CN102841546A - 一种井下控制系统，控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于油、水、气井开发领域，公开了一种油、水、气井井下控制系统，整套系统包括RFID无源标签、RFID读写器、无线通信线圈、磁力开关、电池组以及驱动机构。它既可以控制油、水、气井内阀门的通断、也可以对阀门进行开度调节，可用于油、水、气井生产中各种过程控制以及参数测试，如果在阀门载体内安装上传感器，还可以通过对RFID电子标签的写操作来获取油、水、气井内部的温度、压力、流量等信息。本发明克服现有技术在井下高温高压腐蚀等恶劣环境下，阀门控制不精确可靠、阀门易误动作、长期工作可靠性低、施工较为复杂、占产时间长等缺点。

Description

一种井下控制系统,控制方法及其应用

技术领域

本发明属于油、水、气井开发领域，是一种井下测量控制系统，尤其涉及一种对井下控制系统，如阀门的控制装置。

背景技术

油田开发过程中，油水井井下工具中可控阀门等对象的控制一直是一项难以得到彻底解决的技术难题。传统的方法包括：通过井口施加一定大小的液体压力控制阀门动作，不同的压力可使不同的阀门产生相应动作，以及通过铺设电缆或下入测试仪器由地面来触发井下阀门实现动作，从而实现对阀门对象的操控。

RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，俗称电子标签。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。目前，国内RFID技术主要应用于地面，在井下应用RFID技术目前尚无先例。

针对现有技术中在井下高温高压腐蚀等恶劣环境下，阀门控制不精确可靠、阀门易误动作、长期工作可靠性低、施工较为复杂、占产时间长等缺点，发明人经过多年研发，开发了本系统及其方法。

发明内容

本发明的目的是研制一种基于RFID技术的井下控制系统，以克服现有技术在井下高温高压腐蚀等恶劣环境下，阀门控制不精确可靠、阀门易误动作、长期工作可靠性低、施工较为复杂、占产时间长等缺点。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是

一种井下控制系统，所述控制系统包括触发开关，井下控制指令发射模块，井下控制指令接收和处理模块，被控对象和被控对象的控制电路、系统电源；所述触发开关设置在所述井下控制指令接收和处理模块侧端，所述触发后的井下控制指令接收和处理模块通过控制电路控制所述的被控对象，用于完成井下控制；所述被控对象为阀门。

本发明的发明点在于，

所述井下控制指令发射模块包括RFID无源电子标签；

所述井下控制指令接收和处理模块包括RFID内嵌式读写器；

且在所述的RFI D内嵌式读写器的侧端设置有无线通信线圈，用于信号交互，所述的RFID内嵌式读写器通过无线通信线圈与RFID无源电子标签进行通讯；

所述控制系统通过触发所述触发开关，激活RFID内嵌式读写器，使之处于正常工作状态；投放所述含有一组信息的RFID无源电子标签，当其通过RFID内嵌式读写器时读写器自动识别标签有效，并读取信息；RFID内嵌式读写器将获得的信息传输至控制指令接收和处理模块，对信息进行解码和识别，并进而控制和驱动所述的被控对象，实现规定的控制动作。

在具体的应用中，所述的RFID无源电子标签为含有一组信息的RFID电子标签；所述信息包括阀门地址码及控制数据，地址码用于选择井下控制系统多个阀门中的一个，控制数据是指阀门产生何种动作，如开或关或半开或半关等。

RFID内嵌式读写器包括发射/接收单元和逻辑控制单元；所述发射/接收单元包括发射器，接收器和时钟，电压调节器；所述的逻辑控制单元包括控制器和驱动接口，所述的驱动接口与所述的被控对象的控制电路连接，即与所述的阀门控制电路连接。所述的逻辑控制单元还包括存储单元，用于存储历史数据或进行数据后分析。

所述的RFID无源电子标签和RFID内嵌式读写器进行工作时，一个控制阀门只能对应一个RFID无源电子标签。

所述的触发开关为磁力开关，所述磁力开关由磁钢、线圈架、绕线铜丝、导磁环组成，由此形成一个恒定磁场5。磁力开关设置在所述系统指令接收和处理模块上端。所述系统通过投放金属球触发所述的磁力开关，进而使RFID读写器进入工作状态。

作为本发明的一个实施例，图3，在所述的井下控制系统中设置有传感器，所述传感器采集并获取井内部的温度、压力、流量信息，并通过所述逻辑单元中的存储单元存储信息；所述采集到的井内部信息通过无线通信线圈写入所述的RFID无源电子标签中。

根据上述系统实现的一种井下控制方法，其特征在于，

所述方法包括如下步骤

步骤1，初始：控制系统处于初始休眠状态；

步骤2，判断步骤：是否需要控制阀门；

步骤3触发步骤：步骤2中判断为是，系统投放金属球，触发开关，否则循环到步骤2；

步骤4激活RFID内嵌式读写器；

步骤5投放包含一组信息的RFID无源电子标签；

步骤6判断步骤：RFID内嵌式读写器判断是否检测到所述RFID无源电子标签；

步骤7校验步骤：步骤6的判断为是则，RFID内嵌式读写器校验标签的有效性；否则循环到步骤6；

步骤8判断步骤：判断数据是否有效

步骤9通讯步骤：步骤8的结果为是则将控制指令与RFID内嵌式读写器进行数据通讯；结果为否，则循环到步骤6；

步骤10执行步骤：将控制指令通过控制电路驱动所述阀门完成动作；

步骤11通信步骤：RFID无源电子标签与RFID内嵌式读写器进行通信并使读写器延时进入休眠状态；

步骤12：结束。

由于本发明还可以包括传感器，因此所述方法还包括如下步骤：

在所述步骤2前，还包括如下步骤：

步骤(13)：采集步骤：通过所述的传感器获取井内部的温度、压力、流量信息；

步骤(14)：存储步骤：将采集的信息，存储在所述RFID读写器存储单元中；

步骤(15)：写入步骤：将所述采集到的井内部信息通过无线通信线圈写入所述的RFID无源电子标签中。

本发明的所述的井下控制系统和方法应用于油井、水井、气井井下阀门控制控制中。

本发明采用RFID技术，节省了大量线缆投资，大幅提高可靠性：采用投掷RFID标签触发读写器方式，实现对井下阀门的控制和数据传输，节省了传统方式所必须的大量通信/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、水、气井特殊工况下阀门的工作可靠性。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，通过在读写器上游安置磁力开关，用于激活读写器，仅在激活状态时读写器才处于正常工作状态；采用多重安全措施确保不会出现误动作：一个井下阀门只能有一个标签起作用，当读写器读取到有效信号后，通过地址码识别和比对，不会被其他标签再次触发；标签投入后，只限于此次被读取，当它在管内游走时，既不会被其他井下阀门误读，也不会被同一井下阀门再次读取；特制标签，满足油、水、气井特殊工况：特殊封装的RFID电子标签，能够承受井下恶劣的工作环境(腐蚀性液体或气体、高的温度和压力)，并通过定制开发的地面RFID数据交换平台实现控制数据的在线、可重复数据读写过程；支持历史数据本地存储和后分析功能：井下嵌入式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地面RFID数据交换平台进行数据交换，方便简单；支持多组备用电池自动切换，保证可靠的电力供应。

附图说明

图1为本发明系统的模块结构示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为磁力开关结构示意图；

图4为本发明系统的装配结构示意图；

具体的内容结合发明内容和具体实施方式加以说明。

具体实施方式

控制系统包括RFID无源标签、RFID读写器、无线通信线圈、磁控开关、电池组以及驱动机构。它既可以控制油、水、气井内阀门的通断、也可以对阀门进行开度调节，可用于油、水、气井生产中各种过程控制以及参数测试，如果在阀门载体内安装上传感器，还可以通过对RFID电子标签的写操作来获取油、水、气井内部的温度、压力、流量等信息。

正常工况下RFID读写器处于休眠状态以节约电能，投放金属球，触发磁力开关，激活RFID读写器，这时RFID读写器处于正常工作状态。然后投放含有一组特定信息(包括阀门地址码及控制数据)的RFID电子标签，标签通过读写器时读写器自动识别标签有效，并读取信息。读写器将获得的信息传输至阀门控制系统，由系统对阀门地址码进行解码识别，若与当前阀门地址一致则通过驱动机构实现规定的控制动作。

本发明采用RFID技术，采用投掷RFID标签触发读写器方式，实现对井下阀门的控制和数据传输，节省了传统方式所必须的大量通信/控制线缆，同时由于采用非接触式射频传输技术。RFID读写器正常工况下处于休眠状态，通过在读写器上游安置磁力开关，用于激活读写器，仅在激活状态时读写器才处于正常工作状态；采用多重安全措施确保不会出现误动作：一个井下阀门只能有一个标签起作用，当读写器读取到有效信号后，通过地址码识别和比对，不会被其他标签再次触发；标签投入后，只限于此次被读取，当它在管内游走时，既不会被其他井下阀门误读，也不会被同一井下阀门再次读取；特制标签，满足油水井特殊工况：特殊封装的RFID电子标签，能够承受井下恶劣的工作环境(腐蚀性液体或气体、高的温度和压力)，并通过定制开发的地面RFID数据交换平台实现控制数据的在线、可重复数据读写过程；支持历史数据本地存储和后分析功能：井下嵌入式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地面RFID数据交换平台进行数据交换，方便简单；支持多组备用电池自动切换，保证可靠的电力供应。

图3所示的磁力开关结构示意图包括：磁钢1、线圈架2、绕线铜丝3、导磁环4组成，由此形成一个恒定磁场5。当需要激活RFID内嵌式读写器时，投放金属球，金属球经过恒定磁场5时绕线铜丝3产生感应电压，激活RFID内嵌式读写器，进入正常工作状态。

图4所示的系统装配结构示意图包括：电池组1、磁力开关2、RFID内嵌式读写器3、传感器4、阀门控制电路及驱动机构5、阀门6、无线通信线圈7组成。

Claims (10)

1.一种井下控制系统，所述控制系统包括触发开关，井下控制指令发射模块，井下控制指令接收和处理模块，被控对象和被控对象的控制电路，系统电源；所述触发开关设置在所述井下控制指令接收和处理模块侧端，所述触发后的井下控制指令接收和处理模块通过所述被控对象的控制电路控制所述的被控对象，用于完成井下控制；

其特征在于，

所述井下控制指令发射模块包括RFID无源电子标签；

所述井下控制指令接收和处理模块包括RFID内嵌式读写器；

且在所述的RFID内嵌式读写器的侧端设置有无线通信线圈，用于信号交互，所述的RFID内嵌式读写器通过无线通信线圈与所述RFID无源电子标签进行通讯；

所述控制系统通过触发所述触发开关，激活RFID内嵌式读写器，使之处于正常工作状态；投放所述含有一组信息的RFID无源电子标签，当其通过RFID内嵌式读写器时读写器自动识别标签有效，并读取信息；RFID内嵌式读写器将获得的信息传输至控制指令接收和处理模块，对信息进行解码和识别，并进而控制和驱动所述的被控对象，实现规定的控制动作。

2.根据权利要求1所述的一种井下控制系统，其特征在于，

所述被控对象为阀门；所述的RFID无源电子标签为含有一组信息的RFID电子标签；所述信息包括阀门地址码及控制数据，所述地址码用于选择井下控制系统多个阀门中的一个，控制数据是指阀门产生何种动作，开或关或半开或半关。

3.根据权利要求1所述的一种井下控制系统，其特征在于

所述的触发开关为磁力开关，所述磁力开关由磁钢、线圈架、绕线铜丝、导磁环组成，由此形成一个恒定磁场；磁力开关设置在所述系统指令接收和处理模块上端；所述系统通过投放金属球触发所述的磁力开关，进而使RFID内嵌式读写器进入工作状态。

4.根据权利要求1所述的一种井下控制系统，其特征在于

RFID内嵌式读写器包括发射/接收单元和逻辑控制单元；所述发射/接收单元包括发射器，接收器和时钟，电压调节器；所述的逻辑控制单元包括控制器和驱动接口，所述的驱动接口与所述的被控对象的控制电路连接，即与所述的阀门控制电路连接。

5.根据权利要求4所述的一种井下控制系统，其特征在于

所述的逻辑控制单元还包括存储单元，用于存储历史数据或进行数据后分析。

6.根据权利要求1或5所述的一种井下控制系统，其特征在于

在所述的井下控制系统中设置有传感器，所述传感器采集井内部的温度、压力、流量信息，并通过所述逻辑单元中的存储单元存储信息；所述采集到的井内部信息通过无线通信线圈写入所述的RFID无源电子标签中。

7.根据权利要求1所述的一种井下控制系统，其特征在于

所述的RFID无源电子标签和RFID内嵌式读写器进行工作时，一个控制阀门只能对应一个RFID无源电子标签。

8.根据权利要求1-7之一形成的系统实现的一种井下控制方法，其特征在于，

所述方法包括如下步骤

步骤1，初始：控制系统处于初始休眠状态；

步骤2，判断步骤：是否需要控制阀门；

步骤3触发步骤：步骤2中判断为是，系统投放金属球，触发开关，否则循环到步骤2；

步骤4激活RFID内嵌式读写器；

步骤5投放包含一组信息的RFID无源电子标签；

步骤6判断步骤：RFID内嵌式读写器判断是否检测到所述RFID无源电子标签；

步骤7校验步骤：步骤6的判断为是则，RFID内嵌式读写器校验标签的有效性；否则循环到步骤6；

步骤8判断步骤：判断数据是否有效

步骤9通讯步骤：步骤8的结果为是则将控制指令与RFID内嵌式读写器进行数据通讯；结果为否，则循环到步骤6；

步骤10执行步骤：将控制指令通过控制电路驱动所述阀门完成动作；

步骤11通信步骤：RFID无源电子标签与RFID内嵌式读写器进行通信并使读写器延时进入休眠状态；

步骤12：结束。

9.根据权利要求8的一种井下控制方法，其特征在于，

所述方法还包括如下步骤：

在所述步骤2前，还包括如下步骤：

步骤(13)：采集步骤：通过所述的传感器获取井内部的温度、压力、流量信息；

步骤(14)：存储步骤：将采集的信息，存储在所述RFID读写器存储单元中；

步骤(15)：写入步骤：将所述采集到的井内部信息通过无线通信线圈写入所述的RFID无源电子标签中。

10.根据上述权利要求所述的井下控制系统和方法应用于油井、水井、气井的井下阀门控制中。

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