一种井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统

1.本发明涉及井下生产设备技术领域，具体地，涉及一种井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统。


背景技术：

2.我国是海洋油气资源比较丰富的国家，在陆上油气生产增长缓慢和海外油气引进受到限制的条件下，大力开发海洋油气对确保国家能源安全具有十分重要的意义。随着海上石油气勘探、开采业务的快速发展，海上油气泄漏引发的海洋环境污染风险也日益严峻。井喷、平台火灾事故和海底管道泄漏是海上油气泄漏的主要事故源。井下工具设置在油气井内，生产设施发生火警、管线破裂、发生不可抗拒的自然灾害等非正常情况时，井下工具迅速停止工作，紧急关闭，能够有效控制油气泄漏，防止海洋环境污染和其它的事故损失进一步扩大，保证生产安全。
3.目前井上控制井下工具操动的一般原理为：井下工具下入井筒内，通过井上液压控制系统控制井上液站加压，压力经液控管线从井上传至井下工具的活塞缸，启动井下工具，推动活塞向下移动到要求的位置，并压缩弹簧。保持控制管线压力，井下工具处于正常工作状态，释放控制管线压力，弹簧力推动活塞上移，井下工具关闭。井上液压控制系统远程控制的井下工具由长距离的控制管线连接井上液站和井下工具，实现压力传递，井下工具的动作明显延迟，特别是在出现紧急情况时，不能快速关闭井下工具而阻止油气泄漏，并且随着井深的增加，响应的延迟时间将更长，会导致更大的损失。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统，本发明解决了长距离液控管线造成的控制延时问题，紧急事件发生时，井下工具能够快速泄压关闭，显著提高了油气生产的安全性。
5.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
6.一种井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统，所述系统包括井上控制单元、井下控制单元和井下微型液站，所述井上控制单元与井下控制单元通过光纤连接通信，所述井上控制单元通过光纤向井下控制单元发送控制指令，井下控制单元原位控制所述井下微型液站，所述井下控制单元能够自主处理采集的井下压力数据，根据获取的压力数据原位主动控制所述井下微型液站，所述井下微型液站液压驱动控制由液压管线连接的井下工具，所述井下控制单元还将采集的数据发送到井上控制单元显示并存储。
7.可选地，所述井上控制单元包括上位机和控制箱，所述控制箱的面板上设置有控制按钮和通信接口，控制箱内设置有i/o模块、井上光纤收发器、井上开关电源及井上滤波器，所述上位机通过通信接口与井上光纤收发器连接可以向井下发送井下工具动作指令，并接收井下状态信息，所述i/o模块与控制箱面板上的控制按钮连接，将操作命令通过通信接口发送到上位机，所述井上开关电源经过井上滤波器后给i/o模块和井上光纤收发器供
电，降低井上电源中的高频噪声对井下工具监控信号的干扰。
8.可选地，所述控制箱的前面板设置有总电源旋钮、系统启动/停止旋钮、手动加压按钮、自动加压按钮、泄压按钮、急停按钮、保压指示灯、压力高指示灯、压力低指示灯、补压指示灯、电源温度高指示灯、驱动器温度高指示灯，各个指示灯由上位机根据获取的井下压力、温度数据自动控制。
9.可选地，所述上位机安装有井下工具控制程序，所述井下工具控制程序的功能包括井下工具的控制参数设置、系统启动按钮、井下工具启动按钮、井下工具关闭按钮、控制方式选择、井下工具的压力、井下环境温度的显示、温度和压力数据的自动保存。
10.可选地，井下工具的动作可以由上位机界面按钮控制，也可以由控制箱面板上的按钮控制，控制箱面板上的系统启动按钮用于系统的上电控制，井下工具启动按钮用于开启井下工具，井下工具关闭按钮用于控制井下工具关闭，急停按钮用于紧急情况时系统断电，并关闭井下工具。
11.可选地，所述井下控制单元包括井下光纤收发器、控制卡、电机温度传感器、井下开关电源、第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、驱动器、驱动器温度传感器及井下滤波器，均能在高温下可靠工作，所述井下光纤收发器通过光纤连接井上光纤收发器，实现井上与井下的通信。
12.可选地，所述电机温度传感器设置于井下开关电源上方，用于检测井下开关电源的表面温度，所述驱动器温度传感器设置于驱动器上方，用于检测驱动器的温度。
13.可选地，所述井下控制单元还包括电容器备用电源，所述电容器备用电源包括超级电容器、第一继电器和第二继电器，所述第一继电器为常开触点继电器，所述第二继电器为常闭触点继电器，在意外情况断电时，所述超级电容器能够为控制井下工具关闭的井下微型液站的泄压电磁阀短暂供电，使井下工具泄压关闭，所述第一继电器和第二继电器由井下开关电源提供工作电源，超级电容器的充电接线端通过第一继电器的常开触点与井下开关电源连接，超级电容器的放电接线端通过第二继电器的常闭触点与井下微型液站的电磁阀连接。
14.可选地，所述井下控制单元的电源电缆和通信光纤需要从密闭的外层空腔中引出，密闭空腔的外部为高压的液体，为防止泄漏，引出的电缆和光纤须密封处理。
15.可选地，所述井下微型液站包括液压管线、油箱、泵、电机、单向阀、溢流阀、电磁阀、压力传感器，所述液压管线与井下工具连接，所述压力传感器实时获取油路的压力，压力低于设定压力值时，在井下控制单元的控制下，电磁阀关闭，泵和电机启动，油箱中的压力油经单向阀驱动井下工具，压力高于设定压力时，泵和电机停止，井下工具保持工作状态，所述电磁阀在井下控制单元的控制下，控制井下工具的泄压。
16.与现有技术相比，本发明井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统的有益效果为：
17.1、井上控制单元通过光纤与井下控制单元通信，能够可靠、高速的向井下发送井下工具启动、关闭指令，快速控制井下工具的动作，解决了长距离液控管线造成的控制延时问题，紧急事件发生时，井下工具能够快速泄压关闭，显著提高了油气生产的安全性；
18.2、井下控制单元根据接收到的控制指令控制井下微型液站的泵和电磁阀，使井下工具执行相应的动作，井下控制单元通过压力传感器采集井下工具的压力、温度数据，在井
下处理获得的数据，自动控制井下工具的工作压力，使井下工具能够保持稳定的工作状态；
19.3、井下控制单元同时将采集的压力、温度数据通过通信接口发送到井上控制单元，井上控制单元实时处理、保存井下压力、温度数据，并通过数值、曲线等方式直观显示，便于分析井下工具的工作性能，观察运行状态；
20.4、另外，意外断电时，电容器备用电源可短暂供电，使井下工具快速泄压，进一步提高了油气生产的安全性。
附图说明
21.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
22.图1为本发明实施例提供的井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统控制原理图；
23.图2为本发明实施例提供的井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统井上控制箱内部图；
24.图3为本发明实施例提供的井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统井上控制箱前面板图；
25.图4为本发明实施例提供的井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统井上控制箱后面板图；
26.图5为本发明实施例提供的井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统井下控制单元安装布置图；
27.图6为本发明实施例提供的井下微型液站液压原理图；
28.图7为本发明实施例提供的井下备用电源工作原理图。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
30.本发明提供了一种高温环境下用于驱动井下工具的光纤通信方式井下微型液站原位控制系统，具体地，图1为本发明实施例提供的井下微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统控制原理图，如图1所示，所述井下微型液站原位控制系统包括井上控制单元1、井下控制单元2和井下微型液站3。所述井上控制单元1包括控制箱100和上位机101，如图2所示，所述控制箱100内设置有井上光纤收发器102、io模块103、分线端子105、交换机106、井上开关电源107、井上滤波器108、断路器109。
31.所述井下控制单元2通过压力传感器303获取井下微型液站3的油路压力，在井下现场实时控制微型液站3的泵304、电机305、电磁阀302，使微型液站3驱动的井下工具4自动保持开启状态。井下控制单元2和井下微型液站3设置于密闭圆柱空腔内，密闭圆柱空腔外为高压的井下液体。所述井上控制单元1和井下控制单元2通过光纤104连接通信，光纤通信具有抗电磁干扰能力强、通信速率高、传输频带宽、通信容量大的特点，能够实时获取井下
设备的大量运行状态数据，出现紧急状况时，能够瞬时将井上的操作指令传送到井下，使井下工具4快速泄压关闭，保证油井安全。
32.如图3所示，所述控制箱100的前面板设置有总电源旋钮114、系统启动/停止旋钮115、手动加压按钮116、自动加压按钮117、泄压按钮118、急停按钮119、保压指示灯120、压力高指示灯121、压力低指示灯122、补压指示灯123、电源温度高指示灯124、驱动器温度高指示灯125，各个指示灯由上位机101根据获取的井下压力、温度数据自动控制。
33.如图4所示，所述控制箱100的后面板设置有rj45接口110、光纤接口111、控制箱电源航空插头112和井下电源航空插头113。所述上位机101通过rj45接口110连接交换机106，交换机106与设置在控制箱内部的井上光纤收发器102、i/o模块103连接。井上光纤收发器102通过光纤接口111、光纤104与井下光纤收发器213连接。i/o模块103与控制箱面板上的控制按钮连接，将面板操作命令通过i/o模块103的通信端口经过交换机106发送到上位机101，上位机101将收到的面板操作命令或上位机101的控制程序操作命令经过交换机106、井上光纤收发器102和光纤104发送到井下光纤收发器212，从而对井下工具4进行操作，同时接收压力传感器303、电机温度传感器201和驱动器温度传感器209的数据，监控井下设备的运行状态。
34.外部电源依次通过控制箱电源航空插头112、断路器109、井上开关电源107、井上滤波器108，与分线端子105连接，分线端子105连接控制箱内其它器件并提供工作电源。并且，外部电源依次通过控制箱电源航空插头112、断路器109、井上滤波器108、井下电源航空插头113、电源线126和井下开关电源202为井下设备供电。
35.如图5所示，所述井下控制单元2包括电机温度传感器201、井下开关电源202、第一继电器203、第二继电器204、第三继电器205、第四继电器206、控制卡207、驱动器208、驱动器温度传感器209、井下滤波器210、分线端子211、井下光纤收发器212、超级电容器213、安装板214和安装板216，输油管从中间输油管安装孔215通过。电机温度传感器201、井下开关电源202、第一继电器203、第二继电器204、第三继电器205、第四继电器206、控制卡207、驱动器208、驱动器温度传感器209依次从上到下设置于安装板214的安装面217上；井下滤波器210、分线端子211、井下光纤收发器212、电容器213依次从上到下设置于安装板214的安装面218上。电机温度传感器201设置于井下开关电源202上方，用于检测井下开关电源202的表面温度，驱动器温度传感器209设置于驱动器208上方，用于检测驱动器208的温度。所述井下光纤收发器212通过光纤104连接井上光纤收发器102，实现井上与井下的通信。
36.井上外部电源通过电源线126连接井下开关电源202，井下开关电源202经过井下滤波器210连接电机温度传感器201、驱动器温度传感器209、压力传感器303、控制卡207，为其提供工作电源。井下控制单元2的其它器件由井下开关电源202经分线端子211后供电。所述井下滤波器210能够降低电机208、电磁阀301等负载工作时的高频噪声对传感器和控制卡的干扰，提高采集温度压力数据的准确性和控制系统的可靠性。开关电源202紧贴安装平台214的安装面217，便于传导方式散热。
37.所述控制卡207包含微控制器mcu、定时器、串口uart、通用io、数模转换adc等。控制卡207的通用io数字输出通道do1连接第三继电器205，控制微型液站3的电磁阀302；控制卡207数模转换通道adc_ch1连接电机温度传感器201，adc_ch2连接驱动器温度传感器209，adc_ch3连接压力传感器303；控制卡207的定时器通道tim连接驱动器208的调速控制信号
端，通用io的do2连接驱动器208的使能信号端，实现电机的运动控制。其中定时器通道tim可以自动对泵304和电机305进行速度控制，根据加压的不同阶段设置泵304和电机305不同的转速，保证加压过程的平稳；通用io的do2对电机305使能控制，根据压力传感器303获取的压力数据控制泵304和电机305的启动与停止；当井下工具4压力低于设置压力时，mcu发出泵304和电机305的启动指令，第四继电器206触点闭合，泵304和电机305使能启动，开始自动加压；当井下工具4压力高于设置压力时，mcu发出泵304和电机305停止指令，第四继电器206触点断开，泵304和电机305使能关闭，加压停止，井下工具4保持开启状态。控制卡207通过mcu的uart串口与井下光纤收发器212连接，实现数据与控制命令的传输。
38.所述控制卡207的电路板采用耐高温聚酰亚胺材料，电路板上的其他配套组件，例如内存、时钟、电源和无源器件等均为支持高工作温度的器件，能在高温度下可靠工作。
39.所述上位机101中安装有井下工具4的软件控制系统，所述软件控制系统的功能包括井下工具4的控制参数设置、系统启动/停止按钮、井下工具4启动按钮、井下工具4停止按钮、手动与自动控制方式选择、井下工具4的压力、井下环境温度的显示以及温度、压力数据的自动保存。所述控制参数设置包括井下工具4保压范围设置，该参数保存在井下控制单元2的控制卡207中，在控制卡207的控制下，高于保压范围时，井下工具4自动停止加压，低于保压范围时，井下工具4自动加压。所述井下工具4启动按钮用于启动井下工具4，在上位机101软件控制系统操作界面上按下井下工具启动按钮后，上位机101通过井上光纤收发器102将启动指令发送到井下，由井下光纤收发器212接收并传输到井下控制卡207，控制第四继电器206、驱动器208、泵304和电机305，使井下工具4启动。井下工具4关闭按钮用于控制井下工具4关闭，按下井下工具关闭按钮后，上位机101通过光纤收发器102将关闭指令传输到井下控制卡207，控制第三继电器205与泄压电磁阀302，使井下工具4关闭。井下工具4的压力和井下环境温度的显示方式包括数值显示、曲线图形显示和指示灯显示。上位机101的软件控制系统根据压力传感器303获取的压力数据自动控制泵304和电机305的启动与停止，使井下工具4保压开启状态；在出现异常情况不能自动保持井下工具4的压力时，可以在上位机界面上选择手动方式控制启动泵304和电机305，提高井下工具4的压力。上位机101通过rj45通信接口110、交换机106与井上光纤收发器102连接，可以将上位机101软件控制系统的操作指令发送到井下，并接收井下设备的状态信息。
40.所述井下工具4可以由上位机101的软件控制系统操作按钮控制，也可以在控制箱100的前面板上操作。系统启动/停止旋钮115用于系统的启停控制，处于启动位置时，控制系统开始工作，此时上位机101接收井下的温度与压力数据，并在软件控制系统界面上以图形和数值两种方式显示出来；自动运行按钮117用于启动井下工具4，按下自动运行按钮117后，井下工具4的启动指令通过i/o模块103传输到上位机101，上位机101通过井上光纤收发器102发送到井下，由井下光纤收发器212接收并传输到井下控制卡207，控制卡207根据井下压力数据判断是否启动井下工具4，井下工具4的压力低于设定压力时，第四继电器206线圈上电，触点导通，驱动器208使能，泵304和电机305启动，使井下工具4开启；泄压按钮118按下后，井下工具4关闭指令通过i/o模块103传输到上位机101，上位机101通过井上光纤收发器102与井下控制卡207通信，控制继电器205与泄压电磁阀302，使井下工具4关闭；急停按钮119用于紧急情况时系统断电，并关闭井下工具4。自动运行不能正常开启井下工具4时，可以用手动运行按钮116控制井下工具4的开启。
41.如图6所示，所述井下微型液站3包括液压管线301、电磁阀302、压力传感器303、泵304、电机305、油箱306、溢流阀307、单向阀308。液压管线301与井下工具4连接，为井下工具4提供工作压力；电磁阀302在井下控制单元2的控制下，控制井下工具4的泄压；压力传感器303获取井下工具4的油路压力，井下控制单元2处理之后自动控制加压过程。
42.所述井下控制单元2和井下微型液站3设置于密闭圆柱空腔内，密闭圆柱空腔外为高压的井下液体。井下控制单元2的电源线126、光纤104和液压管线301需要从密闭圆柱空腔中引出，为避免密闭圆柱空腔外部的高压液体泄漏进入空腔内，引出的电源线126、光纤104和液压管线301必须进行密封处理。处理方法为：在密闭圆柱空腔上端面设置两个液压管接头，圆柱空腔内的电源线126和光纤104从其中一个液压管接头穿过，再通过圆柱空腔外部的液压硬管管线连接外部电源线126和光纤104的液压管接头；液压管线301通过另一个液压管接头与井下工具4的液压管接头连接。
43.如图7所示，电容器备用电源200包括超级电容器213、第一继电器203和第二继电器204，其中第一继电器203为常开触点继电器，第二继电器204为常闭触点继电器。在意外情况断电时，超级电容器213能够为控制井下工具4关闭的泄压电磁阀302短暂供电，使井下工具4泄压关闭，供电时间由电容器的电容量决定。第一继电器203和第二继电器204由井下开关电源202提供工作电源，超级电容器213的充电接线端通过第一继电器203的常开触点与井下开关电源202连接，超级电容器213的放电接线端通过第二继电器204的常闭触点与电磁阀302连接。正常供电时，第一继电器203的线圈保持上电状态，第一继电器203的常开触点闭合，超级电容器213快速充满电并保持这一状态。同时，第二继电器204的线圈保持上电状态，第二继电器204的常闭触点断开，超级电容器213通过第二继电器204的常闭触点连接泄压电磁阀302，超级电容器213不对泄压电磁阀302供电。正常供电中断时，第一继电器203和第二继电器204的线圈失电，第一继电器203的常开触点断开，第二继电器204的常闭触点闭合，泄压电磁阀302由超级电容器213供电，电磁阀302打开，油路泄压，井下工具4自动复位关闭。
44.井下微型液站3的工作过程为：压力传感器303实时获取油路的压力，压力低于设定压力值时，在井下控制单元2的控制下，电磁阀302关闭，泵304和电机305启动，油箱306中的压力油经单向阀308驱动井下工具4，压力高于设定压力时，泵304和电机305停止，井下工具4保持工作状态。工作结束时按下泄压按钮118，或紧急情况下按下急停按钮119，电磁阀302可以快速开启，井下工具4泄压复位。
45.与现有技术相比，本发明井下工具微型液站的光纤通信耐高温原位控制系统的有益效果为：
46.1、井上控制单元通过光纤与井下控制单元通信，能够可靠、高速的向井下发送井下工具启动、关闭指令，快速控制井下工具的动作，解决了长距离液控管线造成的控制延时问题，紧急事件发生时，井下工具能够快速泄压关闭，显著提高了油气生产的安全性；
47.2、井下控制单元根据接收到的控制指令控制井下微型液站的泵和电磁阀，使井下工具执行相应的动作，井下控制单元通过压力传感器采集井下工具的压力、温度数据，在井下处理获得的数据，自动控制井下工具的工作压力，使井下工具能够保持稳定的工作状态；
48.3、井下控制单元同时将采集的压力、温度数据通过通信接口发送到井上控制单元，井上控制单元实时处理、保存井下压力、温度数据，并通过数值、曲线等方式直观显示，
便于分析井下工具的工作性能，观察运行状态；
49.4、另外，意外断电时，电容器备用电源可短暂供电，使井下工具快速泄压，进一步提高了油气生产的安全性。
50.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。