一种基于RFID的中空丝杠循环阀及工作方法

一种基于rfid的中空丝杠循环阀及工作方法
技术领域
1.本发明涉及钻完井技术领域，尤其涉及一种基于rfid的中空丝杠循环阀及工作方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.石油作为一种宝贵的不可再生资源对我国的发展至关重要。随着油田的开发、石油能源的开采，新增探明储量的减少，且油气田的剩余油绝大部分分布在薄差层，具有储层物性差、渗透率低、油层厚度小、注水层间干扰严重、采收率低的特点，依靠常规的注水采油方案已不能开采出该部分原油、提高油田最终采收率，通过分层注水、分层采油可以对油藏进行精细描述、细小分层，从而提高油田最终采收率。
4.在地面使用多条液压和/或电气控制线路进行控制，这些控制线路必须通过井口进入完井环空，沿着完井的长度，通过任何封隔器，进入位于监测和控制设备的储层段。虽然该技术已成功应用于低复杂度井中，但在使用控制线时仍存在一些限制。包括与复杂井结构的兼容性、由馈通连接引起的潜在井完整性问题，以及对大量硬件的需求，这些都可能使其在边缘油田不经济。
5.现有公开的由长江大学靳浩元、管锋、张鹏程等人提出了一种基于rfid的钻井用连续循环阀，可有效降低钻井作业难度及时效，但井下空间有限，而丝杠至于腔室中，且单边丝杠驱动，致使循环阀受力不均。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种基于rfid的中空丝杠循环阀，以解决占用井内空间以及循环阀受力不均的问题。
7.为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
8.一种基于rfid的中空丝杠循环阀，包括：上接头、外筒、下接头、丝杠组件和驱动单元，所述上接头和下接头分别连接于所述外筒的两端，所述上接头上端连接吸油管路，所述下接头开有吸油孔；所述丝杠组件包括中空的丝杆轴和丝杆螺母，所述丝杆轴两端与上接头和下接头滑动连接，所述丝杆螺母两端分别与上接头和下接头转动连接；所述驱动单元包括设置在上接头外的中空大齿轮，所述大齿轮与所述丝杆螺母固定连接。
9.本发明的另一优选的实施方式中，所述驱动单元还包括与大齿轮啮合的小齿轮，所述小齿轮位于所述大齿轮内侧。
10.本发明的另一优选的实施方式中，所述驱动单元还包括固定架，所述上接头具有接头本体，接头本体侧壁开有第二凹槽，所述固定架连接于所述第二凹槽，所述小齿轮与所述固定架转动连接。
11.本发明的另一优选的实施方式中，所述驱动单元还包括驱动小齿轮转动的电机，所述电机安装在所述固定架上，所述接头本体侧壁开有第一凹槽，所述电机位于所述第一凹槽处。
12.本发明的另一优选的实施方式中，还包括平衡阀，所述上接头、外筒、下接头和丝杆轴围成丝杆外腔，所述平衡阀包括第一管路和第二管路，所述第一管路连通吸油管路，所述第二管路连通所述丝杆外腔。
13.本发明的另一优选的实施方式中，所述平衡阀具有阀腔，所述阀腔内设置阀芯和弹性件，所述阀腔一端连接所述第一管路，另一端连接所述第二管路；阀芯在两侧压差的作用下在阀腔内移动以平衡吸油管路和丝杆外腔的压力。
14.本发明的另一优选的实施方式中，所述丝杆轴外侧设置接收器，所述接收器包括阅读器和天线。
15.本发明的另一优选的实施方式中，所述下接头具有接头筒壁，所述接头筒壁内侧设置安装行程开关的两个环形槽，两个环形槽分别位于所述吸油孔的上侧和下侧。
16.本发明的另一优选的实施方式中，所述丝杆螺母上端与上接头通过推力轴承连接，所述丝杆螺母下端与下接头通过推力轴承连接。
17.本发明实施例还提供了上述基于rfid的中空丝杠循环阀带的工作方法，所述大齿轮转动带动丝杆螺母转动，丝杆螺母带动丝杆轴轴向移动从而打开或关闭吸油孔。
18.本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
19.1、本发明的循环阀设置中空的大齿轮，大齿轮套接在上接头外侧，大齿轮通过连接杆与丝杠螺母连接，由于丝杆螺母被上、下接头轴向固定，在大齿轮的转动下丝杆螺母发生转动，丝杆轴在丝杆螺母的转动下发生轴向移动，从而打开或关闭吸油孔。相比于现有的循环阀，整个装置不占用井下的吸油管路，通过大齿轮和丝杆组件的配合，使作用力分布在整个圆周，避免了受力不均的问题，保证了循环阀的流畅打开和关闭，使循环阀受力均匀且降低磨损，从而延长使用寿命。
20.2、本发明的循环阀通过设置平衡阀，第一管路连通丝杆内腔，第二管路连通丝杆外腔，当丝杆内腔压力较大时，内腔油压推动阀芯向下移动，由于丝杆外腔体积较小，当阀芯向下移动后会增加丝杆外腔的压力，从而平衡丝杆轴内外的压力，避免丝杆轴发生变形产生动作卡滞的问题，保证了循环阀的顺畅动作，能够对不同地质条件的油井实现分层注采，可以在井下各种压力下正常工作，扩展了该装置的应用范围。
21.3、本发明一方面设置中空大齿轮实现丝杆组件的周向均匀驱动，同时通过平衡阀平衡丝杆轴内外压差，上述驱动结构和平衡阀的协同配合避免了循环阀的卡滞，实现了循环阀的顺利开启和关闭，延长了循环阀的使用寿命。
22.4、现有技术中还公开了滑套电控执行器，属于滑套压裂工具，该电控执行器采用螺旋传动方式，可使小转矩产生较大的轴向推力，但加工精度要求高、工作速度差，且由于螺纹之间在运动中有相对滑动，产生滑动摩擦，因而磨损大、效率低、寿命短，还可能出现爬行等现象。本发明采用齿轮传动，齿轮传动平稳，不会出现相对滑动的现象，从而延长使用寿命；传动比精确，使得齿轮传动可靠性和效率提升；使用的功率、速度和尺寸范围广，可选择性高；产生巨大扭矩，可在减小系统尺寸的同时保证动力充足；且对于较小的井下有效空间，仍能提供较大推力，保证滑阀的打开、关闭，提高了油田最终采收率。
23.本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
25.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
26.图1是本发明实施例的循环阀的工作场景示例图；
27.图2是本发明实施例的循环阀的剖视图；
28.图3是本发明实施例的循环阀的上接头和驱动单元配合示意图；
29.图4是图3去掉大齿轮示意图；
30.图5是本发明实施例的循环阀的大齿轮和小齿轮配合示意图；
31.图6是本发明实施例的循环阀的上接头示意图；
32.图7是本发明实施例的循环阀的下接头示意图；
33.图8是本发明实施例的循环阀的丝杆组件示意图；
34.图9是图2上部放大示意图；
35.图10是射频识别系统常用调制方式示意图；
36.图11是本发明实施例的循环阀的电控示意图；
37.图中：01、海上钻井平台；02、机械手臂；03、射频标签；04、循环阀；
38.1、上接头；11、接头本体；12、第一凹槽；13、第二凹槽；2、接收器；21、阅读器；22、天线；3、外筒；4、驱动单元；41、电机；42、固定架；43、小齿轮；44、大齿轮；5；连接杆；6、下接头；61、接头筒壁；62、吸油孔；63、环形槽；7、平衡阀；71、第一管路；72、阀腔；73、阀芯；74、弹性件；75、第二管路；8、丝杆轴；9、丝杆螺母；
39.为了更清楚的显示各部位位置而夸大或缩小了互相间间距、尺寸或比例，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
40.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
41.术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解术语在本发明的具体含义。
42.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
43.正如背景技术所介绍的，现有的循环阀占有过多井内空间，而且循环阀受力不均，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于rfid的中空丝杠循环阀，如图2-9所示，包括：上接头1、外筒3、下接头6、丝杠组件和驱动单元4，所述上接头1和下接头6分别连接于所述外筒3的两端，所述上接头1上端连接吸油管路05，所述下接头6开有吸油孔62；所述丝杠组件包括中空的丝杆轴8和丝杆螺母9，所述丝杆轴8两端与上接头1和下接头6滑动连接，所述丝杆螺母9两端分别与上接头1和下接头6转动连接；所述驱动单元4包括设置在上接头1外的中空大齿轮44，所述大齿轮44与所述丝杆螺母9固定连接。
44.所述外筒表面镀有耐磨耐腐蚀涂层，丝杆轴与上接头和下接头连接处均设置有密封挡圈，上接头、下接头与密封挡圈贴合的面，进行耐磨、耐冲蚀处理。密封方案结构采用真空密封方式，密封挡圈的材料主要有橡胶、聚四氟乙烯、聚氨酯等合成材料组成的密封以及金属密封，本领域技术人员可根据井下环境进行选择和设置。
45.所述丝杆螺母9上端与上接头1通过推力轴承连接，所述丝杆螺母9下端与下接头6通过推力轴承连接，通过推力轴承的连接减小丝杠螺母转动时的阻力。所述大齿轮端侧和丝杆螺母之间通过多根连接杆5连接，所述大齿轮44转动带动丝杆螺母9转动，丝杆螺母9带动丝杆轴8轴向移动从而打开或关闭吸油孔62。
46.如图4、图5所示，所述驱动单元4还包括与大齿轮44啮合的小齿轮43和固定架42，所述小齿轮43位于所述大齿轮44内侧。所述上接头1具有接头本体11，接头本体11侧壁开有第二凹槽13，所述固定架42连接于所述第二凹槽13，所述小齿轮43与所述固定架42转动连接。所述驱动单元4还包括驱动小齿轮43转动的电机41，所述电机41安装在所述固定架42上，所述接头本体11侧壁开有第一凹槽12，所述电机41位于所述第一凹槽12处。
47.电机41与所述小齿轮43连接在一起，可通过焊接、螺栓连接、套接和键连接等方式实现，本领域技术人员可根据所述电机的类型进行选择和设置。
48.如图2、图9所示，中空丝杠循环阀还包括平衡阀7，所述上接头1、外筒3、下接头6和丝杆轴8围成丝杆外腔，所述平衡阀7包括第一管路71和第二管路75，所述第一管路71连通吸油管路(即丝杆内腔)，所述第二管路75连通所述丝杆外腔。所述平衡阀7具有阀腔72，所述阀腔72内设置阀芯73和弹性件74，所述阀腔72一端连接所述第一管路71，另一端连接所述第二管路75；阀芯73在两侧压差的作用下在阀腔72内移动以平衡吸油管路和丝杆外腔的压力。其中弹性件可以为弹簧。
49.由于不同场景下循环阀所处的环境、分层、深度等不同，使得丝杆内腔的压力不同，由于丝杆轴为中空结构，当丝杆内腔压力较大时，会使丝杆挤压变形，导致循环阀动作卡滞。本发明的循环阀通过设置平衡阀，第一管路连通丝杆内腔，第二管路连通丝杆外腔，当丝杆内腔压力较大时，内腔油压推动阀芯向下移动，由于丝杆外腔体积较小，当阀芯向下移动后会增加丝杆外腔的压力，从而平衡丝杆轴内外的压力，避免丝杆轴发生变形产生动作卡滞的问题，保证了循环阀的顺畅动作，能够对不同地质条件的油井实现分层注采，可以在井下各种压力下正常工作，扩展了该装置的应用范围。
50.如图2、图9所示，循环阀内设置有阀控系统，阀控系统位于上接头的位置。阀控系统包括电池、天线、rfid阅读器、电机控制器、电机、行程开关等。所述丝杆轴8外侧设置接收器2，所述接收器2包括阅读器21和天线22。如图7所示，所述下接头6具有接头筒壁61，所述接头筒壁61内侧设置安装行程开关的两个环形槽63，两个环形槽63分别位于所述吸油孔62
的上侧和下侧。
51.电机控制器与所述行程开关电性连接；可以理解的，所述行程开关可以为机械式行程开关，当与密封挡圈接触时触发信号并发送给电机控制器。也可以采用非接触式行程开关，通过磁性开关、红外光电开关等实现，本领域技术人员可根据所述密封挡圈的类型进行选择和设置。
52.如图1所示，本实施例公开的循环阀适用于海上钻井平台01，机械手臂02将射频标签03投放至井口的吸油管路，射频标签03通过自重、泵送等方式进入循环阀04。射频标签03经过天线22时发生电感耦合，rfid阅读器21通过天线22接收信号；可以理解的，rfid阅读器通过天线将能量以电磁波电磁场的形式发送到周围的空间，通过对电磁波信号振幅、频率、相位参数的改变，或者对电磁场强度的影响，可以实现将编码后的数据从射频标签传送到rfid阅读器，数据对电磁波电磁场的影响过程就是信号的调制过程。如图10(a)、(b)、(c)所示，射频识别系统常用的调制方式主要有三种，分别为振幅键控(ask)、频移键控(fsk)、相移键控(psk)。通过阅读器读取所述射频标签03中的数据，从而控制循环阀的打开和关闭。
53.如图11所示，电池为rfid阅读器、电机控制器以及电机提供动力；进一步的，rfid阅读器将信号处理并传输至电机控制器，电机控制器通过控制电路接受指令并驱动电机；
54.循环阀的工作过程：
55.海上钻井平台，通过机械手臂将带有指令数据的射频标签投放至井口。射频标签由于自重、钻井液泵送等方式沿着井筒吸油管路下落。到达rfid阅读器所在位置，rfid阅读器读取射频标签内的信号，从而向电机控制器发送指令，继而电机控制器控制电机转动，电机转动带动小齿轮转动，小齿轮通过齿轮传动带动大齿轮转动，大齿轮带动丝杠螺母，丝杠螺母将周向运动转换为轴向运动，使得丝杠轴沿轴线方向上下运动。此时，当密封挡圈位置随之改变，从而触发行程开关，行程开关向电机控制器反馈指令，电机控制器控制电机的运行，直至达到指定位置，停止运行。
56.本发明的技术效果：
57.1.本公开通过基于rfid的设计，在安装过后，可保证传输成功率100％，具有减少安装和增产期间的外部干预降低作业成本、减少作业周期和运营成本、在每次操作期间，井眼清洁和最小化地层损坏和选择性井下智能阀开关能力等优点，十分有利于深水完井作业；实时数据的添加可以帮助我们做出明智的决策，而无需干预就能立即采取行动，从而获得最佳的生产环境；
58.2.本公开通过中空丝杠全电驱动智能循环阀的设计，利用电机带动齿轮传输，产生巨大扭矩，可在减小系统尺寸的同时保证动力充足；利用中空丝杠的设计，实现循环阀的智能开关，结构简单可重复利用，减小作业成本；
59.3.本公开采用了独特的压力平衡设计，可以在井下各种压力下正常工作，扩展了该装置的应用范围；
60.4.本公开结构简单，且驱动动力充足，操作更加简便，且安装过后能长时间工作，不需要经常更换配件，减少了维护次数，提高了井下工作效率。
61.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。