CN102305054B

CN102305054B - 基于rfid的井下分层注水控制系统

Info

Publication number: CN102305054B
Application number: CN201110278843.4A
Authority: CN
Inventors: 刘明尧; 李兵; 周祖德; 谭跃刚; 陈国良; 李俊; 李程
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN102305054A

Abstract

本发明涉及基于RFID的井下分层注水控制系统，包括计算机、射频写卡芯片、射频卡和配水器，所述的计算机和射频写卡芯片通过URAT串口线连接，施工时，射频卡和射频写卡芯片通过无线通讯连接，本发明的优点还在于：射频卡非常小巧，能在油管顺利向下坠落，不会堵塞油管，射频卡有塑料保护层，缓冲撞击。本发明中的专用配水器带有阀门控制电路和相应的阀门传动机构，安装结构紧凑，不影响配水器的强度，方便与标准油管对接，适用油井下的狭小空间，无需改动油井管道。专用配水器的套管和密封胶圈可以有效保护阀门控制电路和相应的阀门传动机构，使其免受井下压力、湿度等因素的干扰。

Description

基于RFID的井下分层注水控制系统

技术领域

本发明涉及能源开采装备技术领域，具体的是涉及基于RFID的井下分层注水控制系统。

背景技术

油田进入注水开发阶段时，为了保证油田的压力将石油驱替出来，要向地层注水，即注水采油技术。注水的井称为注水井。我国大部分油田为分层分布油藏，油层都是一个独立封闭的储油体，各个油层的结构、组成、压力、温度、厚度等都存在差异：有的油层质地疏松，其中孔隙大而且多，储油能力强；有的油层质地致密，其中孔隙少而且小，储油能力比较弱。这种差异的存在，使得各个油层的吸水能力有比较大的差异。在同样压力注水的情况下，孔隙较大的油层比孔隙较小的油层容易吸水，其中的原油比较容易的就被驱散出来，产油量大，但压力下降也较其他油层快，需要及时补充注水维持地层压力平衡。但是，由于孔隙较大，注水很容易通过该油层从油井里渗透出来，导致油井里出现出水层，不但使原油产量大幅度下降，对原油进行脱水的成本也将增高。层间差异导致的另一个问题是，当用同样的压力注水时，吸水能力强的油层大量进水，吸水能力弱的油层进水很少甚至不进水，导致这些油层里的原油无法开采，造成浪费。针对不同油层注水量的不同，为了使各个油层能够按开采要求合理、分别注水，减小油层间的不利影响，提高各个油层的采油效率，分层注水采油技术诞生了。显然，如何有效地控制打开注水油层流道和关闭其他油层流道是非常关键的任务。

传统机械式作业法，将油井管道提出油井，在注水油层流道安装油嘴，死堵其他油层流道。更换注水油层时，要重新进行机械作业。该方法调换一次油嘴耗资几万元，费时费力，当油层数量多于3个时，施工难度很大。采用微处理器控制分层注水是油田发展方向之一，实现地面人员与井下多个油层开关的信息通讯是关键。目前国内外利用的油井开采技术主要是利用电线或者电缆、液压线、光纤传感技术以及压力编码技术。利用电缆或者液压线控制具有井下工具操作繁琐，机械结构复杂，在控制多余3个油层的油井时，液压线过多，安装复杂，可靠性低，控制难等问题。光纤传感技术虽然具有通讯距离远，信号不会衰减，数据可靠性高，不需要井下信号处理电路，系统结构大大简化等优点，但由于光纤脆性大，特别是井下工具操作频繁、震动比较大的情况下很容易导致光纤折断，此外当光纤通过封隔器时，需要额外增加光纤保护装置，大大增加了机械结构复杂性和成本，降低了井下工具的可靠性。压力编码技术虽然可以实现地面与井下的信息的传输，但系统由于压力编码冗长，成功打一组压力密码时间较长，在现场实际井中应用操作难度较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对油井分层注水施工提供一种基于RFID的井下分层注水控制系统，能够实现地面人员对井下各层阀门的有效控制。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于RFID的井下分层注水控制系统，包括计算机、射频写卡芯片、射频卡和配水器，其特征在于所述的计算机和射频写卡芯片通过URAT串口线连接，施工时，射频卡和射频写卡芯片通过无线通讯连接，所述的配水器包括有：阀门控制电路板、微型电机、减速器、螺杆、丝杆螺母、导向座A、连接杆、导向座B、密封胶圈、内通孔、阀门、外通孔、套管、管壁、主管道，阀门控制电路板由螺钉固定在管壁上，微型电机和阀门控制电路板由导线连接，阀门控制电路板集成了射频读卡芯片，射频读卡芯片与射频卡通过无线通讯连接，微型电机的底座由螺钉固定在管壁上，微型电机和减速器由轴套固定连接，减速器的另一端和螺杆由弹性联轴器连接，螺杆和丝杆螺母由螺纹连接，将圆周运动转换为直线运动，丝杆螺母和连接杆由螺钉固定连接，导向座A和导向座B由螺钉固定在管壁上，确定连接杆直线位移方向，连接杆的另一端和阀门由螺钉固定连接，密封胶圈将阀门控制电路板、微型电机、减速器、螺杆、丝杆螺母、导向座A、连接杆和导向座B密封起来，外通孔位于套管上，主管道经过内通孔和外通孔与配水器外面的油层相通，其中内通孔和外通孔之间流道由阀门控制畅通或者关闭。

按上述方案，所述的阀门控制电路板包括有微处理器、MAX232芯片、电机驱动芯片、分时供电模块、射频读卡芯片、电池组、电源调理芯片、RTC时钟芯片和存储芯片，所述的微处理器是控制核心，MAX232芯片连接微处理器的串行通讯引脚和电脑的串行通讯的端口，实现电平转换；微处理的program引脚通过ICD2编译器连接接电脑USB口，将电脑里面的程序编译导入到微处理器；电机驱动芯片的控制引脚连接到微处理，输出端连接微型电机，微处理器控制电机的开启/关闭和转向，电机驱动芯片的电源引脚连接到分时供电模块，微型电机的电流经过电流监测元件转换为电压，连接到微处理器A/D引脚，微处理器监测微型电机工作是否正常；射频读卡芯片的指令和地址都连接到微处理器，电源引脚连接到分时供电模块，微处理器控制射频通信的开启和相关指令；RTC时钟芯片指令和地址引脚连接到微处理器，为电路板控制提供时间依据；存储器芯片的指令和地址引脚连接到微处理器，存放微型电机的动作指令和相应时间；电池组提供12V电源，经过电源调理芯片，转换为5V，为电路板提供电源，微处理通过分时供电模块分别控制电机驱动芯片和射频读卡芯片的电源，在微型电机和射频读卡芯片不工作时切断电源。

本发明的配水器下井前，ICD2编译器将计算机里面的程序导入到井下阀门控制电路的微处理器。MAX232电平转换芯片可以实现井下阀门控制电路的微处理器和计算机的串行通讯，下井前，设置自动循环模式和射频识别模式的相关参数，施工后期还可以回收微型电机的动作指令和相应时间。

本发明的微处理器与分时供电模块连接，分别为射频读卡芯片和微型电机提供电源，不用时断电，降低功耗。

本发明的优点还在于：

本发明的基于RFID的井下分层注水控制系统结构简单，主要包括有计算机、射频写卡芯片、射频卡、专用配水器，计算机和射频写卡芯片在地面。射频卡非常小巧，能在油管顺利向下坠落，不会堵塞油管，射频卡有塑料保护层，缓冲撞击。本发明中的专用配水器带有阀门控制电路和相应的阀门传动机构，安装结构紧凑，不影响配水器的强度，方便与标准油管对接，适用油井下的狭小空间，无需改动油井管道。专用配水器的套管和密封胶圈可以有效保护阀门控制电路和相应的阀门传动机构，使其免受井下压力、湿度等因素的干扰。

附图说明

图1为基于RFID的井下分层注水控制系统结构示意图；

图2为本发明的配水器结构示意图；

图3为本发明的井下阀门控制电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明：

由图1可见，本发明基于RFID的井下分层注水控制，包括地面之上的计算机、射频写卡芯片、射频卡和地面之下的配水器，射频卡是地面和井下阀门控制电路的通讯媒介，所述的计算机和射频写卡芯片通过URAT串口线连接，施工时，射频卡和射频写卡芯片通过无线通讯连接，每个注水油层配有一套配水器，不同注水油层由分隔器隔离开来，所述的配水器包括有：阀门控制电路板1、微型电机2、减速器3、螺杆4、丝杆螺母5、导向座A6、连接杆7、导向座B8、密封胶圈9、内通孔10、阀门11、外通孔12、套管14、管壁15、主管道16，阀门控制电路板1由螺钉13固定在管壁15上，微型电机2和阀门控制电路板1由导线连接，阀门控制电路板1集成了射频读卡芯片，射频读卡芯片与射频卡通过无线通讯连接，微型电机2的底座由螺钉固定在管壁15上，微型电机2和减速器3由轴套固定连接，减速器3的另一端和螺杆4由弹性联轴器连接，螺杆4和丝杆螺母5由螺纹连接，将圆周运动转换为直线运动，丝杆螺母5和连接杆7由螺钉固定连接，导向座A6和导向座B8由螺钉固定在管壁15上，确定连接杆7直线位移方向，连接杆7的另一端和阀门11由螺钉固定连接，密封胶圈9将阀门控制电路板1、微型电机2、减速器3、螺杆4、丝杆螺母5、导向座A6、连接杆7和导向座B8密封起来，外通孔12位于套管14上，主管道16经过内通孔10和外通孔12与配水器外面的油层相通，其中内通孔10和外通孔12之间流道由阀门11控制畅通或者关闭。阀门控制电路的微型电机可以通过减速器、螺杆和连接杆，开启或者关闭阀门，从而控制油层流道和油井主流道的连通或者堵塞。

所述的阀门控制电路板包括有微处理器、MAX232芯片、电机驱动芯片、分时供电模块、射频读卡芯片、电池组、电源调理芯片、RTC时钟芯片和存储芯片，所述的微处理器是控制核心，MAX232芯片连接微处理器的串行通讯引脚和电脑的串行通讯的端口，实现电平转换；微处理的program引脚通过ICD2编译器连接接电脑USB口，将电脑里面的程序编译导入到微处理器；电机驱动芯片的控制引脚连接到微处理，输出端连接微型电机，微处理器控制电机的开启/关闭和转向，电机驱动芯片的电源引脚连接到分时供电模块，微型电机的电流经过电流监测元件转换为电压，连接到微处理器A/D引脚，微处理器监测微型电机工作是否正常；射频读卡芯片的指令和地址都连接到微处理器，电源引脚连接到分时供电模块，微处理器控制射频通信的开启和相关指令；RTC时钟芯片的指令和地址引脚连接到微处理器，为电路板控制提供时间依据；存储器芯片的指令和地址引脚连接到微处理器，存放微型电机的动作指令和相应时间；电池组提供12V电源，经过电源调理芯片，转换为5V，为电路板提供电源，微处理通过分时供电模块分别控制电机驱动芯片和射频读卡芯片的电源，在微型电机和射频读卡模块不工作时切断电源。

本发明的工作原理：本发明基于RFID的井下分层注水控制系统的工作模式分为自动循环模式和射频识别模式。配水器在下油井前，要先用计算机给井下阀门控制电路中的微处理器烧写程序，用人机交互软件，经URAT接口为微处理器设置自动循环模式和射频识别模式的时间参数，即将RTC时钟芯片的定时器A和定时器B设置时间。RTC时钟芯片的定时器A的中断将微处理器切换到自动循环模式，切换一次阀门的状态。RTC时钟芯片的定时器B的中断将微处理器切换到射频识别模式，持续时间1小时，地面人员可以用射频写卡芯片将阀门指令写入射频卡，投入油井管道后，射频读卡芯片可读取射频卡里的阀门指令，进而切换阀门的状态。

例如有3个油层，对每个油层，隔3天进行一次油层注水作业。1号、2号、3号的上午8点分别给油层1、油层2、油层3注水。4号、5号、6号又分别给油层1、油层2、油层3注水，依次类推。3个阀门状态：

1号上午8点时，油层1阀门开启，油层2的阀门关闭，油层3的阀门关闭；2号上午8点时，油层1阀门关闭，油层2的阀门开启，油层3的阀门关闭；

3号上午8点时，油层1的阀关闭，油层2的阀门关闭，油层3的阀门开启；

4号上午8点时，油层1阀门开启，油层2的阀门关闭，油层3的阀门关闭；

配水器的阀门下井前都处于关闭状态，三个油层的自动循环时间可以设置为：阀门开启状态持续1天，关闭状态持续2天，自动循环模式的起始时间不同。如上述例子，油层1在1号上午8点开启阀门，微处理器里的程序算出1天后关闭阀门的时间，设置RTC时钟芯片的定时器A，2号的上午8点油层1阀门关闭，微处理器里的程序算出2天后开启阀门的时间，再设置RTC时钟芯片的定时器A，如此循环。而油层2在2号上午8点开启阀门，油层3在三号上午8点开启阀门，循环过程与油层1相同，只是时间错开。这样就可以保证每天都有已知的唯一的油层阀门处于打开状态，进而进行注水施工。自动循环时间可以根据注水工艺预先设定。

自动循环模式和射频识别模式是在不同时间段运行的，并且分别由RTC时钟芯片的定时器A和定时器B负责定时，所以对于同一个油层，自动循环模式和射频识别模式相互间没有影响。对于不同油层，射频识别模式也在不同时间段运行，例如每天14:00-15:00，油层1在射频识别模式，15:00-16:00，油层2在射频识别模式16:00-17:00，油层3在射频识别模式。油层处于射频识别模式，阀门控制电路才会激活射频读卡芯片，准备读取地面投下的射频卡的信息。不同油层在不同时段进入射频识别模式，保证了在固定时段可以准确控制已知油层的阀门。

射频卡信息编码长度32bits，由五部分组成：年、月、日、油层编号和阀门命令。各编码段的具体功能如下：“年”系统设计年份范围2000-2099年，忽略千位和百位，长度8bits，为bcd码，例如2013年表示为“00010011”；“月’的范围是1-12，长度4bits，为2进制码，例如12月表示为“1100”；“日”的范围1-31，长度8bits，为bcd码，例如10日表示为“0001 0000”；“油层编号”系统设计范围是0-7号，可区别8个油层，长度3bits，为2进制码，例如1号油层表示为“001”；阀门命令，长度1bits，为2进制码，分为开或者关两种指令，分别表示为“1”和“0”。

所以2013年12月10号打开油层1阀门的指令编码为“0001 0011 1100 0001 000 0010”。该射频卡只会在2013年12月10号这一天有效，只对油层1有效。这是避免了射频卡游离在油井管道，在错误时间给错误油层发出错误的阀门指令，打乱分层注水的施工。假如信息编码没有油层编号，该射频卡可能会在2013年12月10号打开其他油层阀门。井下阀门控制电路一旦接受到有效射频卡信息编码，即会执行阀门指令，同时关闭射频读卡芯片，避免该射频卡被反复读取。当地面将射频卡投放到井下时，射频卡随着液体流动时，可能会不能顺利地达到安装在井下几千米的井下阀门控制电路的位置，从而导致控制失效。为了提高射频卡的读取率，系统采用冗余的设计方式：在地面通过读写装置将编有同一指令的阀门动作命令写入到10以上射频卡中，在施工时将10个编有相同阀门指令的射频卡投放到井下，以提高控制系统的识别率。

基于RFID的井下分层注水控制系统中，自动循环控制模式和射频识别模式相互配合，可有效控制分层注水施工时各油层的阀门状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化和修饰，均仍属于本发明的范围内。

Claims

1.一种基于RFID的井下分层注水控制系统，包括计算机、射频写卡芯片、射频卡和配水器，其特征在于所述的计算机和射频写卡芯片通过URAT串口线连接，施工时，射频卡和射频写卡芯片通过无线通讯连接，所述的配水器包括有:阀门控制电路板（1）、微型电机（2）、减速器（3）、螺杆（4）、丝杆螺母（5）、导向座A（6）、连接杆（7）、导向座B（8）、密封胶圈（9）、内通孔（10）、阀门（11）、外通孔（12）、套管（14）、管壁（15）、主管道（16），阀门控制电路板（1）由螺钉（13）固定在管壁（15）上，微型电机（2）和阀门控制电路板（1）由导线连接，阀门控制电路板（1）集成了射频读卡芯片，射频读卡芯片与射频卡通过无线通讯连接，微型电机（2）的底座由螺钉固定在管壁（15）上，微型电机（2）和减速器（3）由轴套固定连接，减速器（3）的另一端和螺杆（4）由弹性联轴器连接，螺杆（4）和丝杆螺母（5）由螺纹连接，将圆周运动转换为直线运动，丝杆螺母（5）和连接杆（7）由螺钉固定连接，导向座A（6）和导向座B（8）由螺钉固定在管壁（15）上，确定连接杆（7）直线位移方向，连接杆（7）的另一端和阀门（11）由螺钉固定连接，密封胶圈（9）将阀门控制电路板（1）、微型电机（2）、减速器（3）、螺杆（4）、丝杆螺母（5）、导向座A（6）、连接杆（7）和导向座B（8）密封起来，外通孔（12）位于套管（14）上，主管道（16）经过内通孔（10）和外通孔（12）与配水器外面的油层相通，其中内通孔（10）和外通孔（12）之间流道由阀门（11）控制畅通或者关闭；所述的阀门控制电路板包括有微处理器、MAX232芯片、电机驱动芯片、分时供电模块、射频读卡芯片、电池组、电源调理芯片、RTC时钟芯片和存储芯片，所述的微处理器是控制核心，MAX232芯片连接微处理器的串行通讯引脚和电脑的串行通讯的端口，实现电平转换；微处理器的program引脚通过ICD2编译器连接接电脑USB口，将电脑里面的程序编译导入到微处理器；电机驱动芯片的控制引脚连接到微处理器，输出端连接微型电机，微处理器控制电机的开启/关闭和转向，电机驱动芯片的电源引脚连接到分时供电模块，微型电机的电流经过电流监测元件转换为电压，连接到微处理器A/D引脚，微处理器监测微型电机工作是否正常；射频读卡芯片的指令和地址都连接到微处理器，电源引脚连接到分时供电模块，微处理器控制射频通信的开启和相关指令；RTC时钟芯片指令和地址引脚连接到微处理器，为电路板控制提供时间依据；存储器芯片的指令和地址引脚连接到微处理器，存放微型电机的动作指令和相应时间；电池组提供12V电源，经过电源调理芯片，转换为5V，为电路板提供电源，微处理器通过分时供电模块分别控制电机驱动芯片和射频读卡芯片的电源，在微型电机和射频读卡芯片不工作时切断电源。