本發明屬于石油天然氣鉆井技術領域，特別是涉及一種多級多通道井下低功耗控制執行系統及控制方法。

背景技術：

石油鉆井領域中，智能鉆井工具在隨鉆測量或后期開采過程中，實時記錄井下壓力、溫度等參數信息，通過傳輸介質上傳至地面控制系統，同時，地面控制系統發出的指令下傳到智能鉆井工具的控制單元，解碼后驅動執行機構執行相應的操作。井下與地面通信方式的選擇，與通信距離、傳輸介質類型、地層特性、井下工況等多種因素密切相關，單靠某一種通信方式難以滿足復雜工況下的通信要求。此外，智能鉆井工具在鉆進、等待、起出等過程中，通常并不需要其整個控制執行系統持續工作，若各單元在井下工作時間內均處于上電喚醒狀態，在造成大量無效數據測量、存儲的同時，必然降低智能鉆井工具供電系統的性能，縮短智能鉆井工具井下工作時間，影響鉆進效率。

研究一種多級多通道井下低功耗控制執行系統，通過設計多種通信方式實現地面與井下的多通道數據通信，通過多級休眠喚醒控制，實現井下控制單元與驅動執行單元的分級喚醒策略，通過此種方式，在保證地面與井下雙向數據通信的同時，降低井下控制執行系統的功率損耗，延長智能鉆井工具的井下工作時間，具有創新性和應用價值。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明旨在提出一種多級多通道井下低功耗控制執行系統及控制方法，提高地面控制系統與智能鉆井工具間通信的穩定性和成功率，同時降低智能鉆井工具的功率損耗，延長智能鉆井工具井下工作時間。

為了達到上述目的，本發明提供的多級多通道井下低功耗控制執行系統包括：地面控制單元、多通道數據通信單元、系統協調、喚醒單元、井下控制單元、驅動喚醒單元、驅動執行機構、井下電源管理單元，其中：地面控制單元通過多通道數據通信單元與系統協調、喚醒單元連接，系統協調、喚醒單元與井下控制單元連接，井下電源管理單元分別與系統協調、喚醒單元、井下控制單元、驅動喚醒單元和驅動執行機構相連接。

所述的系統協調、喚醒單元通過帶緩沖的i²c總線結構與所述多通道數據通信單元連接。

所述的系統協調、喚醒單元中帶緩沖的i²c總線結構包括第一控制芯片u1及其外圍電路，所述第一控制芯片u1選用ltc-4300系列總線緩沖器，所述第一控制芯片u1的上電使能引腳enable連接所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源，第一電容c1為去耦電容，一端連接所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端接地，所述第一控制芯片u1的電源正引腳vcc連接所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，所述第一控制芯片u1的連接標志位引腳ready連接所述第一控制芯片u1的電源正引腳vcc，所述第一控制芯片u1的地線引腳gnd接地，所述第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸入引腳sclin連接所述多通道數據通信單元中i²c總線時鐘輸出引腳，所述第一控制芯片u1的i²c總線數據輸入引腳sdain連接所述多通道數據通信單元中i²c總線數據輸出引腳，所述第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸出引腳sclout連接所述井下控制單元中i²c總線時鐘輸入引腳，所述第一控制芯片u1的i²c總線數據輸出引腳sdaout連接所述井下控制單元中i²c總線數據輸入引腳，第一電阻r1的一端連接所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端連接所述第一控制芯片u1的總線數據輸入引腳sdain，第二電阻r2的一端連接所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端連接所述第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸入引腳sclin，第三電阻r3的一端連接所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端連接所述第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸出引腳sclout，第四電阻r4的一端連接所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端連接所述第一控制芯片u1的i²c總線數據輸出引腳sdaout，第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3、第四電阻r4均為上拉電阻。

所述的系統協調、喚醒單元的時鐘電路包括第二控制芯片u2及其外圍電路，其中，所述第二控制芯片u2選用pca8565時鐘芯片，所述第二控制芯片u2的電源正引腳vdd連接第一二極管d1的負極，第一二極管d1的正極與所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源vdd3.3連接，所述第二控制芯片u2的電源負引腳vss接地，所述第二控制芯片u2的時鐘引腳osci和osco分別與晶振y1的兩端連接，所述第二控制芯片u2的int為中斷輸出引腳，低電平有效，懸空，所述第二控制芯片u2的時鐘輸出引腳clkout懸空，所述第二控制芯片u2的i²c總線時鐘引腳scl連接所述系統協調、喚醒單元中第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸入引腳sclin，所述第二控制芯片u2的i²c總線數據引腳sda連接所述系統協調、喚醒單元中第一控制芯片u1的總線數據輸入引腳sdain，第二電容c2一端連接所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端接地。

所述驅動喚醒單元包括第五電阻r5、第六電阻r6、第一功率器件q1、第二功率器件q2和第二二極管d2，所述第一功率器件q1選用n-mosfet，基極為輸入端，連接所述井下控制單元的輸出信號，源極接地，第五電阻r5一端連接所述第一功率器件q1的基極，另一端接地，所述第一功率器件q1的漏極連接所述第二功率器件q2的基極，所述第二功率器件q2的漏極連接第二二極管d2的負極，所述第二二極管d2的正極連接所述井下電源管理系統中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，所述第二功率器件q2的源極為輸出端，連接所述驅動執行機構，第六電阻r6一端連接所述第二二極管d2的負極，另一端連接所述第二功率器件q2的基極。

本發明提供的多級多通道井下低功耗控制執行系統的控制方法包括按順序進行的下列步驟：

a100：入井前設置：智能鉆井工具入井前，根據當前井下工況、傳輸介質、不同數據通信方式的特性等因素，確定鉆井過程中需用到的數據通信方式，組成多通道數據通信單元，通過系統協調、喚醒單元與井下控制系統連接；

a101：鉆井工具入井：根據多通道數據通信單元的組成情況，確定井下控制單元的喚醒時間間隔與喚醒后的持續時間，智能鉆井工具以休眠狀態入井；

a103：信號監測：系統協調、喚醒單元按設定的時間間隔喚醒井下控制單元，井下控制單元在喚醒時間內，實時監測多通道數據通信單元的輸出信號；

a104：判斷是否收到指令：若井下控制單元在喚醒時間內未監測到多通道數據通信單元的輸出信號，即地面控制單元未下發控制指令，則轉至步驟a103；

a105：執行指令：若井下控制單元在喚醒時間內監測到多通道數據通信單元的輸出信號，則井下控制單元進入工作模式，解釋執行地面控制單元的指令；

a106：判斷是否為驅動指令：若指令中包含控制驅動執行機構的信息，則井下控制單元控制驅動喚醒單元動作，下一步執行步驟a107、否則下一步轉步驟a109；

a107：連通執行機構電源：驅動喚醒單元連通驅動執行機構與井下電源管理單元之間的供電通道；

a108：執行規定的操作：驅動執行機構產生足夠的驅動力，執行規定的操作后，井下控制單元控制驅動喚醒單元，斷開驅動執行機構與井下電源管理單元之間的供電通道，下一步轉步驟a109；

a109：判斷是否指令執行完畢：若井下控制單元未執行完地面控制單元的全部指令，則轉步驟a105；

a110：進入休眠狀態：若井下控制單元執行完地面控制單元的全部指令，則重新進入休眠狀態，轉步驟a103。

相對于現有技術，本發明提供的多級多通道井下低功耗控制執行系統及控制方法通過多通道多通信方式設計，保證地面控制系統與智能鉆井工具間數據通信的穩定性，提高通信數據解碼的成功率，通過多級喚醒機制，僅在需要工作時喚醒智能鉆井工具對應模塊，其余時間內智能鉆井工具電控系統處于低功耗狀態，提高了存儲空間有效數據的占用率，延長了智能鉆井工具入井工作時間，具有重要的意義和應用價值。

附圖說明

圖1為本發明提供的多級多通道井下低功耗控制執行系統的結構示意圖。

圖2為本發明實施例所述系統協調、喚醒單元中i²c總線緩沖電路結構圖；

圖3為本發明實施例所述系統協調、喚醒單元中時鐘電路結構圖；

圖4為本發明實施例所述驅動喚醒單元電路結構圖。

圖5為本發明實施例所述井下低功耗控制執行系統工作流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的多級多通道井下低功耗控制執行系統及控制方法進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

如圖1所示，本發明提供的多級多通道井下低功耗控制執行系統包括：

地面控制單元100、多通道數據通信單元200、系統協調、喚醒單元300、井下控制單元400、驅動喚醒單元500、驅動執行機構600、井下電源管理單元700，其中：地面控制單元100通過多通道數據通信單元200與系統協調、喚醒單元300連接，系統協調、喚醒單元300與井下控制單元400連接，井下電源管理單元700分別與系統協調、喚醒單元300、井下控制單元400、驅動喚醒單元500和驅動執行機構600相連接；所述地面控制單元100用于接收上傳的測量數據、發送控制執行指令，所述多通道數據通信單元200用于地面控制單元100與井下低功耗控制執行系統間雙向數據通信，所述系統協調、喚醒單元300用于對所述多通道數據通信單元200中多種通信方式進行協調管理，實現多種通信方式的動態組合與獨立傳輸，同時作為一級喚醒單元用于對井下驅動控制系統的定時喚醒，所述井下控制單元400用于測量井下信息、上傳測量數據、解釋執行地面控制指令，所述驅動喚醒單元500作為二級喚醒單元，控制所述驅動執行機構600與所述井下電源管理單元700的通斷，所述驅動執行機構600用于產生足夠的驅動功率，使執行機構完成規定的操作，所述井下電源管理單元700用于為整個井下低功耗控制執行系統提供穩定的直流電能。

如圖2所示，所述的系統協調、喚醒單元300通過帶緩沖的i²c總線結構與所述多通道數據通信單元200連接，實現所述多通道數據通信單元200多種通信方式的模塊化協調管理、降低總線擾動。

進一步的，所述的系統協調、喚醒單元300中帶緩沖的i²c總線結構包括第一控制芯片u1及其外圍電路，所述第一控制芯片u1選用低功耗的ltc-4300系列總線緩沖器，所述第一控制芯片u1的上電使能引腳enable連接所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源，第一電容c1為去耦電容，一端連接所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端接地，所述第一控制芯片u1的電源正引腳vcc連接所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，所述第一控制芯片u1的連接標志位引腳ready連接所述第一控制芯片u1的電源正引腳vcc，所述第一控制芯片u1的地線引腳gnd接地，所述第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸入引腳sclin連接所述多通道數據通信單元200中i²c總線時鐘輸出引腳，所述第一控制芯片u1的i²c總線數據輸入引腳sdain連接所述多通道數據通信單元200中i²c總線數據輸出引腳，所述第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸出引腳sclout連接所述井下控制單元400中i²c總線時鐘輸入引腳，所述第一控制芯片u1的i²c總線數據輸出引腳sdaout連接所述井下控制單元400中i²c總線數據輸入引腳，第一電阻r1的一端連接所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端連接所述第一控制芯片u1的總線數據輸入引腳sdain，第二電阻r2的一端連接所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端連接所述第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸入引腳sclin，第三電阻r3的一端連接所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端連接所述第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸出引腳sclout，第四電阻r4的一端連接所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端連接所述第一控制芯片u1的i²c總線數據輸出引腳sdaout，第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3、第四電阻r4均為上拉電阻。

如圖3所示，所述的系統協調、喚醒單元300作為一級喚醒單元，通過設計時鐘電路實現對所述井下控制單元400的定時喚醒，所述井下控制單元400根據所述多通道數據通信單元200中不同通信方式的特征、傳輸介質、井下工況等信息，設定不同的喚醒時間間隔，定時讀取所述多通道數據通信單元200的輸出數據。

進一步的，所述的系統協調、喚醒單元300的時鐘電路包括第二控制芯片u2及其外圍電路，其中，所述第二控制芯片u2選用低功耗的pca8565時鐘芯片，所述第二控制芯片u2的電源正引腳vdd連接第一二極管d1的負極，第一二極管d1的正極與所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源vdd3.3連接，所述第二控制芯片u2的電源負引腳vss接地，所述第二控制芯片u2的時鐘引腳osci和osco分別與晶振y1的兩端連接，所述第二控制芯片u2的int為中斷輸出引腳，低電平有效，懸空，所述第二控制芯片u2的時鐘輸出引腳clkout懸空，所述第二控制芯片u2的i²c總線時鐘引腳scl連接所述系統協調、喚醒單元300中第一控制芯片u1的i²c總線時鐘輸入引腳sclin，所述第二控制芯片u2的i²c總線數據引腳sda連接所述系統協調、喚醒單元300中第一控制芯片u1的總線數據輸入引腳sdain，第二電容c2一端連接所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，另一端接地。

如圖4所示，所述驅動喚醒單元500包括第五電阻r5、第六電阻r6、第一功率器件q1、第二功率器件q2和第二二極管d2，所述第一功率器件q1選用n-mosfet，基極為輸入端，連接所述井下控制單元400的輸出信號，源極接地，第五電阻r5一端連接所述第一功率器件q1的基極，另一端接地，所述第一功率器件q1的漏極連接所述第二功率器件q2的基極，所述第二功率器件q2的漏極連接第二二極管d2的負極，所述第二二極管d2的正極連接所述井下電源管理系統700中3.3v直流穩壓電源vdd3.3，所述第二功率器件q2的源極為輸出端，連接所述驅動執行機構600，第六電阻r6一端連接所述第二二極管d2的負極，另一端連接所述第二功率器件q2的基極。

如圖5所示，本發明提供的多級多通道井下低功耗控制方法包括按順序進行的下列步驟：

a100：入井前設置：智能鉆井工具入井前，根據當前井下工況、傳輸介質、不同數據通信方式的特性等因素，確定鉆井過程中需用到的數據通信方式，組成多通道數據通信單元200，通過系統協調、喚醒單元300與井下控制系統400連接；

a101：鉆井工具入井：根據多通道數據通信單元200的組成情況，確定井下控制單元400的喚醒時間間隔與喚醒后的持續時間，智能鉆井工具以休眠狀態入井；

a103：信號監測：系統協調、喚醒單元300按設定的時間間隔喚醒井下控制單元400，井下控制單元400在喚醒時間內，實時監測多通道數據通信單元200的輸出信號；

a104：判斷是否收到指令：若井下控制單元400在喚醒時間內未監測到多通道數據通信單元200的輸出信號，即地面控制單元100未下發控制指令，則轉至步驟a103；

a105：執行指令：若井下控制單元400在喚醒時間內監測到多通道數據通信單元200的輸出信號，則井下控制單元400進入工作模式，解釋執行地面控制單元100的指令；

a106：判斷是否為驅動指令：若指令中包含控制驅動執行機構600的信息，則井下控制單元400控制驅動喚醒單元500動作，下一步執行步驟a107、否則下一步轉步驟a109；

a107：連通執行機構電源：驅動喚醒單元500連通驅動執行機構600與井下電源管理單元700之間的供電通道；

a108：執行規定的操作：驅動執行機構600產生足夠的驅動力，執行規定的操作后，井下控制單元400控制驅動喚醒單元500，斷開驅動執行機構600與井下電源管理單元700之間的供電通道，下一步轉步驟a109；

a109：判斷是否指令執行完畢：若井下控制單元400未執行完地面控制單元100的全部指令，則轉步驟a105；

a110：進入休眠狀態：若井下控制單元400執行完地面控制單元100的全部指令，則重新進入休眠狀態，轉步驟a103。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。