[實用新型]一種基于水聲通信的井筒無線智能控制系統

有效

• 申請號: 201720486254.8
• 申請日: 2017-05-04
• 公開（公告）號: CN206711375U
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 李紹輝;陳世春;馮強;肖松平;趙虹
• 申請（專利權）人: 中國石油集團渤海鉆探工程有限公司
• 主分類號: G08C17/02
• 分類號: G08C17/02;H04B11/00;H04B13/02
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司12108
• 代理人: 龐學欣

技術領域

本實用新型屬于石油天然氣鉆井技術領域，特別是涉及一種基于水聲通信的井筒無線智能控制系統。

背景技術

控制信息的井下傳輸及井下儲層、地層信息的實時上傳監測是石油鉆井領域中智能化作業的兩大基本問題。傳統信息傳輸采用電纜、光纖等有纜傳輸方式，實時性差，成本高，自動化程度低。無纜傳輸方式如泥漿脈沖、電磁波等，實現了油氣生產現場各類數據的實時上傳和分析及地面對井下控制指令的傳達。然而，泥漿脈沖通信方式傳輸速率低，對井筒內介質組成要求高，電磁波通信方式雖然傳輸速率高，但受地層特性影響大，傳輸距離受限。

水聲通信技術以液體為傳輸介質，以聲波為載體進行信號傳輸，在介質中的衰減率僅為電磁波的千分之一，通信速率通常可達到1kbps，具有傳輸距離遠、通信速率高、信號穩定、通用性好的優點。但應用到石油鉆井領域，由于井內空間狹小、油管按節連接、套管內壁不光滑、井下水油氣多種介質狀態并存、井底溫度高等多種原因，技術難度較大，且遠距離傳輸，井下接收系統功耗大，目前尚無成熟的產品應用。

因此，針對復雜環境，在信道惡劣的條件下研究一種基于水聲波的井筒無線通信控制系統，實現地面與井下設備之間實時無線智能通信與控制是當前研究的重點和難點，在油井智能控制領域具有廣闊的應用前景。

發明內容

本實用新型旨在提出一種基于水聲通信的井筒無線智能控制系統，以實現地面與井下設備間的無線智能通信與控制。

為了達到上述目的，本實用新型提供的基于水聲通信的井筒無線智能控制系統包括：地面水聲波發射系統、水聲信道、井下水聲波接收系統、井下控制執行系統，其中：地面水聲波發射系統通過水聲信道與井下水聲波接收系統連接，井下水聲波接收系統與井下控制執行系統相連接；地面水聲波發射系統為地面設備，井下水聲波接收系統和井下控制執行系統構成井下設備。

所述地面水聲波發射系統包括依次連接的計算機、信號調制單元、D/A轉換單元、功率放大單元、水聲發射換能器，由計算機產生數字水聲信號，由信號調制單元對數字水聲信號進行信號調制后，送入D/A轉換單元進行數字-模擬信號變換，再由功率放大單元進行模擬水聲信號的放大后，由水聲發射換能器將電信號轉換成聲音信號后，發射至水聲信道中。

所述地面水聲波發射系統中的功率放大單元最大輸出電壓1200V，連續輸出功率達到1000W。

所述的計算機能夠由數字信號發生器代替。

所述井下水聲波接收系統包括依次連接的水聲接收換能器、信號調理單元、A/D轉換單元、信號解調單元，由水聲接收換能器將水聲信道傳遞的水聲信號轉換成電信號，送入信號調理單元中，由信號調理單元進行濾波、放大后，送入A/D轉換單元進行模擬-數字信號變換，再由信號解調單元對編碼數字水聲信號進行解調，解調后的信號送入井下控制執行系統中。

所述地面水聲波發射系統中的水聲發射換能器和井下水聲波接收系統中的水聲接收換能器的中心頻率為12kHz；所述的信號解調單元通過SPI接口與中央處理單元連接。

所述井下控制執行系統包括中央處理單元、測量單元、驅動單元、執行機構，其中：中央處理單元分別與測量單元和驅動單元連接，驅動單元與執行機構連接；所述的中央處理單元接收井下水聲波接收系統傳遞的水聲信號，根據水聲信號中包含的控制指令，由測量單元對井下工程參數進行實時測量、采集、存儲等操作，由驅動單元驅動執行機構產生對應的機械動作，測量單元、驅動單元與中央處理單元之間通過I²C總線連接。

所述的井下控制執行系統中的中央處理單元選用LAUNCHXL-F28027模塊，執行機構選用EC-4pole系列無刷直流電機，驅動單元4002選用配套的BLDC驅動控制器。

本實用新型提供的基于水聲通信的井筒無線智能控制系統相對于現有技術具有以下優勢：通過地面水聲波發射系統、井下水聲波接收系統設計及調制/解調算法設計實現地面對井下設備遠距離實時無線控制，傳輸速率遠高于目前普遍使用的泥漿脈沖通信方式，傳輸穩定性、抗干擾性能高于電磁波通信方式，傳輸距離遠、速率快、信號穩定。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的基于水聲通信的井筒無線智能控制系統結構框圖；

圖2為本實用新型提供的地面水聲波發射系統結構框圖。

圖3為本實用新型提供的井下水聲波接收系統結構框圖。

圖4為本實用新型提供的井下控制執行系統結構框圖。

圖5為本實用新型提供的水聲波井筒無線通信控制系統地面試驗波形圖。