一种基于电力线载波通信的深井钻探测控设备的制作方法

本实用新型涉及深井钻探测控领域，具体讲涉及一种基于电力线载波通信的深井钻探测控设备。

背景技术：

目前，全球油气资源勘探程度越来越高，但新增储量主要集中在沙漠、沼泽、丛林、深海、极地等复杂区域，油气资源隐蔽性越来越强，常规钻探技术受到越来越严峻的挑战。为应对挑战，世界各大石油公司纷纷开展新技术研发。

当前深井钻探系统一般把电机控制器、变频器、电机、传感器、钻头等设备放在井下，井下设备体积较大,井上和井下设备一般采用CAN总线方式通信，当通信距离超过两至三公里后，通信速率会低于5Kbps。

现有深井钻探测控系统和装置有以下几个不足：

1)井下系统体积庞大，钻孔孔径相对也大；

2)井下一般温度高，变频器或电机控制器等设备在高温环境下很容易损坏；

3)基于CAN总线通信钻探装置，井上和井下设备至少需要4根电缆(其中两根动力线缆，两根通信线缆)，使得几公里长的井下的连接装置变得很复杂，并且成本很高；

4)基于无线通信，钻探装置的无线传输会受到距离的影响，使得钻探深度受到限制，一般只有几百米；

5)现有钻探系统的井下和井上设备之间的通信速率较低，一般小于几Kbps，常常不能满足实时采集数据的需求。

针对上述现有深井钻探测控系统和装置有诸多弊端，本实用新型提出了一种基于电力线载波通信的深井钻探测控设备。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提出了

一种基于电力线载波通信的深井钻探测控设备，包括：分别与高压电缆两端连接的地面装置和井下装置，地面装置包括：

与高压电缆一端分别连接的地面载波模块，变频器和电缆释放单元；电缆释放单元同与地面主控系统连接的电缆长度测量单元相连。

地面主控系统分别同决策与总控系统、地面辅助测量单元和人机交互单元相连。

井下装置包括：井下测控系统，和与井下测控系统分别连接的供电系统、井下载波模块、传感器单元、旋转编码器和电机。旋转编码器与电机相连；电机经执行机构与钻头相连。

地面主控系统与井下控制系统经控制通道和负反馈通道反馈通道相互连接。

控制通道包括：所述变频器和与所述变频器相连的电机；负反馈通道包括：井下载波模块和与井下载波模块相连的地面载波模块。

载波模块包括：协议转换接口单元、载波调制/解调单元、发送通道、接收通道和耦合器；协议转换接口单元与载波调制/解调单元连接，载波调制/解调单元经发送通道和接收通道与耦合器相连。耦合器为：电容耦合器或电感耦合器。

载波模块包括：半双工通信方式和单工通信方式，单载波模式和多载波模式；载波模块工作频率为10kHz-1MHz。

传感器单元包括：压力传感器、温度传感器、流体流量传感器、流体密度传感器、倾斜传感器和距离传感器。

与最接近的现有技术比，本实用新型具有如下有益效果：

1)本实用新型将体积较大的变频器和主控系统放在了地面上，从而减小了井下设备的体积，节约了成本，降低了设备损坏的概率；

2)本实用新型深井钻探测控系统的地面系统和井下系统通过电力线载波通信，将通信和供电功能结合，实现使用共享，只需要两根线即可完成电力的供应和信号的传输，从而减少了电缆芯的数量，降低了成本，简化了井下和地面连接设备的加工难度。

3)本实用新型的电力线载波通信模块具有信道认知、频谱聚合以及陷波功能；载波模块能够根据电力线上信道的衰减和设备的噪声，自动的选择可通行的 频带和带宽，将噪声大的频带做陷波处理，将多个通信较好的频带做频谱聚合，从而降低了变频器对载波模块的干扰程度，增加了通信带宽，增加了可通信资源；

4)本实用新型可以配置成半双工或单工通信方式。在单工通信方式下，井下载波模块一直连续发送载波信号，地面载波模块一直连续接收信号，且通过超短帧减少了数据包长度，这样可以降低载波通信时延(<1ms)，从而可以快速控制电机和钻头的工作；

5)本实用新型的井下系统具有抗震功能，其供电系统、井下载波模块、井下测控系统、多种传感器、电机和旋转编码器都密封在很厚的金属壳体内，且金属壳体内填充了高粘稠度的机油，从而降低了电机和钻头转动带来的震动，减少了装置和器件损坏的可能，增加了系统稳定运行的可靠性；

6)本实用新型利用电力线载波低频远传的特性，并结合无分支的简单拓扑类型，使得电力线载波信号可以传输几公里的距离。

附图说明

图1是本实用新型的深井钻探测控系统框图；

图2是本实用新型的长距离负反馈闭环测控框图；

图3是本实用新型的载波模块结构框图；

图4是本实用新型的地面载波模工作流程图；

图5是本实用新型的井下载波模工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型基于电力线载波通信的深井钻探测控设备作进一步详细的描述。

如图1所示，本专利具体涉及一种集钻探信号感知、测量、通信、控制、存储和显示于一体的深井钻探系统及其设备，深井钻探系统分为地面系统和井下系统两部分。地面系统主要负责井下系统的供电、通信、控制及数据存储和显示；井下系统主要负责测量钻井地层的地质参数和工程参数，然后将测量的参数反馈给地面系统，然后接收地面系统不同的钻探指令，从而控制电机和钻头的完成钻探任务。

电力线载波模块可以根据配置工作在单载波和多载波的模式。电力线载波模块的工作频率为10kHz-1MHz，电力线载波模块可以根据信道的情况自行选择某个段或某几段频谱进行电力线载波通信。该测控系统和装置只有井下和地面两个设备通信，电力线没有分支，因此利用点与点低频远传的特性，使得通信距离可以达到几公里。

具体实施过程如下：

(1)自上而下控制(地面系统控制井下系统)

地面或远方决策与总控系统通过有线或者无线通信方式控制并监控地面主控系统。

地面控制系统根据井下系统反馈的电机、钻头的运动情况以及地质参数，控制变频器工作。变频器根据主控系统的指令调节电源的通断，然后经过高压电缆将变频的电力输送到井下系统的供电系统模块。

高压电力为直流电或交流电；供电系统将变频电力传送到电机，通过执行机构，驱动转头的转动，从而进行深井的钻探。

旋转编码器将电机的转速及转子位置等信息进行编码，然后转换为数字信号，传送给井下测控系统。

井下测控系统的工作模式有两种：配置模式和采集模式。

模块上电复位为配置模式，等待井上模块的指令。地面系统通过断电，上电初始化井下模块为配置模式；地面系统通过配置指令可以配置井下模块为采集模块。

井下测控系统是井下系统的核心，负责井下系统所有的测量和控制任务。井下测控系统包括控制器、模数转换器、传感器接口和电机驱动电路4个部分。其中控制器负责整个井下系统的测量和控制任务；模数转换器负责将模拟信号转换成控制器可以识别的数字信号；传感器接口负责与井下系统的其它传感器的对接；电机驱动电路主要是驱动电机的转动。

多种传感器包括压力传感器、温度传感器、流体流量传感器、流体密度传感器、倾斜传感器、距离传感器将地层的孔隙压力、破裂压力、温度、孔隙度、渗透率、饱和度、流体流量、井斜、方位、工具温度等地质参数转换层电信号传输给井下井测控系统。

电缆长度测量装置根据电缆释放长度等效测量地下系统的深度，然后将深度信息转换成电信号传送给井下地面主控系统。电缆缠绕在带有光电编码盘的滚轴上，井下测控系统根据光电编码盘输出脉冲的个数测量电缆释放的长度，从而等效计算钻井的深度，电缆释放装置由电机带动滚轴旋转，从而控制电缆的释放。

(2)自下而上负反馈(井下系统反馈信息到地面系统)

井下载波模块将井下测控系统的数据转换成电力线载波信号，通过耦合器将电力线载波信号耦合到高压电缆上。

电力线载波信号为单频载波或多载波信号。井下载波模块将信号通过高压电缆传送到地面系统中的地面载波模块。

电力线载波通信模块具有信道认知、频谱聚合以及陷波功能。载波模块能够根据电力线上信道的衰减和设备的噪声，自动的选择可通行的频带和带宽，将噪声大的频带做陷波处理，将多个通信较好的频带做频谱聚合。

地面载波模块将井下系统反馈的数据传送给地面主控系统，其包括三方面功能：

1)接收地面或远方决策与总控系统的遥控指令；

2)接收从井下系统反馈的井下参数；

3)根据遥控指令和井下系统反馈的参数综合运算，控制变频器输出变频的电力信号，经电缆传输至井下供电系统，进而控制井下电机的转动。

人机交互数据存储和显示模块将整个系统的工作状态和参数等信息进行显示和存储。

地面辅助测量装置完成地面气象信息参数和地理信息参数的测量。

气象信息参数包括：温度、湿度、风向、风力。

地理信息参数包括：经度、维度、海拔。

这样周而复始的重复控制和负反馈的过程，就完成了整个深井探测系统的钻探测控任务。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技 术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。