CN113236236A - 一种以油井管道作为信道的信号传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以油井管道作为信道的信号传输装置，属于井下传输技术领域。本发明主要是对油井下传感器采集的数据进行传输，能够克服井下干扰，确保在复杂的井下环境中能实现准确的数据传输。数据传输的方法采用磁耦合原理，具有体积小、便于安装和便于设置等优势。井下装置既能发射信号也能接收命令。通过建立信号在信道中的传输模型与接收端特殊的检测装置，该装置实现了在复杂井下环境中数据的稳定传输。在2000米的深度下，码元速率可达200BPS。该技术可应用于探测油井井下环境状况，具有较大的应用价值。

Description

一种以油井管道作为信道的信号传输装置

技术领域

本发明属于井下传输技术领域，更具体的，涉及一种以油井管道作为信道的信号传输装置。

背景技术

在石油工业中，油田的开采需要钻井，而井下温度、压力、地质等信息的测量需要在钻井后完成。随着石油钻井技术的不断发展，钻井设备也在朝着信息化和自动化的方向发展。现有的传输方式有有线传输和无线传输。传统有线传输需要在井下铺设信号线缆作为信号的传输信道，由于井下环境恶劣，实现比较困难，无法保证数据传输的稳定性。无线传输方式可以获得更好的传输质量，然而，地下层环境对不同无线传输方式的传输效率影响很大，无法保证传输效率。

现有的有线传输方法主要为电力载波和有线磁感应耦合的方式。电力载波的方式借助潜油电机供电电缆为传输介质,复用供电回路,通过调理供电电流实现井下测量信号的长距离传输，但是传输效率非常低。有线磁感应耦合方式中，磁感应信道由多个感应耦合器和钻杆内部的高速数据传输电缆连接形成，在钻杆内部信号通过电缆进行传输，在钻杆连接处通过感应耦合器来实现传输。该方式需要在油管的多段处放置磁耦合装置，实现比较复杂。

现有的无线传输方法主要包括电场耦合和无线磁耦合。当使用电场耦合来传输测量数据时，必须与发射器线圈，形成介质和接收器线圈形成闭环。井下环境复杂多变，不能保证发射器与地层介质紧密接触，不能保证传输效率。油井中地层介质的组成非常复杂，某些成分具有较高的电导率，并且信号在传输过程中会产生较大的衰减，从而影响信号的传输质量。由于井下无线地面直读技术的传输距离不能满足现有深井、超深井应用，所以在无线传输中加入了井下无线中继器。现有的无线磁耦合方式中，磁耦合线圈在现有的工作条件和装置尺寸的限制下所能产生的磁场强度较弱，不能满足信号在复杂地质条件下的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种以油井管道作为信道的信号传输装置，其目的在于提供一种适用于井下复杂环境、低成本、高质量的传输结构，实现井下信号的传输。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于井下信号传输的通信装置，包括：结构相同的地面装置与井下装置，包含发射模块和接收模块。

所述发射模块，包括：MSP430单片机、放大电路和线圈；用于将井下测量的数字信号进行FSK信号调制，经过信号放大电路放大后送入线圈，实现信号的发送；

所述接收模块用于接收从井下上传的FSK信号，并对所述的FSK信号进行非相干解调，得到原始测量的数字信号；

所述单片机用于接收测得的原始数据，并将所得数据进行连续的FSK调制，然后采用AD转换将所述的连续FSK信号输出；

所述放大电路，用于对所述单片机输出的连续FSK信号进行功率放大，并将放大后的连续FSK信号送入线圈；

所述线圈环绕在油管的内管上，当线圈内通过交变电流时，线圈会产生连续变化的磁场，由于内管与外管以一种特殊结构相连接，形成回路，所以所述连续变化的磁场使内管产生连续变化电流，所述电流通过管道传输到井上；

第二方面，本发明的实施方式提供了一种信道传输模型；

将油管分为n段，每段长度为h。

设油管内管的电阻率为ρ₁，内管内壁半径为R₁，内管外壁半径为R₂，外管的电阻率为ρ₂，外管内壁半径为R₃，外管外壁半径为R₄，内管外壁与外管内壁间隔为l₃，水的电阻率为ρ₃，内管外壁涂有绝缘材料，每隔长度h，绝缘材料破损，破损处内管与外管之间存在电流，则每段的电路等效模型有：

内管的电阻：

外管的电阻：

绝缘材料破损处的等效阻抗为r₂

记R_n为管道长度为nh时的等效电阻。符号//表示并联；管道每一段的等效电路为r₁、r₂、r₃的串联电路，记管道总的等效电阻为R₁＝r₁+r₂+r₃；长度为nh时，有R_n＝r₁+r₃+R_n-1//r₂。

假设第n段管道在井下，且两端的信号幅值为U_n,则第n-1段信号的幅值为U_n-1＝(R_n-r₁-r₃)U_n/R_n；则接收端信号的幅值为U₀＝(R₁-r₁-r₃)U₁/R₁，信号衰减

本方案中，用管道作为信号的传输信道，不需要有线电缆，成本低，适用于复杂的井下环境。信号经过调制、放大、解调等处理后，得到原始的测量信号，从而实现井下信号的传输，大大简化的信号的传输结构，使信号传输更加方便。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于井下信号传输的装置示意图

图2为本发明实施例提供的一种用于连接有关内管与外管的连接装置示意图

图3为本发明实施例提供的一种用于井下信号传输的信号衰减模型示意图

图4为本发明实施例提供的一种用于单个收发装置信号处理示意图

图5为本发明实施例提供的一种用于井下信号的传输过程示意图

在所有附图中，相同标记用来表示结构相同的元件或结构，其中：1表示油管内管；2表示油管外管；3表示收发装置；4表示发射线圈；5表示连接内管与外管的特殊装置；6表示外管的等效阻抗；7表示涂层破损处的等效阻抗；8表示内管的等效阻抗

具体实施方式：

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

油管内管的电阻率ρ₁＝9.78×10^-8Ω·m，内管内壁半径R₁＝7cm，内管外壁半径R₂＝9cm，外管的电阻率ρ₂＝9.78×10^-8Ω·m，外管内壁半径R₃＝12cm，外管外壁半径R₄＝14cm，水的电阻率ρ₃＝25Ω·m，油管长度为2000m，分为2000段，每段长度h＝1m。

对于每一段管道，内管的电阻r₁＝9.728×10^-6Ω。外管的电阻r₃＝5.987×10^-6Ω，水的电阻为1.13Ω。

按图1的方式，将装置安装在油管下部，然后将油管送到井下。图1中3和4组成收发装置，被密封在油管上。4为发射线圈，3为单片机及相关外设，包括电源、调制解调模块等。5为一种特殊结构的连接装置，如图2所示，连接油管的内管与外壁。在油管上部按相同的方式安装收发装置，由于连接装置的存在，内管与外壁形成回路。

油管下部的收发装置接收到传感器测得的数据，经过调制、放大等处理后送入线圈。输出信号的幅值为1V，信号采用频移键控传输，载波频率为4000Hz，码元速率可达200BPS。在接收端，采集到的信号幅值约为1.168mV，信号衰减-55.5dB。

当井下传输信号时，油管上部的线圈中产生感应电流，并将信号送入接收模块进行处理。

信道中的信号会出现衰减，通过建模建立了图3所示的信号衰减模型。当信号传递到油管上部时，上部的线圈中产生感应电流，送入接收装置，经过放大解调等处理后获得井下数据。

油管下部的装置每隔40ms向井上发送一次数据，油管上部装置在间隔期内可向井下装置发送控制指令。油管下部装置默认状态为发送数据，油管上部装置默认状态为接收数据，如图5所示。综上所述，本发明公开了一种以油井管道作为信道的信号传输装置，属于井下传输技术领域。本发明主要是对油井下传感器采集的数据进行传输，能够克服井下干扰，确保在复杂的井下环境中能实现准确的数据传输。数据传输的方法采用磁耦合原理，具有体积小、便于安装和便于设置等优势。井下装置既能发射信号也能接收命令。通过建立信号在信道中的传输模型与接收端特殊的检测装置，该装置实现了在复杂井下环境中数据的稳定传输。在2000米的深度下，码元速率可达200BPS。该技术可应用于探测油井井下环境状况，具有较大的应用价值。

Claims (2)

1.一种以油井管道作为信道的信号传输装置，其特征在于，结构相同、收发一体的井上装置与井下装置，包括：发射模块和接收模块；

所述发射模块，包括：MSP430单片机、放大电路和线圈；用于将井下测量的数字信号进行FSK信号调制，经过信号放大电路放大后送入线圈，实现信号的发送；

所述接收模块用于接收从井下上传的FSK信号，并对所述的FSK信号进行非相干解调，得到原始测量的数字信号；

所述单片机用于接收测得的原始数据，并将所得数据进行连续的FSK调制，然后采用AD转换将所述的连续FSK信号输出；

所述放大电路，用于对所述单片机输出的连续FSK信号进行功率放大，并将放大后的连续FSK信号送入线圈；

所述线圈环绕在油管的内管上，当线圈内通过交变电流时，线圈会产生连续变化的磁场，由于内管与外管以一种特殊结构相连接，形成回路，所以所述连续变化的磁场使内管产生连续变化电流，所述电流通过管道传输到井上。

2.根据权利要求1所述的一种以油井管道作为信道的信号传输装置，其特征在于，基于油管的信号传输模型信号按如下模型衰减：

(1)将油管分为n段，每段长度为h；

(2)设油管内管的电阻率为ρ₁，内管内壁半径为R₁，内管外壁半径为R₂，外管的电阻率为ρ₂，外管内壁半径为R₃，外管外壁半径为R₄，内管外壁与外管内壁间隔为l₃，水的电阻率为ρ₃，内管外壁涂有绝缘材料，每隔长度h，绝缘材料破损，破损处内管与外管之间存在电流，则每段的电路等效模型有：

内管的电阻：

外管的电阻：

绝缘材料破损处的等效阻抗为r₂

记R_n为管道长度为nh时的等效电阻，符号//表示并联；管道每一段的等效电路为r₁、r₂、r₃的串联电路，记管道总的等效电阻为R₁＝r₁+r₂+r₃；长度为nh时，有R_n＝r₁+r₃+R_n-1//r₂；

假设第n段管道在井下，且两端的信号幅值为U_n,则第n-1段信号的幅值为U_n-1＝(R_n-r₁-r₃)U_n/R_n；则接收端信号的幅值为U₀＝(R₁-r₁-r₃)U₁/R₁，信号衰减

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