一種用于井下鉆桿防噴器解封的無線控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于能源開采裝備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于井下鉆桿防噴器解 封的無線控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在石油勘探和油田開發(fā)的過程中，鉆井起著舉足輕重的作用，鉆井是勘探與開采 石油及天然氣資源的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是勘探和開發(fā)石油的重要手段。在鉆井過程中，當(dāng)遇到 油氣層時(shí)，如果井底壓力低于地層壓力，地層流體就會(huì)進(jìn)入井眼，產(chǎn)生井涌、井噴、甚至著火 等，釀成重大事故。因此，在鉆井過程中，采取有效措施進(jìn)行油氣井壓力控制是保證安全鉆 井的一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。
[0003] 石油鉆井井控通常采用井口環(huán)形防噴器，這種方式通過監(jiān)測(cè)井口的壓力信息來判 斷井下是否井涌，然后進(jìn)行坐封，由于無法預(yù)知井下壓力狀況，因此解封存在準(zhǔn)確度不高、 判斷嚴(yán)重滯后等缺點(diǎn)。采用環(huán)形防噴器是發(fā)展方向，其中在地面獲取井下壓力，并將解封等 控制指令傳于井下是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的方法包括井口線纜投遞儀器、泥漿脈沖、電磁波通信、聲 波傳遞，將井下壓力傳感數(shù)據(jù)回傳到地面，判斷井底壓力和地層壓力平衡后，傳遞解封指令 到井下，實(shí)現(xiàn)環(huán)形防噴器解封。專利號(hào)為US 3941190的美國(guó)專利公開了一種井口線纜投遞 儀器觸發(fā)的環(huán)形防噴器，但實(shí)際應(yīng)用過程中，由于出現(xiàn)井噴時(shí)，井下壓力大，投入儀器無法 到達(dá)井下。專利號(hào)為CN 202645506 U的中國(guó)專利公開了一種使用泥漿脈沖傳遞解封指令的 環(huán)形防噴器，但泥漿脈沖通訊方式成本高，信號(hào)傳輸速度慢，容易產(chǎn)生錯(cuò)碼，也存在一定程 度的信號(hào)傳輸延遲。專利號(hào)為CN 102226377 B的中國(guó)專利公開一種利用電磁波傳遞解封信 號(hào)的環(huán)形防噴器，電磁波通訊傳播速度快，數(shù)據(jù)輸送率高，但采用大地作為傳輸介質(zhì)時(shí)候衰 減嚴(yán)重，且容易受地層中鐵質(zhì)含量的影響，僅適合短距離數(shù)據(jù)傳輸。專利號(hào)為US 4367794的 美國(guó)專利公開了一種聲控環(huán)形防噴器，聲波發(fā)射功率低，需要鉆柱每隔一定距離安裝中繼， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且聲波易受到井下異常信號(hào)干擾，可靠性不高。
[0004] RFID(Radio Frequency Identification，無線射頻識(shí)別）是一種通過無線電訊號(hào) 識(shí)別目標(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。一般的RFID系統(tǒng)包括RFID標(biāo)簽球和讀寫器。目前RFID已被應(yīng)用 于井下儀器的控制，如美國(guó)專利US 7063148,中國(guó)專利201110278843公開了一種通過RFID 標(biāo)簽球來控制井下閥門的裝置，其中RFID系統(tǒng)與閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過導(dǎo)線互聯(lián)，不過均 未涉及標(biāo)簽在向井下運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)讀寫方向性問題，金屬管道對(duì)RFID通信磁場(chǎng)的渦流影響問 題。將RFID應(yīng)用于井下幾千米的環(huán)形防噴器的解封，信號(hào)無衰減，穩(wěn)定可靠，且作業(yè)成本低。 由于環(huán)形防噴器需要將井下壓力數(shù)據(jù)回傳，則必須有標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提 供標(biāo)簽由地面到井下再到地面的循環(huán)回路，此外還有膠筒閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提供解封，因此 RFID系統(tǒng)與兩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的短距離通信互聯(lián)成為難題，傳統(tǒng)的導(dǎo)線互聯(lián)，需要在機(jī)械結(jié)構(gòu)上 開長(zhǎng)槽，以及高壓密封，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于井下鉆桿防噴器解 封的無線控制系統(tǒng)，將RFID和電磁感應(yīng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，RFID實(shí)現(xiàn)解封指令由地面到幾千米井 下，壓力數(shù)據(jù)由幾千米井下到地面的遠(yuǎn)距離傳輸，電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)與井下控制驅(qū)動(dòng) 模塊通信互聯(lián)的短距離傳輸，并解決標(biāo)簽在向井下運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)讀寫方向性問題以及金屬管 道對(duì)RFID通信磁場(chǎng)的渦流影響問題。相比現(xiàn)有通信技術(shù)，可靠性高，成本低，可以實(shí)現(xiàn)普及 推廣。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種用于井下鉆桿防噴器解封的無線控制 系統(tǒng)，其特征在于，包括鉆桿、RFID數(shù)據(jù)傳輸模塊、標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥、井下控制驅(qū)動(dòng)模塊、 環(huán)形防噴器和電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊，其中，
[0007] 所述套管其由多根鉆桿相互連接而成，每根鉆桿均包括公接頭和母接頭，相鄰兩 根鉆桿中，其中一根鉆桿的公接頭和另一根鉆桿的母接頭連接，從而使所有的鉆桿固定連 接在一起；
[0008] 所述RFID數(shù)據(jù)傳輸模塊包括RFID標(biāo)簽球、井下讀寫器天線和井下RFID控制器，所 述RFID標(biāo)簽球用于隨套管內(nèi)的泥漿運(yùn)動(dòng)，所述井下讀寫器天線安裝在所述套管的內(nèi)壁上， 其豎直設(shè)置且與所述套管的內(nèi)壁存在間距，其包括中空的天線骨架及纏繞在天線骨架上的 螺線管天線，所述螺線管天線與所述井下RFID控制器連接，所述井下RFID控制器用于對(duì)運(yùn) 動(dòng)到天線骨架內(nèi)腔的RFID標(biāo)簽球進(jìn)行讀寫操作，以向RFID標(biāo)簽球?qū)懭刖聣毫?shù)據(jù)，以實(shí) 現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)由數(shù)千米井下到地面的遠(yuǎn)距離傳輸，或讀取RFID標(biāo)簽球的信息，以發(fā)送指令給 所述井下控制驅(qū)動(dòng)模塊，以實(shí)現(xiàn)控制指令由地面到數(shù)千米井下，控制所述環(huán)形防噴器解封；
[0009] 所述井下控制驅(qū)動(dòng)模塊包括標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥、控制閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、膠筒閥電 機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、膠筒閥和井下壓力數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，所述標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥安裝在所述套 管的側(cè)壁上，控制閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于開啟和關(guān)閉標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥，所述標(biāo)簽球流動(dòng)控 制閥開啟時(shí)，以實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽球隨井下泥漿循環(huán)，將壓力數(shù)據(jù)帶回地面;所述標(biāo)簽球流動(dòng)控 制閥關(guān)閉時(shí)，通過膠筒閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊開啟膠筒閥，以實(shí)現(xiàn)防噴器解封。井下壓力數(shù)據(jù)采集 控制系統(tǒng)用于采集井下壓力并傳送給井下RFID控制器，以使井下RFID控制器將井下壓力數(shù) 據(jù)寫入RFID標(biāo)簽球；
[0010] 所述電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊用于將所述井下RFID控制器信息傳送給井下控制驅(qū) 動(dòng)模塊，其包括多組電磁感應(yīng)短節(jié)，并且每組電磁感應(yīng)短節(jié)均包括兩個(gè)電磁感應(yīng)線圈，其中 一個(gè)電磁感應(yīng)線圈套接在一鉆桿的公接頭上，另一電磁感應(yīng)線圈套接在與該公接頭連接的 母接頭上，同一鉆桿上的兩個(gè)電磁感應(yīng)線圈通過感應(yīng)渦流互聯(lián)，每組電磁感應(yīng)短節(jié)的兩個(gè) 電磁感應(yīng)線圈通過電磁感應(yīng)互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由所述RFID系統(tǒng)和所述井下控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 的短距離無線傳輸。
[0011]優(yōu)選地，所述公接頭與母接頭螺紋連接，并且在所述公接頭和母接頭上分別設(shè)置 有環(huán)形槽，所述電磁感應(yīng)線圈繞制在鐵氧體環(huán)上，并且鐵氧體環(huán)分別嵌入在公接頭和母接 頭的環(huán)形槽處，以保證電磁感應(yīng)線圈的耦合效率。
[0012]優(yōu)選地，所述RFID標(biāo)簽球包括內(nèi)封標(biāo)簽，所述內(nèi)封標(biāo)簽包括三個(gè)并聯(lián)在一起的天 線結(jié)構(gòu)，每個(gè)天線結(jié)構(gòu)均包括線圈天線、諧振電容和整流橋，三個(gè)所述線圈天線分別與XY平 面平行、與XZ平面平行和與YZ平面平行，三個(gè)所述線圈天線的信號(hào)諧振后通過整流橋整形， 對(duì)三個(gè)所述線圈天線的整形信號(hào)并聯(lián)，輸出最大信號(hào)，從而避免泥漿使標(biāo)簽球滾動(dòng)產(chǎn)生讀 寫方向性問題，其中XY平面、XZ平面和YZ平面由構(gòu)成笛卡爾坐標(biāo)的X軸、Y軸和Z軸形成。
[0013] 優(yōu)選地，所述井下讀寫器天線與套管的間距與所述天線骨架的內(nèi)徑相等，以用于 削弱套管對(duì)所述螺線管天線磁場(chǎng)的渦流影響。
[0014] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0015] 1)本發(fā)明將RFID和電磁感應(yīng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，RFID數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)解封指令由地面 到數(shù)千米井下，壓力數(shù)據(jù)由數(shù)千米井下到地面的遠(yuǎn)距離傳輸，電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn) RFID系統(tǒng)與井下控制驅(qū)動(dòng)模塊通信互聯(lián)的短距離傳輸；
[0016] 2)采用XYZ三維全向性天線標(biāo)簽解決標(biāo)簽在向井下運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)讀寫方向性問題， 增大井下讀寫器天線與金屬管道間距解決其對(duì)RFID通信磁場(chǎng)的渦流影響問題。相比現(xiàn)有通 信技術(shù)，可靠性高，成本低，可以實(shí)現(xiàn)普及推廣。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明放置在巖層中的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明的工作流程圖；
[0019]圖3是本發(fā)明中標(biāo)簽天線線圈結(jié)構(gòu)與XYZ三維全向性天線示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明中標(biāo)簽XYZ三維全向性天線信號(hào)處理電路示意圖；
[0021 ]圖5是本發(fā)明中井下電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊通信示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0023]參照?qǐng)D1~圖5,一種用于井下鉆桿防噴器解封的無線控制裝置，包括套管1、RFID 數(shù)據(jù)傳輸模塊2、標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥3、井下控制驅(qū)動(dòng)模塊4、環(huán)形防噴器5和電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)傳 輸模塊6,其中，
[0024]所述套管1豎直設(shè)置，其由多根鉆桿11相互連接而成，每根鉆桿11均包括公接頭 111和母接頭112，相鄰兩根鉆桿11中，其中一根鉆桿11的公接頭111和另一根鉆桿11的母接 頭112連接，從而使所有的鉆桿11固定連接在一起，套管1與巖層之間存在出油間隙10;鉆桿 11采用金屬制成；
[0025] 所述RFID數(shù)據(jù)傳輸模塊2包括RFID標(biāo)簽球21、井下讀寫器天線22和井下RFID控制 器23,所述RFID標(biāo)簽球21用于隨套管1內(nèi)的水流9運(yùn)動(dòng)，所述井下讀寫器天線22安裝在所述 套管1的內(nèi)壁上，其豎直設(shè)置且與所述套管1的內(nèi)壁存在間距，其包括中空的天線骨架221及 纏繞在天線骨架221上的螺線管天線222,所述螺線管天線222與所述井下RFID控制器23連 接，所述井下RFID控制器23用于對(duì)運(yùn)動(dòng)到天線骨架221內(nèi)腔的RFID標(biāo)簽球21進(jìn)行讀寫操作， 以向RFID標(biāo)簽球21寫入井下壓力數(shù)據(jù)，或讀取RFID標(biāo)簽球的信息，以發(fā)送指令給所述井下 控制驅(qū)動(dòng)模塊4來控制所述環(huán)形防噴器5解封；
[0026]所述井下控制驅(qū)動(dòng)模塊4包括標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥3、控制閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊401、膠筒 閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊402、膠筒閥403和井下壓力數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，所述標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥3安 裝在所述套管1的側(cè)壁上，控制閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊401用于開啟和關(guān)閉標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥3,以 實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽球21隨井下泥漿循環(huán)，將壓力數(shù)據(jù)帶回地面;關(guān)閉標(biāo)簽球流動(dòng)控制閥3,通過 膠筒閥電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊402開啟膠筒閥，以實(shí)現(xiàn)防噴器5解封，井下壓力數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)用 于采集井下壓力并傳送給井下RFID控制器23,以使井下RFID控制器將井下壓力數(shù)據(jù)寫入 RFID標(biāo)簽球21;
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