一种多级多通道井下低功耗控制执行系统及控制方法与流程

本发明属于石油天然气钻井技术领域，特别是涉及一种多级多通道井下低功耗控制执行系统及控制方法。

背景技术：

石油钻井领域中，智能钻井工具在随钻测量或后期开采过程中，实时记录井下压力、温度等参数信息，通过传输介质上传至地面控制系统，同时，地面控制系统发出的指令下传到智能钻井工具的控制单元，解码后驱动执行机构执行相应的操作。井下与地面通信方式的选择，与通信距离、传输介质类型、地层特性、井下工况等多种因素密切相关，单靠某一种通信方式难以满足复杂工况下的通信要求。此外，智能钻井工具在钻进、等待、起出等过程中，通常并不需要其整个控制执行系统持续工作，若各单元在井下工作时间内均处于上电唤醒状态，在造成大量无效数据测量、存储的同时，必然降低智能钻井工具供电系统的性能，缩短智能钻井工具井下工作时间，影响钻进效率。

研究一种多级多通道井下低功耗控制执行系统，通过设计多种通信方式实现地面与井下的多通道数据通信，通过多级休眠唤醒控制，实现井下控制单元与驱动执行单元的分级唤醒策略，通过此种方式，在保证地面与井下双向数据通信的同时，降低井下控制执行系统的功率损耗，延长智能钻井工具的井下工作时间，具有创新性和应用价值。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种多级多通道井下低功耗控制执行系统及控制方法，提高地面控制系统与智能钻井工具间通信的稳定性和成功率，同时降低智能钻井工具的功率损耗，延长智能钻井工具井下工作时间。

为了达到上述目的，本发明提供的多级多通道井下低功耗控制执行系统包括：地面控制单元、多通道数据通信单元、系统协调、唤醒单元、井下控制单元、驱动唤醒单元、驱动执行机构、井下电源管理单元，其中：地面控制单元通过多通道数据通信单元与系统协调、唤醒单元连接，系统协调、唤醒单元与井下控制单元连接，井下电源管理单元分别与系统协调、唤醒单元、井下控制单元、驱动唤醒单元和驱动执行机构相连接。

所述的系统协调、唤醒单元通过带缓冲的i²c总线结构与所述多通道数据通信单元连接。

所述的系统协调、唤醒单元中带缓冲的i²c总线结构包括第一控制芯片u1及其外围电路，所述第一控制芯片u1选用ltc-4300系列总线缓冲器，所述第一控制芯片u1的上电使能引脚enable连接所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源，第一电容c1为去耦电容，一端连接所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端接地，所述第一控制芯片u1的电源正引脚vcc连接所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源vdd3.3，所述第一控制芯片u1的连接标志位引脚ready连接所述第一控制芯片u1的电源正引脚vcc，所述第一控制芯片u1的地线引脚gnd接地，所述第一控制芯片u1的i²c总线时钟输入引脚sclin连接所述多通道数据通信单元中i²c总线时钟输出引脚，所述第一控制芯片u1的i²c总线数据输入引脚sdain连接所述多通道数据通信单元中i²c总线数据输出引脚，所述第一控制芯片u1的i²c总线时钟输出引脚sclout连接所述井下控制单元中i²c总线时钟输入引脚，所述第一控制芯片u1的i²c总线数据输出引脚sdaout连接所述井下控制单元中i²c总线数据输入引脚，第一电阻r1的一端连接所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端连接所述第一控制芯片u1的总线数据输入引脚sdain，第二电阻r2的一端连接所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端连接所述第一控制芯片u1的i²c总线时钟输入引脚sclin，第三电阻r3的一端连接所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端连接所述第一控制芯片u1的i²c总线时钟输出引脚sclout，第四电阻r4的一端连接所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端连接所述第一控制芯片u1的i²c总线数据输出引脚sdaout，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4均为上拉电阻。

所述的系统协调、唤醒单元的时钟电路包括第二控制芯片u2及其外围电路，其中，所述第二控制芯片u2选用pca8565时钟芯片，所述第二控制芯片u2的电源正引脚vdd连接第一二极管d1的负极，第一二极管d1的正极与所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源vdd3.3连接，所述第二控制芯片u2的电源负引脚vss接地，所述第二控制芯片u2的时钟引脚osci和osco分别与晶振y1的两端连接，所述第二控制芯片u2的int为中断输出引脚，低电平有效，悬空，所述第二控制芯片u2的时钟输出引脚clkout悬空，所述第二控制芯片u2的i²c总线时钟引脚scl连接所述系统协调、唤醒单元中第一控制芯片u1的i²c总线时钟输入引脚sclin，所述第二控制芯片u2的i²c总线数据引脚sda连接所述系统协调、唤醒单元中第一控制芯片u1的总线数据输入引脚sdain，第二电容c2一端连接所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端接地。

所述驱动唤醒单元包括第五电阻r5、第六电阻r6、第一功率器件q1、第二功率器件q2和第二二极管d2，所述第一功率器件q1选用n-mosfet，基极为输入端，连接所述井下控制单元的输出信号，源极接地，第五电阻r5一端连接所述第一功率器件q1的基极，另一端接地，所述第一功率器件q1的漏极连接所述第二功率器件q2的基极，所述第二功率器件q2的漏极连接第二二极管d2的负极，所述第二二极管d2的正极连接所述井下电源管理系统中3.3v直流稳压电源vdd3.3，所述第二功率器件q2的源极为输出端，连接所述驱动执行机构，第六电阻r6一端连接所述第二二极管d2的负极，另一端连接所述第二功率器件q2的基极。

本发明提供的多级多通道井下低功耗控制执行系统的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

a100：入井前设置：智能钻井工具入井前，根据当前井下工况、传输介质、不同数据通信方式的特性等因素，确定钻井过程中需用到的数据通信方式，组成多通道数据通信单元，通过系统协调、唤醒单元与井下控制系统连接；

a101：钻井工具入井：根据多通道数据通信单元的组成情况，确定井下控制单元的唤醒时间间隔与唤醒后的持续时间，智能钻井工具以休眠状态入井；

a103：信号监测：系统协调、唤醒单元按设定的时间间隔唤醒井下控制单元，井下控制单元在唤醒时间内，实时监测多通道数据通信单元的输出信号；

a104：判断是否收到指令：若井下控制单元在唤醒时间内未监测到多通道数据通信单元的输出信号，即地面控制单元未下发控制指令，则转至步骤a103；

a105：执行指令：若井下控制单元在唤醒时间内监测到多通道数据通信单元的输出信号，则井下控制单元进入工作模式，解释执行地面控制单元的指令；

a106：判断是否为驱动指令：若指令中包含控制驱动执行机构的信息，则井下控制单元控制驱动唤醒单元动作，下一步执行步骤a107、否则下一步转步骤a109；

a107：连通执行机构电源：驱动唤醒单元连通驱动执行机构与井下电源管理单元之间的供电通道；

a108：执行规定的操作：驱动执行机构产生足够的驱动力，执行规定的操作后，井下控制单元控制驱动唤醒单元，断开驱动执行机构与井下电源管理单元之间的供电通道，下一步转步骤a109；

a109：判断是否指令执行完毕：若井下控制单元未执行完地面控制单元的全部指令，则转步骤a105；

a110：进入休眠状态：若井下控制单元执行完地面控制单元的全部指令，则重新进入休眠状态，转步骤a103。

相对于现有技术，本发明提供的多级多通道井下低功耗控制执行系统及控制方法通过多通道多通信方式设计，保证地面控制系统与智能钻井工具间数据通信的稳定性，提高通信数据解码的成功率，通过多级唤醒机制，仅在需要工作时唤醒智能钻井工具对应模块，其余时间内智能钻井工具电控系统处于低功耗状态，提高了存储空间有效数据的占用率，延长了智能钻井工具入井工作时间，具有重要的意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的多级多通道井下低功耗控制执行系统的结构示意图。

图2为本发明实施例所述系统协调、唤醒单元中i²c总线缓冲电路结构图；

图3为本发明实施例所述系统协调、唤醒单元中时钟电路结构图；

图4为本发明实施例所述驱动唤醒单元电路结构图。

图5为本发明实施例所述井下低功耗控制执行系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的多级多通道井下低功耗控制执行系统及控制方法进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的多级多通道井下低功耗控制执行系统包括：

地面控制单元100、多通道数据通信单元200、系统协调、唤醒单元300、井下控制单元400、驱动唤醒单元500、驱动执行机构600、井下电源管理单元700，其中：地面控制单元100通过多通道数据通信单元200与系统协调、唤醒单元300连接，系统协调、唤醒单元300与井下控制单元400连接，井下电源管理单元700分别与系统协调、唤醒单元300、井下控制单元400、驱动唤醒单元500和驱动执行机构600相连接；所述地面控制单元100用于接收上传的测量数据、发送控制执行指令，所述多通道数据通信单元200用于地面控制单元100与井下低功耗控制执行系统间双向数据通信，所述系统协调、唤醒单元300用于对所述多通道数据通信单元200中多种通信方式进行协调管理，实现多种通信方式的动态组合与独立传输，同时作为一级唤醒单元用于对井下驱动控制系统的定时唤醒，所述井下控制单元400用于测量井下信息、上传测量数据、解释执行地面控制指令，所述驱动唤醒单元500作为二级唤醒单元，控制所述驱动执行机构600与所述井下电源管理单元700的通断，所述驱动执行机构600用于产生足够的驱动功率，使执行机构完成规定的操作，所述井下电源管理单元700用于为整个井下低功耗控制执行系统提供稳定的直流电能。

如图2所示，所述的系统协调、唤醒单元300通过带缓冲的i²c总线结构与所述多通道数据通信单元200连接，实现所述多通道数据通信单元200多种通信方式的模块化协调管理、降低总线扰动。

进一步的，所述的系统协调、唤醒单元300中带缓冲的i²c总线结构包括第一控制芯片u1及其外围电路，所述第一控制芯片u1选用低功耗的ltc-4300系列总线缓冲器，所述第一控制芯片u1的上电使能引脚enable连接所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源，第一电容c1为去耦电容，一端连接所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端接地，所述第一控制芯片u1的电源正引脚vcc连接所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源vdd3.3，所述第一控制芯片u1的连接标志位引脚ready连接所述第一控制芯片u1的电源正引脚vcc，所述第一控制芯片u1的地线引脚gnd接地，所述第一控制芯片u1的i²c总线时钟输入引脚sclin连接所述多通道数据通信单元200中i²c总线时钟输出引脚，所述第一控制芯片u1的i²c总线数据输入引脚sdain连接所述多通道数据通信单元200中i²c总线数据输出引脚，所述第一控制芯片u1的i²c总线时钟输出引脚sclout连接所述井下控制单元400中i²c总线时钟输入引脚，所述第一控制芯片u1的i²c总线数据输出引脚sdaout连接所述井下控制单元400中i²c总线数据输入引脚，第一电阻r1的一端连接所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端连接所述第一控制芯片u1的总线数据输入引脚sdain，第二电阻r2的一端连接所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端连接所述第一控制芯片u1的i²c总线时钟输入引脚sclin，第三电阻r3的一端连接所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端连接所述第一控制芯片u1的i²c总线时钟输出引脚sclout，第四电阻r4的一端连接所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端连接所述第一控制芯片u1的i²c总线数据输出引脚sdaout，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4均为上拉电阻。

如图3所示，所述的系统协调、唤醒单元300作为一级唤醒单元，通过设计时钟电路实现对所述井下控制单元400的定时唤醒，所述井下控制单元400根据所述多通道数据通信单元200中不同通信方式的特征、传输介质、井下工况等信息，设定不同的唤醒时间间隔，定时读取所述多通道数据通信单元200的输出数据。

进一步的，所述的系统协调、唤醒单元300的时钟电路包括第二控制芯片u2及其外围电路，其中，所述第二控制芯片u2选用低功耗的pca8565时钟芯片，所述第二控制芯片u2的电源正引脚vdd连接第一二极管d1的负极，第一二极管d1的正极与所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源vdd3.3连接，所述第二控制芯片u2的电源负引脚vss接地，所述第二控制芯片u2的时钟引脚osci和osco分别与晶振y1的两端连接，所述第二控制芯片u2的int为中断输出引脚，低电平有效，悬空，所述第二控制芯片u2的时钟输出引脚clkout悬空，所述第二控制芯片u2的i²c总线时钟引脚scl连接所述系统协调、唤醒单元300中第一控制芯片u1的i²c总线时钟输入引脚sclin，所述第二控制芯片u2的i²c总线数据引脚sda连接所述系统协调、唤醒单元300中第一控制芯片u1的总线数据输入引脚sdain，第二电容c2一端连接所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源vdd3.3，另一端接地。

如图4所示，所述驱动唤醒单元500包括第五电阻r5、第六电阻r6、第一功率器件q1、第二功率器件q2和第二二极管d2，所述第一功率器件q1选用n-mosfet，基极为输入端，连接所述井下控制单元400的输出信号，源极接地，第五电阻r5一端连接所述第一功率器件q1的基极，另一端接地，所述第一功率器件q1的漏极连接所述第二功率器件q2的基极，所述第二功率器件q2的漏极连接第二二极管d2的负极，所述第二二极管d2的正极连接所述井下电源管理系统700中3.3v直流稳压电源vdd3.3，所述第二功率器件q2的源极为输出端，连接所述驱动执行机构600，第六电阻r6一端连接所述第二二极管d2的负极，另一端连接所述第二功率器件q2的基极。

如图5所示，本发明提供的多级多通道井下低功耗控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

a100：入井前设置：智能钻井工具入井前，根据当前井下工况、传输介质、不同数据通信方式的特性等因素，确定钻井过程中需用到的数据通信方式，组成多通道数据通信单元200，通过系统协调、唤醒单元300与井下控制系统400连接；

a101：钻井工具入井：根据多通道数据通信单元200的组成情况，确定井下控制单元400的唤醒时间间隔与唤醒后的持续时间，智能钻井工具以休眠状态入井；

a103：信号监测：系统协调、唤醒单元300按设定的时间间隔唤醒井下控制单元400，井下控制单元400在唤醒时间内，实时监测多通道数据通信单元200的输出信号；

a104：判断是否收到指令：若井下控制单元400在唤醒时间内未监测到多通道数据通信单元200的输出信号，即地面控制单元100未下发控制指令，则转至步骤a103；

a105：执行指令：若井下控制单元400在唤醒时间内监测到多通道数据通信单元200的输出信号，则井下控制单元400进入工作模式，解释执行地面控制单元100的指令；

a106：判断是否为驱动指令：若指令中包含控制驱动执行机构600的信息，则井下控制单元400控制驱动唤醒单元500动作，下一步执行步骤a107、否则下一步转步骤a109；

a107：连通执行机构电源：驱动唤醒单元500连通驱动执行机构600与井下电源管理单元700之间的供电通道；

a108：执行规定的操作：驱动执行机构600产生足够的驱动力，执行规定的操作后，井下控制单元400控制驱动唤醒单元500，断开驱动执行机构600与井下电源管理单元700之间的供电通道，下一步转步骤a109；

a109：判断是否指令执行完毕：若井下控制单元400未执行完地面控制单元100的全部指令，则转步骤a105；

a110：进入休眠状态：若井下控制单元400执行完地面控制单元100的全部指令，则重新进入休眠状态，转步骤a103。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。