專利名稱：油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及工業(yè)信息化技術和石油油井測量技術領域，具體涉及油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備。
背景技術：
在石油領域，通過參考油井底部的溫度和壓力等參數(shù)，工作人員可以根據(jù)工程經(jīng) 驗推算出油井的油面深度和調(diào)整注水加壓情況。傳統(tǒng)油井測試方法，均是采用有線方式，將傳感器送至井下進行測試，從而不可避 免的產(chǎn)生很多弊端需要油井停產(chǎn)配合，影響工作效率；鋪線空間狹小，測試千米以上深度 油井難度大；多數(shù)設備為進口，價格昂貴?，F(xiàn)今采用油井無線遙測系統(tǒng)應用于石油油井井下參數(shù)的測量，油井無線遙測系統(tǒng) 由井下和井上兩部分組成。井下部分由地質(zhì)參數(shù)傳感器采集各項參數(shù)，而后由聲發(fā)射機將 這些參數(shù)進行特定調(diào)制并轉換為聲學信號，并通過油管信道傳至井口。但現(xiàn)有油井無線遙 測系統(tǒng)的井上部分存在無法檢測外部環(huán)境和設備自身環(huán)境的缺陷，以及現(xiàn)有采油區(qū)有線通 信設施很差數(shù)據(jù)不能及時實施傳送信息、傳送信息繁瑣、穩(wěn)定性和可靠性差的問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型為了解決現(xiàn)有油井無線遙測系統(tǒng)的井上部分存在無法檢測外部環(huán)境 和設備自身環(huán)境的缺陷，以及現(xiàn)有采油區(qū)有線通信設施很差數(shù)據(jù)不能及時實施傳送信息、 傳送信息繁瑣、穩(wěn)定性和可靠性差的問題，而提出了油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設 備。本實用新型包括聲信號接收單元、模擬信號調(diào)理單元、FPGA實時信號處理單元、 ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元、設備自檢單元、環(huán)境監(jiān)測單元、SD卡數(shù)據(jù)存儲電路和GPRS無線發(fā) 送電路組成；聲信號接收單元的輸入端用于接收井下傳送的數(shù)據(jù)信號，聲信號接收單元的 輸出端與模擬信號調(diào)理單元的輸入端相連；模擬信號調(diào)理單元的輸出端與FPGA實時信號 處理單元的接收端相連；FPGA實時信號處理單元的輸出端與ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元的接收 端相連；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元的數(shù)據(jù)串口與SD卡數(shù)據(jù)存儲電路的數(shù)據(jù)串口相連；ARM系 統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元的異步通信串口與GPRS無線發(fā)送電路的通信串口相連；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管 理單元通過IIC總線與設備自檢單元和環(huán)境監(jiān)測單元相連。它還包括電源管理單元，工業(yè) 級380V交流電的電源輸出端與電源管理單元的電源輸入端相連；電源管理單元的電源輸 出端與聲信號接收單元、模擬信號調(diào)理單元、FPGA實時信號處理單元、ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單 元、SD卡數(shù)據(jù)存儲電路和GPRS無線發(fā)送電路的電源輸入端相連。本實用新型應用于石油油井底部參數(shù)測量的井口接收裝置。它接收來自井底的經(jīng) 過通信調(diào)制的信號，并對其進行信號調(diào)理和實時解調(diào)，將調(diào)制信號還原為地質(zhì)參數(shù)；該接收 器作為油井群信息網(wǎng)絡的一個節(jié)點，其數(shù)據(jù)管理單元接收此參數(shù)并對其進行封包和加密處 理，進而將處理后的數(shù)據(jù)進行GPRS形式無線傳送和現(xiàn)場存儲。本設備主要針對這種方式，實現(xiàn)對來自井底調(diào)制信號的解調(diào)、存儲、轉發(fā)以及接收來自中央系統(tǒng)機的遠程控制。同時考慮采油區(qū)的各個油井廣泛分布于大面積的人際稀少地區(qū)，設計一套分布式實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動傳 送的傳感網(wǎng)絡可以有效的緩解工作人員的勞動量。此外，傳統(tǒng)采油區(qū)有線通信設施很差，而 移動運營網(wǎng)絡覆蓋卻很全面，因此基于無線運營網(wǎng)絡進行組網(wǎng)實現(xiàn)非常方便，也省卻了自 己組網(wǎng)的成本投入。本實用新型主要包括模擬信號調(diào)理單元、FPGA實時信號處理單元、ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù) 管理單元、電源值班管理單元、設備自檢單元和環(huán)境監(jiān)測單元。模擬信號調(diào)理單元負責對微 弱模擬信號的濾波與增益控制；FPGA實時信號處理單元利用FPGA實現(xiàn)對采集信號的還原 解調(diào)；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元通過ARM處理器實現(xiàn)對還原數(shù)據(jù)的加密、包裝、現(xiàn)場存儲和基 于GPRS形式的數(shù)據(jù)發(fā)送；電源值班管理單元負責周期性啟動系統(tǒng)供電；設備自檢用于設備 所在箱體內(nèi)部漏水保護、濕度和溫度狀況檢測；環(huán)境監(jiān)測單元用于分析設備工作地點天氣 情況，避免在雷雨等惡劣天氣下開機造成設備損壞。通過上述設備完成下面的工作過程首 先系統(tǒng)定時啟動，與遠程中央系統(tǒng)機進行雙向握手；之后油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接 收設備內(nèi)部密封狀況自檢，油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備外部工作天氣判決；最 終開始接收井口數(shù)據(jù)，并進行解調(diào)、加密、封包，而后平臺對最終結果進行存儲和無線發(fā)送。 它能與遠程中央系統(tǒng)機進行雙向通信；設備可以按照遠程控制信息實現(xiàn)設備內(nèi)部自檢和工 作天氣監(jiān)測，避免了因設備漏水或雷雨天氣工作對設備造成的損害；傳感節(jié)點通過無線方 式將數(shù)據(jù)傳至中央系統(tǒng)機，省卻了工人多點間勞作和布線成本；系統(tǒng)通過GPRS形式組網(wǎng)， 省卻了自行組網(wǎng)的成本，將傳輸距離延伸至整個運營網(wǎng)絡覆蓋范圍，且組網(wǎng)方便；它的平臺 使用FPGA+ARM架構，實現(xiàn)了信號實時處理和后期數(shù)據(jù)管理的合理分工。針對石油采油區(qū)， 本設備優(yōu)勢在于穩(wěn)定和可靠性高；基于GPRS形式進行分布式組網(wǎng)，覆蓋范圍廣，適用于陸 上分布廣泛的油井底部參數(shù)測量。

圖1為油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備的總體示意圖；圖2為油井井下無 線遙測系統(tǒng)的井口接收設備的井上結構示意圖；圖3為油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收 設備的分布組網(wǎng)示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結合圖1說明本實施方式，本實施方式由聲信號接收單元1、模 擬信號調(diào)理單元2、FPGA實時信號處理單元3、ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元4、設備自檢單元5、 環(huán)境監(jiān)測單元6、SD卡數(shù)據(jù)存儲電路7和GPRS無線發(fā)送電路8組成；聲信號接收單元1的 輸入端用于接收井下傳送的數(shù)據(jù)信號，聲信號接收單元1的輸出端與模擬信號調(diào)理單元2 的輸入端相連；模擬信號調(diào)理單元2的輸出端與FPGA實時信號處理單元3的接收端相連； FPGA實時信號處理單元3的輸出端與ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元4的接收端相連；ARM系統(tǒng)數(shù) 據(jù)管理單元4的數(shù)據(jù)串口與SD卡數(shù)據(jù)存儲電路7的數(shù)據(jù)串口相連；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元 4的異步通信串口與GPRS無線發(fā)送電路8的通信串口相連；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元4通過 IIC總線與設備自檢單元5和環(huán)境監(jiān)測單元6相連。
具體實施方式
二 結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同點在于聲信號接收單元1采用加速度傳感器，聲信號接收單元1接收該聲波振動信號，并將其轉換為電信號發(fā)送給模擬信號調(diào)理單元2。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同 點在于模擬信號調(diào)理單元2由前端阻抗匹配電路21、帶通濾波電路22、增益控制電路23、電 壓抬升電路24、抗混疊濾波電路25和模數(shù)轉換電路26組成；前端阻抗匹配電路21的輸入 端為模擬信號調(diào)理單元2的輸入端；前端阻抗匹配電路21的輸出端與帶通濾波電路22的 輸入端相連；帶通濾波電路22的輸出端與增益控制電路23的輸入端相連；增益控制電路 23的輸出端與電壓抬升電路24的輸入端相連；電壓抬升電路24的輸出端與抗混疊濾波電 路25的輸入端相連；抗混疊濾波電路25的輸出端與模數(shù)轉換電路26的輸入端相連；模數(shù) 轉換電路26的輸出端為模擬信號調(diào)理單元2的輸出端。帶通濾波電路22采用MAX274有 源濾波器，搭建八階契比雪夫濾波器；增益控制電路23中的信號增益方式采用手動增益和 自動增益兩種方式實現(xiàn)，增益控制電路23選用可編程增益控制器；抗混疊濾波電路25為 Sallen-Key低抗混疊濾波器，實現(xiàn)簡易有源二階濾波，用于濾除增益控制時引入的高頻分 量；模擬信號調(diào)理單元2將聲信號接收單元1發(fā)送來的電信號進行濾波、增益調(diào)節(jié)和模數(shù)轉 換；其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同 點在于FPGA實時信號處理單元3采用Altera公司EP3C25工業(yè)級芯片；FPGA實時信號處 理單元3接收模擬信號調(diào)理單元2的模數(shù)轉換后的數(shù)字信號，并對其進行實時相應解調(diào)，還 原為相應的地質(zhì)參數(shù)；FPGA實時信號處理單元3與ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元4使用異步通信 方式實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交互。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同 點在于ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元4包括ARM微處理器41、SDRAM同步動態(tài)隨機存取存儲器 42.NANDFLASH存儲器43和網(wǎng)絡控制芯片44，ARM微處理器41通過外部存儲器總線分別與 SDRAM同步動態(tài)隨機存取存儲器42和NANDFLASH存儲器43相連；ARM微處理器41通過網(wǎng) 絡控制芯片44與網(wǎng)口相連；ARM微處理器41采用三星電子S3C2410芯片，片上移植Linux 代碼開源的操作系統(tǒng)。ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元4接收此地質(zhì)參數(shù)，對其進行保密、封包處理， 而后將數(shù)據(jù)進行SD卡數(shù)據(jù)存儲電路7和GPRS無線發(fā)送電路8發(fā)送。其它組成和連接方式 與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同 點在于設備自檢單元5中包括進水檢測傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器；設備自檢單元5 用于檢測設備所在密封箱體內(nèi)部的溫度、濕度和設備進水情況。環(huán)境監(jiān)測單元6中包括溫 度傳感器、濕度傳感器和風速傳感器；環(huán)境監(jiān)測單元6在于監(jiān)測油井環(huán)境的風速、濕度、溫 度。用于避免惡劣環(huán)境下開機對系統(tǒng)甚至是油井造成傷害。其它組成和連接方式與具體實 施方式一相同。
具體實施方式
七結合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同 點在于GPRS無線發(fā)送電路8采用華為EM310DTU。各個平臺通過GPRS無線發(fā)送電路8的核 心運營網(wǎng)絡組成分布式傳感網(wǎng)絡；該傳感網(wǎng)絡通過Internet連接中央系統(tǒng)機所在局域網(wǎng) 絡。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一不同點在于增加了電源管理單元，工業(yè)級380V交流電的電源輸出端與電源管理單元的電源輸入端相連；電源管理單元的多個電源輸出端分別與聲信號接收單元1、模擬信號調(diào)理單元2、FPGA實時信號處理單元 3、ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元4、SD卡數(shù)據(jù)存儲電路7和GPRS無線發(fā)送電路8的電源輸入端相 連；電源管理單元中包括基于MSP430芯片的低功耗單片機的定時電源值班電路，從而可以 方便并精確的實現(xiàn)對系統(tǒng)的周期性啟動，一方面大大降低了系統(tǒng)功耗，另一方面計時精確 可以有效考慮閏年、閏月等特殊時間。電源管理單元還包括主電源掉電備用電自啟動裝置； 主電源掉電備用電自啟動裝置在系統(tǒng)交流電掉電后，自動啟動備用蓄電池供電；低功耗電 源定時值班裝置包括低功耗單片機、專用時鐘芯片、高電平導通電路，當專用時鐘芯片達到 預設報警時刻，通過外部中斷喚醒低功耗單片機，低功耗單片機與高電平導通電路相連I/O 口維持固定時間高電平使其導通，實現(xiàn)系統(tǒng)供電。其它組成和連接方式與具體實施方式
一 相同。本實用新型的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備的工作原理步驟如下步驟1，低功耗電源值班系統(tǒng)定時啟動工作平臺，平臺與遠程中央系統(tǒng)機進行雙向 握手判決；步驟2，平臺通過漏水判決電路、濕度傳感器、溫度傳感器進行設備內(nèi)部密封及工 作情況自檢，通過濕度傳感器、溫度傳感器進行進行天氣狀況判斷，并將檢測和判斷情況傳 給系統(tǒng)機；如果設備漏水或雷雨天氣，設備將自行關閉； 步驟3，井口信號接收單元接收井口的調(diào)制信號，并將其轉化為電信號；信號調(diào)理 單元將此電信號進行濾波和增益調(diào)節(jié)，使模擬信號具有良好的信噪比和較大的動態(tài)范圍， 此后A/D轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號；FPGA接收此數(shù)字信號，并對其進行實時解調(diào) 處理，將信號還原為地質(zhì)參數(shù)；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元接收此地質(zhì)參數(shù)，并對其進行加密和 封包處理，而后將數(shù)據(jù)進行SD卡現(xiàn)場存儲和GPRS無線發(fā)送。上述實施方式的優(yōu)點為1、平臺能根據(jù)遠程控制信號實現(xiàn)工作狀況自檢，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作；2、平臺能根據(jù)遠程控制信號實現(xiàn)對環(huán)境狀況檢測，避免在惡劣環(huán)境下啟功工作平 臺，造成不良后果；如雷雨天氣，無線通信需要考慮雷擊影響；3、FPGA實時信號處理單元采用CycloneIII代的EP3C25，利用FPGA的算法優(yōu)勢， 實現(xiàn)實時信號處理；4、ARM嵌入Linux操作系統(tǒng)，代碼公開，大大降低了組網(wǎng)成本，便于實現(xiàn)多任務管 理和構建文件系統(tǒng)；5、無線通信模塊采用MC55模塊，其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，便于實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議傳輸編 程；6、電源管理單元，通過低功耗單片機MSP430和時鐘芯片PCF8563實現(xiàn)準確周期性 啟動系統(tǒng)供電。本實用新型內(nèi)容不僅限于上述各實施方式的內(nèi)容，其中一個或幾個具體實施方式的組合同樣也可以實現(xiàn)發(fā)明的目的。
權利要求油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于它包括聲信號接收單元(1)、模擬信號調(diào)理單元(2)、FPGA實時信號處理單元(3)、ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元(4)、設備自檢單元(5)、環(huán)境監(jiān)測單元(6)、SD卡數(shù)據(jù)存儲電路(7)和GPRS無線發(fā)送電路(8)；聲信號接收單元(1)的輸入端用于接收井下傳送的數(shù)據(jù)信號，聲信號接收單元(1)的輸出端與模擬信號調(diào)理單元(2)的輸入端相連；模擬信號調(diào)理單元(2)的輸出端與FPGA實時信號處理單元(3)的接收端相連；FPGA實時信號處理單元(3)的輸出端與ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元(4)的接收端相連；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元(4)的數(shù)據(jù)串口與SD卡數(shù)據(jù)存儲電路(7)的數(shù)據(jù)串口相連；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元(4)的異步通信串口與GPRS無線發(fā)送電路(8)的通信串口相連；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元(4)通過IIC總線與設備自檢單元(5)和環(huán)境監(jiān)測單元(6)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于聲信號 接收單元(1)采用加速度傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于模擬信 號調(diào)理單元(2)由前端阻抗匹配電路(21)、帶通濾波電路(22)、增益控制電路(23)、電壓抬 升電路(24)、抗混疊濾波電路(25)和模數(shù)轉換電路(26)組成；前端阻抗匹配電路(21)的 輸入端為模擬信號調(diào)理單元(2)的輸入端；前端阻抗匹配電路(21)的輸出端與帶通濾波電 路(22)的輸入端相連；帶通濾波電路(22)的輸出端與增益控制電路(23)的輸入端相連； 增益控制電路(23)的輸出端與電壓抬升電路(24)的輸入端相連；電壓抬升電路(24)的輸 出端與抗混疊濾波電路(25)的輸入端相連；抗混疊濾波電路(25)的輸出端與模數(shù)轉換電 路(26)的輸入端相連；模數(shù)轉換電路(26)的輸出端為模擬信號調(diào)理單元(2)的輸出端。
4.根據(jù)權利要求3所述的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于帶通濾 波電路(22)采用MAX274有源濾波器；增益控制電路(23)采用可編程增益控制器；抗混疊 濾波電路(25)采用Sallen-Key低抗混疊濾波器。
5.根據(jù)權利要求1所述的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于FPGA實 時信號處理單元(3)采用EP3C25工業(yè)級芯片。
6.根據(jù)權利要求1所述的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于ARM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元(4)包括ARM微處理器(41)、SDRAM同步動態(tài)隨機存取存儲器(42)、 NANDFLASH存儲器(43)和網(wǎng)絡控制芯片(44)，ARM微處理器(41)通過外部存儲器總線分 別與SDRAM同步動態(tài)隨機存取存儲器(42)和NANDFLASH存儲器(43)相連；ARM微處理器 (41)通過網(wǎng)絡控制芯片(44)與網(wǎng)口相連。
7.根據(jù)權利要求6所述的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于ARM微 處理器(41)采用三星電子S3C2410芯片。
8.根據(jù)權利要求1所述的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于設備自 檢單元(5)中包括進水檢測傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器；設備自檢單元(5)用于檢測 設備所在密封箱體內(nèi)部的溫度、濕度和設備進水情況；環(huán)境監(jiān)測單元(6)中包括溫度傳感 器、濕度傳感器和風速傳感器；環(huán)境監(jiān)測單元(6)在于監(jiān)測油井環(huán)境的風速、濕度、溫度。
9.根據(jù)權利要求1所述的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于GPRS無 線發(fā)送電路(8)采用華為EM310DTU。
10.根據(jù)權利要求1所述的油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，其特征在于還包括電源管理單元，工業(yè)級380V交流電的電源輸出端與電源管理單元的電源輸入端相連；電 源管理單元的多個電源輸出端分別與聲信號接收單元(1)、模擬信號調(diào)理單元(2)、FPGA實 時信號處理單元(3)、ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元(4)、SD卡數(shù)據(jù)存儲電路(7)和GPRS無線發(fā)送 電路(8)的電源輸入端相連。
專利摘要油井井下無線遙測系統(tǒng)的井口接收設備，它涉及工業(yè)信息化技術和石油油井測量技術領域，它解決了現(xiàn)有油井無線遙測系統(tǒng)的井上部分存在無法檢測外部環(huán)境和設備自身環(huán)境的缺陷，以及現(xiàn)有采油區(qū)有線通信設施很差數(shù)據(jù)不能及時實施傳送信息、傳送信息繁瑣、穩(wěn)定性和可靠性差的問題。它的聲信號接收單元的輸入端用于接收井下傳送的數(shù)據(jù)信號，其輸出端連模擬信號調(diào)理單元輸入端；模擬信號調(diào)理單元輸出端連FPGA實時信號處理單元接收端；FPGA實時信號處理單元輸出端連ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元接收端；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元分別連SD卡數(shù)據(jù)存儲電路和GPRS無線發(fā)送電路；ARM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理單元通過IIC總線連設備自檢單元和環(huán)境監(jiān)測單元。適用于陸上分布廣泛的油井底部參數(shù)測量。
文檔編號G08C17/02GK201599025SQ20102013104
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月15日 優(yōu)先權日2010年3月15日
發(fā)明者桑恩方, 潘佳亮, 胡偉, 郭永強 申請人:哈爾濱長城水下高技術有限公司