一种低功耗井筒水声波通信控制系统及其控制方法与流程

本发明属于石油天然气钻井技术领域，特别是涉及一种低功耗井筒水声波通信控制系统及其控制方法。

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。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种低功耗井筒水声波通信控制系统，以实现地面与井下设备间的无线智能通信与控制及其控制方法。

为了达到上述目的，本发明提供的低功耗井筒水声波通信控制系统包括：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。

本发明提供的低功耗井筒水声波通信控制系统的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

a001：为实现低功耗控制，井下设备入井前，设置井下控制执行系统的休眠唤醒时间间隔，井下设备以休眠状态入井；

a002：按设定的时间间隔井下控制执行系统自动唤醒，唤醒时长为t，唤醒时长t取决于当前井下设备所在的井深及一帧声波信号的时间长度；

a003：在井下控制执行系统唤醒时长t内，井下水声波接收系统测量、滤波、放大、转换、解调通过水声接收换能器接收到的信号；

a004：井下控制执行系统判断解调信号是否为地面水声波发射系统发射的控制指令，若判断结果为是，执行步骤a005，否则执行步骤a003；

a005：井下控制执行系统执行地面水声波发射系统的控制指令；

a006：判断是否执行完全部指令，若判断结果为是，执行步骤a007，否则执行步骤a005；

a007：井下控制执行系统进入休眠状态，等待下一个唤醒时刻的到来。

本发明提供的低功耗井筒水声波通信控制系统及其控制方法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为本发明提供的低功耗井筒水声波通信控制系统结构框图；

图2为本发明提供的地面水声波发射系统结构框图。

图3为本发明提供的井下水声波接收系统结构框图。

图4为本发明提供的井下控制执行系统结构框图。

图5为本发明提供的低功耗井筒水声波通信控制系统的控制方法流程图。

图6为本发明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发明提供的低功耗井筒水声波通信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，本发明提供的低功耗井筒水声波通信控制系统包括：

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。

如图5所示，本发明提供的低功耗井筒水声波通信控制系统的控制方法为井下控制执行系统400所采用的控制方法，其包括按顺序进行的下列步骤：

a001：为实现低功耗控制，井下设备入井前，设置井下控制执行系统400的休眠唤醒时间间隔，井下设备以休眠状态入井；

a002：按设定的时间间隔井下控制执行系统400自动唤醒，唤醒时长为t，唤醒时长t取决于当前井下设备所在的井深及一帧声波信号的时间长度；

a003：在井下控制执行系统400唤醒时长t内，井下水声波接收系统300测量、滤波、放大、转换、解调通过水声接收换能器3001接收到的信号；

a004：井下控制执行系统400判断解调信号是否为地面水声波发射系统100发射的控制指令，若判断结果为是，执行步骤a005，否则执行步骤a003；

a005：井下控制执行系统400执行地面水声波发射系统100的控制指令；

a006：判断是否执行完全部指令，若判断结果为是，执行步骤a007，否则执行步骤a005；

a007：井下控制执行系统400进入休眠状态，等待下一个唤醒时刻的到来。

如图6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6(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6(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6(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，可以看出，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。