CN206711375U - 一种基于水声通信的井筒无线智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于水声通信的井筒无线智能控制系统。其包括地面水声波发射系统、水声信道、井下水声波接收系统、井下控制执行系统，其中：地面水声波发射系统通过水声信道与井下水声波接收系统连接，井下水声波接收系统与井下控制执行系统相连接；地面水声波发射系统为地面设备，井下水声波接收系统和井下控制执行系统构成井下设备。本实用新型提供的基于水声通信的井筒无线智能控制系统相对于现有技术具有以下优势：通过地面水声波发射系统、井下水声波接收系统设计及调制/解调算法设计实现地面对井下设备远距离实时无线控制，传输速率远高于目前普遍使用的泥浆脉冲通信方式，传输稳定性、抗干扰性能高于电磁波通信方式，传输距离远、速率快、信号稳定。
Description
技术领域
本实用新型属于石油天然气钻井技术领域，特别是涉及一种基于水声通信的井筒无线智能控制系统。
背景技术
控制信息的井下传输及井下储层、地层信息的实时上传监测是石油钻井领域中智能化作业的两大基本问题。传统信息传输采用电缆、光纤等有缆传输方式，实时性差，成本高，自动化程度低。无缆传输方式如泥浆脉冲、电磁波等，实现了油气生产现场各类数据的实时上传和分析及地面对井下控制指令的传达。然而，泥浆脉冲通信方式传输速率低，对井筒内介质组成要求高，电磁波通信方式虽然传输速率高，但受地层特性影响大，传输距离受限。
水声通信技术以液体为传输介质，以声波为载体进行信号传输，在介质中的衰减率仅为电磁波的千分之一，通信速率通常可达到1kbps，具有传输距离远、通信速率高、信号稳定、通用性好的优点。但应用到石油钻井领域，由于井内空间狭小、油管按节连接、套管内壁不光滑、井下水油气多种介质状态并存、井底温度高等多种原因，技术难度较大，且远距离传输，井下接收系统功耗大，目前尚无成熟的产品应用。
因此，针对复杂环境，在信道恶劣的条件下研究一种基于水声波的井筒无线通信控制系统，实现地面与井下设备之间实时无线智能通信与控制是当前研究的重点和难点，在油井智能控制领域具有广阔的应用前景。
发明内容
本实用新型旨在提出一种基于水声通信的井筒无线智能控制系统，以实现地面与井下设备间的无线智能通信与控制。
为了达到上述目的，本实用新型提供的基于水声通信的井筒无线智能控制系统包括：地面水声波发射系统、水声信道、井下水声波接收系统、井下控制执行系统，其中：地面水声波发射系统通过水声信道与井下水声波接收系统连接，井下水声波接收系统与井下控制执行系统相连接；地面水声波发射系统为地面设备，井下水声波接收系统和井下控制执行系统构成井下设备。
所述地面水声波发射系统包括依次连接的计算机、信号调制单元、D/A转换单元、功率放大单元、水声发射换能器，由计算机产生数字水声信号，由信号调制单元对数字水声信号进行信号调制后，送入D/A转换单元进行数字-模拟信号变换，再由功率放大单元进行模拟水声信号的放大后，由水声发射换能器将电信号转换成声音信号后，发射至水声信道中。
所述地面水声波发射系统中的功率放大单元最大输出电压1200V，连续输出功率达到1000W。
所述的计算机能够由数字信号发生器代替。
所述井下水声波接收系统包括依次连接的水声接收换能器、信号调理单元、A/D转换单元、信号解调单元，由水声接收换能器将水声信道传递的水声信号转换成电信号，送入信号调理单元中，由信号调理单元进行滤波、放大后，送入A/D转换单元进行模拟-数字信号变换，再由信号解调单元对编码数字水声信号进行解调，解调后的信号送入井下控制执行系统中。
所述地面水声波发射系统中的水声发射换能器和井下水声波接收系统中的水声接收换能器的中心频率为12kHz；所述的信号解调单元通过SPI接口与中央处理单元连接。
所述井下控制执行系统包括中央处理单元、测量单元、驱动单元、执行机构，其中：中央处理单元分别与测量单元和驱动单元连接，驱动单元与执行机构连接；所述的中央处理单元接收井下水声波接收系统传递的水声信号，根据水声信号中包含的控制指令，由测量单元对井下工程参数进行实时测量、采集、存储等操作，由驱动单元驱动执行机构产生对应的机械动作，测量单元、驱动单元与中央处理单元之间通过I2C总线连接。
所述的井下控制执行系统中的中央处理单元选用LAUNCHXL-F28027模块，执行机构选用EC-4pole系列无刷直流电机，驱动单元4002选用配套的BLDC驱动控制器。
本实用新型提供的基于水声通信的井筒无线智能控制系统相对于现有技术具有以下优势：通过地面水声波发射系统、井下水声波接收系统设计及调制/解调算法设计实现地面对井下设备远距离实时无线控制，传输速率远高于目前普遍使用的泥浆脉冲通信方式，传输稳定性、抗干扰性能高于电磁波通信方式，传输距离远、速率快、信号稳定。
附图说明
图1为本实用新型提供的基于水声通信的井筒无线智能控制系统结构框图；
图2为本实用新型提供的地面水声波发射系统结构框图。
图3为本实用新型提供的井下水声波接收系统结构框图。
图4为本实用新型提供的井下控制执行系统结构框图。
图5为本实用新型提供的水声波井筒无线通信控制系统地面试验波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的基于水声通信的井筒无线智能控制系统进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本实用新型提供的基于水声通信的井筒无线智能控制系统包括：地面水声波发射系统100、水声信道200、井下水声波接收系统300、井下控制执行系统400，其中：地面水声波发射系统100通过水声信道200与井下水声波接收系统300连接，井下水声波接收系统300与井下控制执行系统400相连接；地面水声波发射系统100为地面设备，井下水声波接收系统300和井下控制执行系统400构成井下设备。
所述水声信道200指石油钻井过程中井筒中使用的清水、钻井液等液体介质形成的通信信道。
所述地面水声波发射系统100用于产生、编码、放大、发射水声信号，所述水声信道200用于为水声信号提供传输介质，所述井下水声波接收系统300用于接收、处理、解调水声信号，所述井下控制执行系统400用于执行井下水声波接收系统300解调出的地面水声波发射系统100发射的控制指令，井下水声波接收系统300和井下控制执行系统400均由高温锂电池提供稳定直流电能。
如图2所示，所述地面水声波发射系统100包括依次连接的计算机1001、信号调制单元1002、D/A转换单元1003、功率放大单元1004、水声发射换能器1005，由计算机1001产生数字水声信号，由信号调制单元1002对数字水声信号进行信号调制后，送入D/A转换单元1003进行数字-模拟信号变换，再由功率放大单元1004进行模拟水声信号的放大后，由水声发射换能器1005将电信号转换成声音信号后，发射至水声信道200中。
所述地面水声波发射系统100中的信号调制单元1002采用多载波调制技术进行地面数字水声信号的调制。
所述地面水声波发射系统100中的功率放大单元1004最大输出电压1200V，连续输出功率达到1000W，可满足5000m远距离水声信号传输功率需求。
如图3所示，所述井下水声波接收系统300包括依次连接的水声接收换能器3001、信号调理单元3002、A/D转换单元3003、信号解调单元3004，由水声接收换能器3001将水声信道200传递的水声信号转换成电信号，送入信号调理单元3002中，由信号调理单元3002进行滤波、放大后，送入A/D转换单元3003进行模拟-数字信号变换，再由信号解调单元3004对编码数字水声信号进行解调，解调后的信号送入井下控制执行系统400中。
如图4所示，所述井下控制执行系统400包括中央处理单元4001、测量单元4002、驱动单元4003、执行机构4004，其中：中央处理单元4001分别与测量单元4002和驱动单元4003连接，驱动单元4003与执行机构4004连接。
所述的中央处理单元4001接收井下水声波接收系统300传递的水声信号，根据水声信号中包含的控制指令，由测量单元4002对井下工程参数进行实时测量、采集、存储等操作，由驱动单元4003驱动执行机构4004产生对应的机械动作，测量单元4002、驱动单元4003与中央处理单元4001之间通过I2C总线连接。
所述地面水声波发射系统100中的水声发射换能器1005和井下水声波接收系统300中的水声接收换能器3001的中心频率为12kHz。
所述的信号解调单元3004通过SPI接口与中央处理单元4001连接。
所述井下水声波接收系统300中的信号解调单元3004采用非相干解调技术进行井下数字水声信号的解调。
所述的计算机1001能够由数字信号发生器代替，如安捷伦公司的DSOX2024A数字示波器。
所述的井下控制执行系统400中的中央处理单元4001选用TI公司的LAUNCHXL-F28027模块，执行机构选用MAXSON公司的EC-4pole系列无刷直流电机，驱动单元4002选用配套的BLDC驱动控制器。
如图5所示，用油管将所述地面水声波发射系统100中的水声发射换能器1005和所述井下水声波接收系统300中的水声接收换能器3001连接起来，距离200mm，在所述地面水声波发射系统100端由三通阀向油管内注入清水介质，模拟井下工作环境，由示波器监测井下水声波接收系统300端波形输出，图5(a)为所述地面水声波发射系统100中的计算机1001产生的数字水声信号，本实施例中设置为方波信号，编码为1010101010101010101，脉冲宽度0.32，占空比50％，图5(b)为所述井下水声波接收系统300中的A/D转换单元3003输出的数字脉冲信号，图5(c)为所述井下水声波接收系统300中的信号解调单元3004采用非相干解调技术解调的水声信号，可看出，所述井下水声波接收系统300输出的水声信号与地面水声波发射系统100中计算机1001产生的数字水声信号一致，成功实现水声波信号解码。
地面水声波发射系统100产生水声波发射信号，经由水声信道200传输到井下水声波接收系统300，实现地面设备与深井中的井下设备的无线通信与精确控制，地面水声波发射系统100中的计算机1001产生待传输信号，由信号调制单元1002解析发送的信号，对信号进行调制后送入D/A转换单元1003和功率放大单元1004进行数字-模拟转换和功率放大，最后通过井口处的水声波发射换能器1005将模拟电信号转换成声信号由水声信道200向井下传输，井下水声波接收系统300在井下控制执行系统400的控制下，按一定时间间隔检测接收到的信号，井下水声波接收系统300中的水声波接收换能器3001将接收到的声信号转换成模拟电信号，送入信号调理单元3002和A/D转换单元3003对其进行滤波、放大、模拟-数字转换后，由信号解调单元3004进行信号解析后得到正确的指令，若该指令为地面水声波发射系统100下传的指令，则井下控制执行系统400完成规定的操作，否则，井下控制执行系统400在达到唤醒时长T后，重新进入休眠状态，等待下次唤醒时刻到来。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于水声通信的井筒无线智能控制系统，其特征在于：所述的基于水声通信的井筒无线智能控制系统包括：地面水声波发射系统(100)、水声信道(200)、井下水声波接收系统(300)、井下控制执行系统(400)，其中：地面水声波发射系统(100)通过水声信道(200)与井下水声波接收系统(300)连接，井下水声波接收系统(300)与井下控制执行系统(400)相连接；地面水声波发射系统(100)为地面设备，井下水声波接收系统(300)和井下控制执行系统(400)构成井下设备。
2.根据权利要求1所述的基于水声通信的井筒无线智能控制系统，其特征在于：所述地面水声波发射系统(100)包括依次连接的计算机(1001)、信号调制单元(1002)、D/A转换单元(1003)、功率放大单元(1004)、水声发射换能器(1005)，由计算机(1001)产生数字水声信号，由信号调制单元(1002)对数字水声信号进行信号调制后，送入D/A转换单元(1003)进行数字-模拟信号变换，再由功率放大单元(1004)进行模拟水声信号的放大后，由水声发射换能器(1005)将电信号转换成声音信号后，发射至水声信道(200)中。
3.根据权利要求2所述的基于水声通信的井筒无线智能控制系统，其特征在于：所述地面水声波发射系统(100)中的功率放大单元(1004)最大输出电压1200V，连续输出功率达到1000W。
4.根据权利要求2所述的基于水声通信的井筒无线智能控制系统，其特征在于：所述的计算机(1001)能够由数字信号发生器代替。
5.根据权利要求1所述的基于水声通信的井筒无线智能控制系统，其特征在于：所述井下水声波接收系统(300)包括依次连接的水声接收换能器(3001)、信号调理单元(3002)、A/D转换单元(3003)、信号解调单元(3004)，由水声接收换能器(3001)将水声信道(200)传递的水声信号转换成电信号，送入信号调理单元(3002)中，由信号调理单元(3002)进行滤波、放大后，送入A/D转换单元(3003)进行模拟-数字信号变换，再由信号解调单元(3004)对编码数字水声信号进行解调，解调后的信号送入井下控制执行系统(400)中。
6.根据权利要求2或4所述的基于水声通信的井筒无线智能控制系统，其特征在于：所述地面水声波发射系统(100)中的水声发射换能器(1005)和井下水声波接收系统(300)中的水声接收换能器(3001)的中心频率为12kHz；所述的信号解调单元(3004)通过SPI接口与中央处理单元(4001)连接。
7.根据权利要求1所述的基于水声通信的井筒无线智能控制系统，其特征在于：所述井下控制执行系统(400)包括中央处理单元(4001)、测量单元(4002)、驱动单元(4003)、执行机构(4004)，其中：中央处理单元(4001)分别与测量单元(4002)和驱动单元(4003)连接，驱动单元(4003)与执行机构(4004)连接；所述的中央处理单元(4001)接收井下水声波接收系统(300)传递的水声信号，根据水声信号中包含的控制指令，由测量单元(4002)对井下工程参数进行实时测量、采集、存储操作，由驱动单元(4003)驱动执行机构(4004)产生对应的机械动作，测量单元(4002)、驱动单元(4003)与中央处理单元(4001)之间通过I2C总线连接。
8.根据权利要求2所述的基于水声通信的井筒无线智能控制系统，其特征在于：所述的井下控制执行系统(400)中的中央处理单元(4001)选用LAUNCHXL-F28027模块，执行机构选用EC-4pole系列无刷直流电机，驱动单元(4003)选用配套的BLDC驱动控制器。
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