直流电源，并且经变换得到多种规格电压为公头主控电路、和集成逆变电路进行供电。
公头主控电路控制驱动电路来驱动集成逆变电路，将直流电源逆变为高频（频率范围10K~200K）交流电源，经发射补偿电路传输给能量发射线圈3-3，在能量发射线圈3-3和能量接收线圈2-3之间产生高频交变磁场。高频交变磁场穿过公头外护管3-4、母头中心过流通道2-8后被能量接收线圈2-3接收。能量接收线圈2-3从高频交变磁场感应得到高频交流电源，经接收补偿电路和整流滤波电路后形成稳定的直流电源。
本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统的通信原理如下所示：
传输短节公头1-5发出下行指令，传输短节母头1-7需要回复上行测试数据。公头主控电路3-103接收到来自地面控制器1-1下发的电缆载波通信指令后，先控制通信集成逆变电路3-104进行谐振频率逆变，激活整个无线通信电路，公头主控电路3-103根据具体指令，软件产生ASK或FSK调制信号送入通信集成逆变电路，通信线圈组开始无线传输ASK或FSK调制信号，然后母头通信解码电路2-114将ASK或FSK调制信号进行硬件解码，硬件解码完成后母头主控电路2-115进行软件解码。发送上行测试数据时，母头主控电路产生ASK调制信号，经过母头通信调制电路产生ASK调制信号耦合至通信线圈组，然后公头通信解码电路3-106进行硬件解码，硬件解码结果送入公头主控电路进行软件解码，最终通过电缆载波通信将测试数据上行传输至地面控制器。
优选地，本发明公开的有缆智能分采系统会根据油层数量设置等量的有缆智能分采仪，每个有缆智能分采仪内置的油嘴内部均集成了一台大扭矩电机，所以无线电能传输短节的负载中有多台大扭矩电机，在水嘴开关动作期间，会在无线电能传输回路中产生较大干扰，不利于在一对能量收发线圈组中集成无线通信功能，基于此，本发明设置了一组独立的通信线圈专门用于无线数据通信，通信线圈组的结构与能量收发线圈组基本相同，仅在线圈匝数上存在差异，有效规避了多台电机负载带来的通信干扰，且耐高温性能满足井下100℃以上长期使用的需求，可靠性高。
优选地，本发明公开一种基于集成芯片式的逆变电路解决方案，即选用市场上现成的高开关速度的H桥电机驱动芯片作为无线电能传输的逆变电路，与传统的半桥驱动芯片+分立器件H桥逆变电路方案相比，本方案可以在芯片工作电压范围内，大幅简化电路，缩小电路尺寸降低逆变电路自身功耗，更适合于井下狭小空间的应用场景。
优选地，本发明公开了一种有缆智能分采系统的双向无线数据通信方案，包括通信线圈组、通信集成逆变电路、ASK解调电路和传输短节母头ASK调制电路。其中，数据通信线圈组和逆变电路与本发明公开的无线电能传输对应部分相同。公头通信部分可使用ASK或FSK调制，母头通信部分使用ASK调制，通信电路和通信线圈结构耐高温，通信电路尺寸小，通信稳定性好。
作为一种优选，本发明还设计了一种基于DRV8871芯片的无线电能传输逆变电路，如图8所示。该电路由DRV8871芯片及其外围电路组成，其中，U1、D1、C1、C2、R1、R2组成无线电能传输逆变电路，C3、C4、C5为无线电能传输发射谐振补偿电容。
进一步，芯片U1共8个引脚，1引脚和5引脚分别为芯片GND和电源VM；5引脚VM电连接电源滤波电容C1、C2和保护二极管D1的阴极，电容C1和C2为并联关系，电容C1为0.1uF电容，电容C2容值一般要求大于10uF，保护二极管D1阳极电连接逆变电路电源VBUS。U1芯片2引脚、3引脚为来自公头主控电路的逆变控制信号IN1和IN2；4引脚为限流引脚，通过1个限流电阻R1设置电流限流值；7引脚PGND为H桥接地脚，7引脚PGND通过一个电阻R2接GND，使用电阻R2来进行逆变电流检测；6引脚、8引脚为芯片输出引脚，6引脚OUT1电连接无线电能传输发射谐振补偿电容C3、C4、C5；发射谐振补偿电容C3、C4、C5为并联关系，发射谐振补偿电容C3、C4、C5另一端电连接能量发射线圈TL+端；U1芯片8引脚OUT2电连接能量发射线圈TL-端。
优选地，本发明公开一种适用于有缆智能分采系统的双向无线数据通信方案，包括通信线圈组、通信集成逆变电路、ASK解调电路和传输短节母头ASK调制电路，通信电路和通信线圈结构耐高温，通信电路尺寸小，通信稳定性好。其中，数据通信线圈组和逆变电路与本发明公开的无线电能传输对应部分相同。
具体地，传输短节公头无线通信ASK调制实现方式如下：传输短节公头接收到来自地面控制器1-1的电缆载波通信指令后，公头主控电路3-103将该指令软件ASK调制后通过IN1信号和IN2信号，送入通信集成逆变电路3-104U1芯片2引脚和3引脚，U1芯片根据IN1信号和IN2信号选择性驱动其内部的H桥，逆变出相应的带有ASK调幅指令的交流逆变波形，使用6/8引脚OUTA1和OUT2输出U1芯片，再经过发射谐振补偿电容C3、C4、C5送入能量发射线圈两端TL+和TL-，通过公头通信线圈转化为电磁波传输给母头通信线圈，实现数据的无线通信功能。
具体地，ASK解调电路如图9所示，R11、R12、C11组成ASK包络检测电路，其功能是对无线通信ASK调制信号进行包络检测，提取出有效的调幅信号；R13和C12是一组RC滤波电路，其作用是对提取出的包络信号进行滤波；C13是隔直电容，其作用是去掉包络信号的直流分量，以便对有效的交流分量进一步进行处理；D11和D12是限幅电路，其作用是对后级电路进行限幅保护；U2A、R14、C14、R15共同组成放大电路，其作用是对包络信号进行放大，其中C15是U2A运放的去耦电容；U2B、R16、R17、R18、R19、R20、C16、C17组成阈值比较电路，将包络信号进行阈值比较，进行解调，还原出有效数据信息，通过限流保护电阻R20送入后级电路进行软件解码。R16、R18、C16、C17的作用是为比较电路提供基准参考电压。
需要说明的是，本发明公开的ASK解调电路可以同时应用于传输短节公头和传输短节母头，进行ASK解调；作为另一种选择，当传输短节公头使用FSK调制时，传输短节母头需要配备专用FSK解调电路。
具体地，传输短节母头ASK调制电路如图10所示，SL+和SL-分别连接母头通信线圈的两端，STX是来自母头主控电路的ASK调制信号。其工作原理是：正常状态下公头通信线圈、母头通信线圈处于谐振状态，当Q22和Q23导通后，电容负载C21和C22加入母头通信线圈侧，公头通信线圈与母头通信线圈的谐振状态被打破，公头通信线圈内的瞬时电压被改变，信号被传输至传输短节公头。STX信号控制Q21的导通与关断，选择性将12V电压同时加载到Q22与Q23栅极，实现Q22与Q23的导通与关断，继而将电容负载C21和C22按照信号要求加入母头通信线圈侧，实现ASK调制功能。作为另外一种选择，可以将C21和C22更换为电阻负载，使用电阻调制方式实现ASK调制。其中R21和R22为限流电阻，起限流作用，R23为栅极下拉电阻，负责在无通信信号时将栅极电压下拉至GND，起保护作用。
本发明的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统使用时，具体包括下述步骤：
步骤1）施工时首先按照有缆智能分采工具段管柱结构顺序从井口采油树1-2上端下入工具段管柱，连接顺序由下到上依次为丝堵1-11、有缆智能分采仪1-10、过电缆封隔器1-9、钢管电缆1-8、传输短节母头1-7，传输短节母头1-7上端连接油管1-3下井，根据分采层数量确定下入的过电缆封隔器1-9和有缆智能分采仪1-10数量，密封井口，打压坐封过电缆封隔器1-9；
步骤2）过电缆封隔器1-9打压坐封完成后，将管柱上段的采油泵1-6和传输短节公头1-5通过油管1-3连接下井，靠管柱自身重力下放，使传输短节公头1-5插接在传输短节母头1-7内，完成对接，在对接时，通过地面控制系统读取检查地面控制器1-1与井下工具段通信是否正常，以此判断对接是否成功；
步骤3）对接成功后，地面控制器1-1上电，即可在使用无线电能传输和双向无线数据通信的状态下完成对各层有缆智能分采仪1-10的数据直读、油嘴调节、自动在线验封等功能，进行井口施工和地面控制器安装施工；
步骤4）地面施工完成后，启动采油泵1-6，开始采油，地面控制器1-1向井下发送指令控制，开关各层油嘴，依次轮采各油层，找出含水率较高的油层，发送指令关小或者完全关闭层油嘴，实现油井稳油控水，节能降耗的目的；
步骤5）当需要测井，或者采油泵需要检泵、修泵时，上提管柱，将采油泵1-6和传输短节公头1-5提出地面，此时传输短节母头1-7空出中心过流通道，可以下入测井仪器至工具段各油层进行测试，测试完成后，重新连接采油泵和传输短节公头下井，与传输短节母头对接，继续进行有缆智能分采工作。
Claims (8)
1.一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，其特征在于，包括地面控制器（1-1）、地面电缆（1-4）以及由上到下依次设置的井口采油树（1-2）、油管（1-3）、采油泵（1-6）、无线电能传输短节及井下智能分采工具段，所述油管（1-3）从上到下依次串连有井口采油树（1-2）、采油泵（1-6）、无线电能传输短节及井下智能分采工具段；所述无线电能传输短节包括传输短节公头（1-5）和传输短节母头（1-7），所述地面电缆（1-4）与所述地面控制器（1-1）及所述传输短节公头（1-5）电连接，所述传输短节公头（1-5）轴向设置有通过所述油管（1-3）连通的公头中心过流通道（3-7），所述公头中心过流通道（3-7）外周设置有能量发射线圈（3-3）和公头通信线圈（3-6），所述传输短节母头（1-7）轴向设置有母头中心过流通道（2-8），所述母头中心过流通道（2-8）外周设置有能量接收线圈（2-3）和母头通信线圈（2-5）；所述传输短节公头（1-5）下端从传输短节母头（1-7）上端的中心通道内插入，实现两者之间的非接触式无线电能传输，所述能量发射线圈（3-3）和能量接收线圈（2-3）互感耦合，所述公头通信线圈（3-6）和母头通信线圈（2-5）双向无线数据通信；
所述传输短节公头（1-5）内还设置有位于所述公头中心过流通道（3-7）外周的公头控制组件（3-10），所述公头控制组件（3-10）分别与所述能量发射线圈（3-3）和所述公头通信线圈（3-6）电连接，所述传输短节母头（1-7）内还设置有位于所述母头中心过流通道（2-8）外周的母头控制组件（2-11），所述母头控制组件（2-11）分别与所述能量接收线圈（2-3）和所述母头通信线圈（2-5）电连接；
所述公头控制组件（3-10）包括公头电缆载波通信电路（3-101）、公头电源电路（3-102）、公头主控电路（3-103）、集成逆变电路（3-105）、通信集成逆变电路（3-104）、公头通信解码电路（3-106）；所述母头控制组件（2-11）包括整流滤波电路（2-111）、母头电源电路（2-112）、母头主控电路（2-115）、母头电缆载波通信电路（2-116）、母头通信调制电路（2-113）、母头通信解码电路（2-114）；所述公头主控电路（3-103）接收到来自所述地面控制器（1-1）下发的电缆载波通信指令，控制所述通信集成逆变电路（3-104）进行谐振频率逆变，所述公头主控电路（3-103）根据具体指令，产生ASK或FSK调制信号送入所述通信集成逆变电路（3-104），所述母头通信解码电路（2-114）将ASK或FSK调制信号进行硬件解码，硬件解码完成后母头主控电路（2-115）进行软件解码；发送上行测试数据时，所述母头主控电路（2-115）产生ASK调制信号，经过母头通信调制电路（2-113）产生ASK调制信号耦合至通信线圈组，公头通信解码电路（3-106）进行硬件解码，硬件解码结果送入所述公头主控电路（3-103）进行软件解码，最终通过电缆载波通信将测试数据上行传输至所述地面控制器（1-1）。
2.根据权利要求1所述的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，其特征在于，所述传输短节公头（1-5）还包括公头外护管（3-4），所述公头外护管（3-4）的上端设置有公头上接头（3-1），所述公头外护管（3-4）的下端设置有公头下接头（3-13），所述公头中心过流通道（3-7）设置在所述公头外护管（3-4）的中心并贯通所述的公头上接头（3-1）和公头下接头（3-13）；所述能量发射线圈（3-3）和所述公头通信线圈（3-6）设置在所述公头中心过流通道（3-7）外周的公头外护管（3-4）内；所述传输短节母头（1-7）还包括母头外护管（2-2），所述母头外护管（2-2）的上端设置有母头上接头（2-1），所述母头外护管（2-2）的下端设置有母头下接头（2-7），所述母头中心过流通道（2-8）设置在母头外护管（2-2）的中心并贯通母头上接头（2-1）和母头下接头（2-7），所述能量接收线圈（2-3）和所述母头通信线圈（2-5）设置在所述母头中心过流通道（2-8）外周的母头外护管（2-2）内。
3.根据权利要求2所述的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，其特征在于，所述母头外护管（2-2）内设置有密封护筒（2-12），所述密封护筒（2-12）连接套设在所述母头中心过流通道（2-8）的外周，所述的密封护筒（2-12）内设置有套设在所述母头中心过流通道（2-8）的外周的母头线圈骨架（2-4），所述母头线圈骨架（2-4）的中部环状设置有将所述母头线圈骨架（2-4）分为上下两部分的母头隔离环（2-13），所述的能量接收线圈（2-3）套设在所述的母头线圈骨架（2-4）上端外周，所述母头通信线圈（2-5）套设在所述的母头线圈骨架（2-4）下端外周；所述公头外护管（3-4）内设置有套设在所述公头中心过流通道（3-7）的外周的公头线圈骨架（3-12），所述公头线圈骨架（3-12）的中部环状设置有将所述公头线圈骨架（3-12）分为上下两部分的公头隔离环（3-11），所述的能量发射线圈（3-3）套设在所述的公头线圈骨架（3-12）的上端外周，所述的公头通信线圈（3-6）套设在所述的公头线圈骨架（3-12）的下端外周。
4.根据权利要求3所述的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，其特征在于，所述公头上接头（3-1）上设有与所述公头中心过流通道（3-7）上端连通的第一液孔（3-8）和第二液孔（3-9），所述公头中心过流通道（3-7）下端与所述母头中心过流通道（2-8）下端连通，所述母头上接头（2-1）上设有与所述母头中心过流通道（2-8）上端连通的第三液孔（2-9），所述母头下接头（2-7）上设置有与所述母头中心过流通道（2-8）下端连通的第四液孔（2-10），所述母头外护管（2-2）内设置有与所述第三液孔（2-9）和第四液孔（2-10）连通的环形过流通道（2-6），所述第二液孔（3-9）与所述第三液孔（2-9）连通。
5.根据权利要求4所述的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，其特征在于，所述的能量发射线圈（3-3）和能量接收线圈（2-3）均为螺旋结构，所述传输短节公头（1-5）和传输短节母头（1-7）对接时，所述能量接收线圈（2-3）套设在所述能量发射线圈（3-3）的外周，两者呈螺旋互套式结构。
6.根据权利要求5所述的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，其特征在于，所述公头通信线圈（3-6）和母头通信线圈（2-5）均为螺旋结构，所述传输短节公头（1-5）和传输短节母头（1-7）对接时，所述母头通信线圈（2-5）套设在所述公头通信线圈（3-6）的外周，两者呈螺旋互套式结构。
7.根据权利要求6所述的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，其特征在于，所述能量发射线圈（3-3）内套设有能量发射线圈磁芯（3-2），所述公头通信线圈（3-6）内套设有公头通信线圈磁芯（3-5）。
8.根据权利要求1所述的一种电磁耦合式无线供电与通信的有缆智能分采系统，其特征在于，所述井下智能分采工具段包括若干层有缆智能分采仪（1-10）和过电缆封隔器（1-9），若干层的过电缆封隔器（1-9）和有缆智能分采仪（1-10）依次通过油管（1-3）及钢管电缆（1-8）上下串接连接，最下层的有缆智能分采仪（1-10）通过油管（1-3）连接丝堵（1-11）。
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