井下信息交互短节、系统及其工作方法.pdf

本发明公开了一种井下信息交互短节、系统及其工作方法。该井下信息交互系统包括射频标签、井下信息交互短节和带有射频信号读写器的井下工具/仪器。其中，井下信息交互短节内置有产生磁场的天线，以及用于连接天线与井下工具/仪器的射频信号读写器的信号传输线。射频标签可以在地面植入地面信息，然后随钻井液泵送至井下。当射频标签移动到井下信息交互短节产生的磁场中时，在磁场耦合作用下，利用射频技术通过井下信息交互短节将地面信息发送给井下工具/仪器的射频信号读写器，从而完成地面至井下的信息传递。同时，井下工具/仪器采集的井下信息也可以通过井下信息交互短节写入射频标签，当射频标签随钻井液返回地面时，由地面信息处理装置读出，从而完成井下至地面的信息传递。本发明通过非接触方式实现井下通讯信息传递，更加简单、安全。

1.  一种井下信息交互短节，其特征在于，包括：
产生磁场的天线，用于接收或者发送信号；
信号传输线，用于通信连接所述天线与井下工具/仪器的信号读写器。

2.  根据权利要求1所述的井下信息交互短节，其特征在于，进一步还包括：
腔体；
接头，其与所述腔体的一端连接；
端盖，其与所述腔体的另一端连接；
基体，其设置在所述腔体内部，并与所述腔体内壁、接头和端盖围合成一腔室；
其中，所述天线设置在所述腔室内部的基体上，所述信号传输线设置在所述腔室外部，且所述天线通过一信号连接器连接所述信号传输线。

3.  根据权利要求2所述的井下信息交互短节，其特征在于，所述基体上还包括至少一个传压孔，用以保持所述腔室内外的压力平衡。

4.  根据权利要求2或3所述的井下信息交互短节，其特征在于，所述基体为陶瓷割缝管或金属割缝管。

5.  一种井下信息交互系统，其特征在于，包括：
可移动的射频标签；
如权利要求1～4任意一项所述的井下信息交互短节；
带有射频信号读写器的井下工具/仪器，其当所述射频标签移动到所述井下信息交互短节的天线产生的磁场中时，通过所述井下信息交互短节与所述射频标签进行信息交互。

6.  根据权利要求5所述的井下信息交互系统，其特征在于，所述射频标签采用胶囊封装，能够在地面与井下之间往复移动，以将地面信息携带至井下和/或将井下信息传送至地面。

7.  根据权利要求6所述的井下信息交互系统，其特征在于，进一步还包括：
地面信息处理装置，其用于对所述射频标签中的信息进行读写。

8.  一种如权利要求5～7任意一项所述的井下信息交互系统的工作方法，包括以下步骤：
井下信息交互短节产生磁场；
当射频标签移动到井下信息交互短节产生的磁场中时，通过井下信息交互短节将包含有地面信息的射频信号发送给带有射频信号读写器的井下工具/仪器。

9.  如权利要求8所述的工作方法，还包括以下步骤：
当射频标签移动到井下信息交互短节产生的磁场中时，通过井下信息交互短节接收由带有射频信号读写器的井下工具/仪器发送的包含井下信息的射频信号。

10.  根据权利要求8或9所述的工作方法，其特征在于：
所述射频标签随钻井液在地面与井下之间往复移动，到达井下信息交互短节产生的磁场中和/或返回地面。

井下信息交互短节、系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及油气开发与勘探技术领域，尤其涉及一种井下信息交互短节、系统及其工作方法。
背景技术
在石油工程中的钻井、固井、完井、测录井等各个作业环节中，操作人员需要根据作业需求，将地面对井下工具/仪器的操作控制信息传递到井下工具，或将井下对井况环境（诸如井眼尺寸变化、井下温度和压力等信息）的测量信息传递到地面终端。目前，主要存在以下三种信息交互方式：
1）依托钻完井管柱实现信息传递：操作者通过上提、下压或旋转管柱等方式使得井下与井壁（或套管）相对位置固定的工具形成一定的拉、压、扭转等载荷的信息，从而将对井下工具的操作命令（或意图）传递至井下。例如，机械式封隔器坐封、机械式悬挂器通过旋转管柱达到一定圈数后实现丢手等。
2）通过电缆或液压管线进行通信：操作者对工具的操作命令（或意图），或井下测量工具所测量的信息，是通过连接在井下工具/仪器上并一直延伸到井口的若干根电缆或液压管线实现，例如：电缆坐封桥塞，通过连接在桥塞上的电缆传递井口操作命令，以实现桥塞的点火坐封和测井工具仪器的测井作业。
3）依托钻井泥浆的液体传送信息：将对井下工具/仪器的操作信息，转换成在钻完井管柱内形成的带有特定频率的泥浆液体压力脉冲或形成特定的液体压力系列，或将井下测量的信息通过井下特殊装置，转换成特定的泥浆脉冲信息传递至地面。例如：多级滑套完井管柱施工，地面加压，管柱内先后形成15MPa、20MPa、30MPa的压力系列，形成操作封隔器做封、悬挂器坐挂等信息，从而操作工具执行相应的动作。又例如：随钻测井用的泥浆脉冲发生器，在井下将测量的压力、温度等信息转换成泥浆的循环压力脉冲传递至地面。
上述三种方法分别存在以下弊端：
1）在依托管柱实现信息传递的方法中，只是通过简单的上提下放或旋转运动，实现地面人员对井下工具的操作，由于在深井、超深井、大斜度井中，操作的压力幅度难以控 制，因此难以保证信息的准确性，而且该方法仅仅能够实现信息的单向传递。
2）在通过线缆实现信息传递的方法中，电缆通过管内下入井中，井内空间减小，几千米长的线缆会给工具的顺利入井到位带来很大的阻力，而且由于线缆比较脆弱，因此在井下恶劣环境下几千米深的下入过程中，难以保证线缆的完整性、安全性和可靠性。
3）在依托泥浆液体传送信息的方法中，由于在深井、超深井井况中，过大的液体压力或压力脉冲会给工具施工的安全性带来较大的隐患，而且在较深的井中，压力信息的衰减现象比较严重，因此也难以实现信息的准确传递。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种简单、安全、高效的井下信息交互短节、系统及其工作方法。其中：
井下信息交互短节，包括：
产生磁场的天线，用于接收或者发送信号；
信号传输线，用于通信连接所述天线与井下工具/仪器的信号读写器。
根据本发明的实施例，上述井下信息交互短节进一步还包括：
腔体；
接头，其与所述腔体的一端连接；
端盖，其与所述腔体的另一端连接；
基体，其设置在所述腔体内部，并与所述腔体内壁、接头和端盖围合成一腔室；
其中，所述天线设置在所述腔室内部的基体上，所述信号传输线设置在所述腔室外部，且所述天线通过一信号连接器连接所述信号传输线。
进一步地，上述井下信息交互短节的基体上还包括至少一个传压孔，用以保持所述腔室内外的压力平衡。
优选地，上述基体为陶瓷割缝管或金属割缝管。
井下信息交互系统，包括：
可移动的射频标签；
上述井下信息交互短节；
带有射频信号读写器的井下工具/仪器，其当所述射频标签移动到所述井下信息交互短节的天线产生的磁场中时，通过所述井下信息交互短节与所述射频标签进行信息交互。
根据本发明的实施例，上述井下信息交互系统的射频标签采用胶囊封装，能够在地面与井下之间往复移动，以将地面信息携带至井下和/或将井下信息传送至地面。
进一步地，上述井下信息交互系统还可以包括：
地面信息处理装置，其用于对所述射频标签中的信息进行读写。
此外，本发明还提供上述井下信息交互系统的工作方法，包括以下步骤：
井下信息交互短节产生磁场；
当射频标签移动到井下信息交互短节产生的磁场中时，通过井下信息交互短节将包含有地面信息的射频信号发送给带有射频信号读写器的井下工具/仪器。
进一步地，上述工作方法还包括以下步骤：
当射频标签移动到井下信息交互短节产生的磁场中时，通过井下信息交互短节接收由带有射频信号读写器的井下工具/仪器发送的包含井下信息的射频信号。
具体地，上述工作方法中，所述射频标签可以随钻井液在地面与井下之间往复移动，到达井下信息交互短节产生的磁场中和/或返回地面。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有以下优点：
1、本发明的井下信息交互系统在井下设置井下信息交互短节，利用例如非接触的射频技术实现射频标签与井下工具/仪器之间的信息交互，从而突破了现有的常规石油井下通讯方式。相比于现有技术，操作更加简单、安全、高效，并且适用于地面与井下一切需要进行信息交互的工具或仪器上，具有良好的应用前景。
2、根据本发明的实施例，射频标签可以采用胶囊封装，具有体积小、耐碰撞的优点，可以随钻井液进行全井眼循环，受泥浆环境影响小，从而能够实现全方位、安全、可靠的信息传递。
3、射频标签作为地面与井下交互信息的载体，可以实现任意信息的读写，读写方便，信息量丰富，此外，射频标签不用供电，使用周期长，而且物理特性可以统一标准化，具有可替换性强和灵活度高的优点。
4、井下信息交互短节结构简单合理，可以灵活、方便地安装于井下工具处，且由于天线内置在腔室中，因此受应用环境的影响较小，工作稳定。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中进行阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或通过实施而了解掌握。本发明的目的和其他优点也可以通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一实施例的井下信息交互短节的结构示意图；
图2是根据本发明一实施例的井下信息交互短节的右端经放大后的局部示意图；
图3是根据本发明一实施例的井下信息交互系统的工作方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。
为了克服现有石油井下工具/仪器信息交互传递系统存在的弊端，本发明提出了一种新型的可以应用于例如石油钻井的井下信息交互系统。
根据本发明的实施例，该井下信息交互系统主要包括射频标签、井下信息交互短节和带有射频信号读写器的井下工具/仪器。其中：
井下信息交互短节设置于井下，包括接收或者发送射频信号的天线，以及将所述天线与井下工具/仪器的射频信号读写器通信连接的信号传输线。
射频标签通常需要封装，以便通过钻井液（例如泥浆）在地面与井下往复循环，当到达由井下信息交互短节产生的磁场中时，通过井下信息交互短节与带有射频信号读写器的井下工具/仪器完成信息交互。例如，通过井下信息交互短节将包含有地面信息（例如地面控制指令）的射频信号发送给井下工具/仪器，又或者通过井下信息交互短节接收井下工具/仪器发出的包含有井下信息（例如井下测量数据）的射频信号。
井下工具/仪器，带有可与射频标签配合使用的射频信号读写器。该射频信号读写器是工业射频应用的常见配套设备，其读写原理和工作过程也属于常规的应用射频技术，在此不做细述。
如图1和图2所示，是本发明实施例的井下信息交互短节10的结构示意图。图1中虚线以上显示的是井下信息交互短节10的半剖截面示意图。图2显示的是井下信息交互短节10的右端经放大后的局部示意图。
从图1中可以看出，在本实施例中，井下信息交互短节10包括一两端开口的筒体101（当然不限于此）。该筒体101的一端与一接头102螺纹连接，且在连接处设置有第一密封件103，用于使筒内腔体与筒外环境隔离。该筒体101的另一端与一端盖104螺纹连接。借助该端盖104，一基体105以不接触腔体106内壁的方式固定在腔体106中，并与腔体106、接头102、端盖104围合形成一腔室107。一天线线圈108作为接收/发射射频信号的元件，于腔室107内部绕接在基体105上，且通过设置在接头102上的信号连接器109实现与设置在腔室107外的信号传输线110的电性连接。该信号传输线110作为信息输入 /输出的传输线，用于与井下工具/仪器的射频信号读写器连接，以向井下工具/仪器的射频信号读写器传送信息或者从井下工具/仪器的射频信号读写器接收信息。同时，该信号传输线110还作为电源线，为天线线圈108产生磁场提供电能。
结合图2可以清晰地看出，为了将天线线圈108与信号传输线110更好的隔离，信号连接器109以封堵的方式插设在接头102靠近腔室107的一侧中，且信号连接器109与接头102的接触面上还设置第二密封件111。
此外，端盖104上轴向分布有孔槽（工艺孔）112，便于端盖104通过螺纹旋接在腔体106内壁上，对基体105进行轴向限位。基体105上还设置有至少一个传压孔113，使得腔室107内外的压力保持平衡。并且，为了避免信号被屏蔽，优选地，基体105采用陶瓷割缝管或金属割缝管制成。天线线圈108通常是漆包线。
对于射频标签20而言，可以采用工业常见的射频标签，并优选地封装成胶囊状。封装成胶囊状的射频标签具有体积小且耐碰撞的优点，能够例如随泥浆进行全井眼循环，且受泥浆环境影响小。
进一步，井下信息交互系统还可以包括地面信息处理装置。该地面信息处理装置的主要功能是向射频标签写入信息和/或从射频标签中读取信息，通常为计算机、射频读写器等常见的工业射频应用的配套设备，其读写原理和工作过程也是常规的应用射频技术。
值得注意的是，射频标签作为地面与井下交互信息的载体，可以写入任意信息，例如随泥浆泵送至井下后写入例如井眼尺度变化、井下温度和压力等测量数据。信息量丰富，用途广泛。此外，在一个示例中，也可以向井下泵送一个以上的射频标签，当各个射频标签随泥浆循环至地面时，地面信息处理装置根据数据加载的时间顺序依次对每个射频标签内的测量数据进行读取。
图3是上述实施例的井下信息交互系统的工作方法流程图，其中主要包括以下步骤：
步骤S310，井下信息交互短节产生磁场。
步骤S320，当射频标签到达井下信息交互短节产生的磁场中时，在磁场耦合的作用下，通过井下信息交互短节将包含有地面信息的射频信号发送给井下工具/仪器，和/或通过井下信息交互短节接收井下工具/仪器所发出的包含井下信息的射频信号。
步骤S330，当射频标签返回地面后，由地面信息处理装置读取射频标签携带的井下信息，和/或将新的地面信息写入射频标签。
其中，射频标签是随着钻井液循环到达地面或井下。为了不失一般性，这里的钻井液可以选择为泥浆。
当然在具体实施时，根据需要，各步骤可以单独实施，不限于上述流程。例如，当需 要将地面控制信息向井下工具/仪器传输时，由地面信息处理装置将地面控制信息植入射频标签中。植入地面控制信息的射频标签从井口投放入井，随泥浆循环至井下信息交互短节处。当到达井下信息交互短节的天线所形成的磁场中时，射频标签与天线进行磁场耦合，通过射频将携带的地面控制信息发送给天线，再通过信号传输线进一步传送给井下工具/仪器的射频信号读写器，完成从地面到井下的信息传递过程。
又或者，当射频标签到达井下信息交互短节的天线所形成的磁场中时，井下工具/仪器的射频信号读写器将井下信息，例如井下温度、压力等传感器检测的信息，转换为相应的导行波经信号传输线传送至天线上，然后再通过天线进一步发送给射频标签。随后，射频标签随泥浆循环返回地面，由地面信息处理装置读取射频标签所携带的井下信息，完成从井下到地面的信息传递过程。
以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。