CN106194109B - 一种井下智能可控开关工具 - Google Patents

Abstract

一种井下智能可控开关工具，包括自上而下连接的天线短节、液压控制短节和油缸短节；油缸短节包括油缸壳体、活塞和磁铁；活塞主外径与天线短节和液压控制短节的最小内径相同；活塞一端装在油缸短节中，另一端装在液压控制短节中，活塞装在液压控制短节中的一端装有磁铁，液压控制短节形成油腔的位置内径大于上述最小内径，活塞位于此位置的部分设置凸耳，凸耳与液压控制短节内径之间密封；液压控制短节设置舱体，安装电机泵、两个电磁阀以及信号处理控制模块；电机泵出油口分别与两个电磁阀进油口连通，电磁阀的回油口与电机泵的进油口连通，两个电磁阀的工作口分别与两个油腔连通；电磁阀在断电时进油口与工作口连通，通电时回油口与工作口连通。

Description

一种井下智能可控开关工具

技术领域

本发明涉及一种井下智能可控开关工具，具体涉及一种应用于分段压裂、试油求产以及分级固井等方面应用的井下智能开关工具。

背景技术

目前分段压裂一般采用投球式分段压裂，这种压裂方式存在非全通径、投球压裂后返球困难、需要再次下钻磨铣球座、压裂时间长等弊端，逐渐难以满足市场对压裂的需求。

为此近几年国内外出现了新型的电压控制压裂滑套，该装置以电子RFID标签为在信息载体，通过无线通信的方式将指令信息传递到井下压裂滑套，从而控制滑套的开启或关闭工作，实现了井下多段压裂施工，且该装置操作工艺简单，施工段数不受限制，可获得较大通径。通过多段组合可实现油气井各段的开采控制，如中国专利CN102518420A，申请公布日为：2012年6月27日，名为《一种不限层电控压裂滑套》，该专利公布的压裂滑套结构简单、使用方便、提高了压裂效果和作业效率、具有大通径和不受压裂级数限制的特点，但该不限层电控压裂滑套每次下井前要进行对腔室内充油，在井下打开时使用管柱内流体压力作为动力，操作不方便，打开效率低；同时此滑套下井前需处于关闭状态，下井后只能进行一次打开操作，无法实现打开后再次关闭动作，若需关闭，需要将滑套从井下提至地面再次充油后才能关闭，工作量大。如中国专利CN103046917A，申请公布日期：2013年4月17日，名为《一种井下电液控制压裂滑套》，该专利公布的压裂滑套操作方便、工作效率高、能够自动控制滑套开关、具有大通径和不受压裂级数限制的特点，但该井下电液控制压裂滑套使用储能式油箱中液压油作为滑套内套筒运动动力来源，对储能式油箱结构强度要求较高，操作不方便，内套筒开关效率低；此滑套在下井前需处于关闭状态，在井下只能进行一次开关操作，不能进行多次开关操作，如需再次进行开关操作，需要将滑套从井下提至地面再次充油后才能关闭，工作量大；同时该滑套还需设置第一储油箱和第二储油箱，结构复杂。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种井下智能可控开关工具。

本发明的技术解决方案是：一种井下智能可控开关工具，包括自上而下连接在一起的天线短节、液压控制短节和油缸短节；

所述的油缸短节包括油缸壳体、活塞和磁铁；活塞主外径与天线短节和液压控制短节的最小内径相同；

活塞一端装在油缸短节中，另一端装在液压控制短节中，活塞装在液压控制短节中的一端装有磁铁，液压控制短节预设形成油腔的位置内径大于上述最小内径，活塞位于此位置的部分设置凸耳，凸耳与液压控制短节内径之间密封，因此，在活塞和液压控制短节之间形成油腔Ⅰ和油腔Ⅱ；

液压控制短节中设置舱体，安装电机泵、两个两位三通电磁阀以及信号处理控制模块；

电机泵出油口分别与两个电磁阀进油口连通，电磁阀的回油口分别与电机泵的进油口连通，一个电磁阀的工作口与油腔Ⅰ连通，另外一个电磁阀的工作口与油腔Ⅱ连通；两个电磁阀在断电时进油口与工作口连通，通电时回油口与工作口连通；

天线短节中的天线用于识别读取地面投下的RFID标签指令信息；信号处理控制模块处理该指令信息，并产生电机转动指令，控制电机泵工作，电机泵带动活塞运动，信号处理控制模块通过随活塞运动的磁铁，利用检测到的磁信号确定当前活塞所处的位置，根据该位置产生相应的指令，控制电机泵工作，实现活塞上的喷射孔Ⅰ与油缸短节的喷射孔Ⅱ的连通或者不连通，进而实现工具打开或关闭。

所述的液压控制短节包括设置在液压控制短节壳体中的线缆舱、电机泵舱、控制驱动舱、高温电池舱、电磁阀舱Ⅰ和电磁阀舱Ⅱ；

电机泵舱中安装电机泵，高温电池舱中安装电池，控制驱动舱中安装RFID通信电路板、中央控制电路板和电机驱动电路板；电磁阀舱Ⅰ和电磁阀舱Ⅱ中分别安装一个两位三通电磁阀；线缆舱安装活塞位置识别电路板；

活塞位置识别电路板通过随活塞运动的磁铁，利用检测到的磁信号确定当前活塞所处的位置；

天线短节中天线的线缆通过密封插针与RFID通信电路板连接，当RFID标签进入天线区域时，RFID通信电路板识别标签携带的信息并输出至中央控制电路板，中央控制电路板根据接收的信息发送电机转动指令，由电机驱动电路板驱动电机泵工作，同时中央控制短路板控制相应的两位三通电磁阀通断电，电机泵泵出的液压油经相应的两位三通电磁阀进入油腔，实现活塞运动，使得活塞上的喷射孔Ⅰ与油缸短节的喷射孔Ⅱ的连通或者不连通，进而实现工具打开或关闭。

所述的液压控制短节壳体上设置外测口盖，打开外侧口盖，通过线缆将中央控制电路板与地面测试设备连接，对工具进行测试。

在天线短节端设置内油管螺纹或者在油缸短节端设置外油管螺纹，通过上述螺纹与其他工具相连。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明介绍了一种应用于分段压裂、试油求产以及分级固井等方面应用的井下智能开关工具。解决了以往开关工具不能进行多次开关、操作不方便、开关效率低以及每次下井前需进行充油等复杂工作的问题。井下智能可控开关工具把平时用于门禁系统的射频卡读卡器(即RFID通信电路板)集成到井下智能可控开关工具上，采用电动液压能源为动力，只需从井上投放相应RFID指令标签，便可代替投球等复杂操作，完成相应开关井动作，可以进行无限次(电池电量允许范围内)开关，每次下井前仅需进行简单测试即可下井工作，不需要进行再次充油等工作，具有全通径、结构紧凑简单、操作简单、维护简单、在井下可进行多次开关、工作效率高特点，同时具备活塞位置检测(智能可控开关工具开启和关闭检测)、智能可控开关工具开关自锁、定时休眠唤醒、定时打开和关闭智能可控开关工具。

附图说明

图1、2为本发明井下智能可控开关工具结构两个方向示意图；

图3为图2A部位局部放大图。

具体实施方式

一种用于井下智能开关工具包括：天线短节2、液压控制短节5和油缸短节9。天线短节2包括：内油管螺纹1、天线壳体3和天线4；液压控制短节5包括：线缆舱6、电机泵舱13、控制驱动舱14、外测口盖15、液压控制短节壳体16、高温电池舱Ⅰ17、高温电池舱Ⅱ20、电磁阀舱Ⅰ18和电磁阀舱Ⅱ19；油缸短节包括：油缸壳体8、活塞7和磁铁29。活塞7主外径与天线短节2和液压控制短节5的最小内径相同，保证全通径。将天线4装在天线壳体3中形成天线短节；将高温电池分别装在液压控制短节5的高温电池舱Ⅰ17和高温电池舱Ⅱ20中，RFID通信电路板、中央控制电路板和电机驱动电路板装在液压控制短节5的控制驱动舱14中，电机泵装在液压控制短节5的电机泵舱13中，两个两位三通电磁阀分别装在液压控制短节5的电磁阀舱Ⅰ18和电磁阀舱Ⅱ19中，活塞位置识别电路板装在液压控制短节5的线缆舱6中，其中活塞位置识别电路板和磁铁29用于识别当前活塞所处的位置；

天线短节2与液压控制短节5间通过螺纹连接，天线4的两根线缆通过高压密封插针与控制驱动舱14中的RFID通信电路板连接，用于识别读取地面投下的RFID标签指令信息；油缸短节9与液压控制短节5间通过螺纹连接，活塞7一端装在油缸端节9中，另一端装在液压控制短节5中，活塞7装在液压控制短节5中的一端装有磁铁29，活塞7和液压控制短节5之间形成油腔Ⅰ23和油腔Ⅱ25，通过密封圈Ⅰ21、密封圈Ⅱ22、密封圈Ⅲ24、密封圈Ⅳ26和密封圈Ⅴ27进行密封；电机泵舱13中的电机泵出油口分别与电磁阀舱Ⅰ18和电磁阀舱Ⅱ19中的电磁阀进油口连通，电磁阀舱Ⅰ18和电磁阀舱Ⅱ19中的电磁阀的回油口分别与电机泵舱连通，电磁阀舱Ⅰ18中电磁阀的工作口与油腔Ⅰ23连通，电磁阀舱Ⅱ19中电磁阀的工作口与油腔Ⅱ25连通。电磁阀舱Ⅰ18和电磁阀舱Ⅱ19中电磁阀在断电时进油口与工作口连通，通电时回油口与工作口连通。

智能可控开关工具在开启时，电机泵泵出高压液压油经电磁阀舱Ⅱ19中的电磁阀进入油腔Ⅱ25中，油腔Ⅰ23中的低压液压油通过电磁阀舱Ⅰ18中的电磁阀回到电机泵舱13中，实现活塞7运动，从而实现智能可控开关工具打开，当智能可控开关工具完全打开后，油腔Ⅱ25中充满高压液压油并被锁定，从而实现智能可控开关工具开启后位置自锁；智能可控开关工具在关闭时，电机泵泵出高压液压油经电磁阀舱Ⅰ18中的电磁阀进入油腔Ⅰ23中，油腔Ⅱ25中的低压液压油通过电磁阀舱Ⅱ19中的电磁阀回到电机泵舱13中，实现活塞7运动，从而实现智能可控开关工具关闭，当智能可控开关工具完全关闭后，油腔Ⅱ25中充满高压液压油并被锁定，从而实现智能可控开关工具关闭后位置自锁；

活塞7装在液压控制短节5中的一端装有磁铁29，线缆舱6中的活塞位置识别电路板上装有霍尔传感器，当磁铁29随活塞7运动时，装在线缆舱6中的活塞位置识别电路板上不同位置的霍尔传感器检测到磁信号，控制驱动舱14中的中央控制电路板监测线缆舱6中的活塞位置识别电路板上不同位置的霍尔传感器输出，即可得到当前活塞所处位置。

在控制驱动舱14中的中央控制电路板上装有日历芯片，日历芯片提供精准的绝对时间，用于定时休眠唤醒、定时开关。在智能可控开关工具下井前设置定时休眠唤醒和定时开关的时间，当日历时间与休眠唤醒和定时开关的时间相同时，中央控制电路板根据日历时间执行定时休眠唤醒和定时开关命令。

当工具在井下时，通过投携带修改定时休眠唤醒和定时开关时间信息的标签，控制驱动舱14的RFID通信电路板识别读取到标签携带的指令信息，控制驱动舱14中的中央控制电路板根据RFID通信电路板读取的标签信息修改定时休眠唤醒和定时开关时间。

控制驱动舱14中的中央控制电路板上装有内存芯片，当智能可控开关阀在工作时，所有的数据均存储在内存芯片中，以备地面分析井下情况使用。

智能可控开关阀仅在第一次装配过程中向电机泵舱13中冲满液压油即可，每次下井提出后仅需进行简单测试即可，不需要再次向电机泵舱13中冲液压油，简化了操作维护流程。

智能可控开关阀在下井前可根据需要处于打开或关闭状态，当携带打开工具信息的标签通过智能可控开关阀的天线区域时，控制驱动舱14的RFID通信电路板识别读取到标签携带的打开信息，控制驱动舱14中的中央控制电路板根据RFID通信电路板读取的打开信息，向控制驱动舱14中的电机驱动电路板发送电机转动指令，电机泵泵出高压液压油经电磁阀舱Ⅱ19中的电磁阀进入油腔Ⅱ25中，油腔Ⅰ23中的低压液压油通过电磁阀舱Ⅰ18中的电磁阀回到电机泵舱13中，实现活塞7运动，活塞7上的喷射孔Ⅰ11通过密封圈Ⅵ28，与油缸短节9的喷射孔Ⅱ12对齐连通，如图3所示，从而实现智能可控开关工具打开，当智能可控开关工具完全打开后，油腔Ⅱ25中充满高压液压油并被锁定，从而实现智能可控开关工具开启后位置自锁；当携带关闭工具信息的标签通过智能可控开关阀的天线区域时，控制驱动舱14的RFID通信电路板识别读取到标签携带的关闭信息，控制驱动舱14中的中央控制电路板根据RFID通信电路板读取的关闭信息，向控制驱动舱14中的电机驱动电路板发送电机转动指令，电机泵泵出高压液压油经电磁阀舱Ⅰ18中的电磁阀进入油腔Ⅰ23中，油腔Ⅱ25中的低压液压油通过电磁阀舱Ⅱ19中的电磁阀回到电机泵舱13中，实现活塞7运动，活塞7上的喷射孔Ⅰ11通过密封圈Ⅵ28，与油缸短节9的喷射孔Ⅱ12不连通，如图1所示，从而实现智能可控开关工具关闭，当智能可控开关工具完全关闭后，油腔Ⅱ25中充满高压液压油并被锁定，从而实现智能可控开关工具关闭后位置自锁。

智能可控开关工具在地面进行测试时，打开外测口盖15，通过专用线缆将中央控制电路板与地面测试设备连接，即可实现对智能可控开关工具的测试。

智能可控开关工具通过内油管螺纹1和外油管螺纹10与其它工具(例如油管、套管等)相连。

以上给出的一种智能可控开关工具的实施方案，用户可根据具体安装接口、空间需求及环境要求等对各部分尺寸、参数进行具体设计。可以在分段压裂、试油求产以及分级固井等方面应用，并达到良好效果。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种井下智能可控开关工具，其特征在于：包括自上而下连接在一起的天线短节(2)、液压控制短节(5)和油缸短节(9)；

所述的油缸短节(9)包括油缸壳体(8)、活塞(7)和磁铁(29)；活塞(7)主外径与天线短节(2)和液压控制短节(5)的最小内径相同；

活塞(7)一端装在油缸短节(9)中，另一端装在液压控制短节(5)中，活塞(7)装在液压控制短节(5)中的一端装有磁铁(29)，液压控制短节(5)预设形成油腔的位置内径大于上述最小内径，活塞(7)位于此位置的部分设置凸耳，凸耳与液压控制短节(5)内径之间密封，因此，在活塞(7)和液压控制短节(5)之间形成油腔Ⅰ(23)和油腔Ⅱ(25)；

液压控制短节(5)中设置舱体，安装电机泵、两个两位三通电磁阀以及信号处理控制模块；

电机泵出油口分别与两个电磁阀进油口连通，电磁阀的回油口分别与电机泵的进油口连通，一个电磁阀的工作口与油腔Ⅰ(23)连通，另外一个电磁阀的工作口与油腔Ⅱ(25)连通；两个电磁阀在断电时进油口与工作口连通，通电时回油口与工作口连通；

天线短节(2)中的天线用于识别读取地面投下的RFID标签指令信息；信号处理控制模块处理该指令信息，并产生电机转动指令，控制电机泵工作，电机泵带动活塞运动，信号处理控制模块通过随活塞运动的磁铁，利用检测到的磁信号确定当前活塞所处的位置，根据该位置产生相应的指令，控制电机泵工作，实现活塞(7)上的喷射孔Ⅰ(11)与油缸短节(9)的喷射孔Ⅱ(12)的连通或者不连通，进而实现工具打开或关闭。

2.根据权利要求1所述的工具，其特征在于：所述的液压控制短节(5)包括设置在液压控制短节壳体(16)中的线缆舱(6)、电机泵舱(13)、控制驱动舱(14)、高温电池舱、电磁阀舱Ⅰ(18)和电磁阀舱Ⅱ(19)；

电机泵舱(13)中安装电机泵，高温电池舱中安装电池，控制驱动舱(14)中安装RFID通信电路板、中央控制电路板和电机驱动电路板；电磁阀舱Ⅰ(18)和电磁阀舱Ⅱ(19)中分别安装一个两位三通电磁阀；线缆舱(6)安装活塞位置识别电路板；

活塞位置识别电路板上装有霍尔传感器，当磁铁(29)随活塞(7)运动时，装在线缆舱(6)中的活塞位置识别电路板上不同位置的霍尔传感器检测到磁信号，控制驱动舱(14)中的中央控制电路板监测线缆舱(6)中的活塞位置识别电路板上不同位置的霍尔传感器输出，即可得到当前活塞所处位置；

天线短节中天线的线缆通过密封插针与RFID通信电路板连接，当RFID标签进入天线区域时，RFID通信电路板识别标签携带的信息并输出至中央控制电路板，中央控制电路板根据接收的信息发送电机转动指令，由电机驱动电路板驱动电机泵工作，同时中央控制短路板控制相应的两位三通电磁阀通断电，电机泵泵出的液压油经相应的两位三通电磁阀进入油腔，实现活塞运动，使得活塞(7)上的喷射孔Ⅰ(11)与油缸短节(9)的喷射孔Ⅱ(12)的连通或者不连通，进而实现工具打开或关闭。

3.根据权利要求2所述的工具，其特征在于：所述的液压控制短节壳体(16)上设置外测口盖(15)，打开外侧口盖，通过线缆将中央控制电路板与地面测试设备连接，对工具进行测试。

4.根据权利要求1所述的工具，其特征在于：在天线短节端设置内油管螺纹或者在油缸短节端设置外油管螺纹，通过上述螺纹与其他工具相连。