CN111144155B - 油管、抽油杆身份识别跟踪系统 - Google Patents
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Abstract
一种油管、抽油杆身份识别跟踪系统，涉及油田井下工具技术领域，包括检测探头、芯片、芯片读取装置和接箍，检测探头安装在一个独立于井口的安装筒上，芯片安装在接箍的上端面上；所述的芯片为射频电子标签，所述的芯片读取装置为射频读写器，射频读写器的结构包括射频读写器主机和射频天线，射频天线通过导线与射频读写器主机连接；所述射频天线设置在所述安装筒的内侧，射频天线和射频读写器主机之间通过导线连接；本发明将芯片设置在油管接箍或抽油杆接箍(统称“接箍”)的上端面上而不是设置在油管或抽油杆上，这种安装方式不会对接箍的使用造成影响，同时也避免了安装芯片对油管或抽油杆强度的削弱。
Description
技术领域
本发明属于油田井下工具技术领域，尤其涉及一种油管、抽油杆身份识别跟踪系统。
背景技术
在抽油机采油系统中，油井内的油管和抽油杆会因裂纹、孔洞、锈蚀、磨损而产生的泄露或断裂，一旦这种情况发生，将对油田造成较大的经济损失，因此，对油管和抽油杆的损坏情况进行有效管理很有必要。现有技术中大多采用将油管和抽油杆定期全部拉回检测站进行探伤的检验方法实现检验，这种方法有两方面缺陷：一方面，要耗费大量人力物力，另一方面，难以对每根油管或抽油杆的损坏情况、修复情况、井下应用情况等数据进行准确统计，进而无法对每根油管和抽油杆进行充分利用，也无法根据损坏情况精确判断井下存在的问题。
为了解决这一问题，专利文献号为CN201661851U的实用新型专利公开的一种油田油管无损检测及数据远传装置中提供了一种应用于井口处的油管在线检测方案，但该装置虽然实现了油管或抽油杆的自动检测，但仍然无法对每根油管或每根抽油杆进行全寿命跟踪。
专利申请号为2017105903287的发明专利申请文件中公开了一种油气田各井中油管的数据信息采集处理方法，该方法通过在油管中嵌入芯片，解决了对油管的跟踪问题。但实际使用中发现这种方法实施时存在以下问题：要实现对芯片的读取，必须与芯片建立通信连接，而如何设定通信方式，如何保证芯片识别的有效性，如何降低通信系统的硬件成本，如何在套管与油管之间狭小的环形空间内设置芯片识别装置等等，这一系列的问题必须通过大量的创造性劳动来解决。
发明内容
本发明旨在通过对机械及硬件结构的设计，克服现有的油管(或抽油杆)身份识别跟踪过程中存在的各种技术障碍，最终提供一种使用效果好、制造成本低、空间布局合理的油管(或抽油杆)身份识别跟踪系统。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供了一种油管、抽油杆身份识别跟踪系统，包括检测探头、芯片、芯片读取装置和接箍，检测探头安装在一个独立于井口的安装筒上，芯片安装在接箍的上端面上；
所述的芯片为射频电子标签，所述的芯片读取装置为射频读写器，射频读写器的结构包括射频读写器主机和射频天线，射频天线通过导线与射频读写器主机连接；
所述射频天线设置在所述安装筒的内侧，所述射频读写器主机设置在安装筒的外部，射频天线和射频读写器主机之间通过导线连接；
所述安装筒内设置有外齿圈，外齿圈的内径与安装筒的最小内径相同，所述射频天线镶嵌于外齿圈的内壁上，所述安装筒内还设置有电机和中间传动轴，中间传动轴的一端通过齿轮副与电机的输出轴连接，中间传动轴的另一端通过齿轮副与外齿圈连接，电机启动后，电机的动力经由中间传动轴传递给外齿圈，从而驱动外齿圈旋转，所述外齿圈的上端面上固定有导电环，安装在外齿圈内的射频天线与导电环电连接，导电环的上方与导电环对应设置有弹簧探针，弹簧探针的下端抵在导电环上，弹簧探针的上端通过导线与所述的射频读写器主机连接；
所述外齿圈由硬质非金属材料制成；
所述安装筒的侧壁上加工有斜孔，斜孔内装有钢球，自然状态下，钢球在自身重力作用下从安装筒的内壁露出。
作为进一步的技术方案，所述安装筒插装在井口内，安装筒下端的外侧加工有偏心区段，偏心区段的外侧套有偏心套，偏心套的外侧安装有径向滑块，径向滑块在弹簧下抵在井口套管的内壁上；
安装筒的上端设置有平台部，平台部的直径与井口法兰的直径相同，所述电机和检测探头均沿径向安装在平台部内部。
作为进一步的技术方案，所述安装筒上端的内侧加工有止口，止口内安装有尼龙套、尼龙环和所述的外齿圈，尼龙套和尼龙环分别位于外齿圈的上下两侧；
止口的内壁与所述尼龙套的外壁的结合面上加工有轴向孔，所述中间传动轴插装在该轴向孔内。
作为进一步的技术方案，在所述安装筒的内壁上，钢球露出位置的上沿与所述外齿圈的下沿之间的距离等于接箍的轴向长度。
作为进一步的技术方案，所述弹簧探针的结构包括镀金铜管、镀金铜针和弹簧，镀金铜针插在镀金铜管内并在弹簧作用下保持从镀金铜管内滑出的运动趋势。
本发明的有益效果为：
1、本发明将芯片设置在油管接箍或抽油杆接箍(统称“接箍”)的上端面上而不是设置在油管或抽油杆上，这种安装方式不会对接箍的使用造成影响，同时也避免了安装芯片对油管或抽油杆强度的削弱。
2、本发明采用射频识别技术作为与芯片建立通信联系的手段，具有成本低廉的优势；射频识别技术是一种非常成熟且易于应用的芯片无线读写技术，其结构包括射频读写器和射频电子标签两部分，射频读写器的基本构成通常包括：射频天线、频率产生器、锁相环、，调制电路、微处理器、存储器、解调电路和外设接口等。要想将射频识别技术应用于本发明中，必须克服以下两个技术障碍：
第一，现有的射频读写器的体积相对较大，而油管和井口套管之间的空间相对较小，因此，基于现有技术，射频读写器只能安装在井口上方，而安装在井口上方必然会改变井口高度，很有可能对后续作业造成不利影响。
第二，射频识别技术在金属环境下工作会存在如下问题：无线电波在超高频段时会被金属反射，，而来自金属的干扰也搅乱了RFID射频信号，RFID射频读写器天线具有吸收RF能源的功能，而金属会在RFID射频读写器周围引起涡流，从而降低了RFID电磁场的整体效能。这些涡流还会引起垂直于该金属表面的自己的磁场，而这些垂直磁场则会使读写器区域失效。另外，金属还会引起额外的寄生电容(即由金属引起的电磁“摩擦”造成的能源损耗)，造成RFID射频读写器和射频电子标签内的天线的失谐，破坏系统的性能。最终，在某些频段，被金属反射回来的能量就会在射频电子标签和RFID射频读写器之间形成干扰。
为了克服第一个技术障碍，本发明创造性地将射频天线从射频读写器中独立出来，并将除射频天线以外的其它部分封装在射频读写器主机中，这种改进在电路结构方面完全基于现有技术，但通过将射频天线独立出来，使得射频读写器主机不必安装在井口上方，从而最大程度上避免了对井口高度的改变，进而避免了井口高度变化对后续作业带来的不利影响。
为了克服第二个技术障碍，本发明做了两方面创造性改进：一方面，本发明射频天线和射频电子标签最大程度地靠近，有效增加了识别成功的概率，另一方面，本发明将射频天线安装在了一个可在电机驱动下旋转的外齿圈上，并设置了可将接箍托住的钢球，当接箍被钢球托住后，射频天线会在外齿圈的带动下不断旋转来寻找射频电子标签，无论油管或抽油杆起出时射频电子标签位于哪个方位，射频天线与射频电子标签的距离总能达到最近，从而保证了射频识别的成功率。
3、本发明中，安装筒与井口之间并不是硬性固定连接的，原因在于：起出油管时，连接在油管上的直径较大的井下工具必然无法从安装筒中央穿过，这种情况下，若安装筒与井口硬性固定连接，井下工具的冲击必然会对井下工具本身、井口或安装筒造成不可逆的破坏。而在本发明中，在安装筒的下部设置偏心套，将安装筒插入井口后，通过转动安装筒便可将本发明固定在井口套管的内壁上，但这种固定不是刚性仅仅是依靠摩擦力固定，并不是刚性固定，当安装筒下侧受到冲击时，安装筒会从井口中脱出，从而避免井下工具本身、井口或安装筒损坏。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是弹簧探针的结构示意图；
图3是图1中A处的截面图；
图4是图1中B处局部放大图。
图中：1-井口套管，2-偏心套，3-径向滑块，4-钢球，5-斜孔，6-安装筒，7-尼龙环，8-井口法兰，9-平台部，10-电机，11-中间传动轴，12-检测探头，13-射频读写器主机，14-尼龙套，15-弹簧探针，16-外齿圈，17-镀金铜管，18-镀金铜针，19-接箍，20-油管，21-导电环，22-射频天线，23-射频电子标签。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明包括检测探头12、芯片、芯片读取装置和接箍19，以上为现有技术中已经存在的结构，在此不再赘述。
检测探头12安装在一个独立于井口的安装筒6上，芯片安装在接箍19的上端面上。通过采用这种结构，使得安装本发明时无需对原有井口进行改动，安装更加方便。另外，本发明将芯片设置在油管接箍或抽油杆接箍(统称“接箍19”)的上端面上而不是设置在油管或抽油杆上，这种安装方式不会对接箍19的使用造成影响，同时也避免了安装芯片对油管或抽油杆强度的削弱。
现有的射频读写器的体积相对较大，而油管20和井口套管1之间的空间相对较小，因此，基于现有技术，射频读写器只能安装在井口上方，而安装在井口上方必然会改变井口高度，很有可能对后续作业造成不利影响。为了克服第一个技术障碍，本发明创造性地将射频天线22从射频读写器中独立出来，并将除射频天线22以外的其它部分封装在射频读写器主机13中，这种改进在电路结构方面完全基于现有技术，但通过将射频天线22独立出来，使得射频读写器主机13不必安装在井口上方，从而最大程度上避免了对井口高度的改变，进而避免了井口高度变化对后续作业带来的不利影响。具体结构如下：所述的芯片为射频电子标签23，所述的芯片读取装置为射频读写器，射频读写器的结构包括射频读写器主机13和射频天线22，射频天线22通过导线与射频读写器主机13连接；所述射频天线22设置在所述安装筒6的内侧，所述射频读写器主机13设置在安装筒6的外部，射频天线22和射频读写器主机13之间通过导线连接。
目前，射频识别技术在金属环境下工作会存在如下问题：无线电波在超高频段时会被金属反射，而来自金属的干扰也搅乱了射频信号，射频天线22具有吸收RF能源的功能，而金属会在射频读写器周围引起涡流，从而降低了RFID电磁场的整体效能。这些涡流还会引起垂直于该金属表面的自己的磁场，而这些垂直磁场则会使读写器区域失效。另外，金属还会引起额外的寄生电容(即由金属引起的电磁“摩擦”造成的能源损耗)，造成射频读写器和射频电子标签23内的天线的失谐，破坏系统的性能。最终，在某些频段，被金属反射回来的能量就会在射频电子标签23和射频读写器之间形成干扰。
为了上述的技术障碍，本发明做了两方面创造性改进：一方面，本发明射频天线22和射频电子标签23最大程度地靠近，有效增加了识别成功的概率，另一方面，本发明将射频天线22安装在了一个可在电机驱动下旋转的外齿圈16上，并设置了可将接箍19托住的钢球4，油管20或抽油杆起出时，接箍19的上沿向上推动钢球4使钢球沿所述斜孔5滑动，最终使接箍19得以越过钢球4到达钢球4上方，同时钢球4下落至最低位置，此时撤除起重拉力，接箍20便会被钢球4托住，便于外齿圈16上的射频天线22与接箍19上的射频电子标签23相互识别。由于在所述安装筒6的内壁上，钢球4露出位置的上沿与所述外齿圈16的下沿之间的距离等于接箍19的轴向长度，因此当接箍被钢球托住后，射频天线22会在外齿圈16的带动下不断旋转来寻找射频电子标签23，无论油管或抽油杆起出时射频电子标签23位于哪个方位，射频天线22与射频电子标签23的距离总能达到最近，并可多次识别，从而保证了射频识别的成功率。具体结构如下：
所述安装筒6内设置有外齿圈16，外齿圈16的内径与安装筒6的最小内径相同，所述射频天线22镶嵌于外齿圈16的内壁上，所述安装筒6内还设置有电机10和中间传动轴11，中间传动轴11的一端通过齿轮副与电机10的输出轴连接，中间传动轴11的另一端通过齿轮副与外齿圈16连接，电机10启动后，电机10的动力经由中间传动轴11传递给外齿圈16，从而驱动外齿圈16旋转。
为了在外齿圈16转动过程中保持射频天线22与射频读写器主机13之间的可靠电连接，本发明采用了如下的电连接结构：所述外齿圈16的上端面上固定有导电环21，安装在外齿圈16内的射频天线22与导电环21电连接，导电环21的上方与导电环21对应设置有弹簧探针15，所述弹簧探针15的结构包括镀金铜管17、镀金铜针18和弹簧，镀金铜针18插在镀金铜管17内并在弹簧作用下保持从镀金铜管17内滑出的运动趋势。弹簧探针15的下端抵在导电环21上，弹簧探针15的上端通过导线与所述的射频读写器主机13连接。
所述外齿圈16由硬质非金属材料制成(具体材料可选用尼龙、四氟、工程塑料等材质)，可避免外齿圈16对射频天线22的干扰。
所述安装筒6的侧壁上加工有斜孔5，斜孔5内装有钢球4，自然状态下，钢球4在自身重力作用下从安装筒6的内壁露出。
作为进一步的技术方案，所述安装筒6插装在井口内，安装筒6下端的外侧加工有偏心区段，偏心区段的外侧套有偏心套2，偏心套2的外侧安装有径向滑块3，径向滑块3在弹簧下抵在井口套管1的内壁上；本发明中，安装筒6与井口之间并不是硬性固定连接的，原因在于：起出油管时，连接在油管上的直径较大的井下工具必然无法从安装筒6中央穿过，这种情况下，若安装筒6与井口硬性固定连接，井下工具的冲击必然会对井下工具本身、井口或安装筒6造成不可逆的破坏。而在本发明中，在安装筒6的下部设置偏心套2，将安装筒6插入井口后，通过转动安装筒6便可将本发明固定在井口套管的内壁上，但这种固定不是刚性仅仅是依靠摩擦力固定，并不是刚性固定，当安装筒6下侧受到冲击时，安装筒6会从井口中脱出，从而避免井下工具本身、井口或安装筒6损坏。
安装筒6的上端设置有平台部9，平台部9的直径与井口法兰8的直径相同，所述电机10和检测探头12均沿径向安装在平台部9内部。
作为进一步的技术方案，所述安装筒6上端的内侧加工有止口，止口内安装有尼龙套14、尼龙环7和所述的外齿圈16，尼龙套14和尼龙环7分别位于外齿圈16的上下两侧；止口的内壁与所述尼龙套14的外壁的结合面上加工有轴向孔，所述中间传动轴11插装在该轴向孔内。尼龙套14和尼龙环7有两个作用，一是减弱射频天线22附近的金属环境，降低干扰，二是使中间传动轴11得以顺利安装。
Claims (4)
1.一种油管、抽油杆身份识别跟踪系统，包括检测探头(12)、芯片、芯片读取装置和接箍(19)，其特征在于：检测探头(12)安装在一个独立于井口的安装筒(6)上，芯片安装在接箍(19)的上端面上；
所述的芯片为射频电子标签(23)，所述的芯片读取装置为射频读写器，射频读写器的结构包括射频读写器主机(13)和射频天线(22)，射频天线(22)通过导线与射频读写器主机(13)连接；
所述射频天线(22)设置在所述安装筒(6)的内侧，所述射频读写器主机(13)设置在安装筒(6)的外部，射频天线(22)和射频读写器主机(13)之间通过导线连接；
所述安装筒(6)内设置有外齿圈(16)，外齿圈(16)的内径与安装筒(6)的最小内径相同，所述射频天线(22)镶嵌于外齿圈(16)的内壁上，所述安装筒(6)内还设置有电机(10)和中间传动轴(11)，中间传动轴(11)的一端通过齿轮副与电机(10)的输出轴连接，中间传动轴(11)的另一端通过齿轮副与外齿圈(16)连接，电机(10)启动后，电机(10)的动力经由中间传动轴(11)传递给外齿圈(16)，从而驱动外齿圈(16)旋转，所述外齿圈(16)的上端面上固定有导电环(21)，安装在外齿圈(16)内的射频天线(22)与导电环(21)电连接，导电环(21)的上方与导电环(21)对应设置有弹簧探针(15)，弹簧探针(15)的下端抵在导电环(21)上，弹簧探针(15)的上端通过导线与所述的射频读写器主机(13)连接；
所述外齿圈(16)由硬质非金属材料制成；
所述安装筒(6)的侧壁上加工有斜孔(5)，斜孔(5)内装有钢球(4)，自然状态下，钢球(4)在自身重力作用下从安装筒(6)的内壁露出；
在所述安装筒(6)的内壁上，钢球(4)露出位置的上沿与所述外齿圈(16)的下沿之间的距离等于接箍(19)的轴向长度。
2.根据权利要求1所述的一种油管、抽油杆身份识别跟踪系统，其特征在于：所述安装筒(6)插装在井口内，安装筒(6)下端的外侧加工有偏心区段，偏心区段的外侧套有偏心套(2)，偏心套(2)的外侧安装有径向滑块(3)，径向滑块(3)在弹簧下抵在井口套管(1)的内壁上；
安装筒(6)的上端设置有平台部(9)，平台部(9)的直径与井口法兰(8)的直径相同，所述电机(10)和检测探头(12)均沿径向安装在平台部(9)内部。
3.根据权利要求1所述的一种油管、抽油杆身份识别跟踪系统，其特征在于：所述安装筒(6)上端的内侧加工有止口，止口内安装有尼龙套(14)、尼龙环(7)和所述的外齿圈(16)，尼龙套(14)和尼龙环(7)分别位于外齿圈(16)的上下两侧；
止口的内壁与所述尼龙套(14)的外壁的结合面上加工有轴向孔，所述中间传动轴(11)插装在该轴向孔内。
4.根据权利要求1所述的一种油管、抽油杆身份识别跟踪系统，其特征在于：所述弹簧探针(15)的结构包括镀金铜管(17)、镀金铜针(18)和弹簧，镀金铜针(18)插在镀金铜管(17)内并在弹簧作用下保持从镀金铜管(17)内滑出的运动趋势。
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