井下无线低频电磁波双向通信系统

摘要

本发明公开了一种井下无线低频电磁波双向通信系统，包括：井下子系统，采集井下数据信息，并对低频电磁波进行调制，形成携带井下数据信息的第一调制电磁波，并向地面发射，以及接收地面子系统（8）发射的第二调制电磁波，进行解调获得控制指令信息，输出相应的控制信号驱动井下工具执行机构进行操作；地面子系统（8），操作控制指令信息对低频电磁波进行调制，形成携带操作控制指令信息的第二调制电磁波，并向井下发射，以及接收第一调制电磁波，进行解调获得井下数据信息，将数据信息进行处理和显示；传播介质，作为电磁波的传输介质。本发明采用低频电磁波实现地面子系统（8）与井下子系统之间的双向无线通信，具有通信稳定、可靠的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及能源与油气开发技术领域，特别涉及到一种井下无线低频电磁波双向通信系统。

背景技术

在能源与油气开发技术领域，需要实时了解井下的各种状态，以及需要向井下的设备发送控制指令，由于井下与地面的距离通常很远，如何实现地面与井下之间稳定、可靠的通信很重要。能源与油气开发技术领域现在常用的通信技术有声波通信技术和次声波通信技术。

声波通信技术：在井口地面，由上位微机控制驱动模块驱动井口内安装的声波换能发射装置（声纳）发送操作指令信号编码的声波信号，在井下套管内合适位置设置声波中继器若干，对声波信号进行中继（放大和转发），在井下工具处设置声波—电能换能器，将接收到声波信号解码处理后得到操作指令信号。控制微处理器根据操作指令信号输出操作指令，由电机驱动模块执行相应的操作。其特点是由套管内液体直接传递声波，功率放大器尺寸和功率不受限制；适合直井，加中继器后可用于斜井和水平井。但声波发射、接收装置、中继器尺寸形状受限；接收装置和中继器功率受电池功率限制；井下高压环境对声电换能器有影响，需定制产品。

次声波通信技术：在井口地面，由上位微机控制的液压声波发射装置发送操作指令信号编码的次声波信号，经地层直接传送到滑套装置处的声波—电能换能器，换能器将接收到的次声波信号解码后得到操作指令信号。由控制微处理器根据操作指令信号输出操作指令，由电机驱动模块执行相应的操作。其特点是直接由微地震车发送编码次声波信号，经地层直接传送，发射装置功率和尺寸不受限制；适合直井，斜井，水平井。但其接收装置要安装在套管外侧或套管中；次声波发射装置是微地震车，只能实现地面到井下的单向通信；次声波的编码比较复杂并要合理设计。

因此，现有的声波通信技术和次声波通信技术都不能很好的满足实际的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种井下无线低频电磁波双向通信系统，采用低频电磁波通信的方式实现地面与井下之间的双向通信，具有通信稳定、可靠的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：井下无线低频电磁波双向通信系统，用于地面与井下工具之间的双向无线通信，所述井下无线低频电磁波双向通信系统包括井下子系统、地面子系统和传播介质；

所述井下子系统，用于采集井下数据信息，并利用所述井下数据信息对低频电磁波进行调制，形成携带井下数据信息的第一调制电磁波，并向地面发射第一调制电磁波；以及接收地面子系统发出的携带指令控制信号的第二调制电磁波，并对第二调制电磁波进行解调，获得地面控制指令信息，根据地面控制指令信息输出相应的控制信号，控制信号经功率放大后驱动井下执行机构动作进行相应的操作；

所述地面子系统，用于发出地面控制指令信息，利用所述地面控制指令信息对低频电磁波进行调制，形成携带地面指令信息的第二调制电磁波，并向井下发射第二调制电磁波；以及接收井下子系统发出的携带井下数据信息的第一调制电磁波，并对第一调制电磁波进行解调，获得的井下数据信息，将井下数据信息进行处理和显示；

所述传播介质，用于作为井下子系统和地面子系统通信时的电磁波传输介质。

所述传播介质包括套管和地层。

所述套管包括上部套管天线、下部套管天线、设置在上部套管天线和下部套管天线之间的绝缘短节。

所述井下子系统包括井下控制微机、传感器、井下功放模块、井下接收/发射电路及天线、井下工具执行机构及驱动装置；

所述传感器，用于采集井下数据信息；

所述井下控制微机，用于对传感器采集的井下数据信息进行处理，并进行数/模转换，编码调制，形成携带井下数据信息的第一调制电磁波；用于对接收到并由功放模块放大后的携带有地面指令信息的第二调制电磁波进行解调处理，并根据解调得到的地面控制指令信息发出相应的控制信号；

所述驱动装置，用于将井下控制微机发出的控制信号进行功率放大，并驱动井下工具执行机构进行相应的操作；

所述井下功放模块，用于对携带井下数据信息的第一调制电磁波或携带地面指令信息的第二调制电磁波进行功率放大；

所述井下接收/发射电路及天线，用于接收地面子系统发射来的携带地面指令信息的第二调制电磁波或发射井下功放模块传输过来的经功率放大的携带井下数据信息的第一调制电磁波。

所述井下接收/发射电路及天线中的天线为偶极子式天线。

所述井下子系统还包括井下电源装置，所述井下电源装置包括蓄电池和电源变换板；

所述蓄电池，其工作温度大于120℃，用于提供25V～35V直流电压；

所述电源变换板，用于将所述25V～35V电压转换为5V、10V和24V电压输出，其中5V电压用于为井下控制微机供电，10V电压用于为井下功放模块供电，24V电压用于为驱动装置供电。

所述地面子系统包括控制上位机、人机交互模块、地面功放模块和地面接收/发射电路及天线；

所述人机交互模块，用于输入地面控制指令信息，以及显示井下数据信息；

所述控制上位机，用于对地面功放模块传输过来的携带井下数据信息的第一调制电磁波进行解调处理，并将解调后得到的井下数据信息传输到人机交互模块进行显示；用于利用人机交互模块传输过来的地面控制指令信息对低频电磁波进行调制处理，形成携带地面指令信息的第二调制电磁波，并将其传输到地面功放模块进行放大；

所述地面功放模块，用于对接收到的携带井下数据信息的第一调制电磁波或携带地面指令信息的第二调制电磁波进行功率放大；

所述地面接收/发射电路及天线，用于接收井下子系统传输过来的携带井下数据信息的第一调制电磁波，做预处理后送往地面功放模块放大，或将地面功放模块送来的经功率放大的，携带地面指令信息的第二调制电磁波进行发射。

所述井下控制微机采用调幅或调频调制井下数据信息，所述控制上位机采用调幅或调频调制地面控制指令信息。

所述地面控制指令信息进行调制的方法为：地面子系统生成地面控制指令信息，以地面控制指令信息作为第一基带信号；地面子系统发射第一载波信号，所述第一载波信号经所述第一基带信号调制形成第一调制波；地面子系统将所述第一调制波进行功率放大，当所述第一调制波的幅值达到第一阈值时，驱动地面子系统地面子系统中的天线发射装置激发出第一电磁波信号。

所述井下数据信息进行调制的方法为：井下子系统采集井下数据信息，并将所述井下数据信息转换为数字信号，然后将转换为数字信号的井下数据信息作为第二基带信号；井下子系统发射第二载波信号，所述第二载波信号经所述第二基带信号调制形成第二调制波；井下子系统将所述第二调制波进行功率放大，当所述第二调制波的幅值达到第二阈值时，驱动井下子系统中的天线激发出第二电磁波信号。

本发明的有益效果是：

（1）本发明中，在井口地面，地面子系统发射调制编码的地面控制指令信息的电磁波，经套管、地层等传播介质传播，井下工具处的井下子系统接收调制电磁波信号，并将接收到的电磁波信息进解调解码处理，获得地面控制指令信息，然后根据地面控制指令信息驱动井下工具的执行机构工作（如电动机）；

（2）本发明的传播介质中，大地为共用地极，套管和地层传播电磁波，井上发射装置功率和尺寸不受限制，井下工具的发射功率受电池容量限制，尺寸受井眼尺寸限制，可适用于直井、水平井。

附图说明

图1为本发明中无线低频双向通信系统的示意图；

图2为本发明中地面子系统到井下子系统通信的示意图；

图3为本发明中井下子系统到地面子系统通信的示意图；

图中，1-上部套管天线，2-绝缘短节，3-下部套管天线，4-水泥层，5-地层，6-井下电源装置，7-电路板,8-地面子系统。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，井下无线低频电磁波双向通信系统，用于地面与井下工具之间的双向无线通信，如电液可控式无限级压裂滑套，井下爆炸射孔作业，无线测井作业等，所述井下无线低频电磁波双向通信系统包括井下子系统、地面子系统8和传播介质。

所述井下子系统，用于采集井下数据信息（如温度、压力等），并利用所述井下数据信息对低频电磁波（频率为3～20Hz）进行调制，得到携带井下数据信息的第一调制电磁波，传输到地面子系统8；以及用于接收地面子系统8发出的携带地面指令信息的第二调制电磁波，并对接收到的操携带地面指令信息的第二调制电磁波进行解调，获得地面控制指令信息，根据获得的地面控制指令信息输出相应的控制信号，该控制信号经功率放大后驱动井下工具执行机构进行相应的操作。

所述井下子系统包括井下控制微机、传感器、井下功放模块、井下接收/发射电路及天线、井下工具执行机构及驱动装置。所述井下子系统包括井下控制微机、井下功放模块和井下接收/发射电路及天线安装于电路板7上。

所述传感器，用于采集井下数据信息。所述井下数据信息包括压力数据、温度数据和工具执行机构的工作状态（如电动机）。

所述井下控制微机，用于对传感器采集的井下数据信息进行处理，并进行数/模转换，编码调制，形成携带井下数据信息的第一调制电磁波；用于对井下功放模块传输过来的携带地面指令信息的第二调制电磁波进行解调处理，并根据解调得到的地面控制指令信息发出相应的控制信号，该控制信号经功率放大后驱动井下工具执行机构进行相应的操作。

所述井下控制微机包括单片机、DAC(数/模，模/数转换)芯片、低通滤波和限幅电路，本实施例中，控制单片机采用ATMEL公司的AT89C51，或者美国SST公司推出的SST89系列单片机，可选择型号为SST89C51，或者深圳宏晶科技公司的STC89C54RD+芯片或微星公司的PIC系统单片机。DAC芯片选用AD7399等，通过SPI接口连接单片机，具有四通道输出；接收指令使用单片机集成的ADC转换模块，为了提高信噪比和保护单片机不受损害，在ADC前端加了限幅滤波电路。

所述驱动装置，用于将井下控制微机发出的控制信号进行功率放大，并驱动井下工具执行机构进行相应的操作（如电动机）。

所述井下功放模块，用于对接收到的携带井下数据信息的第一调制电磁波或携带地面指令信息的第二调制电磁波进行功率放大，以便用于井下接收/发射电路及天线发射或井下控制微机解调处理。在一个实施例中，井下功放模块包括电压调整、电压放大和功率放大三部分；功放芯片使用OPA548，最大连续输出电流能力为3A。

所述井下接收/发射电路及天线，用于接收地面子系统8发射来的携带地面指令信息的第二调制电磁波或发射井下功放模块传输过来的经功率放大后的携带井下数据信息的第一调制电磁波。

所述井下接收/发射电路及天线中接收/发射电路分别与上部套管天线1和下部套管天线3连接，形成偶极子天线发射与接收。

所述井下接收/发射电路及天线中的天线为偶极子式天线。

所述井下子系统还包括井下电源装置6，所述井下电源装置6包括蓄电池和电源变换板；所述蓄电池，其工作温度大于120℃，用于提供25V～35V直流电压；所述电源变换板，用于将所述25V～35V电压转换为5V、10V和24V电压输出，其中5V电压用于为井下控制微机供电，10V电压用于为井下功放模块供电，24V电压用于为驱动装置供电。

所述地面子系统8，用于发出地面控制指令信息，并利用所述地面控制指令信息对低频电磁波（频率为3～20Hz）进行调制，形成携带地面指令信息的第二调制电磁波，并向井下发射第二调制电磁波；以及接收井下子系统发出的携带井下数据信息的第一调制电磁波，并对第一调制电磁波进行解调，获得的井下数据信息，将井下数据信息进行处理和显示。

所述传播介质，包括套管和地层5等，用于作为井下子系统和地面子系统8通信时的电磁波传输介质。

所述套管和地层包括上部套管天线1、下部套管天线3、设置在上部套管天线1和下部套管天线3之间的绝缘短节2，所述套管与地层5之间还设有水泥层4。

所述地面子系统8包括控制上位机、人机交互模块、地面功放模块和地面接收/发射电路及天线。所述人机交互模块，用于输入地面控制指令信息，以及处理和显示井下数据信息。所述控制上位机，用于对地面功放模块传输过来的携带井下数据信息的调制电磁波进行解调处理，并将解调后得到的井下数据信息传输到人机交互模块进行处理和显示；用于将地面控制指令信息对低频电磁波进行调制处理，形成携带地面指令信息的调制电磁波传输到地面功放模块放大。所述地面功放模块，用于对接收到的携带井下数据信息的调制电磁波或携带地面指令信息的调制电磁波进行功率放大。所述地面接收/发射电路及天线，用于接收井下子系统传输过来的携带井下数据信息的调制电磁波，做预处理后送往地面功放模块处理，或将地面功放模块送来的放大后的携带地面指令信息的调制电磁波进行发射。所述地面接收/发射电路及天线还分别与套管和地层5连接。

所述井下控制微机采用调幅或调频调制井下数据信息，所述控制上位机采用调幅或调频调制地面控制指令信息。

如图2所示，地面向井下传输信息的方法包括：地面子系统8生成地面控制指令信息，并将所述地面控制指令信息作为第一基带信号；地面子系统8发射第一载波信号，所述第一载波信号经所述第一基带信号调制形成第一调制波；地面子系统8将所述第一调制波进行功率放大，当所述第一调制波的幅值达到第一阈值时，驱动地面子系统8中的天线发射装置激发出第一电磁波信号；在地面将一定大小的电流或电压的一极施加在上部套管天线1上，另一极接地，电流或电压的两极之间的水平距离为200-300米；井下子系统检测上部套管天线1和下部套管天线3之间的电位差，获得与第一电磁波相同的第一微电位信号；对所述第一微电位信号进行放大、模数转换以及解调处理得到地面控制指令信息。

如图3所示，井下向地面传输井下数据信息的方法包括：井下子系统采集井下数据信息，并将所述井下数据信息转换为数字信号，然后将转换为数字信号的井下数据信息作为第二基带信号；井下子系统发射第二载波信号，所述第二载波信号经所述第二基带信号调制形成第二调制波；井下子系统将所述第二调制波进行功率放大，当所述第二调制波的幅值达到第二阈值时，驱动井下子系统中的天线激发出第二电磁波信号；井下子系统将一定大小的电流或电压的一极施加在上部套管天线1，另一极施加在下部套管天线3，天线为偶极子，从而发射调制电磁波；在地面选择相隔一定距离的两个点，检测这两个点的电位差，获得与第二电磁信号的频率相同的第二微电位信号；对所述第二微电位信号进行放大，模/数转换以及解调处理得到井下数据信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。