[发明专利]一种低功耗井筒水声波通信控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。