一种基于声波的油井无线通信系统和无线通信方法 |
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| 申请号 | CN201610252214.7 | 申请日 | 2016-04-20 | 公开(公告)号 | CN105812067A | 公开(公告)日 | 2016-07-27 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 齐小康; 王燕嵩; 张宝辉; 冉立新; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于 声波 的油井无线通信系统和无线通信方法。包括地面音频声波控制系统以及置于井下的油井声波接收装置，标准声源产生全数字声波 信号 ，经过功率 放大器 放大后馈入两个电声器件产生两个信号，再合路后对井下发送出经窄带数字调制过的全数字声波信号，井口发送的全数字声波信号由深 水 谐振腔 微声器将声波信号转化为 电信号 ，发送给井下解码 电路 进行解码，传送到井下 电机 或者井下 开关 。本发明利用先进的声波通信技术，在油井中的大三通、环空、 套管 等空间结构中进行远距离的全数字声波 信号传输 ，可实现产油层的分层开采，从而大大提高生产效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于声波的油井无线通信系统，其特征在于：包括地面音频声波控制系统以及置于井下的油井声波接收装置，地面音频声波控制系统包括标准声源(1)、双通道功率放大器(2)、第一电声器件(3)、第二电声器件(4)和声波合路耦合导管(5)，油井声波接收装置包括深水谐振腔微声器(6)和井下解码电路(7)；标准声源(1)经双通道功率放大器(2)分别与第一电声器件(3)和第二电声器件(4)连接，第一电声器件(3)和第二电声器件(4)连接到声波合路耦合导管(5)输出声波；声波由深水谐振腔微声器(6)接收，深水谐振腔微声器(6)和井下解码电路(7)连接。 |
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| 说明书全文 | 一种基于声波的油井无线通信系统和无线通信方法技术领域背景技术[0002] 在油井的信息传输中，由于油井其他条件的限制，使油井通讯不可避免的面对很多困难，如：传输距离长，传输途径中横向结构变化多，管壁油污、油帽子、结蜡等实际非一致性的井况条件，井下高位、高压和潮湿的环境等。 [0003] 通过对比各信号传输形式，经过充分的实验数据验证，声波是最为适合的载波选择。由于油井中的油水混合液体中存在大量的矿物质离子，其电导率较高，导致传播于其中的电磁波会有很大的衰减。与之相反，空气、构成油管、套管的钢结构、液体都是声波的良好载体。尤其声波在固体和液体中具有很高的声速，加之声波传感器(换能器)在液体中具有最好的灵敏度，因此从油井的物理声学性质来说，声波是最好选择。 发明内容[0004] 本发明公开了一种基于声波的油井无线通信系统和无线通信方法，本系统包括地面音频声波控制、井下深水谐振腔微声器、井下解码电路及信号编码系统。地面音频声波控制通过对声波进行窄带数字载波调制，利用先进的声波通信技术，的在油井中的大三通、环空、套管等空间结构中进行远距离的全数字声波信号传输；井下的深水谐振腔微声器将接收数字声波信号，转换为电信号传递给井下解码电路；井下解码电路通过信号解码开启和关闭井下电机，实现产油层的分层开采，从而大大提高生产效率。 [0005] 本发明采用的技术方案是： [0006] 一、一种基于声波的油井无线通信系统： [0007] 包括地面音频声波控制系统以及置于井下的油井声波接收装置，地面音频声波控制系统包括标准声源、双通道功率放大器、第一电声器件、第二电声器件和声波合路耦合导管，油井声波接收装置包括深水谐振腔微声器和井下解码电路；标准声源经双通道功率放大器分别与第一电声器件和第二电声器件连接，第一电声器件和第二电声器件连接到声波合路耦合导管输出声波；声波由深水谐振腔微声器接收，深水谐振腔微声器和井下解码电路连接。 [0008] 本发明通过地面音频声波控制系统产生全数字声波信号，实现对于井下系统的控制。 [0010] 深水谐振腔微声器接收来自井口发送的全数字声波信号，通过谐振腔内空气谐振将声波信号转化为电信号，发送给井下解码电路进行解码。 [0011] 井下解码电路包括模拟信号处理部分，数字控制部分，和电机驱动电路。模拟信号处理部分负责放大深水谐振腔微声器接收到的音频信号，并对其进行整流和积分操作；数字控制部分负责控制电路解码和电机控制；电机驱动电路按照控制信号控制电机正转、反转和休眠以及井下开关的打开和闭合。 [0012] 所述的深水谐振腔微声器竖直放置置于深水管道中，包括内部中空的耐压介质声波谐振腔体，耐压介质声波谐振腔体具有容置气体的空气腔体和传声器，空气腔体下端与传声器，传声器与井下解码电路连接。 [0013] 所述的空气腔体的长度为λ/2波长，λ表示发送的声波波长。 [0014] 所述的标准声源分别产生一个音频控制信号和一个载波信号馈入到第一电声器件和第二电声器件中。 [0015] 所述的双通道功率放大器具有两个独立的信道分别处理标准声源发送过来的两个信号。 [0016] 所述的井下解码电路包括依次连接的前端放大电路、积分整流电路、信号调理电路和驱动电路，深水谐振腔微声器的接收信号依次经前端放大电路放大、积分整流电路整流处理后发送到信号调理电路进行解调处理，信号调理电路发送控制信号到驱动电路，进而控制井下电机。 [0017] 所述的前端放大电路包括芯片U1、放大器U2A和放大器U2B，芯片U1的2和3脚之间串联有电阻R6，电阻R5和电阻R9串联后与插头J5并联到芯片U1的1和4脚之间，芯片U1的5和6脚之间并联有电容C6和电容C7，电容C1和电容C2并联后连接到芯片U1的8脚和地之间，芯片U1的7脚分别经电容C41和电容C4连接到放大器U2A的正向输入端，放大器U2A的正向输入端经电阻R10接地，放大器U2A的反向输入端分别经电阻R1、电阻R2后接地和自身的输出端，放大器U2A的输出端经电容C5接放大器U2B的正向输入端，放大器U2B的正向输入端经电阻R7接地，放大器U2B的反向输入端分别经电阻R3、电阻R4后接地和自身的输出端，放大器U2B输出端经电容C10后输出作为前端放大电路的输出端，插头J5作为前端放大电路的输入端连接到传声器11。 [0018] 所述的积分整流电路包括放大器U2C、放大器U2D和芯片U3，放大器U2C和放大器U2D正向输入端均接地，放大器U2C反向输入端依次经电阻R15、电阻R11后连接到放大器U2D的反向输入端，放大器U2C输出端经二极管D1后连接到反向输入端，放大器U2C输出端连接二极管D2后分别经电阻R12、电阻R16连接到放大器U2C反向输入端和放大器U2D反向输入端，放大器U2D自身的反向输入端与输出端之间并联有电容C9和电阻R14，放大器U2D的反向输入端连接到芯片U3的6脚，放大器U2D输出端经电阻R13连接到芯片U3的5脚，放大器U2D输出端经二极管D3、电阻R18后接地，放大器U2D输出端经电阻R17输出作为积分整流电路的信号输出端，电阻R15、电阻R11之间引出作为积分整流电路的信号输入端。 [0019] 二、一种基于声波的油井无线通信方法： [0020] 采用所述系统，标准声源产生全数字声波信号，经过双通道功率放大器放大后分别发送到第一电声器件和第二电声器件产生两个声波信号，两个声波信号经声波合路耦合导管合路向深水下输出，将音频声波信号在载波信号的频率下进行窄带数字调制合路之后馈入井下，由深水谐振腔微声器将声波信号转化为电信号，发送给井下解码电路进行解码，进一步传送到井下电机，进而控制电机的正转、反转和停止。 [0021] 本发明采用的音频声波窄带数字调制方法，充分利用环空的带通声学特点，能够实现井下复杂情况下的长距离、可靠的声波通信。 [0022] 所述的标准声源产生一个音频控制信号和一个载波信号馈入到第一电声器件和第二电声器件中。 [0023] 所述载波信号的频率根据深水的深度调整。 [0024] 本发明的井下解码电路中，模拟信号处理负责放大深水谐振腔微声器接收到的音频信号，并对其进行整流；数字控制部分负责解码和电机控制；电机驱动电路按照控制信号控制电机正转、反转，井下开关的打开和闭合。由此，井下解码电路通过接收井口发送的声波信号，通过解码得到控制信号，控制井下电机的转动方向，完成井下开关的打开和闭合操作。 [0025] 本发明具有的有益效果： [0026] 本发明利用全数字声波信号作为通信介质，通过窄带数字载波调制将控制信号调制到声波信号上，在油井中的大三通、环空、套管等空间结构中进行远距离的全数字声波信号传输。油井声波接收装置可距离井口1000至3000米深度处，甚至更深。 [0027] 本发明的微声器采用单一刚性结构材料制成，可以承受井下高温、高压，潮湿的环境，并且能实现内部常压和低压工作，使其在地面测量的灵敏度在井下能得以保持，并且大大简化了后端电路的连接。 [0029] 附图1是本发明系统的示意图。 [0030] 附图2是井下深水谐振腔微声器结构示意图。 [0031] 附图3是本发明金属声波合路耦合导管的原理图。 [0032] 附图4是井下解码电路示意图。 [0033] 附图5是前端放大电路。 [0034] 附图6是积分整流电路。 [0035] 图中：1、标准声源，2、双通道功率放大器，3、第一电声器件，4、第二电声器件，5、声波合路耦合导管，6、深水谐振腔微声器，7、井下解码电路，8、电机，9、声波谐振腔体，10、空气腔体，11、传声器，12、深水管道，13、管道中的水，14、前端放大电路，15、积分整流电路，16、信号调理电路，17、驱动电路。 具体实施方式[0036] 下面结合附图1对本发明作进一步说明。 [0037] 如图1所示，本发明包括地面音频声波控制系统以及置于井下的油井声波接收装置，地面音频声波控制系统包括标准声源1、双通道功率放大器2、第一电声器件3、第二电声器件4和声波合路耦合导管5，油井声波接收装置包括深水谐振腔微声器6和井下解码电路7；标准声源1经双通道功率放大器2分别与第一电声器件3和第二电声器件4连接，第一电声器件3和第二电声器件4连接到声波合路耦合导管5输出声波；声波由深水谐振腔微声器6接收，深水谐振腔微声器6和井下解码电路7连接。 [0038] 标准声源1产生全数字声波信号，经过功率放大器放大后馈入两个电声器件产生两个信号，再合路后对井下发送出经窄带数字调制过的全数字声波信号，井口发送的全数字声波信号由深水谐振腔微声器6将声波信号转化为电信号，发送给井下解码电路进行解码，进一步传送到井下电机8或者井下开关。 [0039] 如图2所示，深水谐振腔微声器6竖直放置置于深水管道12中，包括内部中空的耐压介质声波谐振腔体9，耐压介质声波谐振腔体9具有容置气体的空气腔体10和传声器11，空气腔体10上端与传声器11，传声器11与井下解码电路连接。 [0040] 标准声源1分别产生一个音频控制信号和一个载波信号馈入到第一电声器件3和第二电声器件4中，因此双通道功率放大器2具有两个独立的信道分别处理标准声源1发送过来的两个信号。 [0041] 井下解码电路包括依次连接的前端放大电路14、积分整流电路15、信号调理电路16和驱动电路17，深水谐振腔微声器6的接收信号依次经前端放大电路14放大、积分整流电路15整流处理后发送到信号调理电路16进行解调处理，信号调理电路16发送控制信号到驱动电路17，进而控制井下电机8。 [0042] 如图5所示，前端放大电路包括芯片U1、放大器U2A和放大器U2B，芯片U1采用ADI公司的AD8226，芯片U1的2和3脚之间串联有电阻R6，电阻R5和电阻R9串联后与插头J5并联到芯片U1的1和4脚之间，芯片U1的5和6脚之间并联有电容C6和电容C7，电容C1和电容C2并联后连接到芯片U1的8脚和地之间，芯片U1的7脚分别经电容C41和电容C4连接到放大器U2A的正向输入端，放大器U2A的正向输入端经电阻R10接地，放大器U2A的反向输入端分别经电阻R1、电阻R2后接地和自身的输出端，放大器U2A的输出端经电容C5接放大器U2B的正向输入端，放大器U2B的正向输入端经电阻R7接地，放大器U2B的反向输入端分别经电阻R3、电阻R4后接地和自身的输出端，放大器U2B输出端经电容C10后输出作为前端放大电路的输出端，插头J5作为前端放大电路的输入端连接到传声器11。 [0043] 如图6所示，积分整流电路包括放大器U2C、放大器U2D和芯片U3，芯片U3采用ADI公司的ADG849，放大器U2C和放大器U2D正向输入端均接地，放大器U2C反向输入端依次经电阻R15、电阻R11后连接到放大器U2D的反向输入端，放大器U2C输出端经二极管D1后连接到反向输入端，放大器U2C输出端连接二极管D2后分别经电阻R12、电阻R16连接到放大器U2C反向输入端和放大器U2D反向输入端，放大器U2D自身的反向输入端与输出端之间并联有电容C9和电阻R14，放大器U2D的反向输入端连接到芯片U3的6脚，放大器U2D输出端经电阻R13连接到芯片U3的5脚，放大器U2D输出端经二极管D3、电阻R18后接地，放大器U2D输出端经电阻R17输出作为积分整流电路的信号输出端，电阻R15、电阻R11之间引出作为积分整流电路的信号输入端。 [0044] 本发明的具体仿真实施例及实施过程如下： [0045] 其中，标准声源1选择Agilent 33210A函数信号发生器，双通道功率放大器2选择双通道D类功率放大器，电声器件3、4选择常州凯特来电子公司的大功率音喉，声波合路耦合导管5选择金属合路器，深水谐振腔微声器6选择全钢结构深井换能器。 [0046] 本发明在1700米油井的实验实施如下：通过洗井，将井下油帽子等阻碍清理干净，然后将深水谐振腔微声器6和井下解码电路7下到1700米进的水13中行试验。标准声源1产生全数字声波信号(一个42Hz频率的音频控制信号和一个1400Hz频率的载波信号)，经过双通道功率放大器2放大后分别发送到第一电声器件3和第二电声器件4产生一个42Hz频率的音频控制信号和一个1400Hz频率的载波信号，两个声波信号经声波合路耦合导管5合路经窄带数字调制后向深水下输出，如图3所示，由深水谐振腔微声器6将声波信号转化为电信号，发送给井下解码电路7进行解码，进一步传送到井下电机8，进而控制电机8的正转、反转和停止，以及井下开关的打开和闭合。 [0047] 由此，本发明利用全数字的声波信号作为通信介质，能实现在油井中的大三通、环空、套管等空间结构中远距离的信号传输，可距离井口3000米更深，可实现产油层的分层开采，从而大大提高生产效率，技术效果显著突出。 |
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