基于射频识别的智能控制冲击震荡工具
阅读说明：本技术 基于射频识别的智能控制冲击震荡工具 (Intelligent control shock oscillation tool based on radio frequency identification ) 是由 祝效华 程飞龙 石昌帅 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种射频识别的智能控制冲击震荡工具。由中芯轴、碟簧上支座、碟簧外壳、碟簧组、活塞轴、中接头、涡轮上接头、轴向伸缩一体式电机端盖、低速旋转电机端盖、开闭阀套、阀套座、上支撑座、涡轮组外壳、涡轮组、下支撑座、涡轮中心轴、楔形喷套、轴承下支撑座、轴向伸缩一体式电机、低速旋转电机等组成,内置标签的可溶球,射频识别(RFID)处理系统等组成。其特征在于：利用射频识别实现钻井液流体流向变化,智能控制涡轮运动,实现腔内压力往复周期性压力变化,实现能量的传递和变化。本发明很好的解决了工具在竖直段钻井过程中的冲击震荡对井架、地面设备的损害,在水平段降低摩阻、防止钻头脱压的问题。(The invention relates to an intelligent control impact oscillation tool for radio frequency identification. By well dabber, dish spring upper bracket, dish spring shell, dish spring group, the piston shaft, well joint, the turbine upper bracket, the flexible integral type motor end cover of axial, the low-speed rotating electrical machines end cover, the switching valve barrel, the valve sleeve seat, go up the supporting seat, the turbine group shell, the turbine group, the under bracing seat, the turbine center pin, the wedge spouts the cover, the bearing under bracing seat, the flexible integral type motor of axial, low-speed rotating electrical machines etc. constitute, the soluble ball of built-in label, Radio Frequency Identification (RFID) processing system etc. constitute. The method is characterized in that: the flow direction change of the drilling fluid is realized by utilizing radio frequency identification, the turbine motion is intelligently controlled, the reciprocating periodic pressure change of the pressure in the cavity is realized, and the energy transfer and change are realized. The invention well solves the problems that the impact shock of the tool in the vertical section drilling process damages the derrick and the ground equipment, the friction resistance is reduced in the horizontal section, and the pressure drop of the drill bit is prevented.)
技术领域
本发明涉及一种基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，属石油、天然气开采钻井工具技术领域。
背景技术
一方面，国内油气井开采难度不断增加，开采技术也在以现实开采难点为导向不断升级，钻井深度和难度都达到了空前的高度。井深的不断增加，钻进过程中脱压，黏卡现象越发明显，为高水平井的滑动钻进钻压传递的有效性，多年前有学者提出了冲击提速工具在一定程度上解决了问题，但是也带来了问题。为解决水平井滑动钻井过程中的脱压问题，往往是在钻柱系统安装冲击提速工具，该工具可以产生高频的轴向冲击力，提高了钻井效率。在钻井过程中，一般分为竖直段和水平段，在竖直段钻井时，由于钻柱自身的重力原因基本不会出现脱压现象，但为了减少起下钻次数，在竖直段也会安装冲击工具，因此在竖直段由于冲击工具的存在，对地面井架等地面设备的破坏时无法避免的。若在竖直段不安装冲击工具，则必然多一次起下钻，浪费大量的时间和金钱。另一方面，智能化发展是未来的技术发展趋势，如何逐步将智能技术融入石油与天然气行业，也是热门的话题。
针对以上问题，本文提出了一种基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，该工具利用射频识别技术智能控制钻井液的流向，实现开闭可实时控制。在竖直段钻井不需要时关闭流道，工具不工作，在水平段需要时开启提速工具，工具工作，并可以线性调节频率。以此减少了对地面设备的损害，也避免了增加一次起下钻，节约了大量的时间，人力，物力和财力。
发明内容
本发明的目的在于：为了减少冲击工具在竖直段的轴向震动对钻柱系统、地面井架等设备的损害；也为了避免增加一次起下钻工序而浪费的时间、人力、物力和财力，将人工智能的应用延伸至井下工具，设计了一种基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，可实现智能可开可关，水平钻井震荡频率可控的钻井工具。
为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，由中芯轴(1)，O型密封圈A(2)，碟簧上支座(3)，碟簧外壳(4)，碟簧组(5)，下外壳(6)，活塞轴(7)，O型密封圈B(8)，中接头(9)，涡轮上接头(10)，轴向伸缩一体式电机端盖(11)，低速旋转电机(12)，开闭阀套(13)，阀套座(14)，上支撑座(15)，涡轮组外壳(16)，涡轮组(17)，下支撑座(18)，涡轮中心轴(19)，轴承(20)，楔形喷套(21)，下接头(22)，O型密封圈C(23)，单臂旋转块(24)，O型密封圈E(25)，O型密封圈F(26)，O型密封圈G(27)，O型密封圈H(28)，O型密封圈I(29)，轴承下支撑座(30),O型密封圈J(31)，轴向伸缩一体式电机(32)，低速旋转电机(33)，内置标签的可溶球(34)，射频识别(RFID)处理系统(35)组成。其特征在于：当工具未工作时，仅做钻井液流道，钻井液经过中芯轴(1)内孔、活塞轴(7)内孔和中接头(9)内孔，然后流经开闭阀套(13)内孔，钻井液再从阀套座(14)环周孔(142)流出，依次进入涡轮中心轴(19)内孔，楔形喷套(21)，经下接头(22)流出；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：启用工具前的准备工作，第一步，在地面使用固定RFID读写器设备对内置标签的可溶球(34)进行数字编码；第二步投球泵送，从井口投递内置标签的可溶球(34)，经过泵送至射频识别(RFID)处理系统(35)时，在射频识别(RFID)处理系统(35)的阅读器获取标签动作信息并自主解码，将动作数据传输至中央处理器，中央处理器给出动作指令，电机内置信号接收器获取动作参数；信号完成接收后，轴向伸缩一体式电机(32)完成收缩动作，解锁开闭阀套(13)；然后低速旋转电机(12)带动单臂旋转块(24)旋转，单臂旋转块(24)的滚轮(242)沿着椭圆导轨(137)和圆导轨(138)运动，控制开闭阀套(13)完成开启，当开闭动作完成后，伸缩一体式电机(32)完成伸出动作，锁闭开闭阀套(13)。工具关闭流程与开启流程一致；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：开闭阀套(13)打开后，开闭阀套(13)与阀套座(14)实现座封，钻井液从开闭阀套(13)的旁通孔(131)进入到涡轮组(17)，涡轮组(17)的转子旋转，带动涡轮中心轴(19)旋转并带动楔形喷套(21)旋转，楔形喷套(21)的内孔与下接头(22)内孔交替，因此钻井液将出现交替流出的现象，进而整个工具内腔实现压力交替变化；当工具内腔的压力升高时，活塞轴(7)将在压力作用压缩碟簧组(5)，水力压力转换为碟簧组(5)的弹性势能；当压力释放时，碟簧组(5)储存的弹性势能转换为冲击机械能，工具发生震荡冲击；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：整个控制识别系统由地面发射系统、射频识别(RFID)处理系统(35)、信号接收及动作系统组成；在地面使用专业设备对内置标签的可溶球(34)进行动作信号编码，通过泵送的方式将内置标签的可溶球(34)泵送至射频识别(RFID)处理系统(35)，完成信号接收；RFID处理系统(35)对信号进行解码，通过中央处理器传输至信号接收及动作系统；轴向伸缩一体式电机(32)先完成收缩动作，完成开闭阀套(13)的解锁，然后将解锁信号传输至低速旋转电机(33)完成开闭动作，同时将开闭信号传输至轴向伸缩一体式电机(32)完成伸长动作，完成开闭阀套(13)的锁定；所有动作完成后，动作信号传输至对面控制端，地面工作人员获取信息还开展下一阶段后续工作；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：整个系统的信号传输均采用无线电的方式，除必要的电源连接，均不采用接触式传输；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：低速旋转电机(33)和单臂旋转块(24)配套使用，可设置2-3个。单臂旋转块(24)的结构还可以为偏心轮形式；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：开启槽面137和关闭槽面138可结合实际设计特殊线性；锁定槽I134锁定槽II 135锁定槽III 136的个数最少为2个，范围为2-6个；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：开闭阀套(13)的行程在30-100mm范围；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：轴向伸缩一体式电机(32)和低速旋转电机(33)内置无线传输装置和电源，无需外部供电；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：阀套座(14)环周孔还可以为椭圆、圆、矩形；环周孔的个数在3-8个；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：下接头(22)内孔形状可以为椭圆、圆、矩形；内孔的个数为1-2个；
基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于：，开闭阀套(13)每动作一次轴向伸缩一体式电机(32)完成伸和缩动作各一次。顺序为轴向伸缩一体式电机(32)完成收缩动作后，实现解锁，然后低速旋转电机(33)完成旋转动作，然后轴向伸缩一体式电机(32)完成伸长动作，实现锁闭；
本发明与现有技术比较，其有益效果是：(1)本发明主体结构简单，可智能控制震荡频率，可简单实现工具的打开和关闭；(3)本发明采用非接触式的射频识别技术，信号稳定，精度高；(4)本发明操作方便、安全可靠、适应性强、对下部钻具影响小；(5)本发明可减小对其他地面设备的损害，降低钻井成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的全开启后示意图；
图3为本发明的控制系统工作原理图；
图4为本发明的开闭阀套三维结构示意图；
图5为本发明的开闭阀套二维结构示意图；
图6为本发明的单臂旋转块三维结构示意图；
图7为本发明的开闭阀套开启原理示意图；
图8为本发明的阀套座二维结构示意图；
图9为本发明的阀套座周期性交替变化示意图；
1-中芯轴，2-O型密封圈A，3-碟簧上支座，4-碟簧外壳，5-碟簧组，6-下外壳，7-活塞轴，8-O型密封圈B，9-中接头，10-涡轮上接头，11-轴向伸缩一体式电机端盖，12-低速旋转电机，13-开闭阀套，14-阀套座，15-上支撑座，16-涡轮组外壳，17-涡轮组，18-下支撑座，19-涡轮中心轴，20-轴承，21-楔形喷套，22-下接头，23-O型密封圈C，24-单臂旋转块，25-O型密封圈E，26-O型密封圈F，27-O型密封圈G，28-O型密封圈H，29-O型密封圈I，30-轴承下支撑座,31-O型密封圈J，32-轴向伸缩一体式电机，33-低速旋转电机，34-内置标签的可溶球，35-射频识别(RFID)处理系统，131-旁通孔，12-，133-内孔，134-锁定槽I，135-锁定槽II，136-锁定槽III,137-开启槽面，138-关闭槽面，241-电机轴槽孔，242-滚轮，141-内凸起密封面，142环周孔
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的,而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下,技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
根据附图所示，基于射频识别的智能控制冲击震荡工具由中芯轴1，O型密封圈A2，碟簧上支座3，碟簧外壳4，碟簧组5，下外壳6，活塞轴7，O型密封圈B8，中接头9，涡轮上接头10，轴向伸缩一体式电机端盖11，低速旋转电机12，开闭阀套13，阀套座14，上支撑座15，涡轮组外壳16，涡轮组17，下支撑座18，涡轮中心轴19，轴承20，楔形喷套21，下接头22，O型密封圈C 23，单臂旋转块24，O型密封圈E25，O型密封圈F 26，O型密封圈G 27，O型密封圈H28，O型密封圈I29，轴承下支撑座30,O型密封圈J31，轴向伸缩一体式电机32，低速旋转电机33，内置标签的可溶球34，射频识别(RFID)处理系统35组成。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于当工具未工作时，仅做钻井液流道，钻井液经过中芯轴1内孔、活塞轴7内孔和中接头9内孔，然后流经开闭阀套13内孔，钻井液再从阀套座14环周孔142流出，依次进入涡轮中心轴19内孔，楔形喷套21内孔，经下接头22内孔流出。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于启用首先完成工具前的准备工作，第一步，在地面使用固定RFID读写器设备对内置标签的可溶球34进行数字编码；
第二步投球泵送，从井口投递内置标签的可溶球34，经过泵送至射频识别(RFID)处理系统35时，在射频识别(RFID)处理系统35的阅读器获取标签动作信息并自主解码，将动作数据传输至中央处理器，中央处理器给出动作指令，电机内置信号接收器获取动作参数；信号完成接收后，轴向伸缩一体式电机32完成收缩动作，解锁开闭阀套13；然后低速旋转电机(12)带动单臂旋转块24旋转，单臂旋转块24的滚轮242沿着椭圆导轨137和圆导轨138运动，控制开闭阀套13完成开启，当开闭动作完成后，伸缩一体式电机32完成伸出动作，锁闭开闭阀套13。工具关闭流程与开启流程一致。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于开闭阀套(13)打开后，开闭阀套13与阀套座14实现座封，钻井液从开闭阀套13的旁通孔131进入到涡轮组17，涡轮组17的转子旋转，带动涡轮中心轴19旋转并带动楔形喷套21旋转，楔形喷套21的内孔与下接头22内孔交替，因此钻井液将出现交替流出的现象，进而整个工具内腔实现压力交替变化；当工具内腔的压力升高时，活塞轴7将在压力作用压缩碟簧组5，水力压力转换为碟簧组5的弹性势能；当压力释放时，碟簧组5储存的弹性势能转换为冲击机械能，工具发生震荡冲击。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于整个控制识别系统由地面发射系统、射频识别(RFID)处理系统35、信号接收及动作系统组成；在地面使用专业设备对内置标签的可溶球34进行动作信号编码，通过泵送的方式将内置标签的可溶球(34)泵送至射频识别(RFID)处理系统35，完成信号接收；RFID处理系统35对信号进行解码，通过中央处理器传输至信号接收及动作系统；轴向伸缩一体式电机32先完成收缩动作，完成开闭阀套13的解锁，然后将解锁信号传输至低速旋转电机33完成开闭动作，同时将开闭信号传输至轴向伸缩一体式电机32完成伸长动作，完成开闭阀套13的锁定；所有动作完成后，动作信号传输至对面控制端，地面工作人员获取信息还开展下一阶段后续工作。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于整个系统的信号传输均采用无线电的方式，均不采用接触式传输。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于低速旋转电机(33)和单臂旋转块24配套使用，可设置2-3个。单臂旋转块24的结构还可以为偏心轮形式。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于开启槽面137和关闭槽面138可结合实际设计特殊线性；锁定槽I134锁定槽II 135锁定槽III 136的个数最少为2个，范围为2-6个；
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于开闭阀套13的行程在30-100mm范围。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于轴向伸缩一体式电机32和低速旋转电机33内置无线传输装置和电源，无需外部供电。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于阀套座14环周孔还可以为椭圆、圆、矩形；环周孔的个数在3-8个。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于下接头22内孔形状可以为椭圆、圆、矩形；内孔的个数为1-2个。
所述基于射频识别的智能控制冲击震荡工具，其特征在于开闭阀套13每动作一次轴向伸缩一体式电机32完成伸和缩动作各一次。顺序为轴向伸缩一体式电机32完成收缩动作后，实现解锁，然后低速旋转电机33完成旋转动作，然后轴向伸缩一体式电机32完成伸长动作，实现锁闭。
本发明与现有技术比较，其有益效果是：(1)本发明主体结构简单，可智能控制震荡频率，可简单实现工具的打开和关闭；(3)本发明采用非接触式的射频识别技术，信号稳定，精度高；(4)本发明操作方便、安全可靠、适应性强、对下部钻具影响小；(5)本发明可减小对其他地面设备的损害，降低钻井成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明围之内。
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