2. 西南石油大学机电工程学院
2. School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University
随着非常规油气资源的大规模开发,石油开发新技术不断发展,水平井分段压裂技术在当今油气增产中得到了越来越多的应用[1-2]。传统投球压裂工艺的压裂级数受限,流道内通径逐级减少,施工复杂,流动性差,已不能满足现代工艺的要求[3-7]。射频识别技术(RFID)是20世纪80年代新兴的一种自动识别技术,它利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递。本文将介绍一种基于RFID的压裂滑套控制系统,通过RFID标签球与井下通信装置非接触式信息传递,驱动空心轴电机控制滑套动作,可实现管柱全通径、开关智能控制,提高了石油开采的工作效率和稳定性。
1 RFID压裂滑套的原理和结构射频识别是无线电频率识别的简称[8]。在RFID系统中,标签具有唯一的编码,具有数据处理精确、迅速等优点。在压裂滑套上应用RFID技术,可以实现智能识别和远距离通信,解决压裂级数受限问题。RFID压裂滑套控制系统主要由天线部分、电控部分、滑套执行部分和标签球组成(图 1)。
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图 1 RFID压裂滑套控制系统 |
天线置于内筒,将读取的信号传递给电控部分。电控部分分为两部分:一部分读取信号以驱动空心轴电机转动,另一部分为智能滑套提供电能。内滑套通过机械方式连接在空心轴电机输出机构上,并遮挡外壳上的压裂孔槽。滑套位于中心管和滑套外套筒之间,初始状态下滑套处于关闭状态。
在压裂滑套控制系统中,当标签球通过天线产生的电磁场区域时,通过天线间的耦合,标签球从电磁场中获取足够的能量,并将自身存储的数据编码调制后经内置天线向外发送。读写器接收从标签球传来的载波信号,通过对载波信号的解调和解码,还原出标签球内存储的数据,经过电控部分处理发送指令信号,控制滑套执行部分动作。如果信号识别码与控制装置匹配,那么电控部分控制电机关闭该段的管道阀门,实现对该段管道的封堵,从而完成该段的压裂。不同压裂段不是通过球座尺寸来区别,而是通过标签球的标识码来识别,从而达到压裂级数不受限制的目的。
2 编码与通信RFID收发装置由无线收发模块和天线单元组成,完成操作命令非接触式传递,并通过天线由无线收发模块将控制信号传送至控制系统。当RFID系统工作为近场模式时,读写器与标签球之间的能量和信号传输以电感耦合方式完成[9]。应答器的天线线圈和电容器构成振荡回路,通过谐振调谐到读写器的发射频率,标签球的天线线圈和电容构成振荡回路以调谐读写器的发射频率。电控板部分与RFID识别模块的核心芯片PIC单片机的UART_RX、UART_TX相连接,实现两部分的联调通信。RFID模块主要包括4部分:波特率部分、接受串行输入数据部分、发送串行输出数据部分和接口转换部分。
写入标签球里的数据为:8位数据起始位+8位地址位+13字节的控制数据+8位CRC校验。其中8位地址位循环递增,利用该地址的唯一性防止标签球内反排装置再次动作[10]:RFID读写器针对每个标签球内的信息只读一次,当再次遇到同一个地址编码的标签球时,则放弃对其信息的读出和处理。对标签球进行信号写入时,设置CRC校验。当RFID部分识别信号后,如果校验正确,就把所有数据存到共享存储器中,不对数据进行处理。电控部分检测到压力脉冲信号,通过I/O口通信触发唤醒RFID读写器读取标签球内信息,并向电控系统发一个触发信号读取数据,判断地址位,执行相应功能。RFID通信流程如图 2所示。
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图 2 RFID通信流程图 |
ISO/IEC11784/5标准具有两种工作模式:TTF(Transponder Talks First)模式和RTF(Reader Talks First)模式,两种模式可互相转换[11]。TTF模式标签球状态为Power Off—ready—TTF(自动发送标签球内数据),RTF模式标签球状态为Power Off—ready—Init—Selected(发Read page指令读取标签球内数据)。对于井下的RFID读写器,为了适应运动标签球携带的控制数据的读取,采用TTF通信模式[12]。
在地面数据交换系统向标签球写入控制数据时加入8位CRC校验码,以保证数据的正确性,井下读写器读取到控制数据需进行CRC校验[13],如果正确则将控制数据存入公用的EEPROM。当外部触发信号产生中断唤醒系统时,读写器等待标签球通过天线范围[14],读取标签球内的控制数据。系统数据通信流程如图 3所示。
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图 3 系统数据通信流程图 |
空心轴电机是滑套执行部分的核心,电机为压裂滑套提供动力驱动滑套启闭。井下空间狭窄,且管道中间还有流体经过,普通电机由于其实心构造难以用于井下,为井下工具提供动力。而空心轴电机不同于普通电机,其转轴设计为中空的,流体可以从中经过。因此本设计所选的电机为空心轴电机。电机装在电机外套筒内,电机外壳上的凸起卡在电机外套筒的凹槽内,防止电机径向转动。
空心轴电机的3个霍尔信号先经过74HC14相器后再经过阻容电路与定时器A的3个输入通道相连接,微控制器可以检测到每个输出信号的上升沿和下降沿,从而控制电机精确换相[15]。通过异或后的输入捕获结果不能提取出转子方向信息,然而通过比较转子当前状态及前一状态可以重构转子方向[16]。
4 系统实验本次实验的实验台架主要由顶板、液压千斤顶、基座、传感器、拉杆、支撑板和滑套短节组成。实验可分为单元性实验和功能性实验两种。
(1)单元性实验包括RFID信号识别性测试、RFID标签球耐高温测试、RFID标签球耐高压测试。测试结果是:① 采用清水实验,流速小于4.5m/s时识别率为100%;当采用压裂液测试时,随着流速增大,识别率略有降低,但流速小于4m/s时识别率不低于95%。② 把标签球放入125℃的油中加热,5小时后识别率未受影响。③ 将标签球放入试压腔打压至70MPa,20个标签球只有一个受损,其余19个完好,信号识别不受影响。
(2)功能性实验为整机装配后的开度实验,采用清水进行实验。本次实验方案:通过对滑套设置不同的开度,对标签球中程序进行修改,给予标签球不同的命令[17]。当标签球通过RFID读写器的天线时,天线读取信号传递给控制器,控制器则根据不同的命令驱动空心轴电机转动,达到设定的滑套开度,实现对滑套精准控制, 每个标签球投递了5次。实验过程中验证的问题包括:① 如不考虑标签球的反排问题,不对标签球进行屏蔽操作,验证标签球可否反复使用;② 如没有重新写入命令而再次被投入,则被控制滑套是否动作。经验证:标签球可反复使用,当同一标签球投入后,被控制滑套不会重复动作。
实验智能滑套的开度共设置5种:0(全关)、1/4、1/2、3/4、1(全开),可在标签球中写入对应命令进行控制。每一个命令对应一个绝对开度,控制器接收到这个对应命令,滑套就被打开到对应开度(表 1)。
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表 1 滑套开度设置 |
实际操作中,仅对0号短节进行了控制,实验结果如表 2所示。
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表 2 开度实验结果 |
电控板通过电压型压力传感器采集信号,捕获压力脉冲信号并编码,控制空心轴电机运动,驱动滑套开关[18]。根据不同的压裂脉冲信号,对滑套关闭或打开一定的开度:全开、全闭、3/4开度、1/2开度、1/4开度,调试时会有相应的指示灯亮,通过实验已验证其工作情况正常,能实现预期功能。
实验结果表明,控制器通过驱动空心轴电机转动能达到设定的滑套开度,实现对滑套精准控制。通过多次实验测试,使用游标卡尺测量计算开度的误差,平均误差约为3%,最大不超过5%。同时实验也验证了当同一标签球投入后,被控制滑套不会重复动作,即任何一级滑套对同一个控制指令只执行一次。
5 结论通过本次实验,井下RFID读写模块读取到RFID标签球后将信号传递至电控系统,电控系统将信号进行处理后控制电机相应动作从而实现滑套的启闭。当RFID标签球投递识别成功后,控制系统通过检测比较上次滑套开度与本次设置滑套开度的差值,进行调节并执行操作,滑套执行成功率达100%。滑套开度误差平均值约为3%,其中标签球执行操作为由初始密闭位置打开滑套。实验结果与设计要求相符合。
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