專利名稱：一種用于井下通訊的數據傳輸裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于石油化工領域，具體涉及一種用于井下通訊的數據傳輸裝置及方法，用于井下特殊工況下進行通訊的數據傳輸。
背景技術：
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石油鉆井底部閥門等對象的控制一直是石油鉆探中的一項技術難題。傳統(tǒng)的方法包括投擲金屬球、控制液壓壓力和脈沖等機械觸發(fā)方式，以及鋪設電纜以及聲納等來觸發(fā)PLC實現動作，從而實現對閥門對象的操控?，F有技術中，專利號為200410061228的專利公開了一種用壓力波調控分層注水的方法，其是根據注水井需要配水的層段數量，在一組能接收地面壓力信號的壓控配水器上設定所在位置及動作的壓力編碼信號，設置接收和執(zhí)行這些信號的程序，將裝有具備上述設置的壓控配水器的注水管下入注水井中，并使其上各配水器位于相應層段；以地面高壓泵上次的高壓水作為壓力源，通過操作壓力源和井口裝置上的閥門，對需要調整水量的層段上的壓控配水器發(fā)出與其動作相對應的壓力編碼信號，使之產生過水面積的變化。該閥門用地面遙控的方式，大為降低了以投撈作業(yè)的方式進行分層配水的難度，簡化了作業(yè)設備和工人，成功率高，效果可靠。上述專利在井口采用高壓泵作為壓力源，從而達到調整水量層段上的壓控配水器發(fā)出與其動作相應的壓力編碼信號，此方法需要采用高壓泵設備，成本較高，且為手動操控，產生脈沖的時間精度低，而且操作耗時，其主要缺點如下(I)當地層吸水嚴重時，采用高壓泵很難產生明顯壓差，對產生壓力波的效果有較大的影響；(2)當高壓泵完成一個周期的壓力脈沖后需要停泵后再次啟動高壓泵，該操作能耗較大且耗時長；(3)使用高壓泵增壓的穩(wěn)定性不夠，且成本較高。由于油井一般很深，且管徑很小，直接機械觸發(fā)的方式很難實現。采取向井內投遞球狀物或棒狀物，當物體在水中滑落經過PLC時，觸發(fā)開關并傳遞必要信息。然而，由于水下惡劣的環(huán)境，采用光電檢測和其它限位開關的方式難以實現，并且無法對PLC傳遞信息和指令。采用有線線纜方式，由于井內的惡劣工作環(huán)境(溫度最高125度，最低十幾度；壓力60MPa ;腐蝕性飽和鹽水)，不僅長距離電纜傳輸成本很高,而且耐久性和工作的可靠性較難得到保證。總而言之，不管是采用上述哪種方法，在高溫高壓腐蝕等惡劣環(huán)境下，都存在價格昂貴、易腐蝕、控制不靈活等缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供一種用于井下通訊的數據傳輸裝置和方法，采用RFID (Radio Frequency Identif ication,無線射頻識別)技術來實現對井下注水閥門的控制和數據傳輸，本發(fā)明主要為完成對深達4km的管狀水井內多個PLC裝置的數據傳輸，即管狀水井內部PLC的信號傳輸。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的一種用于井下通訊的數據傳輸裝置，包括井下數據交換系統(tǒng)和地面數據交換系統(tǒng)；井下數據交換系統(tǒng)與地面數據交換系統(tǒng)進行數據通訊，并將數據傳遞給油井閥門控制系統(tǒng)，油井閥門控制系統(tǒng)再·基于接收到的數據對智能配水器的注水閥門進行控制；所述井下數據交換系統(tǒng)包括電子標簽、磁控開關裝置、RFID讀寫器和電池組；所述電池組給油井閥門控制系統(tǒng)及RFID讀寫器提供能量，RFID讀寫器與電子標簽進行雙向無線數據通訊，并給電子標簽提供能量；電子標簽與地面數據交換系統(tǒng)進行數據交換；磁控開關裝置用于激活RFID讀寫器；RFID讀寫器和油井閥門控制系統(tǒng)預埋在油井下，兩者之間進行雙向的控制與數據通訊，RFID讀寫器向油井閥門控制系統(tǒng)發(fā)出指令，油井閥門控制系統(tǒng)根據指令對被控對象進行控制。所述電子標簽采用RFID無源電子標簽。每個RFID無源電子標簽具有唯一的編號。所述RFID無源電子標簽為柱狀結構，其外殼采用陶瓷外殼，并用高溫密封膠密封。所述RFID讀寫器對井下傳感器采集的數據進行本地存儲。RFID讀寫器采用低頻RFID讀寫器。所述RFID讀寫器包括PLC控制器和射頻接口，其中PLC控制器包括微控制器、接口驅動和存儲單元，射頻接口包括發(fā)射器、接收器、時鐘和電壓調節(jié)器。所述電池組支持多組備用電池的自動切換。一種利用上述裝置進行井下通訊的數據傳輸方法，所述方法包括以下步驟(I)正常工況下RFID讀寫器處于休眠狀態(tài)以節(jié)約電能；(2)判斷是否需要控制注水閥門，如果是，則轉入步驟(3)，如果否，則返回步驟(2)；(3)投放金屬球，觸發(fā)磁控開關裝置，進而激活RFID讀寫器，此時RFID讀寫器處于正常工作狀態(tài)；(4)投放含控制數據的RFID無源電子標簽；(5)判斷RFID讀寫器是否檢測到有RFID無源電子標簽通過，如果檢測到標簽，則轉入步驟(6)，如果沒有檢測到標簽，則返回步驟(4)(6)RFID讀寫器與標簽實現雙向的數據交換，校驗數據的有效性，如果數據是有效的，則轉入步驟(7)，如果數據是無效的，則返回步驟(5)(7)根據指令實現與井下控制器的數據通訊，然后通過驅動機構實現規(guī)定的控制動作，最后通過RFID無源電子標簽告知RFID讀寫器延時后進入休眠狀態(tài)。所述RFID無源電子標簽采用RTF模式；所述RFID讀寫器采用RTF或TTF模式，其根據RFID無源電子標簽傳遞的指令在兩種模式間進行轉換。與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是(I)本發(fā)明是基于RFID技術，能大量節(jié)省線纜投資，大幅提高可靠性采用投擲RFID無源電子標簽觸發(fā)讀寫器方式，實現對注水閥門的控制和數據傳輸，節(jié)省了傳統(tǒng)方式所必需的大量通信/控制線纜，同時由于采用非接觸式射頻傳輸技術，大幅提高了在油井特殊工況下的工作可靠性；(2)具備節(jié)能模式，保證長期連續(xù)工作為了節(jié)約電能，RFID讀寫器正常工況下處于休眠狀態(tài)，通過RFID讀寫器上游(即發(fā)射器)安置磁控開關裝置，用于激活讀寫器；(3)采用多重安全措施確保不會出現誤動作每個標簽有唯一的編號，一個注水閥只能有一個標簽起作用，當讀寫器讀到信號后，要“無效”其它同時投入標簽的后續(xù)觸發(fā)行為；標簽投入后，只限于此次被讀取，當它在管內游走時，既不會被其它注水閥門誤讀，也不會被同一注水閥門再次讀取；(4)特制標簽，滿足油井特殊工況觸發(fā)標簽經過定制和封裝，能夠承受井下惡劣的工作環(huán)境(腐蝕、溫度和壓力)，并通過定制開發(fā)的井上RFID數據交換平臺來實現控制數據的在線、可重復數據讀寫過程；
(5)支持歷史數據本地存儲和后分析功能井下嵌入式讀寫器(即RFID讀寫器)具有本地存儲功能，井下傳感器采集的數據可以進行本地存儲，等讀寫器回收后可通過無線射頻通訊功能實現與井上RFID數據交換平臺進行數據交換，方便簡單；(6)支持多組備用電池自動切換，保證可靠電力供應。


圖I是本發(fā)明一種用于井下通訊的數據傳輸裝置的結構框圖。圖2是本發(fā)明一種用于井下通訊的數據傳輸方法的步驟框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述如圖I所示，一種用于井下通訊的數據傳輸裝置，包括井下數據交換系統(tǒng)和地面數據交換系統(tǒng)；井下數據交換系統(tǒng)與地面數據交換系統(tǒng)進行數據通訊，并將數據傳遞給油井閥門控制系統(tǒng)，油井閥門控制系統(tǒng)再基于接收到的數據對智能配水器的注水閥門(即圖I中的被控對象)進行控制；所述井下數據交換系統(tǒng)包括電子標簽、磁控開關裝置、RFID讀寫器和電池組；所述電池組給油井閥門控制系統(tǒng)及RFID讀寫器提供能量，RFID讀寫器與電子標簽進行雙向無線數據通訊，并給電子標簽提供能量；電子標簽與地面數據交換系統(tǒng)進行數據交換；磁控開關裝置用于激活RFID讀寫器；RFID讀寫器和油井閥門控制系統(tǒng)預埋在油井下，兩者之間進行雙向的控制與數據通訊，RFID讀寫器向油井閥門控制系統(tǒng)發(fā)出指令，油井閥門控制系統(tǒng)根據指令對被控對象進行控制。所述電子標簽采用RFID無源電子標簽。每個RFID無源電子標簽具有唯一的編號。所述RFID無源電子標簽為柱狀結構，其外殼采用陶瓷外殼，并用高溫密封膠密封。
所述RFID讀寫器對井下傳感器采集的數據進行本地存儲。RFID讀寫器采用低頻RFID讀寫器。如圖I中的粗線框所示，所述RFID讀寫器包括PLC控制器和射頻接口，其中PLC控制器包括微控制器、接口驅動和存儲單元，射頻接口包括發(fā)射器、接收器、時鐘和電壓調節(jié)器本裝置既可以控制油井內閥門的通斷、也可以對閥門進行局部調節(jié)，可用于油田集中生產以及油井的鉆井過程，如果在油井內部加上傳感器，還可以通過對RFID無源電子標簽的寫操作來獲取油井內部的溫度、壓力、流量等信息，保證最大的采油率。本裝置的工作過程為FRID讀寫器開始處于休眠狀態(tài)，當需要控制注水閥門時，投擲金屬球產生中斷進而喚醒井下數據交換系統(tǒng)，系統(tǒng)開始工作，讀寫器等待電子標簽進入天線范圍，然后讀取電子標簽的閥門控制數據，為保證閥門控制數據正確性，在地面數據交換系統(tǒng)向標簽寫入閥門控制數據時加入8位CRC校驗碼，這樣井下RFID讀寫器讀取到閥 門控制數據時需要進行CRC校驗，如果正確則將閥門控制數據存入兩系統(tǒng)(即井下數據交換系統(tǒng)和閥門控制系統(tǒng)，兩者是進行有線通訊)公用的EEPR0M。兩系統(tǒng)的主控單片機通過公用EEPROM實現數據傳遞，并通過兩個普通的I/O實現雙機(即井下數據交換系統(tǒng)和閥門控制系統(tǒng))通訊協(xié)作的邏輯控制。IS0/IEC11784/5 標準具有兩種通訊模式，即 TTF 模式(Transponder TalksFirstModest)和RTF模式(Reader Talks First Modes),兩種模式可轉換。TTF模式與RTF模式相比，TTF模式的射頻標簽具有識別速度快等特點，適用于需要高速應用的場合。另外，它在噪聲環(huán)境中更穩(wěn)健，在處理標簽數量動態(tài)變化的場合也更為實用，但是采用TTF通訊模式的電子標簽是只能發(fā)數據給RFID讀寫器，而不能接收RFID讀寫器發(fā)給它的數據，即該標簽只能讀取數據而不能實現寫數據功能。本發(fā)明中，投遞到井下的電子標簽運動速度較快，在天線磁場區(qū)域停留的時間很短，同時不需要向投遞到井下的標簽寫數據，這很好的符合了 TTF模式的工作特點。然而，在數據回收階段，井下RFID讀寫器需要向電子標簽寫傳感器采集的數據，必須采用RTF模式。鑒于上述情況，對于井下的RFID讀寫器，在用于控制目的時，采用TTF通訊模式，以適應運動標簽攜帶的控制數據的讀取，當用于數據回收目的時，通過運動標簽傳遞特定的控制指令，井下數據交換系統(tǒng)自動將井下RFID讀寫器調整為RTF通訊模式。地面數據交換系統(tǒng)由于需要向電子標簽寫控制數據和從標簽中讀取井下傳感器采集的數據，因此，地面數據交換系統(tǒng)中的RFID無源電子標簽采用RTF通訊模式，也就是說電子標簽采用RTF模式，但是讀寫器采用兩種模式，由電子標簽的指令對兩種模式進行轉換。如圖2所示，本發(fā)明方法的步驟如下(I)正常工況下RFID讀寫器處于休眠狀態(tài)以節(jié)約電能；(2)判斷是否需要控制注水閥門，如果是，則轉入步驟(3)，如果否，則返回步驟
(2)；(3)投放金屬球，觸發(fā)磁控開關裝置裝置，進而激活RFID讀寫器，此時RFID讀寫器處于正常工作狀態(tài)；(4)投放含控制數據的RFID無源電子標簽；(5)判斷RFID讀寫器是否檢測到有RFID無源電子標簽通過，如果檢測到標簽，則轉入步驟(6)，如果沒有檢測到標簽，則返回步驟(4)(6)RFID讀寫器與標簽實現雙向的數據交換，校驗數據的有效性，如果數據是有效的，則轉入步驟(7)，如果數據是無效的，則返回步驟(5)(7)根據指令實現與井下控制器的數據通訊，然后通過驅動機構實現規(guī)定的控制動作，最后通過RFID無源電子標簽告知RFID讀寫器延時后進入休眠狀態(tài)。本發(fā)明采用RFID技術來實現PLC控制器的觸發(fā)和信息傳遞。在油井下預埋RFID讀寫器并與閥門控制系統(tǒng)中的PLC實現雙向的控制與數據通訊，需要閥門控制系統(tǒng)中的PLC執(zhí)行動作時，從井口投放含操作指令的RFID無源電子標簽，當RFID無源電子標簽經過RFID讀寫器時，RFID讀寫器讀取操作指令，并傳遞給PLC執(zhí)行相應操作，操控井下智能配水器。在降低勞動成本的同時，提高了精度和可靠性。上述技術方案只是本發(fā)明的一種實施方式，對于本領域內的技術人員而言，在本發(fā)明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本·發(fā)明上述具體實施方式
所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。
權利要求
1.一種用于井下通訊的數據傳輸裝置，包括井下數據交換系統(tǒng)和地面數據交換系統(tǒng)；井下數據交換系統(tǒng)與地面數據交換系統(tǒng)進行數據通訊，并將數據傳遞給油井閥門控制系統(tǒng)，油井閥門控制系統(tǒng)再基于接收到的數據對智能配水器的注水閥門進行控制，其特征在于: 所述井下數據交換系統(tǒng)包括電子標簽、磁控開關裝置、RFID讀寫器和電池組； 所述電池組給油井閥門控制系統(tǒng)及RFID讀寫器提供能量，RFID讀寫器與電子標簽進行雙向無線數據通訊，并給電子標簽提供能量；電子標簽與地面數據交換系統(tǒng)進行數據交換； 磁控開關裝置用于激活RFID讀寫器； RFID讀寫器和油井閥門控制系統(tǒng)預埋在油井下，兩者之間進行雙向的控制與數據通訊，RFID讀寫器向油井閥門控制系統(tǒng)發(fā)出指令，油井閥門控制系統(tǒng)根據指令對被控對象進行控制。
2.根據權利要求I所述的用于井下通訊的數據傳輸裝置，其特征在于所述電子標簽采用RFID無源電子標簽。
3.根據權利要求2所述的用于井下通訊的數據傳輸裝置，其特征在于每個RFID無源電子標簽具有唯一的編號。
4.根據權利要求2或3所述的用于井下通訊的數據傳輸裝置，其特征在于所述RFID無源電子標簽為柱狀結構，其外殼采用陶瓷外殼，并用高溫密封膠密封。
5.根據權利要求I所述的用于井下通訊的數據傳輸裝置，其特征在于所述RFID讀寫器對井下傳感器采集的數據進行本地存儲。
6.根據權利要求I或5所述的用于井下通訊的數據傳輸裝置，其特征在于RFID讀寫器采用低頻RFID讀寫器。
7.根據權利要求6所述的用于井下通訊的數據傳輸裝置，其特征在于所述RFID讀寫器包括PLC控制器和射頻接口，其中PLC控制器包括微控制器、接口驅動和存儲單元，射頻接口包括發(fā)射器、接收器、時鐘和電壓調節(jié)器。
8.根據權利要求I所述的用于井下通訊的數據傳輸裝置，其特征在于所述電池組支持多組備用電池的自動切換。
9.一種利用權利要求2所述的裝置進行井下通訊的數據傳輸方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 (1)正常工況下RFID讀寫器處于休眠狀態(tài)以節(jié)約電能； (2)判斷是否需要控制注水閥門，如果是，則轉入步驟(3)，如果否，則返回步驟(2); (3)投放金屬球，觸發(fā)磁控開關裝置，進而激活RFID讀寫器，此時RFID讀寫器處于正常工作狀態(tài)； (4)投放含控制數據的RFID無源電子標簽； (5)判斷RFID讀寫器是否檢測到有RFID無源電子標簽通過，如果檢測到標簽，則轉入步驟(6)，如果沒有檢測到標簽，則返回步驟(4) (6)RFID讀寫器與標簽實現雙向的數據交換，校驗數據的有效性，如果數據是有效的，則轉入步驟(7)，如果數據是無效的，則返回步驟(5) (7)根據指令實現與井下控制器的數據通訊，然后通過驅動機構實現規(guī)定的控制動作，最后通過RFID無源電子標簽告知RFID讀寫器延時后進入休眠狀態(tài)。
10.根據權利要求9所述的用于井下通訊的數據傳輸方法，其特征在于所述RFID無源電子標簽采用RTF模式；所述RFID讀寫器采用RTF或TTF模式，其根據RFID無源電子標簽傳遞的指令在兩種模式間進行轉換。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于井下通訊的數據傳輸裝置及方法，屬于石油化工領域。本發(fā)明采用RFID技術來實現PLC控制器的觸發(fā)和信息傳遞。在油井下預埋RFID讀寫器并與閥門控制PLC實現雙向的控制與數據通訊，需要PLC執(zhí)行動作時，從井口投放含操作指令的RFID無源電子標簽，當RFID無源電子標簽經過RFID讀寫器時，RFID讀寫器讀取操作指令，并傳遞給PLC執(zhí)行相應操作，操控井下智能配水器。利用本發(fā)明能大量節(jié)省線纜投資，大幅提高可靠性，且具備節(jié)能模式，保證長期連續(xù)工作；本發(fā)明采用多重安全措施確保不會出現誤動作；本發(fā)明使用的電子標簽經過定制和封裝，能夠承受井下惡劣的工作環(huán)境；本發(fā)明支持歷史數據本地存儲和后分析功能；本發(fā)明在降低勞動成本的同時，提高了精度和可靠性。
文檔編號E21B43/20GK102839952SQ20111017152
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權日2011年6月24日
發(fā)明者謝小輝, 李仁忠, 尤文超, 樊麗麗 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司采油工藝研究院