本發(fā)明屬于石油天然氣鉆井技術領域，特別是涉及一種低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術：

控制信息的井下傳輸及井下儲層、地層信息的實時上傳監(jiān)測是石油鉆井領域中智能化作業(yè)的兩大基本問題。傳統(tǒng)信息傳輸采用電纜、光纖等有纜傳輸方式，實時性差，成本高，自動化程度低。無纜傳輸方式如泥漿脈沖、電磁波等，實現(xiàn)了油氣生產(chǎn)現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)的實時上傳和分析及地面對井下控制指令的傳達。然而，泥漿脈沖通信方式傳輸速率低，對井筒內(nèi)介質(zhì)組成要求高，電磁波通信方式雖然傳輸速率高，但受地層特性影響大，傳輸距離受限。

水聲通信技術以液體為傳輸介質(zhì)，以聲波為載體進行信號傳輸，在介質(zhì)中的衰減率僅為電磁波的千分之一，通信速率通?？蛇_到1kbps，具有傳輸距離遠、通信速率高、信號穩(wěn)定、通用性好的優(yōu)點。但應用到石油鉆井領域，由于井內(nèi)空間狹小、油管按節(jié)連接、套管內(nèi)壁不光滑、井下水油氣多種介質(zhì)狀態(tài)并存、井底溫度高等多種原因，技術難度較大，且遠距離傳輸，井下接收系統(tǒng)功耗大，目前尚無成熟的產(chǎn)品應用。

因此，針對復雜環(huán)境，在信道惡劣的條件下研究一種基于水聲波的井筒無線通信控制系統(tǒng)，實現(xiàn)地面與井下設備之間實時無線智能通信與控制是當前研究的重點和難點，在油井智能控制領域具有廣闊的應用前景。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提出一種低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)地面與井下設備間的無線智能通信與控制及其控制方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供的低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)包括：地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)、水聲信道、井下水聲波接收系統(tǒng)、井下控制執(zhí)行系統(tǒng)，其中：地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)通過水聲信道與井下水聲波接收系統(tǒng)連接，井下水聲波接收系統(tǒng)與井下控制執(zhí)行系統(tǒng)相連接；地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)為地面設備，井下水聲波接收系統(tǒng)和井下控制執(zhí)行系統(tǒng)構成井下設備。

所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)包括依次連接的計算機、信號調(diào)制單元、d/a轉(zhuǎn)換單元、功率放大單元、水聲發(fā)射換能器，由計算機產(chǎn)生數(shù)字水聲信號，由信號調(diào)制單元對數(shù)字水聲信號進行信號調(diào)制后，送入d/a轉(zhuǎn)換單元進行數(shù)字-模擬信號變換，再由功率放大單元進行模擬水聲信號的放大后，由水聲發(fā)射換能器將電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號后，發(fā)射至水聲信道中。

所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)中的功率放大單元最大輸出電壓1200v，連續(xù)輸出功率達到1000w。

所述井下水聲波接收系統(tǒng)包括依次連接的水聲接收換能器、信號調(diào)理單元、a/d轉(zhuǎn)換單元、信號解調(diào)單元，由水聲接收換能器將水聲信道傳遞的水聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，送入信號調(diào)理單元中，由信號調(diào)理單元進行濾波、放大后，送入a/d轉(zhuǎn)換單元進行模擬-數(shù)字信號變換，再由信號解調(diào)單元對編碼數(shù)字水聲信號進行解調(diào)，解調(diào)后的信號送入井下控制執(zhí)行系統(tǒng)中。

所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)中的水聲發(fā)射換能器和井下水聲波接收系統(tǒng)中的水聲接收換能器的中心頻率為12khz；所述的信號解調(diào)單元通過spi接口與中央處理單元連接。

所述井下控制執(zhí)行系統(tǒng)包括中央處理單元、測量單元、驅(qū)動單元、執(zhí)行機構，其中：中央處理單元分別與測量單元和驅(qū)動單元連接，驅(qū)動單元與執(zhí)行機構連接；所述的中央處理單元接收井下水聲波接收系統(tǒng)傳遞的水聲信號，根據(jù)水聲信號中包含的控制指令，由測量單元對井下工程參數(shù)進行實時測量、采集、存儲操作，由驅(qū)動單元驅(qū)動執(zhí)行機構產(chǎn)生對應的機械動作，測量單元、驅(qū)動單元與中央處理單元之間通過i²c總線連接。

本發(fā)明提供的低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)的控制方法包括按順序進行的下列步驟：

a001：為實現(xiàn)低功耗控制，井下設備入井前，設置井下控制執(zhí)行系統(tǒng)的休眠喚醒時間間隔，井下設備以休眠狀態(tài)入井；

a002：按設定的時間間隔井下控制執(zhí)行系統(tǒng)自動喚醒，喚醒時長為t，喚醒時長t取決于當前井下設備所在的井深及一幀聲波信號的時間長度；

a003：在井下控制執(zhí)行系統(tǒng)喚醒時長t內(nèi)，井下水聲波接收系統(tǒng)測量、濾波、放大、轉(zhuǎn)換、解調(diào)通過水聲接收換能器接收到的信號；

a004：井下控制執(zhí)行系統(tǒng)判斷解調(diào)信號是否為地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的控制指令，若判斷結果為是，執(zhí)行步驟a005，否則執(zhí)行步驟a003；

a005：井下控制執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)的控制指令；

a006：判斷是否執(zhí)行完全部指令，若判斷結果為是，執(zhí)行步驟a007，否則執(zhí)行步驟a005；

a007：井下控制執(zhí)行系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，等待下一個喚醒時刻的到來。

本發(fā)明提供的低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)及其控制方法相對于現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)勢：通過地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)、井下水聲波接收系統(tǒng)設計及調(diào)制/解調(diào)算法設計實現(xiàn)地面對井下設備遠距離實時無線控制，傳輸速率遠高于目前普遍使用的泥漿脈沖通信方式，傳輸穩(wěn)定性、抗干擾性能高于電磁波通信方式，傳輸距離遠、速率快、信號穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)結構框圖；

圖2為本發(fā)明提供的地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)結構框圖。

圖3為本發(fā)明提供的井下水聲波接收系統(tǒng)結構框圖。

圖4為本發(fā)明提供的井下控制執(zhí)行系統(tǒng)結構框圖。

圖5為本發(fā)明提供的低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)的控制方法流程圖。

圖6為本發(fā)明提供的水聲波井筒無線通信控制系統(tǒng)地面試驗波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)進行詳細說明。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明提供的低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)包括：

地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100、水聲信道200、井下水聲波接收系統(tǒng)300、井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400，其中：地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100通過水聲信道200與井下水聲波接收系統(tǒng)300連接，井下水聲波接收系統(tǒng)300與井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400相連接；地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100為地面設備，井下水聲波接收系統(tǒng)300和井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400構成井下設備。

所述水聲信道200指石油鉆井過程中井筒中使用的清水、鉆井液等液體介質(zhì)形成的通信信道。

所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100用于產(chǎn)生、編碼、放大、發(fā)射水聲信號，所述水聲信道200用于為水聲信號提供傳輸介質(zhì)，所述井下水聲波接收系統(tǒng)300用于接收、處理、解調(diào)水聲信號，所述井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400用于執(zhí)行井下水聲波接收系統(tǒng)300解調(diào)出的地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100發(fā)射的控制指令，井下水聲波接收系統(tǒng)300和井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400均由高溫鋰電池提供穩(wěn)定直流電能。

如圖2所示，所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100包括依次連接的計算機1001、信號調(diào)制單元1002、d/a轉(zhuǎn)換單元1003、功率放大單元1004、水聲發(fā)射換能器1005，由計算機1001產(chǎn)生數(shù)字水聲信號，由信號調(diào)制單元1002對數(shù)字水聲信號進行信號調(diào)制后，送入d/a轉(zhuǎn)換單元1003進行數(shù)字-模擬信號變換，再由功率放大單元1004進行模擬水聲信號的放大后，由水聲發(fā)射換能器1005將電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號后，發(fā)射至水聲信道200中。

所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100中的信號調(diào)制單元1002采用多載波調(diào)制技術進行地面數(shù)字水聲信號的調(diào)制。

所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100中的功率放大單元1004最大輸出電壓1200v，連續(xù)輸出功率達到1000w，可滿足5000m遠距離水聲信號傳輸功率需求。

如圖3所示，所述井下水聲波接收系統(tǒng)300包括依次連接的水聲接收換能器3001、信號調(diào)理單元3002、a/d轉(zhuǎn)換單元3003、信號解調(diào)單元3004，由水聲接收換能器3001將水聲信道200傳遞的水聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，送入信號調(diào)理單元3002中，由信號調(diào)理單元3002進行濾波、放大后，送入a/d轉(zhuǎn)換單元3003進行模擬-數(shù)字信號變換，再由信號解調(diào)單元3004對編碼數(shù)字水聲信號進行解調(diào)，解調(diào)后的信號送入井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400中。

如圖4所示，所述井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400包括中央處理單元4001、測量單元4002、驅(qū)動單元4003、執(zhí)行機構4004，其中：中央處理單元4001分別與測量單元4002和驅(qū)動單元4003連接，驅(qū)動單元4003與執(zhí)行機構4004連接。

所述的中央處理單元4001接收井下水聲波接收系統(tǒng)300傳遞的水聲信號，根據(jù)水聲信號中包含的控制指令，由測量單元4002對井下工程參數(shù)進行實時測量、采集、存儲等操作，由驅(qū)動單元4003驅(qū)動執(zhí)行機構4004產(chǎn)生對應的機械動作，測量單元4002、驅(qū)動單元4003與中央處理單元4001之間通過i²c總線連接。

所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100中的水聲發(fā)射換能器1005和井下水聲波接收系統(tǒng)300中的水聲接收換能器3001的中心頻率為12khz。

所述的信號解調(diào)單元3004通過spi接口與中央處理單元4001連接。

所述井下水聲波接收系統(tǒng)300中的信號解調(diào)單元3004采用非相干解調(diào)技術進行井下數(shù)字水聲信號的解調(diào)。

如圖5所示，本發(fā)明提供的低功耗井筒水聲波通信控制系統(tǒng)的控制方法為井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400所采用的控制方法，其包括按順序進行的下列步驟：

a001：為實現(xiàn)低功耗控制，井下設備入井前，設置井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400的休眠喚醒時間間隔，井下設備以休眠狀態(tài)入井；

a002：按設定的時間間隔井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400自動喚醒，喚醒時長為t，喚醒時長t取決于當前井下設備所在的井深及一幀聲波信號的時間長度；

a003：在井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400喚醒時長t內(nèi)，井下水聲波接收系統(tǒng)300測量、濾波、放大、轉(zhuǎn)換、解調(diào)通過水聲接收換能器3001接收到的信號；

a004：井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400判斷解調(diào)信號是否為地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100發(fā)射的控制指令，若判斷結果為是，執(zhí)行步驟a005，否則執(zhí)行步驟a003；

a005：井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400執(zhí)行地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100的控制指令；

a006：判斷是否執(zhí)行完全部指令，若判斷結果為是，執(zhí)行步驟a007，否則執(zhí)行步驟a005；

a007：井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400進入休眠狀態(tài)，等待下一個喚醒時刻的到來。

如圖6所示，用油管將所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100中的水聲發(fā)射換能器1005和所述井下水聲波接收系統(tǒng)300中的水聲接收換能器3001連接起來，距離200mm，在所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100端由三通閥向油管內(nèi)注入清水介質(zhì)，模擬井下工作環(huán)境，由示波器監(jiān)測井下水聲波接收系統(tǒng)300端波形輸出，圖6(a)為所述地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100中的計算機1001產(chǎn)生的數(shù)字水聲信號，本實施例中設置為方波信號，編碼為1010101010101010101，脈沖寬度0.32，占空比50％，圖6(b)為所述井下水聲波接收系統(tǒng)300中的a/d轉(zhuǎn)換單元3003輸出的數(shù)字脈沖信號，圖6(c)為所述井下水聲波接收系統(tǒng)300中的信號解調(diào)單元3004采用非相干解調(diào)技術解調(diào)的水聲信號，可以看出，所述井下水聲波接收系統(tǒng)300輸出的水聲信號與地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100中計算機1001產(chǎn)生的數(shù)字水聲信號一致，成功實現(xiàn)水聲波信號解碼。

地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100產(chǎn)生水聲波發(fā)射信號，經(jīng)由水聲信道200傳輸?shù)骄滤暡ń邮障到y(tǒng)300，實現(xiàn)地面設備與深井中的井下設備的無線通信與精確控制，地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100中的計算機1001產(chǎn)生待傳輸信號，由信號調(diào)制單元1002解析發(fā)送的信號，對信號進行調(diào)制后送入d/a轉(zhuǎn)換單元1003和功率放大單元1004進行數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換和功率放大，最后通過井口處的水聲波發(fā)射換能器1005將模擬電信號轉(zhuǎn)換成聲信號由水聲信道200向井下傳輸，井下水聲波接收系統(tǒng)300在井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400的控制下，按一定時間間隔檢測接收到的信號，井下水聲波接收系統(tǒng)300中的水聲波接收換能器3001將接收到的聲信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，送入信號調(diào)理單元3002和a/d轉(zhuǎn)換單元3003對其進行濾波、放大、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后，由信號解調(diào)單元3004進行信號解析后得到正確的指令，若該指令為地面水聲波發(fā)射系統(tǒng)100下傳的指令，則井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400完成規(guī)定的操作，否則，井下控制執(zhí)行系統(tǒng)400在達到喚醒時長t后，重新進入休眠狀態(tài)，等待下次喚醒時刻到來。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。