CN105735950A - 一种基于自适应稳频rfid技术的油井注水控制装置 - Google Patents

一种基于自适应稳频rfid技术的油井注水控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置，包括注水套管、RFID标签球、井下RFID控制器、井下RFID环境适应器和注水阀,所述井下RFID控制器包括标签读写模块和井下读写器天线，所述井下RFID环境适应器包括相位测量模块、PWM输出模块和可控电容阵列模块。本发明采用高温磁芯加射频芯片的RFID标签具有更优异的高温性能，以铁氧体屏蔽环包裹井下读写器天线，消除金属管道影响，以RFID环境适应器动态可调补偿电容，适应不同井下水流，使油井注水控制装置具备更强的鲁棒性和环境不敏感性，通信更加可靠，适应不同井下环境。

Description

一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置
技术领域
本发明属于能源开采装备领域，更具体地，涉及一种油井注水控制装置。
背景技术
注水驱油是油田开发中一种十分重要的开发方式，是补充地层能量，维持油田较长期高产稳定的有效、易行的方法。目前国内水驱开发原油产量保持在总产量的80％以上，因此注水驱油具有非常直接的经济效益，对我国原油生产具有举足轻重的作用。
现行的传统机械式注水技术，需要车载设备向井下下入仪器，每台综合测试车需要投入20万人民币，单井平均作业时间需要1～2天，作业时间长、投入大，降低了现场作业效率，增加了施工成本。采用电子式控制注水是发展方向，其中实现井下阀门开度由地面向几千米的井下注水阀传递是关键。
目前比较成熟的方法是采用压力波编码，如中国专利申请号为200410061228的说明书公开了一种用压力波调控分层配水的方法，通过井上平台输出压力波脉冲的方式，将井上的命令传送到井下，但由于压力编码的冗长，完成一组压力编码的时间较长，导致阀门控制易误操作、长期工作可靠性低、现场施工操作复杂。
不仅如此，实际的油田生产情况是复杂的，油田分布在世界各地，不同油藏的地质其对应的井深、地下水浓度、电磁参数、金属管道结构等变化范围大，对注水控制系统的鲁棒性和环境不敏感性提出了挑战。中国专利申请号为201110278843的说明书公开了一种基于RFID的井下分层注水控制系统，当携带阀门开度指令的RFID标签通过阀门附近时，读写器读取阀门开度，控制电机相应动作，不过其未考虑井下复杂多变环境对RFID通信系统的影响，RFID作为电磁场通信，井下的复杂环境如金属管道、饱和盐水、泥浆等对信号的影响巨大，会使得RFID读写器与RFID标签的通信受到影响，此外井下125℃的高温易导致商用RFID标签失效，使得RFID读写器无法读取RFID标签的信号。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置，适应不同的井下复杂环境，实现阀门开度指令由地面传送到井下。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置，其特征在于，包括注水套管、RFID标签球、井下RFID控制器、井下RFID环境适应器和注水阀，其中，
所述RFID标签球用于携带注水阀开度大小指令并随注水套管内的水流向下运动；
所述井下RFID控制器包括标签读写模块和井下读写器天线，所述标签读写模块和所述井下读写器天线均安装在所述注水套管的内壁上，所述井下读写器天线包括中空的天线骨架及缠绕在天线骨架上的螺线管天线，所述螺线管天线的一端与所述标签读写模块连接且另一端与所述井下RFID环境适应器连接，所述标签读写模块用于对运动到天线骨架内腔的RFID标签球进行读写操作，以获取注水阀开度大小指令，从而控制注水阀的开度；
所述井下RFID环境适应器包括相位测量模块、PWM输出模块和可控电容阵列模块，其中，所述相位测量模块用于将井下读写器天线输出的正弦波信号转化成方波信号并与标签读写模块的芯片发出的方波信号进行比较，然后将两个方波的相位差输出给PWM输出模块；所述PWM输出模块基于所述相位差来控制可控电容阵列模块的电容，以调整可控电容阵列模块的电容，从而使标签读写模块、井下读写器天线和可控电容阵列模块构成的电路发生谐振，以提高标签读写模块对RFID标签球进行读写的稳定性与成功率。
优选地，所述的RFID标签球的磁芯采用铁氧体磁芯，所述天线骨架采用环氧树脂制成。
优选地，所述读写器天线与所述注水套管之间设置有铁氧体屏蔽环，以防注水套管产生的涡流效应削弱读写器天线的电磁场。
优选地，所述井下RFID环境适应器测量所述井下读写器天线的阻抗，再通过交流电子开关控制可控电容阵列模块的电容值，以补偿井下读写器天线的阻抗改变。
优选地，所述可控电容阵列模块包括多个并联在一起的电容，并且每个电容分别由一交流开关控制，所述PWM输出模块通过控制交流开关的开闭，则能调整可控电容阵列模块的电容。
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：
本发明采用高温磁芯加射频芯片的RFID标签具有更优异的高温性能，以铁氧体屏蔽环包裹井下读写器天线，消除金属管道影响，以RFID环境适应器动态可调补偿电容，适应不同井下水流，使油井注水控制装置具备更强的鲁棒性和环境不敏感性，通信更加可靠，适应不同井下环境。
附图说明
图1为本发明放置在岩层中的结构示意图；
图2是本发明中RFID标签球内封标签的结构示意图；
图3是本发明中井下读写器天线的结构示意图；
图4是本发明中井下RFID环境适应器的结构框图；
图5是本发明中井下RFID环境适应器的控制流程框图。
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5，一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置，其特征在于，包括注水套管1、RFID标签球3、井下RFID控制器2、井下RFID环境适应器4和注水阀5，其中，
所述注水套管1竖直设置，注水套管1与岩石层之间存在出油间隙7，以便石油能从此出油间隙7内流到地面上；优选地，所述注水套管1包括从上至下依次连接的多根钻杆11。
所述RFID标签球3用于携带注水阀5开度大小指令并随注水套管1内的水流6向下运动；优选地，，所述的RFID标签球3的磁芯采用铁氧体磁芯。
所述井下RFID控制器2包括标签读写模块21和井下读写器天线22，所述标签读写模块21安装在所述注水套管1的侧壁上，所述井下读写器天线22安装在所述注水套管1的内壁上且竖直设置，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，优选地，所述天线骨架221采用环氧树脂制成。水流和所述RFID标签球3能从天线骨架221的内腔流过，所述螺线管天线222的一端与所述标签读写模块21连接且另一端与所述井下RFID环境适应器4连接，所述标签读写模块21用于对运动到天线骨架221内腔的RFID标签球3进行读写操作，以获取注水阀5开度大小指令，从而驱动注水阀5的工作；
所述井下RFID环境适应器4包括相位测量模块41、PWM输出模块42和可控电容阵列模块43，其中，所述相位测量模块41用于将井下读写器天线22输出的正弦波信号转化成方波信号并与标签读写模块21的芯片发出的方波信号进行比较，然后将两个方波的相位差输出给PWM输出模块42；所述PWM输出模块42基于所述相位差来控制可控电容阵列模块43的电容431，以调整可控电容阵列模块43的电容431，从而使标签读写模块21、井下读写器天线22和可控电容阵列模块43构成的电路发生谐振，以提高标签读写模块21对RFID标签球3进行读写的稳定性与成功率。
进一步，所述读写器天线与所述注水套管1之间设置有铁氧体屏蔽环223，以防注水套管1产生的涡流效应削弱读写器天线的电磁场。
进一步，所述井下RFID环境适应器4测量所述井下读写器天线的阻抗，通过交流电子开关控制可控电容阵列模块43的电容431值补偿环境对井下读写器天线阻抗的改变。
进一步，所述可控电容阵列模块43包括多个并联在一起的电容431，并且每个电容431分别由一交流开关432控制，所述PWM输出模块42通过控制交流开关432的开闭，则能调整可控电容阵列模块43的电容431。
进一步，注水阀5具有阀杆51和阀塞52，通过阀杆51和阀塞52的水平移动，可以打开或封闭注水套管1上的侧孔，从而可以控制是否向油层内注水。
本发明的RFID标签球3由地面投递，随水流运动到井下读写器天线22区域，井下RFID控制器2与RFID标签球进行数据交互，驱动井下电磁阀电机动作。注水套管1内还设置有井下电池，井下电池为井下整个控制系统供电。
参见图2所示的RFID标签球3内封标签结构示意图，包括高温磁芯天线230、射频芯片220、匹配电容210，用以替代商用标签。商用RFID标签耐温最高为85℃，主要是因其内部磁芯天线只能耐温85℃，为能在井下125℃高温下工作，必须通过隔热材料进行封装，减慢热量传递，但长时间以后总会热平衡，损坏标签。本发明的RFID标签球3内封标签采用高温磁芯天线，耐温125℃，能长时间在井下工作，显著提高了标签耐高温性能。
参见图3所示的井下读写器天线结构示意图，天线骨架221两端带有螺纹，便于安装，此外均有O型密封圈槽，避免天线漆包线与井下水流接触，造成腐蚀和磨断。考虑到井下水流如泥浆对天线骨架的冲击，以及井下的高温高压环境，此外天线骨架不能导电，否则因涡流效应会削弱天线的电磁场，因此天线骨架采用耐磨耐高温高压复合材料。由于标签随井内水流运动，则天线选择具有一定长度的螺线管天线222。通过标签读写速度的测试，显示螺线管天线222的长度和允许标签通过的速度成正比。通过分析，读写标签一个PAGE的时间(四个字节)为100ms，考虑到通信出错的情况，保证至少2次的读写机会，也就是200ms左右，假设标签随井下水流的运行速度为vm/s,则天线长度中读写标签的区域至少0.2vm。根据螺线管天线222的磁场分布，中间80％区域磁场稳定，两端的磁场强度会急剧减小，因此最终螺线管天线222的长度定为0.25vm。如果标签的运行速度增大，则会减小标签读写的可能次数，在最极端的情况(只有一次读写机会)，则标签的最大运行速度为2.5vm/s。
参见图4所示的井下RFID环境适应器4结构框图，主要包括相位测量模块41、PWM输出模块42、可控电容阵列模块43。相位测量模块41主要是将芯片信号和天线两端输出信号转化为方波信号，进行比较输出相位差；PWM输出模块42主要输出多路控制信号；可控电容阵列模块43为由交流开关432控制的电容431组。电容431阵列两端为交流信号，因此需要交流电子开关，实现电容431的并联接入和断开，选择合适的接入电容431组合，可使接入的电容431值能在较大的范围内改变，使井下液体环境对RFID通信的影响得到补偿。通过设置输出的多路PWM信号，分别打开或关断交流电子开关即实现各电容431并联接入天线两端。多个特定容值的电容431阵列通过组合，其容值能以大约50pF的分辨率离散可调，分辨间隔和范围基本满足补偿因液体环境而产生的变化的要求。
参见图5所示的井下RFID环境适应器4控制流程框图，井下RFID环境适应器4检测井下读写器的调节触发信号，然后对源信号、天线输出信号进行信号处理，测量两个信号的相位差，估算匹配所需的电容431阵列值，控制PWM输出，选择不同的电容431阵列，电容431阵列将改变输入信号的相位差，直到选择出的电容431阵列满足井下读写器的谐振条件，固定该组PWM输出，等待与标签进行RFID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 (5)

1.一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置，其特征在于，包括注水套管、RFID标签球、井下RFID控制器、井下RFID环境适应器和注水阀，其中，
所述RFID标签球用于携带注水阀开度大小指令并随注水套管内的水流向下运动；
所述井下RFID控制器包括标签读写模块和井下读写器天线，所述标签读写模块和所述井下读写器天线均安装在所述注水套管的内壁上，所述井下读写器天线包括中空的天线骨架及缠绕在天线骨架上的螺线管天线，所述螺线管天线的一端与所述标签读写模块连接且另一端与所述井下RFID环境适应器连接，所述标签读写模块用于对运动到天线骨架内腔的RFID标签球进行读写操作，以获取注水阀开度大小指令，从而控制注水阀的开度；
所述井下RFID环境适应器包括相位测量模块、PWM输出模块和可控电容阵列模块，其中，所述相位测量模块用于将井下读写器天线输出的正弦波信号转化成方波信号并与标签读写模块的芯片发出的方波信号进行比较，然后将两个方波的相位差输出给PWM输出模块；所述PWM输出模块基于所述相位差来控制可控电容阵列模块的电容，以调整可控电容阵列模块的电容，从而使标签读写模块、井下读写器天线和可控电容阵列模块构成的电路发生谐振，以便标签读写模块对RFID标签球进行读写。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置，其特征在于，所述的RFID标签球的磁芯采用铁氧体磁芯，所述天线骨架采用环氧树脂制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置，其特征在于，所述读写器天线与所述注水套管之间设置有铁氧体屏蔽环，以防注水套管产生的涡流效应削弱读写器天线的电磁场。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置，其特征在于，所述井下RFID环境适应器测量所述井下读写器天线的阻抗，再通过交流电子开关控制可控电容阵列模块的电容值，以补偿井下读写器天线的阻抗改变。
5.根据权利要求1所述的一种基于自适应稳频RFID技术的油井注水控制装置，其特征在于，所述可控电容阵列模块包括多个并联在一起的电容，并且每个电容分别由一交流开关控制，所述PWM输出模块通过控制交流开关的开闭，则能调整可控电容阵列模块的电容。
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