CN204087251U - 一种耐腐蚀、高温和高压的石油钻杆的无源射频标签 - Google Patents

Abstract

一种耐腐蚀、高温和高压的深井石油钻杆的无源射频标签，设有两个部件：标签芯片和外壳封装体，其中，标签芯片为中空细圆柱管状零件，用于反射和接收射频信号、完成正确识读钻杆标识功能。外壳封装体由外表面为细螺纹的圆柱体外壳和后盖两零件组成，是固装并保护标签芯片的外壳包装，采用防止透水、浸泡、遭到腐蚀、高压和震动破坏的密封绝缘材料组成。该装置能够解决现在用于石油钻杆的射频标签的各种困境：既能工作在不低于200℃高温环境中，仍然保证其耐受压力不低于70MPa，还具有良好的抗电磁和抗腐蚀特性，以使该无源射频标签在恶劣的工作环境中，不仅能够安装在石油钻杆上正常使用，还保证其标签识读的可靠性不低于90％和连续工作时间超过300天。

Description

一种耐腐蚀、高温和高压的石油钻杆的无源射频标签

技术领域

本实用新型涉及一种结构改进的石油钻杆的射频标签，确切地说，涉及一种耐腐蚀、高温和高压的石油钻杆的无源射频标签，该装置用于国内深井环境中的高温、高压和重度腐蚀性的情况下，不仅能够保持正常工作和完好无损，而且在石油钻杆提升起来后，仍然能够正常完成扫描识别任务。属于电子射频识别标签和石油钻探配套设备的技术领域。

背景技术

无线射频识别RFID(Radio Frequency IDentification)标签、又称射频标签或RFID读写器，是一种基于无线射频识别技术的电子标签，能够通过无线电射频讯号自动识别特定目标对象，并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标对象之间建立机械或光学的直接接触，也无须人工干预，还可识别高速运动物体，并且，可同时识别多个RFID标签，操作快捷方便、准确可靠。

目前，射频标签RFID已经应用于石油钻井开采中，且在钻井中应用最多的是利用RFID进行资产的管理与质量控制，还可以进行海上钻井平台的人员防护和进行井下工具的开关控制等应用。已经有多家石油公司、钻井承包商和设备供应商开始利用RFID标签追踪钻井设备质量的尝试。但是，现在这种射频标签无论在高温、耐压或抗腐蚀的性能上，都还存在有安全和设计上的缺陷。

现在，用于石油钻杆的RFID射频标签的材质大都是采用两种材质：聚邻苯二甲酰胺PPA(Polyphthalamide)和聚苯硫醚PPS(Polyphenylene sulfide)，这两种材质标签都只能使用于3000米以内的浅井；一旦进入大于6000米的深井，就会出现射频标签损坏、破裂或进水等现象，使其不能够正常使用。就算行业中认为最好材质的聚苯醚醚酮PEEK(Polyether Ether Ketone)射频标签，它在200℃高温时的弯曲强度能够达到24MPa左右，即使在250℃时，其弯曲强度和压缩强度仍有12～13MPa。但是，这种材质的射频标签仍然完全不能用于国内6000米以上的石油深井。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种耐腐蚀、高温和高压的石油钻杆的无源射频标签，该电子射频标签能够解决现在用于石油钻杆时的各种困境：既能够工作在不低于200℃高温的环境中，仍然保证其耐受的压力不低于70MPa，还具有良好的抗电磁和抗腐蚀特性，以使该射频标签在上述恶劣的工作环境中，不仅能够安装在石油钻杆上正常使用，还保证其标签识读的可靠性不低于90％，以及连续工作时间超过300天。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种耐腐蚀、高温和高压的深井石油钻杆的无源射频标签，其特征在于：所述装置的结构组成包括两个部件：完成射频的发射和接收、以供完成正确识读钻杆标识的标签芯片，以及固装并保护该标签芯片的外壳包装，防止其透水、浸泡、遭到腐蚀、高压和震动破坏的密封绝缘材料组成的外壳封装体；其中：

标签芯片，是专为石油钻杆定制的中空细圆柱管状零件，以微波材料为基础制成的射频处理器芯片藉由其两侧焊接导线连接两端天线并悬挂在管内，用于接收、反射与处理射频信号；所述天线是管状零件两端半球状外表面的银镀层，该管状零件外围整体表面都封装有高性能和耐高温的环氧树脂灌封胶，使其耐高温性能不低于1800℃；

外壳封装体，整体外形为圆柱体，设有：外表面为细螺纹的圆柱体外壳和后盖两个零件，采用耐腐蚀、高温和高压的合成材料分别注塑成型；该圆柱体外壳中间设有下凹的嵌入槽，该嵌入凹槽底部呈与地面平行的水平状、其两端设有用于定位固夹已完成包装的标签芯片的卡夹；标签芯片夹紧后，在嵌入槽内填充高性能和耐高温的环氧树脂灌封胶，将其固封为一体，并在胶层上覆盖石棉垫片；该圆柱体外壳在嵌入槽两侧设有四个定位小孔，以供后盖内侧的四个锁扣圆柱锁紧密闭定位后，再在外围灌装耐高温的环氧树脂灌封胶紧闭密封。

所述标签芯片内的射频处理器芯片规格是：工作频率：860～960MHz，符合协议：ISO18000-6C或EPC C1G2，防护等级：IP68，大小尺寸：10.2×3.5×3mm³，重量不大于：0.3g。

所述外壳封装体的合成材料是德国AIDIRI公司生产的A-500LT型号的塑料合金材料，该材料的性能特点是：耐高温、耐高压、耐酸碱和化学稳定性高，机械性能好，具有很高的机械强度和韧性，能够承受强烈冲击和震动；在石油钻杆深井钻探的长期接触强摩擦和高压液体和泥浆的冲刷工作场景中，能满足耐磨损的要求；且其综合性能优于聚苯醚醚酮PEEK(Polyether Ether Ketone)材料。

所述圆柱体外壳的另一顶端外表面呈外凸球形状，以便在石油钻杆高速旋转的钻井过程中，能够贴紧井壁和钻井液体，吸收接触摩擦力和减小震动对标签芯片的影响，在抗震和防腐蚀方面都达到好的功效。

所述圆柱体外壳的圆柱体外表面的细螺纹，用于与石油钻杆内孔的内螺纹配合螺固，使得该无源射频标签与钻杆紧固结合为一体，在钻杆的深井钻探过程中，能够承受井底超过100MPa的压力，并抵御和减少震动对射频标签的影响；该螺纹的螺距不大于0.1mm。

所述圆柱体外壳的球形外壳表面靠近边缘处设有两个工艺小孔，用于安装该射频标签时，配合专用工具快速转动该外壳封装体，使之固装于石油钻杆内孔。

所述石棉垫片的厚度为1.5mm。

本实用新型是一种耐腐蚀、高温和高压的石油钻杆的无源射频标签，它的最大创新优点是：对于经过井深达到或超过6000米的深井钻探(其工作环境处于高温、高压、强摩擦阻尼和高腐蚀的场景)的石油钻杆中的无源射频标签，在其被提升到达地面上后，仍然能够通过无线射频信号进行快速识读其中的各项数据，从而显著提高了石油钻探公司对于深井钻杆的经营与管理效益。

该装置的有益效果还包括：本实用新型整体结构简单、紧凑、合理，自重轻，可实现小型化要求，其外围表面材料性能非常稳定，能够耐高温、高压、强摩擦和高腐蚀，且安装便利；还具有优异的读写灵敏度和抗环境干扰性能，特别适合应用于特殊的地质环境。安装本实用新型无源射频标签的钻杆能够快速和准确的识别，提高了工作效率。而且当射频标签被正确读取后，钻杆或节点的相关数据就同时存储到数据库内。且在钻探过程中，也能实时追踪获取深井钻杆的转速、转矩、轴压力、井下压力和温度等多项性能参数。这些性能参数的数据也都被储存在后台服务器上。通过这些数据，石油钻探公司在重新使用钻杆前，就可以了解每个石油钻杆原来所处的工作环境，可以准确地计算投入产出的相关费用，减少钻杆浪费。因此，本实用新型的推广应用前景看好。

附图说明

图1是本实用新型耐腐蚀、高温和高压的深井石油钻杆的无源射频标签的结构组成立体示意图。

图2是无源射频标签中的标签芯片结构组成示意图。

图3(A)、(B)分别是无源射频标签中的圆柱体外壳和后盖两个零件的俯视图。

图4(A)、(B)分别是无源射频标签的主视剖视图和左视半剖图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、结构组成的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

为了解决在我国深井钻井中使用的石油钻杆上的射频标签遇到的问题，经过长时间的调研和现场测试，申请人对射频标签中的射频标签芯片和外壳封装的结构设计及其使用的材料、填充结构和安装工艺等多方面进行了改进。

下面参见各个附图，详细介绍本实用新型耐腐蚀、高温和高压的深井石油钻杆的无源射频标签的结构组成及其材料：

石油钻杆的无源射频标签的结构组成包括两个部件：

(1)标签芯片，用于完成射频的反射和接收、以供完成正确识读钻杆标识。

(2)外壳封装体，负责固装并保护该标签芯片的外壳包装，防止其透水、浸泡、遭到腐蚀、高压和震动破坏，其是采用密封绝缘材料组成的特殊结构。

参见图1～图3，先介绍标签芯片5的结构组成：它是专为石油钻杆定制的中空细圆柱管状零件，射频处理器芯片11是以微波材料为基础制成的，藉由其两侧焊接导线13连接两端天线12并悬挂在管内，用于接收、反射与处理射频信号。管状零件两端半球状外表面的银镀层是天线12，该管状零件5外围整体表面都封装有高性能和耐高温的环氧树脂灌封胶，使其耐高温性能超过1800℃。

标签芯片5内的射频处理器芯片11规格是：工作频率：860～960MHz，符合协议：ISO18000-6C或EPC C1G2，防护等级：IP68，大小尺寸：10.2×3.5×3mm³，重量不大于：0.3g。

由于在深井钻探过程中，随着井深的不断加大，相应的温度和压力都会明显升高和加大，还有井下岩石中富含多种金属元素也会形成多种干扰，油田井下液体富含高硫的软性水，对于钻杆和钻杆上的标签都会形成强烈的腐蚀性。

为此，本实用新型无源射频标签的外壳封装体1的材料就选择了优于聚苯醚醚酮PEEK(英文名称：Polyether Ether Ketone)的材料，以及分层构造的设计(参见图1和图3、图4)，介绍外壳封装体零件的结构组成：

整个外壳封装体的整体外形为圆柱体，设有两个零件：外表面为细螺纹的圆柱体外壳1和后盖8，都是采用耐腐蚀、高温和高压的合成材料分别注塑成型制造。其中：

圆柱体外壳1的中间设有下凹的嵌入槽3，该嵌入凹槽3底部呈与地面平行的水平状、其两端设有卡夹4，这样就可以直接用于定位固夹已完成包装的标签芯片5，将其夹固在图3中的两端芯片卡夹4之间。夹紧标签芯片5以后，还在嵌入槽3内填充高性能和耐高温的环氧树脂灌封胶(图中未示)，将其固封为一体，并在胶层上覆盖石棉垫片(石棉垫片的厚度为1.5mm)。该圆柱体外壳1在嵌入槽3两侧设有四个定位小孔9，以供后盖8内侧的四个锁扣圆柱9A锁紧密闭定位后，再在外围灌装耐高温的环氧树脂灌封胶紧闭密封。

本实用新型在安装工艺上也做了考虑和改进，主要有下述两处：

圆柱体外壳1的圆柱体外表面设有细螺纹6，用于与石油钻杆内孔的内螺纹配合螺固，使得该无源射频标签能够与深井钻杆紧固结合为一体，而不是采用直接嵌入或卡扣等方式固定。这样，在深井钻杆的钻探过程中，能够承受井底超过100MPa的压力，并抵御和减少震动对射频标签5的影响。该螺纹6的螺距不大于0.1mm。

圆柱体外壳1的另一顶端2的外表面呈外凸球形状，以便在石油钻杆高速旋转的钻井过程中，该球形端面对外时，能够贴紧井壁和钻井液体，吸收接触摩擦力和减小震动对标签芯片的影响，在抗震和防腐蚀方面都达到好的功效。

另外，圆柱体外壳1的球形外壳表面2靠近边缘处设有两个工艺小孔10，用于安装该射频标签时，配合专用工具快速转动该外壳封装体，使之固装于石油钻杆内孔。

外壳封装体1的合成材料是德国AIDIRI公司生产的A-500LT型号的塑料合金材料，该材料的性能特点是：耐高温、耐高压、耐酸碱和化学稳定性高，机械性能好，具有很高的机械强度和均衡的韧性，能够承受强烈冲击和震动；在石油钻杆深井钻探的长期接触强摩擦和高压液体和泥浆的冲刷工作场景中，能满足耐磨损的要求；且其综合性能优于聚苯醚醚酮PEEK(Polyether EtherKetone)材料。

本实用新型已经采用德国A-500LT材料试验制成多个射频标签样品，并进行了多重测试试验，具体的测试项目及结果包括：

(1)工作中产生强烈冲击和震动：检测材料是否具有足够的机械强度与韧性，能够耐受冲击，标签壳体没有开裂。

(2)处于泥浆高压环境：材料具有足够的强度和刚度，标签外壳封装体和后盖没有变形。

(3)工作环境有酸/碱化学介质：材料本身具有稳定的耐化学腐蚀性。

(4)高压泥浆冲刷磨损：材料具有耐磨损能力。

(5)高温的工作环境：材料能够适应长期在不低于200℃温度下工作。

(6)壳体封装的密封性：高温高压环境下，标签外壳封装体能满足200℃高温和耐受达70MPa的压力的性能，能够正常识读。

另外，还对使用该射频标签的石油钻杆在钻井与库房管理中，保障能够工作于下述条件进行了实施试验：长期持续工作在温度参数(T)：从-50℃到250℃，最大达到260℃的情况。能够承担的最大抗压参数(P)：从41MPa到125MPa，最大140MPa。标签最大的滑动速度参数(V)：40m/min。抗拉伸完全强度参数(S)：70MPa。

本实用新型射频标签样品的上述多项仿真实施试验的实验结果是成功的，实现了发明目的。

Claims (7)

1.一种耐腐蚀、高温和高压的深井石油钻杆的无源射频标签，其特征在于：所述装置的结构组成包括两个部件：完成射频的发射和接收、以供完成正确识读钻杆标识的标签芯片，以及固装并保护该标签芯片的外壳包装，防止其透水、浸泡、遭到腐蚀、高压和震动破坏的密封绝缘材料组成的外壳封装体；其中：

标签芯片，是专为石油钻杆定制的中空细圆柱管状零件，以微波材料为基础制成的射频处理器芯片藉由其两侧焊接导线连接两端天线并悬挂在管内，用于接收、反射与处理射频信号；所述天线是管状零件两端半球状外表面的银镀层，该管状零件外围整体表面都封装有高性能和耐高温的环氧树脂灌封胶，使其耐高温性能不低于1800℃；

外壳封装体，整体外形为圆柱体，设有：外表面为细螺纹的圆柱体外壳和后盖两个零件，采用耐腐蚀、高温和高压的合成材料分别注塑成型；该圆柱体外壳中间设有下凹的嵌入槽，该嵌入凹槽底部呈与地面平行的水平状、其两端设有用于定位固夹已完成包装的标签芯片的卡夹；标签芯片夹紧后，在嵌入槽内填充高性能和耐高温的环氧树脂灌封胶，将其固封为一体，并在胶层上覆盖石棉垫片；该圆柱体外壳在嵌入槽两侧设有四个定位小孔，以供后盖内侧的四个锁扣圆柱锁紧密闭定位后，再在外围灌装耐高温的环氧树脂灌封胶紧闭密封。

2.根据权利要求1所述的无源射频标签，其特征在于：所述标签芯片内的射频处理器芯片规格是：工作频率：860～960MHz，符合协议：ISO18000-6C或EPC C1G2，防护等级：IP68，大小尺寸：10.2×3.5×3mm³，重量不大于：0.3g。

3.根据权利要求1所述的无源射频标签，其特征在于：所述外壳封装体的合成材料是德国AIDIRI公司生产的A-500LT型号的塑料合金材料，该材料的性能特点是：耐高温、耐高压、耐酸碱和化学稳定性高，机械性能好，具有很高的机械强度和韧性，能够承受强烈冲击和震动；在石油钻杆深井钻探的长期接触强摩擦和高压液体和泥浆的冲刷工作场景中，能满足耐磨损的要求；且其综合性能优于聚苯醚醚酮PEEK(Polyether Ether Ketone)材料。

4.根据权利要求1所述的无源射频标签，其特征在于：所述圆柱体外壳的另一顶端外表面呈外凸球形状，以便在石油钻杆高速旋转的钻井过程中，能够贴紧井壁和钻井液体，吸收接触摩擦力和减小震动对标签芯片的影响，在抗震和防腐蚀方面都达到好的功效。

5.根据权利要求4所述的无源射频标签，其特征在于：所述圆柱体外壳的圆柱体外表面的细螺纹，用于与石油钻杆内孔的内螺纹配合螺固，使得该无源射频标签与钻杆紧固结合为一体，在钻杆的深井钻探过程中，能够承受井底超过100Pa的压力，并抵御和减少震动对射频标签的影响；该螺纹的螺距不大于0.1mm。

6.根据权利要求4所述的无源射频标签，其特征在于：所述圆柱体外壳的球形外壳表面靠近边缘处设有两个工艺小孔，用于安装该射频标签时，配合专用工具快速转动该外壳封装体，使之固装于石油钻杆内孔。

7.根据权利要求1所述的无源射频标签，其特征在于：所述石棉垫片的厚度为1.5mm。