CN201599025U - 油井井下无线遥测***的井口接收设备 - Google Patents

Abstract

油井井下无线遥测***的井口接收设备，它涉及工业信息化技术和石油油井测量技术领域，它解决了现有油井无线遥测***的井上部分存在无法检测外部环境和设备自身环境的缺陷，以及现有采油区有线通信设施很差数据不能及时实施传送信息、传送信息繁琐、稳定性和可靠性差的问题。它的声信号接收单元的输入端用于接收井下传送的数据信号，其输出端连模拟信号调理单元输入端；模拟信号调理单元输出端连FPGA实时信号处理单元接收端；FPGA实时信号处理单元输出端连ARM***数据管理单元接收端；ARM***数据管理单元分别连SD卡数据存储电路和GPRS无线发送电路；ARM***数据管理单元通过IIC总线连设备自检单元和环境监测单元。适用于陆上分布广泛的油井底部参数测量。

Description

油井井下无线遥测***的井口接收设备

技术领域

本实用新型涉及工业信息化技术和石油油井测量技术领域，具体涉及油井井下无线遥测***的井口接收设备。

背景技术

在石油领域，通过参考油井底部的温度和压力等参数，工作人员可以根据工程经验推算出油井的油面深度和调整注水加压情况。

传统油井测试方法，均是采用有线方式，将传感器送至井下进行测试，从而不可避免的产生很多弊端：需要油井停产配合，影响工作效率；铺线空间狭小，测试千米以上深度油井难度大；多数设备为进口，价格昂贵。

现今采用油井无线遥测***应用于石油油井井下参数的测量，油井无线遥测***由井下和井上两部分组成。井下部分由地质参数传感器采集各项参数，而后由声发射机将这些参数进行特定调制并转换为声学信号，并通过油管信道传至井口。但现有油井无线遥测***的井上部分存在无法检测外部环境和设备自身环境的缺陷，以及现有采油区有线通信设施很差数据不能及时实施传送信息、传送信息繁琐、稳定性和可靠性差的问题。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有油井无线遥测***的井上部分存在无法检测外部环境和设备自身环境的缺陷，以及现有采油区有线通信设施很差数据不能及时实施传送信息、传送信息繁琐、稳定性和可靠性差的问题，而提出了油井井下无线遥测***的井口接收设备。

本实用新型包括声信号接收单元、模拟信号调理单元、FPGA实时信号处理单元、ARM***数据管理单元、设备自检单元、环境监测单元、SD卡数据存储电路和GPRS无线发送电路组成；声信号接收单元的输入端用于接收井下传送的数据信号，声信号接收单元的输出端与模拟信号调理单元的输入端相连；模拟信号调理单元的输出端与FPGA实时信号处理单元的接收端相连；FPGA实时信号处理单元的输出端与ARM***数据管理单元的接收端相连；ARM***数据管理单元的数据串口与SD卡数据存储电路的数据串口相连；ARM***数据管理单元的异步通信串口与GPRS无线发送电路的通信串口相连；ARM***数据管理单元通过IIC总线与设备自检单元和环境监测单元相连。它还包括电源管理单元，工业级380V交流电的电源输出端与电源管理单元的电源输入端相连；电源管理单元的电源输出端与声信号接收单元、模拟信号调理单元、FPGA实时信号处理单元、ARM***数据管理单元、SD卡数据存储电路和GPRS无线发送电路的电源输入端相连。

本实用新型应用于石油油井底部参数测量的井口接收装置。它接收来自井底的经过通信调制的信号，并对其进行信号调理和实时解调，将调制信号还原为地质参数；该接收器作为油井群信息网络的一个节点，其数据管理单元接收此参数并对其进行封包和加密处理，进而将处理后的数据进行GPRS形式无线传送和现场存储。本设备主要针对这种方式，实现对来自井底调制信号的解调、存储、转发以及接收来自中央***机的远程控制。同时考虑采油区的各个油井广泛分布于大面积的人际稀少地区，设计一套分布式实现数据自动传送的传感网络可以有效的缓解工作人员的劳动量。此外，传统采油区有线通信设施很差，而移动运营网络覆盖却很全面，因此基于无线运营网络进行组网实现非常方便，也省却了自己组网的成本投入。

本实用新型主要包括模拟信号调理单元、FPGA实时信号处理单元、ARM***数据管理单元、电源值班管理单元、设备自检单元和环境监测单元。模拟信号调理单元负责对微弱模拟信号的滤波与增益控制；FPGA实时信号处理单元利用FPGA实现对采集信号的还原解调；ARM***数据管理单元通过ARM处理器实现对还原数据的加密、包装、现场存储和基于GPRS形式的数据发送；电源值班管理单元负责周期性启动***供电；设备自检用于设备所在箱体内部漏水保护、湿度和温度状况检测；环境监测单元用于分析设备工作地点天气情况，避免在雷雨等恶劣天气下开机造成设备损坏。通过上述设备完成下面的工作过程首先***定时启动，与远程中央***机进行双向握手；之后油井井下无线遥测***的井口接收设备内部密封状况自检，油井井下无线遥测***的井口接收设备外部工作天气判决；最终开始接收井口数据，并进行解调、加密、封包，而后平台对最终结果进行存储和无线发送。它能与远程中央***机进行双向通信；设备可以按照远程控制信息实现设备内部自检和工作天气监测，避免了因设备漏水或雷雨天气工作对设备造成的损害；传感节点通过无线方式将数据传至中央***机，省却了工人多点间劳作和布线成本；***通过GPRS形式组网，省却了自行组网的成本，将传输距离延伸至整个运营网络覆盖范围，且组网方便；它的平台使用FPGA+ARM架构，实现了信号实时处理和后期数据管理的合理分工。针对石油采油区，本设备优势在于：稳定和可靠性高；基于GPRS形式进行分布式组网，覆盖范围广，适用于陆上分布广泛的油井底部参数测量。

附图说明

图1为油井井下无线遥测***的井口接收设备的总体示意图；图2为油井井下无线遥测***的井口接收设备的井上结构示意图；图3为油井井下无线遥测***的井口接收设备的分布组网示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由声信号接收单元1、模拟信号调理单元2、FPGA实时信号处理单元3、ARM***数据管理单元4、设备自检单元5、环境监测单元6、SD卡数据存储电路7和GPRS无线发送电路8组成；声信号接收单元1的输入端用于接收井下传送的数据信号，声信号接收单元1的输出端与模拟信号调理单元2的输入端相连；模拟信号调理单元2的输出端与FPGA实时信号处理单元3的接收端相连；FPGA实时信号处理单元3的输出端与ARM***数据管理单元4的接收端相连；ARM***数据管理单元4的数据串口与SD卡数据存储电路7的数据串口相连；ARM***数据管理单元4的异步通信串口与GPRS无线发送电路8的通信串口相连；ARM***数据管理单元4通过IIC总线与设备自检单元5和环境监测单元6相连。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于声信号接收单元1采用加速度传感器，声信号接收单元1接收该声波振动信号，并将其转换为电信号发送给模拟信号调理单元2。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于模拟信号调理单元2由前端阻抗匹配电路21、带通滤波电路22、增益控制电路23、电压抬升电路24、抗混叠滤波电路25和模数转换电路26组成；前端阻抗匹配电路21的输入端为模拟信号调理单元2的输入端；前端阻抗匹配电路21的输出端与带通滤波电路22的输入端相连；带通滤波电路22的输出端与增益控制电路23的输入端相连；增益控制电路23的输出端与电压抬升电路24的输入端相连；电压抬升电路24的输出端与抗混叠滤波电路25的输入端相连；抗混叠滤波电路25的输出端与模数转换电路26的输入端相连；模数转换电路26的输出端为模拟信号调理单元2的输出端。带通滤波电路22采用MAX274有源滤波器，搭建八阶契比雪夫滤波器；增益控制电路23中的信号增益方式采用手动增益和自动增益两种方式实现，增益控制电路23选用可编程增益控制器；抗混叠滤波电路25为Sallen-Key低抗混叠滤波器，实现简易有源二阶滤波，用于滤除增益控制时引入的高频分量；模拟信号调理单元2将声信号接收单元1发送来的电信号进行滤波、增益调节和模数转换；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于FPGA实时信号处理单元3采用Altera公司EP3C25工业级芯片；FPGA实时信号处理单元3接收模拟信号调理单元2的模数转换后的数字信号，并对其进行实时相应解调，还原为相应的地质参数；FPGA实时信号处理单元3与ARM***数据管理单元4使用异步通信方式实现高速数据交互。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于ARM***数据管理单元4包括ARM微处理器41、SDRAM同步动态随机存取存储器42、NANDFLASH存储器43和网络控制芯片44，ARM微处理器41通过外部存储器总线分别与SDRAM同步动态随机存取存储器42和NANDFLASH存储器43相连；ARM微处理器41通过网络控制芯片44与网口相连；ARM微处理器41采用三星电子S3C2410芯片，片上移植Linux代码开源的操作***。ARM***数据管理单元4接收此地质参数，对其进行保密、封包处理，而后将数据进行SD卡数据存储电路7和GPRS无线发送电路8发送。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于设备自检单元5中包括进水检测传感器、温度传感器和湿度传感器；设备自检单元5用于检测设备所在密封箱体内部的温度、湿度和设备进水情况。环境监测单元6中包括温度传感器、湿度传感器和风速传感器；环境监测单元6在于监测油井环境的风速、湿度、温度。用于避免恶劣环境下开机对***甚至是油井造成伤害。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于GPRS无线发送电路8采用华为EM310DTU。各个平台通过GPRS无线发送电路8的核心运营网络组成分布式传感网络；该传感网络通过Internet连接中央***机所在局域网络。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同点在于增加了电源管理单元，工业级380V交流电的电源输出端与电源管理单元的电源输入端相连；电源管理单元的多个电源输出端分别与声信号接收单元1、模拟信号调理单元2、FPGA实时信号处理单元3、ARM***数据管理单元4、SD卡数据存储电路7和GPRS无线发送电路8的电源输入端相连；电源管理单元中包括基于MSP430芯片的低功耗单片机的定时电源值班电路，从而可以方便并精确的实现对***的周期性启动，一方面大大降低了***功耗，另一方面计时精确可以有效考虑闰年、闰月等特殊时间。电源管理单元还包括主电源掉电备用电自启动装置；主电源掉电备用电自启动装置在***交流电掉电后，自动启动备用蓄电池供电；低功耗电源定时值班装置包括低功耗单片机、专用时钟芯片、高电平导通电路，当专用时钟芯片达到预设报警时刻，通过外部中断唤醒低功耗单片机，低功耗单片机与高电平导通电路相连I/O口维持固定时间高电平使其导通，实现***供电。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

本实用新型的油井井下无线遥测***的井口接收设备的工作原理步骤如下：

步骤1，低功耗电源值班***定时启动工作平台，平台与远程中央***机进行双向握手判决；

步骤2，平台通过漏水判决电路、湿度传感器、温度传感器进行设备内部密封及工作情况自检，通过湿度传感器、温度传感器进行进行天气状况判断，并将检测和判断情况传给***机；如果设备漏水或雷雨天气，设备将自行关闭；

步骤3，井口信号接收单元接收井口的调制信号，并将其转化为电信号；信号调理单元将此电信号进行滤波和增益调节，使模拟信号具有良好的信噪比和较大的动态范围，此后A/D转换器将模拟信号转换为数字信号；FPGA接收此数字信号，并对其进行实时解调处理，将信号还原为地质参数；ARM***数据管理单元接收此地质参数，并对其进行加密和封包处理，而后将数据进行SD卡现场存储和GPRS无线发送。

上述实施方式的优点为：

1、平台能根据远程控制信号实现工作状况自检，保证***稳定工作；

2、平台能根据远程控制信号实现对环境状况检测，避免在恶劣环境下启功工作平台，造成不良后果；如雷雨天气，无线通信需要考虑雷击影响；

3、FPGA实时信号处理单元采用CycloneIII代的EP3C25，利用FPGA的算法优势，实现实时信号处理；

4、ARM嵌入Linux操作***，代码公开，大大降低了组网成本，便于实现多任务管理和构建文件***；

5、无线通信模块采用MC55模块，其内嵌TCP/IP协议，便于实现网络协议传输编程；

6、电源管理单元，通过低功耗单片机MSP430和时钟芯片PCF8563实现准确周期性启动***供电。

本实用新型内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (10)

1.油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于它包括声信号接收单元(1)、模拟信号调理单元(2)、FPGA实时信号处理单元(3)、ARM***数据管理单元(4)、设备自检单元(5)、环境监测单元(6)、SD卡数据存储电路(7)和GPRS无线发送电路(8)；声信号接收单元(1)的输入端用于接收井下传送的数据信号，声信号接收单元(1)的输出端与模拟信号调理单元(2)的输入端相连；模拟信号调理单元(2)的输出端与FPGA实时信号处理单元(3)的接收端相连；FPGA实时信号处理单元(3)的输出端与ARM***数据管理单元(4)的接收端相连；ARM***数据管理单元(4)的数据串口与SD卡数据存储电路(7)的数据串口相连；ARM***数据管理单元(4)的异步通信串口与GPRS无线发送电路(8)的通信串口相连；ARM***数据管理单元(4)通过IIC总线与设备自检单元(5)和环境监测单元(6)相连。

2.根据权利要求1所述的油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于声信号接收单元(1)采用加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于模拟信号调理单元(2)由前端阻抗匹配电路(21)、带通滤波电路(22)、增益控制电路(23)、电压抬升电路(24)、抗混叠滤波电路(25)和模数转换电路(26)组成；前端阻抗匹配电路(21)的输入端为模拟信号调理单元(2)的输入端；前端阻抗匹配电路(21)的输出端与带通滤波电路(22)的输入端相连；带通滤波电路(22)的输出端与增益控制电路(23)的输入端相连；增益控制电路(23)的输出端与电压抬升电路(24)的输入端相连；电压抬升电路(24)的输出端与抗混叠滤波电路(25)的输入端相连；抗混叠滤波电路(25)的输出端与模数转换电路(26)的输入端相连；模数转换电路(26)的输出端为模拟信号调理单元(2)的输出端。

4.根据权利要求3所述的油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于带通滤波电路(22)采用MAX274有源滤波器；增益控制电路(23)采用可编程增益控制器；抗混叠滤波电路(25)采用Sallen-Key低抗混叠滤波器。

5.根据权利要求1所述的油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于FPGA实时信号处理单元(3)采用EP3C25工业级芯片。

6.根据权利要求1所述的油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于ARM***数据管理单元(4)包括ARM微处理器(41)、SDRAM同步动态随机存取存储器(42)、NANDFLASH存储器(43)和网络控制芯片(44)，ARM微处理器(41)通过外部存储器总线分别与SDRAM同步动态随机存取存储器(42)和NANDFLASH存储器(43)相连；ARM微处理器(41)通过网络控制芯片(44)与网口相连。

7.根据权利要求6所述的油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于ARM微处理器(41)采用三星电子S3C2410芯片。

8.根据权利要求1所述的油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于设备自检单元(5)中包括进水检测传感器、温度传感器和湿度传感器；设备自检单元(5)用于检测设备所在密封箱体内部的温度、湿度和设备进水情况；环境监测单元(6)中包括温度传感器、湿度传感器和风速传感器；环境监测单元(6)在于监测油井环境的风速、湿度、温度。

9.根据权利要求1所述的油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于GPRS无线发送电路(8)采用华为EM310DTU。

10.根据权利要求1所述的油井井下无线遥测***的井口接收设备，其特征在于还包括电源管理单元，工业级380V交流电的电源输出端与电源管理单元的电源输入端相连；电源管理单元的多个电源输出端分别与声信号接收单元(1)、模拟信号调理单元(2)、FPGA实时信号处理单元(3)、ARM***数据管理单元(4)、SD卡数据存储电路(7)和GPRS无线发送电路(8)的电源输入端相连。

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