一种基于自供能的随钻通讯中继节点

1.本发明涉及随钻通讯，尤其是一种基于自供能的随钻通讯中继节点。


背景技术：

2.随着经济的发展，石油资源的勘探和开采从地球浅层发展到地层深处和海洋。随钻测井技术的应用也越来越广泛。随钻通讯作为随钻测井技术的关键环节，也是制约随钻测井技术发展的瓶颈。现有的井下用于随钻通讯的中继节点大多采用电缆、涡轮发电机或电池组供电。电缆工艺复杂，在钻杆接头处磨损严重；涡轮发电机维护难度大，成本高。电池组寿命有限，受井下环境影响大；另外现有井下用于随钻通讯的中继节点体积大、结构复杂、间隔距离远，导致中继节点部署难度高，信息传输的抗干扰能力差。因此有待发明一种用于随钻通讯但不需要以上方式供电而且部署方便、抗干扰能力强的中继节点。


技术实现要素：

3.本发明的发明目的在于：针对上述问题，发明提出一种基于自供能的随钻通讯中继节点，自供能随钻通讯中继节点具有体积小、结构简单的特点，可以部署在每一根钻杆上，通过收集钻杆的振动能量工作，抗干扰能力强、信息传输稳定、维护成本低、寿命更长，基本可以实现一次部署永久使用，无需重复更换电池。
4.本发明通过以下技术方案实现：提供一种基于自供能的随钻通讯中继节点，包括能量供给系统、随钻通讯中继节点；所述能量供给系统收集井下能量为随钻通讯中继节点供电；所述能量供给系统包括能量转换模块、能量管理储存模块；所述能量转换模块收集井下能量并转换为电能，传输至能量管理存储模块；所述能量管理存储模块将能量转换模块产生能量进行存储管理后每隔固定时间对随钻通讯中继节点供电。
5.进一步地，所述能量转换模块为摩擦纳米发电机、压电纳米发电机的其中一种或几种。
6.进一步地，所述能量管理存储模块包括储能元件、电压比较器、计时器；所述随钻通讯中继节点获取储能元件的电量，将储能元件的电量值进行存储，定期将电量值传输到后一个中继节点，进而传输到地面控制端。
7.进一步地，所述随钻通讯中继节点包括无线接收模块、数据处理模块1、数据处理模块2和无线发射模块。所述无线接收模块为包括接收线圈和相应的电路组件，用于接收前一个随钻通讯中继节点传输的井下数据；所述无线发射模块为包括发射线圈和相应的电路组件，用于发射数据到后一个随钻通讯节点；所述数据处理模块1对无线接收模块接收的井下数据进行预处理。
8.进一步地，所述接收线圈与发射线圈分别处于钻杆的两端，接收线圈与前一个钻杆上随钻通讯中继节点的发射线圈在钻杆接头处相耦合，用于无线接收耦合信号；发射线圈与后一个钻杆上随钻通讯中继节点的接收线圈在钻杆接头处相耦合，用于无线发射耦合信号。
9.进一步地，所述数据处理模块1对无线接收模块接收的井下数据进行处理具体为：数据处理模块对传感器数据进行处理，唤醒数据处理模块2，并向数据处理模块2传递经过预处理的数据。
10.进一步地，所述数据处理模块2对接收到的预处理后的数据进行处理具体为：数据处理模块2采集储能元件的电量信息后，对接收到预处理后的数据进行进一步处理后唤醒无线发射模块并传递经进一步处理后的数据，无线发射模块接收到数据后将数据无线发送到后一个随钻通讯中继节点。
11.进一步地，所述随钻通讯中继节点的计时器发送计时脉冲时，电压比较器对储能元件的电量值进行判断，当储能元件电量值大于或等于v1时，数据处理模块1对无线接收模块接收到的井下数据进行预处理，唤醒数据处理模块2，并将预处理结果发送到数据处理模块2，数据处理模块2进行进一步处理后唤醒无线发送模块并传递信息，无线发射模块则将信息传输到后一个随钻通讯中继节点；
12.进一步地，所述无线接收模块为包括电磁波信号接收装置，磁耦合接收装置的其中一种。
13.进一步地，所述无线发射模块为包括电磁波信号发射装置，磁耦合发射装置的其中一种。
14.本发明的有益效果是：1.本发明中的一种基于自供能的随钻通讯中继节点，在钻井过程中，基于自供能的随钻通讯中继节点分布在每根钻杆上，使用自供能技术将井下中的能量转化为电能，相邻钻杆上的随钻通讯中继节点通过在钻杆接头处相互耦合的发射线圈和接收线圈传输数据，抗干扰性强，实现了自供能的随钻通讯中继节点，减少了随钻通讯的能量的消耗，降低了日常的维护难度和成本。2.本发明中的一种基于自供能的随钻通讯中继节点，可将分布式的机械能转化电能为随钻通讯中继节点进行供电，可保证随钻通讯中继节点在井下极限环境里正常的工作，避免后续花费大量的财力和人力去维护。3.本发明中的一种基于自供能的随钻通讯中继节点，在计时器产生计时脉冲且储能元件的电量值达到一定值时，依次唤醒各个模块，以保证自供能的随钻通讯中继节点的高稳定性的工作，实现网络延迟小、实时性高的自供能的随钻通讯中继节点。4.本发明中的一种基于自供能的随钻通讯中继节点，可采集储能元件的电量值并发送至后续的随钻通讯中继节点中，进而发送到地面地面控制端，有利于后续工作中根据随钻通讯中继节点储能元件的电量值进行随钻通讯中继节点位置以及随钻通讯中继节点位置具体工作的部署。
附图说明
15.图1能量供给系统的设计结构图。
16.图2随钻通讯中继节点的设计结构图。
17.图3自供能随钻通讯系统中的数据传输框图。
18.图4自供能随钻通讯中继节点的设计结构图具体实施案例
19.为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本技术保护的范围。
20.目前石油钻井井下通讯系统存在两个重要问题，第一个是目前普遍采用的泥浆脉冲法信息传输速度较慢、传输速度不高、抗干扰能力差。第二个石油钻井通讯设备等设备供能问题，目前采用集中供能方式，其设备主要采用涡轮发电机和电池组，实际应用中都存在工作时间短和成本高的问题。因为供能问题而停止钻井作业的成本是巨大的，而自供能随钻通讯中继节点通过分布在每个钻杆上，并在每根钻杆上利用分布式井下能量收集的特点为其提供了一种新的解决方案。自供能与随钻通讯中继节点的结合，可保证随钻通讯中继节点在各种各样极限井下里长时间的工作，避免后续花费大量的财力和人力去维护，具有体积小、部署方便、抗干扰能力强的特点。同时相对于传统的泥浆脉冲法，增加了信息传输速度。
21.实施例1：
22.实施例1为一种基于自供能的随钻通讯中继节点，包括能量供给系统、随钻通讯中继节点；所述能量供给系统收集井下能量为随钻通讯中继节点供电；如图1所示，所述能量供给系统包括能量转换模块、能量管理储存模块；所述能量转换模块收集井下能量并转换为电能，传输至能量管理存储模块；所述能量管理存储模块产生能量并进行存储管理后，每隔固定时间对随钻通讯中继节点供电。
23.使用自供能技术将井下中的能量转化为电能，实现了自供能的随钻通讯中继节点，节省了随钻通讯中继节点的能量的消耗，实现井下能量的再利用。
24.进一步地，所述能量转换模块为摩擦纳米发电机、压电纳米发电机的其中一种或几种。根据随钻通讯中继节点的实际地理位置、工作内容等情况，进行实际能量转换模块的部署。利用机械能转化电能为随钻通讯中继节点进行供电，可保证随钻通讯中继节点在各种各样极限井下里正常的工作，避免后续花费大量的财力和人力去维护。
25.进一步地，所述能量管理存储模块包括储能元件、定时器、电压比较器；所述随钻通讯中继节点获取储能元件的电量，将电量值发送至后续的随钻通讯中继节点，进而传输到地面控制端。有利于监控各个节点的工作状态。
26.进一步地，如图2所示，所述随钻通讯中继节点包括无线接收模块、数据处理模块1、数据处理模块2和无线发射模块。
27.进一步地，所述无线接收模块包括接收线圈和相应的电路组件，所述无线接收模块包括发射线圈和相应的电路组件；所述接收线圈和发射线圈分别处于钻杆的两端。接收线圈和前一个钻杆上的随钻通讯中继节点的发射线圈相耦合，用于无线接收耦合信号。发射线圈与后一个钻杆上的随钻通讯中继节点的接收线圈相耦合，用于无线发送耦合信号。所述数据处理模块1对无线接收模块接收的信息进行预处理。
28.进一步地，所述数据处理模块1对无线接收模块接收的井下信息进行预处理具体为：数据处理模块对无线接收模块接收的数据进行识别与初步处理，唤醒数据处理模块2，并向数据处理模块2传递数据。
29.进一步地，所述数据处理模块2对从数据处理模块1接收到的数据进行进一步处理具体为：数据处理模块2采集储能元件的电量信息后，对接收到预处理后的数据进行进一步
处理后唤醒无线发射模块并传递经处理后的数据，无线发射模块接收到数据后将数据无线发送到后一个随钻通讯中继节点。
30.进一步地，所述随钻通讯中继节点的计时器发送计时脉冲时，电压比较器判断储能元件的电量。当储能元件电量值大于或等于v1时，数据处理模块1对无线接收模块接收到的井下数据进行预处理，唤醒数据处理模块2，并向数据处理模块2传递信息。在计时器产生计时脉冲且储能元件的电量值达到一定值时，进行后续工作，以保证自供能的随钻通讯中继节点的高稳定性的工作，实现网络延迟小、实时性高、同步性好的随钻通讯。避免各个随钻通讯中继节点不同步或者储能元件的电量值低时随钻通讯中继节点的工作不稳定，或在工作发生错误，影响整个系统的正常运行。
31.进一步地，所述无线接收模块为电磁波信号接收装置、磁耦合接收装置的其中一种。
32.进一步地，所述无线发射模块为电磁波信号发射装置、磁耦合发射装置的其中一种。
33.实施例2：
34.本实施例为本发明一种实施方式，结合附图对本发明进行说明，图3是数据在自供能随钻通讯系统中的传输框图，图4是系统中的自供能随钻通讯中继节点设计结构图：
35.使用能量管理算法，制成一个自供能随钻通讯系统，自供能随钻通讯中继节点被部署在每一个钻杆上。在钻井过程中，大量分布在钻杆上的摩擦纳米发电机通过收集钻杆丰富的振动能供应随钻通讯中继节点工作。随钻通讯中继节点每隔固定时间接收前一个钻杆上的随钻通讯中继节点发送的井下信息，并将信息无线发送到后一个钻杆上的随钻通讯中继节点，传感器采集的井下数据可以通过分布在每根钻杆上的随钻通讯中继节点可以及时从井下传输到地面控制端，地面控制端可以通过接收到的信息及时做出判断，进而完善钻井过程。这个全新的系统相较于传统随钻通讯系统，部署更简单、传输速度更快、寿命更长、能节省大量的能量。
36.要实现以上功能，每一个钻杆上分布一个自供能随钻通讯中继节点，每一个自供能随钻通讯中继节点由更小的部分组成；自供能随钻通讯中继节点的能量获取模块被配置于钻杆上，在钻井过程中，钻杆会产生丰富的振动能，类型包括扭转振动、横向振动和纵向振动，均可由能量获取模块获取能量，并产生电能，接着将这部分电能通过整流变为稳定的能量被储存在作为储能元件的电解电容中，每隔固定时间且能量足够时，能量被供应到相应的随钻通讯中继节点，磁耦合接收装置通过在钻杆一端的磁耦合接收线圈接收前一个中继节点传输的数据信号，mcu1和mcu2分别预处理和进一步识别和处理数据，最后磁耦合发射装置将处理后的数据通过钻杆另一端的磁耦合发射线圈发送到后一个随钻通讯中继节点的磁耦合接收天线。由于每一个钻杆上的随钻通讯中继节点都进行信息的接收、识别、处理和发射，并且相邻随钻通讯中继节点的接收线圈和发射线圈距离很近，这样的自供能随钻通讯系统具有抗干扰能力强的特点。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。