CN102839952B - 一种用于井下通讯的数据传输装置及方法 - Google Patents

一种用于井下通讯的数据传输装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于井下通讯的数据传输装置及方法，属于石油化工领域。本发明采用RFID技术来实现PLC控制器的触发和信息传递。在油井下预埋RFID读写器并与阀门控制PLC实现双向的控制与数据通讯，需要PLC执行动作时，从井口投放含操作指令的RFID无源电子标签，当RFID无源电子标签经过RFID读写器时，RFID读写器读取操作指令，并传递给PLC执行相应操作，操控井下智能配水器。利用本发明能大量节省线缆投资，大幅提高可靠性，且具备节能模式，保证长期连续工作；本发明采用多重安全措施确保不会出现误动作；本发明使用的电子标签经过定制和封装，能够承受井下恶劣的工作环境；本发明支持历史数据本地存储和后分析功能；本发明在降低劳动成本的同时，提高了精度和可靠性。

Description

一种用于井下通讯的数据传输装置及方法
技术领域
本发明属于石油化工领域，具体涉及一种用于井下通讯的数据传输装置及方法，用于井下特殊工况下进行通讯的数据传输。
背景技术
石油钻井底部阀门等对象的控制一直是石油钻探中的一项技术难题。传统的方法包括：投掷金属球、控制液压压力和脉冲等机械触发方式，以及铺设电缆以及声纳等来触发PLC实现动作，从而实现对阀门对象的操控。
现有技术中，专利号为200410061228的专利公开了一种用压力波调控分层注水的方法，其是根据注水井需要配水的层段数量，在一组能接收地面压力信号的压控配水器上设定所在位置及动作的压力编码信号，设置接收和执行这些信号的程序，将装有具备上述设置的压控配水器的注水管下入注水井中，并使其上各配水器位于相应层段；以地面高压泵上次的高压水作为压力源，通过操作压力源和井口装置上的阀门，对需要调整水量的层段上的压控配水器发出与其动作相对应的压力编码信号，使之产生过水面积的变化。该阀门用地面遥控的方式，大为降低了以投捞作业的方式进行分层配水的难度，简化了作业设备和工人，成功率高，效果可靠。
上述专利在井口采用高压泵作为压力源，从而达到调整水量层段上的压控配水器发出与其动作相应的压力编码信号，此方法需要采用高压泵设备，成本较高，且为手动操控，产生脉冲的时间精度低，而且操作耗时，其主要缺点如下：
(1)当地层吸水严重时，采用高压泵很难产生明显压差，对产生压力波的效果有较大的影响；
(2)当高压泵完成一个周期的压力脉冲后需要停泵后再次启动高压泵，该操作能耗较大且耗时长；
(3)使用高压泵增压的稳定性不够，且成本较高。
由于油井一般很深，且管径很小，直接机械触发的方式很难实现。采取向井内投递球状物或棒状物，当物体在水中滑落经过PLC时，触发开关并传递必要信息。然而，由于水下恶劣的环境，采用光电检测和其它限位开关的方式难以实现，并且无法对PLC传递信息和指令。采用有线线缆方式，由于井内的恶劣工作环境(温度：最高125度，最低十几度；压力：60MPa；腐蚀性：饱和盐水)，不仅长距离电缆传输成本很高，而且耐久性和工作的可靠性较难得到保证。总而言之，不管是采用上述哪种方法，在高温高压腐蚀等恶劣环境下，都存在价格昂贵、易腐蚀、控制不灵活等缺点。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种用于井下通讯的数据传输装置和方法，采用RFID(RadioFrequencyIdentification，无线射频识别)技术来实现对井下注水阀门的控制和数据传输，本发明主要为完成对深达4km的管状水井内多个PLC装置的数据传输，即管状水井内部PLC的信号传输。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于井下通讯的数据传输装置，包括井下数据交换系统和地面数据交换系统；井下数据交换系统与地面数据交换系统进行数据通讯，并将数据传递给油井阀门控制系统，油井阀门控制系统再基于接收到的数据对智能配水器的注水阀门进行控制；
所述井下数据交换系统包括电子标签、磁控开关装置、RFID读写器和电池组；
所述电池组给油井阀门控制系统及RFID读写器提供能量，RFID读写器与电子标签进行双向无线数据通讯，并给电子标签提供能量；电子标签与地面数据交换系统进行数据交换；
磁控开关装置用于激活RFID读写器；
RFID读写器和油井阀门控制系统预埋在油井下，两者之间进行双向的控制与数据通讯，RFID读写器向油井阀门控制系统发出指令，油井阀门控制系统根据指令对被控对象进行控制。
所述电子标签采用RFID无源电子标签。
每个RFID无源电子标签具有唯一的编号。
所述RFID无源电子标签为柱状结构，其外壳采用陶瓷外壳，并用高温密封胶密封。
所述RFID读写器对井下传感器采集的数据进行本地存储。
RFID读写器采用低频RFID读写器。
所述RFID读写器包括PLC控制器和射频接口，其中PLC控制器包括微控制器、接口驱动和存储单元，射频接口包括发射器、接收器、时钟和电压调节器。
所述电池组支持多组备用电池的自动切换。
一种利用上述装置进行井下通讯的数据传输方法，所述方法包括以下步骤：
(1)正常工况下RFID读写器处于休眠状态以节约电能；
(2)判断是否需要控制注水阀门，如果是，则转入步骤(3)，如果否，则返回步骤(2)；
(3)投放金属球，触发磁控开关装置，进而激活RFID读写器，此时RFID读写器处于正常工作状态；
(4)投放含控制数据的RFID无源电子标签；
(5)判断RFID读写器是否检测到有RFID无源电子标签通过，如果检测到标签，则转入步骤(6)，如果没有检测到标签，则返回步骤(4)
(6)RFID读写器与标签实现双向的数据交换，校验数据的有效性，如果数据是有效的，则转入步骤(7)，如果数据是无效的，则返回步骤(5)
(7)根据指令实现与井下控制器的数据通讯，然后通过驱动机构实现规定的控制动作，最后通过RFID无源电子标签告知RFID读写器延时后进入休眠状态。
所述RFID无源电子标签采用RTF模式；所述RFID读写器采用RTF或TTF模式，其根据RFID无源电子标签传递的指令在两种模式间进行转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明是基于RFID技术，能大量节省线缆投资，大幅提高可靠性：采用投掷RFID无源电子标签触发读写器方式，实现对注水阀门的控制和数据传输，节省了传统方式所必需的大量通信/控制线缆，同时由于采用非接触式射频传输技术，大幅提高了在油井特殊工况下的工作可靠性；
(2)具备节能模式，保证长期连续工作：为了节约电能，RFID读写器正常工况下处于休眠状态，通过RFID读写器上游(即发射器)安置磁控开关装置，用于激活读写器；
(3)采用多重安全措施确保不会出现误动作：每个标签有唯一的编号，一个注水阀只能有一个标签起作用，当读写器读到信号后，要“无效”其它同时投入标签的后续触发行为；标签投入后，只限于此次被读取，当它在管内游走时，既不会被其它注水阀门误读，也不会被同一注水阀门再次读取；
(4)特制标签，满足油井特殊工况：触发标签经过定制和封装，能够承受井下恶劣的工作环境(腐蚀、温度和压力)，并通过定制开发的井上RFID数据交换平台来实现控制数据的在线、可重复数据读写过程；
(5)支持历史数据本地存储和后分析功能：井下嵌入式读写器(即RFID读写器)具有本地存储功能，井下传感器采集的数据可以进行本地存储，等读写器回收后可通过无线射频通讯功能实现与井上RFID数据交换平台进行数据交换，方便简单；
(6)支持多组备用电池自动切换，保证可靠电力供应。
附图说明
图1是本发明一种用于井下通讯的数据传输装置的结构框图。
图2是本发明一种用于井下通讯的数据传输方法的步骤框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，一种用于井下通讯的数据传输装置，包括井下数据交换系统和地面数据交换系统；井下数据交换系统与地面数据交换系统进行数据通讯，并将数据传递给油井阀门控制系统，油井阀门控制系统再基于接收到的数据对智能配水器的注水阀门(即图1中的被控对象)进行控制；
所述井下数据交换系统包括电子标签、磁控开关装置、RFID读写器和电池组；
所述电池组给油井阀门控制系统及RFID读写器提供能量，RFID读写器与电子标签进行双向无线数据通讯，并给电子标签提供能量；电子标签与地面数据交换系统进行数据交换；
磁控开关装置用于激活RFID读写器；
RFID读写器和油井阀门控制系统预埋在油井下，两者之间进行双向的控制与数据通讯，RFID读写器向油井阀门控制系统发出指令，油井阀门控制系统根据指令对被控对象进行控制。
所述电子标签采用RFID无源电子标签。
每个RFID无源电子标签具有唯一的编号。
所述RFID无源电子标签为柱状结构，其外壳采用陶瓷外壳，并用高温密封胶密封。
所述RFID读写器对井下传感器采集的数据进行本地存储。
RFID读写器采用低频RFID读写器。
如图1中的粗线框所示，所述RFID读写器包括PLC控制器和射频接口，其中PLC控制器包括微控制器、接口驱动和存储单元，射频接口包括发射器、接收器、时钟和电压调节器
本装置既可以控制油井内阀门的通断、也可以对阀门进行局部调节，可用于油田集中生产以及油井的钻井过程，如果在油井内部加上传感器，还可以通过对RFID无源电子标签的写操作来获取油井内部的温度、压力、流量等信息，保证最大的采油率。
本装置的工作过程为：FRID读写器开始处于休眠状态，当需要控制注水阀门时，投掷金属球产生中断进而唤醒井下数据交换系统，系统开始工作，读写器等待电子标签进入天线范围，然后读取电子标签的阀门控制数据，为保证阀门控制数据正确性，在地面数据交换系统向标签写入阀门控制数据时加入8位CRC校验码，这样井下RFID读写器读取到阀门控制数据时需要进行CRC校验，如果正确则将阀门控制数据存入两系统(即井下数据交换系统和阀门控制系统，两者是进行有线通讯)公用的EEPROM。两系统的主控单片机通过公用EEPROM实现数据传递，并通过两个普通的I/O实现双机(即井下数据交换系统和阀门控制系统)通讯协作的逻辑控制。
ISO/IEC11784/5标准具有两种通讯模式，即TTF模式(TransponderTalksFirstModest)和RTF模式(ReaderTalksFirstModes)，两种模式可转换。TTF模式与RTF模式相比，TTF模式的射频标签具有识别速度快等特点，适用于需要高速应用的场合。另外，它在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态变化的场合也更为实用，但是采用TTF通讯模式的电子标签是只能发数据给RFID读写器，而不能接收RFID读写器发给它的数据，即该标签只能读取数据而不能实现写数据功能。本发明中，投递到井下的电子标签运动速度较快，在天线磁场区域停留的时间很短，同时不需要向投递到井下的标签写数据，这很好的符合了TTF模式的工作特点。然而，在数据回收阶段，井下RFID读写器需要向电子标签写传感器采集的数据，必须采用RTF模式。鉴于上述情况，对于井下的RFID读写器，在用于控制目的时，采用TTF通讯模式，以适应运动标签携带的控制数据的读取，当用于数据回收目的时，通过运动标签传递特定的控制指令，井下数据交换系统自动将井下RFID读写器调整为RTF通讯模式。地面数据交换系统由于需要向电子标签写控制数据和从标签中读取井下传感器采集的数据，因此，地面数据交换系统中的RFID无源电子标签采用RTF通讯模式，也就是说电子标签采用RTF模式，但是读写器采用两种模式，由电子标签的指令对两种模式进行转换。
如图2所示，本发明方法的步骤如下：
(1)正常工况下RFID读写器处于休眠状态以节约电能；
(2)判断是否需要控制注水阀门，如果是，则转入步骤(3)，如果否，则返回步骤(2)；
(3)投放金属球，触发磁控开关装置装置，进而激活RFID读写器，此时RFID读写器处于正常工作状态；
(4)投放含控制数据的RFID无源电子标签；
(5)判断RFID读写器是否检测到有RFID无源电子标签通过，如果检测到标签，则转入步骤(6)，如果没有检测到标签，则返回步骤(4)
(6)RFID读写器与标签实现双向的数据交换，校验数据的有效性，如果数据是有效的，则转入步骤(7)，如果数据是无效的，则返回步骤(5)
(7)根据指令实现与井下控制器的数据通讯，然后通过驱动机构实现规定的控制动作，最后通过RFID无源电子标签告知RFID读写器延时后进入休眠状态。
本发明采用RFID技术来实现PLC控制器的触发和信息传递。在油井下预埋RFID读写器并与阀门控制系统中的PLC实现双向的控制与数据通讯，需要阀门控制系统中的PLC执行动作时，从井口投放含操作指令的RFID无源电子标签，当RFID无源电子标签经过RFID读写器时，RFID读写器读取操作指令，并传递给PLC执行相应操作，操控井下智能配水器。在降低劳动成本的同时，提高了精度和可靠性。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (9)

1.一种用于井下通讯的数据传输装置，包括井下数据交换系统和地面数据交换系统；井下数据交换系统与地面数据交换系统进行数据通讯，并将数据传递给油井阀门控制系统，油井阀门控制系统再基于接收到的数据对智能配水器的注水阀门进行控制，其特征在于：
所述井下数据交换系统包括电子标签、磁控开关装置、RFID读写器和电池组；
所述电池组给油井阀门控制系统及RFID读写器提供能量，RFID读写器与电子标签进行双向无线数据通讯，并给电子标签提供能量；电子标签与地面数据交换系统进行数据交换；
所述磁控开关装置由投放的金属球触发，进而激活处于休眠状态的RFID读写器；
RFID读写器和油井阀门控制系统预埋在油井下，两者之间进行双向的控制与数据通讯，RFID读写器向油井阀门控制系统发出指令，油井阀门控制系统根据指令对被控对象进行控制；所述电子标签采用RFID无源电子标签。
2.根据权利要求1所述的用于井下通讯的数据传输装置，其特征在于：每个RFID无源电子标签具有唯一的编号。
3.根据权利要求1或2所述的用于井下通讯的数据传输装置，其特征在于：所述RFID无源电子标签为柱状结构，其外壳采用陶瓷外壳，并用高温密封胶密封。
4.根据权利要求1所述的用于井下通讯的数据传输装置，其特征在于：所述RFID读写器对井下传感器采集的数据进行本地存储。
5.根据权利要求1或4所述的用于井下通讯的数据传输装置，其特征在于：RFID读写器采用低频RFID读写器。
6.根据权利要求5所述的用于井下通讯的数据传输装置，其特征在于：所述RFID读写器包括PLC控制器和射频接口，其中PLC控制器包括微控制器、接口驱动和存储单元，射频接口包括发射器、接收器、时钟和电压调节器。
7.根据权利要求1所述的用于井下通讯的数据传输装置，其特征在于：所述电池组支持多组备用电池的自动切换。
8.一种利用权利要求2所述的装置进行井下通讯的数据传输方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)正常工况下RFID读写器处于休眠状态以节约电能；
(2)判断是否需要控制注水阀门，如果是，则转入步骤(3)，如果否，则返回步骤(2)；
(3)投放金属球，触发磁控开关装置，进而激活RFID读写器，此时RFID读写器处于正常工作状态；
(4)投放含控制数据的RFID无源电子标签；
(5)判断RFID读写器是否检测到有RFID无源电子标签通过，如果检测到标签，则转入步骤(6)，如果没有检测到标签，则返回步骤(4)
(6)RFID读写器与标签实现双向的数据交换，校验数据的有效性，如果数据是有效的，则转入步骤(7)，如果数据是无效的，则返回步骤(5)
(7)根据指令实现与油井阀门控制系统的数据通讯，然后通过驱动机构实现规定的控制动作，最后通过RFID无源电子标签告知RFID读写器延时后进入休眠状态。
9.根据权利要求8所述的用于井下通讯的数据传输方法，其特征在于：所述RFID无源电子标签采用RTF模式；所述RFID读写器采用RTF或TTF模式，其根据RFID无源电子标签传递的指令在两种模式间进行转换。
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