一種基于電力線載波通信的深井鉆探測控設(shè)備的制作方法

本實用新型涉及深井鉆探測控領(lǐng)域，具體講涉及一種基于電力線載波通信的深井鉆探測控設(shè)備。

背景技術(shù)：

目前，全球油氣資源勘探程度越來越高，但新增儲量主要集中在沙漠、沼澤、叢林、深海、極地等復(fù)雜區(qū)域，油氣資源隱蔽性越來越強，常規(guī)鉆探技術(shù)受到越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對挑戰(zhàn)，世界各大石油公司紛紛開展新技術(shù)研發(fā)。

當(dāng)前深井鉆探系統(tǒng)一般把電機控制器、變頻器、電機、傳感器、鉆頭等設(shè)備放在井下，井下設(shè)備體積較大,井上和井下設(shè)備一般采用CAN總線方式通信，當(dāng)通信距離超過兩至三公里后，通信速率會低于5Kbps。

現(xiàn)有深井鉆探測控系統(tǒng)和裝置有以下幾個不足：

1)井下系統(tǒng)體積龐大，鉆孔孔徑相對也大；

2)井下一般溫度高，變頻器或電機控制器等設(shè)備在高溫環(huán)境下很容易損壞；

3)基于CAN總線通信鉆探裝置，井上和井下設(shè)備至少需要4根電纜(其中兩根動力線纜，兩根通信線纜)，使得幾公里長的井下的連接裝置變得很復(fù)雜，并且成本很高；

4)基于無線通信，鉆探裝置的無線傳輸會受到距離的影響，使得鉆探深度受到限制，一般只有幾百米；

5)現(xiàn)有鉆探系統(tǒng)的井下和井上設(shè)備之間的通信速率較低，一般小于幾Kbps，常常不能滿足實時采集數(shù)據(jù)的需求。

針對上述現(xiàn)有深井鉆探測控系統(tǒng)和裝置有諸多弊端，本實用新型提出了一種基于電力線載波通信的深井鉆探測控設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實用新型提出了

一種基于電力線載波通信的深井鉆探測控設(shè)備，包括：分別與高壓電纜兩端連接的地面裝置和井下裝置，地面裝置包括：

與高壓電纜一端分別連接的地面載波模塊，變頻器和電纜釋放單元；電纜釋放單元同與地面主控系統(tǒng)連接的電纜長度測量單元相連。

地面主控系統(tǒng)分別同決策與總控系統(tǒng)、地面輔助測量單元和人機交互單元相連。

井下裝置包括：井下測控系統(tǒng)，和與井下測控系統(tǒng)分別連接的供電系統(tǒng)、井下載波模塊、傳感器單元、旋轉(zhuǎn)編碼器和電機。旋轉(zhuǎn)編碼器與電機相連；電機經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)與鉆頭相連。

地面主控系統(tǒng)與井下控制系統(tǒng)經(jīng)控制通道和負(fù)反饋通道反饋通道相互連接。

控制通道包括：所述變頻器和與所述變頻器相連的電機；負(fù)反饋通道包括：井下載波模塊和與井下載波模塊相連的地面載波模塊。

載波模塊包括：協(xié)議轉(zhuǎn)換接口單元、載波調(diào)制/解調(diào)單元、發(fā)送通道、接收通道和耦合器；協(xié)議轉(zhuǎn)換接口單元與載波調(diào)制/解調(diào)單元連接，載波調(diào)制/解調(diào)單元經(jīng)發(fā)送通道和接收通道與耦合器相連。耦合器為：電容耦合器或電感耦合器。

載波模塊包括：半雙工通信方式和單工通信方式，單載波模式和多載波模式；載波模塊工作頻率為10kHz-1MHz。

傳感器單元包括：壓力傳感器、溫度傳感器、流體流量傳感器、流體密度傳感器、傾斜傳感器和距離傳感器。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本實用新型具有如下有益效果：

1)本實用新型將體積較大的變頻器和主控系統(tǒng)放在了地面上，從而減小了井下設(shè)備的體積，節(jié)約了成本，降低了設(shè)備損壞的概率；

2)本實用新型深井鉆探測控系統(tǒng)的地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)通過電力線載波通信，將通信和供電功能結(jié)合，實現(xiàn)使用共享，只需要兩根線即可完成電力的供應(yīng)和信號的傳輸，從而減少了電纜芯的數(shù)量，降低了成本，簡化了井下和地面連接設(shè)備的加工難度。

3)本實用新型的電力線載波通信模塊具有信道認(rèn)知、頻譜聚合以及陷波功能；載波模塊能夠根據(jù)電力線上信道的衰減和設(shè)備的噪聲，自動的選擇可通行的 頻帶和帶寬，將噪聲大的頻帶做陷波處理，將多個通信較好的頻帶做頻譜聚合，從而降低了變頻器對載波模塊的干擾程度，增加了通信帶寬，增加了可通信資源；

4)本實用新型可以配置成半雙工或單工通信方式。在單工通信方式下，井下載波模塊一直連續(xù)發(fā)送載波信號，地面載波模塊一直連續(xù)接收信號，且通過超短幀減少了數(shù)據(jù)包長度，這樣可以降低載波通信時延(<1ms)，從而可以快速控制電機和鉆頭的工作；

5)本實用新型的井下系統(tǒng)具有抗震功能，其供電系統(tǒng)、井下載波模塊、井下測控系統(tǒng)、多種傳感器、電機和旋轉(zhuǎn)編碼器都密封在很厚的金屬殼體內(nèi)，且金屬殼體內(nèi)填充了高粘稠度的機油，從而降低了電機和鉆頭轉(zhuǎn)動帶來的震動，減少了裝置和器件損壞的可能，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可靠性；

6)本實用新型利用電力線載波低頻遠(yuǎn)傳的特性，并結(jié)合無分支的簡單拓?fù)漕愋?，使得電力線載波信號可以傳輸幾公里的距離。

附圖說明

圖1是本實用新型的深井鉆探測控系統(tǒng)框圖；

圖2是本實用新型的長距離負(fù)反饋閉環(huán)測控框圖；

圖3是本實用新型的載波模塊結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是本實用新型的地面載波模工作流程圖；

圖5是本實用新型的井下載波模工作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型基于電力線載波通信的深井鉆探測控設(shè)備作進一步詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本專利具體涉及一種集鉆探信號感知、測量、通信、控制、存儲和顯示于一體的深井鉆探系統(tǒng)及其設(shè)備，深井鉆探系統(tǒng)分為地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)兩部分。地面系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)井下系統(tǒng)的供電、通信、控制及數(shù)據(jù)存儲和顯示；井下系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)測量鉆井地層的地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)，然后將測量的參數(shù)反饋給地面系統(tǒng)，然后接收地面系統(tǒng)不同的鉆探指令，從而控制電機和鉆頭的完成鉆探任務(wù)。

電力線載波模塊可以根據(jù)配置工作在單載波和多載波的模式。電力線載波模塊的工作頻率為10kHz-1MHz，電力線載波模塊可以根據(jù)信道的情況自行選擇某個段或某幾段頻譜進行電力線載波通信。該測控系統(tǒng)和裝置只有井下和地面兩個設(shè)備通信，電力線沒有分支，因此利用點與點低頻遠(yuǎn)傳的特性，使得通信距離可以達(dá)到幾公里。

具體實施過程如下：

(1)自上而下控制(地面系統(tǒng)控制井下系統(tǒng))

地面或遠(yuǎn)方?jīng)Q策與總控系統(tǒng)通過有線或者無線通信方式控制并監(jiān)控地面主控系統(tǒng)。

地面控制系統(tǒng)根據(jù)井下系統(tǒng)反饋的電機、鉆頭的運動情況以及地質(zhì)參數(shù)，控制變頻器工作。變頻器根據(jù)主控系統(tǒng)的指令調(diào)節(jié)電源的通斷，然后經(jīng)過高壓電纜將變頻的電力輸送到井下系統(tǒng)的供電系統(tǒng)模塊。

高壓電力為直流電或交流電；供電系統(tǒng)將變頻電力傳送到電機，通過執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)動，從而進行深井的鉆探。

旋轉(zhuǎn)編碼器將電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置等信息進行編碼，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送給井下測控系統(tǒng)。

井下測控系統(tǒng)的工作模式有兩種：配置模式和采集模式。

模塊上電復(fù)位為配置模式，等待井上模塊的指令。地面系統(tǒng)通過斷電，上電初始化井下模塊為配置模式；地面系統(tǒng)通過配置指令可以配置井下模塊為采集模塊。

井下測控系統(tǒng)是井下系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)井下系統(tǒng)所有的測量和控制任務(wù)。井下測控系統(tǒng)包括控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、傳感器接口和電機驅(qū)動電路4個部分。其中控制器負(fù)責(zé)整個井下系統(tǒng)的測量和控制任務(wù)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換成控制器可以識別的數(shù)字信號；傳感器接口負(fù)責(zé)與井下系統(tǒng)的其它傳感器的對接；電機驅(qū)動電路主要是驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動。

多種傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、流體流量傳感器、流體密度傳感器、傾斜傳感器、距離傳感器將地層的孔隙壓力、破裂壓力、溫度、孔隙度、滲透率、飽和度、流體流量、井斜、方位、工具溫度等地質(zhì)參數(shù)轉(zhuǎn)換層電信號傳輸給井下井測控系統(tǒng)。

電纜長度測量裝置根據(jù)電纜釋放長度等效測量地下系統(tǒng)的深度，然后將深度信息轉(zhuǎn)換成電信號傳送給井下地面主控系統(tǒng)。電纜纏繞在帶有光電編碼盤的滾軸上，井下測控系統(tǒng)根據(jù)光電編碼盤輸出脈沖的個數(shù)測量電纜釋放的長度，從而等效計算鉆井的深度，電纜釋放裝置由電機帶動滾軸旋轉(zhuǎn)，從而控制電纜的釋放。

(2)自下而上負(fù)反饋(井下系統(tǒng)反饋信息到地面系統(tǒng))

井下載波模塊將井下測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電力線載波信號，通過耦合器將電力線載波信號耦合到高壓電纜上。

電力線載波信號為單頻載波或多載波信號。井下載波模塊將信號通過高壓電纜傳送到地面系統(tǒng)中的地面載波模塊。

電力線載波通信模塊具有信道認(rèn)知、頻譜聚合以及陷波功能。載波模塊能夠根據(jù)電力線上信道的衰減和設(shè)備的噪聲，自動的選擇可通行的頻帶和帶寬，將噪聲大的頻帶做陷波處理，將多個通信較好的頻帶做頻譜聚合。

地面載波模塊將井下系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)傳送給地面主控系統(tǒng)，其包括三方面功能：

1)接收地面或遠(yuǎn)方?jīng)Q策與總控系統(tǒng)的遙控指令；

2)接收從井下系統(tǒng)反饋的井下參數(shù)；

3)根據(jù)遙控指令和井下系統(tǒng)反饋的參數(shù)綜合運算，控制變頻器輸出變頻的電力信號，經(jīng)電纜傳輸至井下供電系統(tǒng)，進而控制井下電機的轉(zhuǎn)動。

人機交互數(shù)據(jù)存儲和顯示模塊將整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)和參數(shù)等信息進行顯示和存儲。

地面輔助測量裝置完成地面氣象信息參數(shù)和地理信息參數(shù)的測量。

氣象信息參數(shù)包括：溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)力。

地理信息參數(shù)包括：經(jīng)度、維度、海拔。

這樣周而復(fù)始的重復(fù)控制和負(fù)反饋的過程，就完成了整個深井探測系統(tǒng)的鉆探測控任務(wù)。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本實用新型的具體實施方式進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。