CN105673000B - 一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制系统，包括套管、RFID数据传输模块、标签球流动控制阀、井下控制驱动模块、环形防喷器和电磁感应数据传输模块；RFID数据传输模块包括RFID标签球、井下读写器天线和井下RFID控制器；电磁感应数据传输模块用于将所述井下RFID控制器信息传送给井下控制驱动模块。本发明将RFID和电磁感应的优势互补，RFID数据传输模块实现解封指令由地面到数千米井下，压力数据由数千米井下到地面的远距离传输，电磁感应数据传输模块实现RFID系统与井下控制驱动模块通信互联的短距离传输。
Description
技术领域
本发明属于能源开采装备技术领域，更具体地，涉及一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制系统。
背景技术
在石油勘探和油田开发的过程中，钻井起着举足轻重的作用，钻井是勘探与开采石油及天然气资源的一个重要环节，是勘探和开发石油的重要手段。在钻井过程中，当遇到油气层时，如果井底压力低于地层压力，地层流体就会进入井眼，产生井涌、井喷、甚至着火等，酿成重大事故。因此，在钻井过程中，采取有效措施进行油气井压力控制是保证安全钻井的一个极其重要的环节。
石油钻井井控通常采用井口环形防喷器，这种方式通过监测井口的压力信息来判断井下是否井涌，然后进行坐封，由于无法预知井下压力状况，因此解封存在准确度不高、判断严重滞后等缺点。采用环形防喷器是发展方向，其中在地面获取井下压力，并将解封等控制指令传于井下是关键。传统的方法包括井口线缆投递仪器、泥浆脉冲、电磁波通信、声波传递，将井下压力传感数据回传到地面，判断井底压力和地层压力平衡后，传递解封指令到井下，实现环形防喷器解封。专利号为US 3941190的美国专利公开了一种井口线缆投递仪器触发的环形防喷器，但实际应用过程中，由于出现井喷时，井下压力大，投入仪器无法到达井下。专利号为CN 202645506 U的中国专利公开了一种使用泥浆脉冲传递解封指令的环形防喷器，但泥浆脉冲通讯方式成本高，信号传输速度慢，容易产生错码，也存在一定程度的信号传输延迟。专利号为CN 102226377 B的中国专利公开一种利用电磁波传递解封信号的环形防喷器，电磁波通讯传播速度快，数据输送率高，但采用大地作为传输介质时候衰减严重，且容易受地层中铁质含量的影响，仅适合短距离数据传输。专利号为US 4367794的美国专利公开了一种声控环形防喷器，声波发射功率低，需要钻柱每隔一定距离安装中继，结构复杂，且声波易受到井下异常信号干扰，可靠性不高。
RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)是一种通过无线电讯号识别目标并读取相关数据。一般的RFID系统包括RFID标签球和读写器。目前RFID已被应用于井下仪器的控制，如美国专利US 7063148，中国专利201110278843公开了一种通过RFID标签球来控制井下阀门的装置，其中RFID系统与阀门电机驱动系统通过导线互联，不过均未涉及标签在向井下运动时出现读写方向性问题，金属管道对RFID通信磁场的涡流影响问题。将RFID应用于井下几千米的环形防喷器的解封，信号无衰减，稳定可靠，且作业成本低。由于环形防喷器需要将井下压力数据回传，则必须有标签球流动控制阀电机驱动系统，提供标签由地面到井下再到地面的循环回路，此外还有胶筒阀电机驱动系统，提供解封，因此RFID系统与两驱动系统的短距离通信互联成为难题，传统的导线互联，需要在机械结构上开长槽，以及高压密封，结构复杂，成本高昂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制系统,将RFID和电磁感应的优势互补，RFID实现解封指令由地面到几千米井下，压力数据由几千米井下到地面的远距离传输，电磁感应实现RFID系统与井下控制驱动模块通信互联的短距离传输，并解决标签在向井下运动时出现读写方向性问题以及金属管道对RFID通信磁场的涡流影响问题。相比现有通信技术，可靠性高，成本低，可以实现普及推广。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制系统，其特征在于，包括钻杆、RFID数据传输模块、标签球流动控制阀、井下控制驱动模块、环形防喷器和电磁感应数据传输模块，其中，
所述套管其由多根钻杆相互连接而成，每根钻杆均包括公接头和母接头，相邻两根钻杆中，其中一根钻杆的公接头和另一根钻杆的母接头连接，从而使所有的钻杆固定连接在一起；
所述RFID数据传输模块包括RFID标签球、井下读写器天线和井下RFID控制器，所述RFID标签球用于随套管内的泥浆运动，所述井下读写器天线安装在所述套管的内壁上，其竖直设置且与所述套管的内壁存在间距，其包括中空的天线骨架及缠绕在天线骨架上的螺线管天线，所述螺线管天线与所述井下RFID控制器连接，所述井下RFID控制器用于对运动到天线骨架内腔的RFID标签球进行读写操作，以向RFID标签球写入井下压力数据，以实现压力数据由数千米井下到地面的远距离传输，或读取RFID标签球的信息，以发送指令给所述井下控制驱动模块，以实现控制指令由地面到数千米井下，控制所述环形防喷器解封；
所述井下控制驱动模块包括标签球流动控制阀、控制阀电机驱动模块、胶筒阀电机驱动模块、胶筒阀和井下压力数据采集控制系统，所述标签球流动控制阀安装在所述套管的侧壁上，控制阀电机驱动模块用于开启和关闭标签球流动控制阀，所述标签球流动控制阀开启时，以实现RFID标签球随井下泥浆循环，将压力数据带回地面；所述标签球流动控制阀关闭时，通过胶筒阀电机驱动模块开启胶筒阀，以实现防喷器解封；井下压力数据采集控制系统用于采集井下压力并传送给井下RFID控制器，以使井下RFID控制器将井下压力数据写入RFID标签球；
所述电磁感应数据传输模块用于将所述井下RFID控制器信息传送给井下控制驱动模块，其包括多组电磁感应短节，并且每组电磁感应短节均包括两个电磁感应线圈，其中一个电磁感应线圈套接在一钻杆的公接头上，另一电磁感应线圈套接在与该公接头连接的母接头上，同一钻杆上的两个电磁感应线圈通过感应涡流互联，每组电磁感应短节的两个电磁感应线圈通过电磁感应互联，以实现数据由所述井下RFID控制器和所述井下控制驱动模块的短距离无线传输。
优选地，所述公接头与母接头螺纹连接，并且在所述公接头和母接头上分别设置有环形槽，所述电磁感应线圈绕制在铁氧体环上，并且铁氧体环分别嵌入在公接头和母接头的环形槽处，以保证电磁感应线圈的耦合效率。
优选地，所述RFID标签球包括内封标签，所述内封标签包括三个并联在一起的天线结构，每个天线结构均包括线圈天线、谐振电容和整流桥，三个所述线圈天线分别与XY平面平行、与XZ平面平行和与YZ平面平行，三个所述线圈天线的信号谐振后通过整流桥整形，对三个所述线圈天线的整形信号并联，输出最大信号，从而避免泥浆使标签球滚动产生读写方向性问题，其中XY平面、XZ平面和YZ平面由构成笛卡尔坐标的X轴、Y轴和Z轴形成。
优选地，所述井下读写器天线与套管的间距与所述天线骨架的内径相等，以用于削弱套管对所述螺线管天线磁场的涡流影响。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明将RFID和电磁感应的优势互补，RFID数据传输模块实现解封指令由地面到数千米井下，压力数据由数千米井下到地面的远距离传输，电磁感应数据传输模块实现RFID系统与井下控制驱动模块通信互联的短距离传输；
2)采用XYZ三维全向性天线标签解决标签在向井下运动时出现读写方向性问题，增大井下读写器天线与金属管道间距解决其对RFID通信磁场的涡流影响问题。相比现有通信技术，可靠性高，成本低，可以实现普及推广。
附图说明
图1为本发明放置在岩层中的结构示意图；
图2为本发明的工作流程图；
图3是本发明中标签天线线圈结构与XYZ三维全向性天线示意图；
图4是本发明中标签XYZ三维全向性天线信号处理电路示意图；
图5是本发明中井下电磁感应数据传输模块通信示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图5，一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制装置，包括套管1、RFID数据传输模块2、标签球流动控制阀3、井下控制驱动模块4、环形防喷器5和电磁感应数据传输模块6，其中，
所述套管1竖直设置，其由多根钻杆11相互连接而成，每根钻杆11均包括公接头111和母接头112，相邻两根钻杆11中，其中一根钻杆11的公接头111和另一根钻杆11的母接头112连接，从而使所有的钻杆11固定连接在一起，套管1与岩层之间存在出油间隙10；钻杆11采用金属制成；
所述RFID数据传输模块2包括RFID标签球21、井下读写器天线22和井下RFID控制器23，所述RFID标签球21用于随套管1内的水流9运动，所述井下读写器天线22安装在所述套管1的内壁上，其竖直设置且与所述套管1的内壁存在间距，其包括中空的天线骨架221及缠绕在天线骨架221上的螺线管天线222，所述螺线管天线222与所述井下RFID控制器23连接，所述井下RFID控制器23用于对运动到天线骨架221内腔的RFID标签球21进行读写操作，以向RFID标签球21写入井下压力数据，或读取RFID标签球的信息，以发送指令给所述井下控制驱动模块4来控制所述环形防喷器5解封；
所述井下控制驱动模块4包括标签球流动控制阀3、控制阀电机驱动模块401、胶筒阀电机驱动模块402、胶筒阀403和井下压力数据采集控制系统，所述标签球流动控制阀3安装在所述套管1的侧壁上，控制阀电机驱动模块401用于开启和关闭标签球流动控制阀3，以实现RFID标签球21随井下泥浆循环，将压力数据带回地面；关闭标签球流动控制阀3，通过胶筒阀电机驱动模块402开启胶筒阀，以实现防喷器5解封，井下压力数据采集控制系统用于采集井下压力并传送给井下RFID控制器23，以使井下RFID控制器将井下压力数据写入RFID标签球21；
所述电磁感应数据传输模块6用于将所述井下RFID控制器23信息传送给井下控制驱动模块4，其包括多组电磁感应短节，并且每组电磁感应短节均包括两个电磁感应线圈8，其中一个电磁感应线圈8套接在一钻杆11的公接头111上，另一电磁感应线圈8套接在与该公接头111连接的母接头112上。同一钻杆11上的两个电磁感应线圈通过感应涡流互联，每组电磁感应短节的两个电磁感应线圈通过电磁感应互联，以实现数据由所述井下RFID控制器和所述井下控制驱动模块的短距离无线传输。
进一步，所述公接头111与母接头112螺纹连接，并且在所述公接头111和母接头112上分别设置有环形槽，所述电磁感应线圈8分别绕制在铁氧体环上，并且所述铁氧体环分别嵌入在公接头111和母接头112的环形槽处。
进一步，所述RFID标签球21包括内封标签，所述内封标签包括三个并联在一起的天线结构，每个天线结构均包括线圈天线、谐振电容和整流桥，三个所述线圈天线分别与XY平面平行、与XZ平面平行和与YZ平面平行，三个所述线圈天线的信号谐振后通过整流桥整形，对三个所述线圈天线的整形信号并联，输出最大信号，从而避免泥浆使标签球滚动产生读写方向性问题，其中XY平面、XZ平面和YZ平面由构成笛卡尔坐标的X轴、Y轴和Z轴形成。
进一步，所述井下读写器天线22与套管1的间距与所述天线骨架221的内径相等，以用于削弱套管1对所述螺线管天线222磁场的涡流影响。
本发明的RFID标签球21由地面投递，随水流9运动到井下读写器天线22区域，井下RFID控制器23与RFID标签球21进行数据交互，将井下压力数据写入RFID标签球21内，再从标签球流动控制阀3和套管1流出并浮出油层，从而可以返回地面，或井下RFID控制器23读取解投入的RFID标签球21内所带的解封指令，实现环形防喷器5解封。
井下电池为井下整个控制系统供电。
参照图2，地面定时向注水套筒内投递RFID标签球21，井下RFID控制器23与投递的RFID标签球21通信交互，写入井下压力数据，然后RFID标签球21从阀口返回地面，地面读取RFID标签球21内的压力数据，分析井下压力是否平衡，如果平衡，则投入解封指令标签，井下RFID控制器23读取解封指令，通过电磁感应短传控制信号，环形防喷器5解封，井下恢复正常工作。
参照图3(a)～图3(d)，绕制平行于XY面，YZ面，XZ面方向的线圈天线具有多种的结构形式，并且取决于应用环境和尺寸的限制。三个天线线圈分别为第一线圈211、第二线圈212和第三线圈213，为减小尺寸，必须对三个线圈天线进行合理布置，本发明中将两个方向的线圈天线嵌入另外一个线圈天线中，因此线圈天线的结构形式为长方形，第一线圈211长度为a，宽度为b，厚度为h，匝数为N，线圈截面宽度为w，电感为L；第二线圈212长度为a，宽度为b，厚度为h，匝数为N，线圈截面宽度为w，电感为L；第三线圈213长度和宽度均为b，厚度为h，匝数为N，线圈截面宽度为w，电感为L3。线圈天线一般由铜导线绕制而成，线圈天线的电感可以由如下计算公式进行计算。对于125KHz频段的低频RFID标签球21的天线其线圈的电感一般在几十毫亨，这样根据公式即可粗略估算第一线圈和第二线圈的参数如下：
第三线圈的参数如下：
参照图4，RFID标签球21的信号处理电路包括：天线通信接口、射频模拟前端、数字控制协议、存储EEPROM、电源产生。天线通信接口是数据全向性接收与发送的物理接口，由三个方向上分离的线圈天线通过接口电路相连组成，每一方向上的线圈天线均有相应的并联谐振电容，天线信号谐振后通过整流桥整形，对三个方向上的整形信号并联，输出最大信号。射频模拟前端完成对天线接口信号预处理，数据接收时对信号进行解调，数据发送时对信号进行调制。数字控制协议完成对数据信号的逻辑控制，数据接收时对信号进行解码、错误校验，数据发送时对信号进行编码、时序控制。存储EEPROM，完成数据的存储工作，包括ID码、配置信息、密码、用户数据等。电源产生，完成从天线端的能量提取，包括滤波、偏压限幅、稳压。
由于井下读写器天线22周围的金属管壁会严重削弱天线电磁场，以涡电流热能的形式耗散，导致RFID通信失败。通过电磁场仿真可得，金属管壁与天线间距越大，涡流影响越小，且随着间距的增大，影响减小的效果越来越不明显，在间距为天线半径时，涡流影响削弱到20％以内，通过调整一下匹配电容大小，即可消除金属管壁的涡流影响。此外，由于井下泥浆会磨损天线导线，则天线两端必须进行高压密封处理，以保证金属管壁天线间距空间填满空气。
参照图5，以RFID系统与标签球流动控制阀驱动电机控制系统的电磁短传接头为例，图中示出了四个感应线圈8，四个感应线圈8按从左至右的顺序分别为第一感应线圈，第二感应线圈，第三感应线圈，第四感应线圈，第一感应线圈安装在一钻杆11下端公接头111端面的环形槽内，第二感应线圈安装在另一相邻钻杆11上端母接头112端面的环形槽内，由于两感应线圈内部介质为泥浆，弱导电性，通过电磁感应通信，传输距离近，则两感应线圈必须保持较小的间距，并且线圈分别绕制在铁氧体环上，保证线圈耦合效率。利用钻杆11的涡流效应，第二感应线圈在钻杆11上产生涡流，由于钻杆11为金属，其具有导电性，传递到第三感应线圈所在的端部，产生感应电压，实现信号的传递，然后第三感应线圈再通过电磁感应与第四感应线圈通信。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制系统，其特征在于，包括套管、RFID数据传输模块、标签球流动控制阀、井下控制驱动模块、环形防喷器和电磁感应数据传输模块，其中，
所述套管其由多根钻杆相互连接而成，每根钻杆均包括公接头和母接头，相邻两根钻杆中，其中一根钻杆的公接头和另一根钻杆的母接头连接，从而使所有的钻杆固定连接在一起；
所述RFID数据传输模块包括RFID标签球、井下读写器天线和井下RFID控制器，所述RFID标签球用于随套管内的泥浆运动，所述井下读写器天线安装在所述套管的内壁上，其竖直设置且与所述套管的内壁存在间距，其包括中空的天线骨架及缠绕在天线骨架上的螺线管天线，所述螺线管天线与所述井下RFID控制器连接，所述井下RFID控制器用于对运动到天线骨架内腔的RFID标签球进行读写操作，以向RFID标签球写入井下压力数据，以实现压力数据由数千米井下到地面的远距离传输，或读取RFID标签球的信息，以发送指令给所述井下控制驱动模块，以实现控制指令由地面到数千米井下，控制所述环形防喷器解封；
所述井下控制驱动模块包括标签球流动控制阀、控制阀电机驱动模块、胶筒阀电机驱动模块、胶筒阀和井下压力数据采集控制系统，所述标签球流动控制阀安装在所述套管的侧壁上，控制阀电机驱动模块用于开启和关闭标签球流动控制阀，所述标签球流动控制阀开启时，以实现RFID标签球随井下泥浆循环，将压力数据带回地面；所述标签球流动控制阀关闭时，通过胶筒阀电机驱动模块开启胶筒阀，以实现防喷器解封；井下压力数据采集控制系统用于采集井下压力并传送给井下RFID控制器，以使井下RFID控制器将井下压力数据写入RFID标签球；
所述电磁感应数据传输模块用于将所述井下RFID控制器信息传送给井下控制驱动模块，其包括多组电磁感应短节，并且每组电磁感应短节均包括两个电磁感应线圈，其中一个电磁感应线圈套接在一钻杆的公接头上，另一电磁感应线圈套接在与该公接头连接的母接头上，同一钻杆上的两个电磁感应线圈通过感应涡流互联，每组电磁感应短节的两个电磁感应线圈通过电磁感应互联，以实现数据由所述井下RFID控制器和所述井下控制驱动模块的短距离无线传输。
2.根据权利要求1所述的一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制系统，其特征在于，所述公接头与母接头螺纹连接，并且在所述公接头和母接头上分别设置有环形槽，所述电磁感应线圈绕制在铁氧体环上，并且铁氧体环分别嵌入在公接头和母接头的环形槽处，以保证电磁感应线圈的耦合效率。
3.根据权利要求1所述的一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制系统，其特征在于，所述RFID标签球包括内封标签，所述内封标签包括三个并联在一起的天线结构，每个天线结构均包括线圈天线、谐振电容和整流桥，三个所述线圈天线分别与XY平面平行、与XZ平面平行和与YZ平面平行，三个所述线圈天线的信号谐振后通过整流桥整形，对三个所述线圈天线的整形信号并联，输出最大信号，从而避免泥浆使标签球滚动产生读写方向性问题，其中XY平面、XZ平面和YZ平面由构成笛卡尔坐标的X轴、Y轴和Z轴形成。
4.根据权利要求1所述的一种用于井下钻杆防喷器解封的无线控制系统，其特征在于，所述井下读写器天线与套管的间距与所述天线骨架的内径相等，以用于削弱套管对所述螺线管天线磁场的涡流影响。
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