АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИОННОЙ RFID-МЕТКИ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК G06K19/77 G06K7/01 E21B7/04 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей и горной промышленности, а именно, к способу считывания информации с RFID-меток, установленных на нефтяном и газовом буровом оборудовании

Изобретение является промышленно применимым.

Бурильные колонны, используемые при бурении нефтяных и газовых скважин, состоят из труб различных типов. Глубокие скважины часто имеют более 600 стыков бурильных труб в стволе скважины, в дополнение к бурильным трубам бурильные колонны могут включать такие инструменты, как утяжеленные бурильные трубы, расширители, стабилизаторы, стыковые переходники для различных резьбовых соединений, предохранительные клапаны, специальные инструменты для каротажа.

Бурильные трубы являются основной частью бурильной колонны, предназначенной для спуска в буровую скважину и подъема породоразрушающего инструмента, передачи вращения, создания осевой нагрузки на инструмент, транспортирования бурового раствора к забою скважины. Они же составляют существенную часть всех затрат на нефтегазодобычу. Поэтому важно иметь эффективные средства контроля за всем жизненным циклом бурильной трубы, включая ее эксплуатацию непосредственно на буровых.

В настоящее время известно использование RFID-технологий такими компаниями, как Schlumberger, Франция, Petrobas (Petroleo Brasileiro S.A.), Бразилия, Weatherford International Ltd., Швейцария, ООО "Горизонты роста", РФ.

Применение RFID-технологии заключается в установке на каждую трубу RFID-метки, которая несет уникальную информацию об этой конкретной трубе. Считывание информации в необходимые моменты, дает возможность отслеживать «биографию» трубы. Однако использование этого метода сталкивается с проблемой, связанной с чтением RFID-меток, так как электромагнитное излучение RFID-метки сильно экранируется в присутствии металла, из которого изготовлены трубы и прочие бурильные инструменты. Эти трудности преодолеваются для задач складского учета, транспортировки, логистики, но надежное автоматизированное чтение RFID-меток непосредственно в процессе работы реальной буровой установки до настоящего времени не реализовано. Теоретические наработки не имели практического решения. На практике процедура осуществляется в ручном режиме, когда оператор подходит вплотную к опускающейся в буровую скважину или поднимающейся обратно бурильной трубе с RFID-меткой и считывает RFID-метку ручным RFID-сканером. Поскольку труб в бурильной колонне сотни, то для постоянной работы такой метод неприемлем.

Поэтому существует необходимость не просто в детализации бурильной колонны по отдельным компонентам, но и реализации этого процесса в автоматическом режиме для того, чтобы получать не только прогнозные, по плану бурения, не только усредненные в целом по колонне оценки таких параметров, как наработка, статические и динамические нагрузки, накопленная усталость, но и оценки, привязанные к каждой отдельной бурильной трубе или к другому инструменту, входящему в состав бурильной колонны.

Настоящее изобретение решает эту задачу детализации бурильной колонны, качественно улучшает мониторинг процесса бурения, прочих спускоподъемных операций и предоставляет возможность оценивать изменяющиеся физические параметры каждой отдельной компоненты бурильной колонны непосредственно в процессе бурения в автоматическом режиме.

Для этого в каждую бурильную трубу или другой элемент бурильной колонны инсталлируется RFID-метка, в состав которой входит электронная схема с уникальным идентификатором, который считывается заявленным измерительным комплексом.

Этот комплекс состоит из:

1) Стационарного RFID-сканера, генерирующего сканирующую прямую электромагнитную волну и считывающего обратную, отраженную от RFID-метки волну,

2) RFID-антенн, которые регистрируют электромагнитные поля,

3) Сетевого коммутатора, соединяющего отдельные элементы комплекса,

4) Локального сервера с оригинальным программным обеспечением, на который RFID-сканер передает собранную информацию для хранения и первичной обработки,

5) Элементов структурированной кабельной сети (соединительные кабели RFID-антенн с RFID-сканером, RFID-сканера с сетевым коммутатором, сетевого коммутатора с локальным сервером).

Заявленное изобретение относится к автоматизированному измерительному комплексу, монтируемому над устьем буровой скважины, для считывания в процессе бурения в реальном времени радиочастотных идентификационных пассивных RFID-меток, установленных на нефтяном и газовом буровом оборудовании.

Комплекс представляет собой автоматический программно-аппаратный комплекс, установленный над устьем буровой скважины, и состоящий из четырех RFID-антенн, стационарного RFID-сканера, размещенного во взрывозащищенном ящике, кабелей, соединяющих RFID-антенны с RFID-сканером, прикрепленных к металлоконструкциям под роторным столом буровой установки. А также сетевого коммутатора и локального сервера с оригинальным программным обеспечением (ПО), размещенных в кабине оператора бурения над роторным столом буровой установки.

Задачей изобретения является надежное считывание пассивных RFID-меток, установленных на компонентах бурильной колонны с целью получения информации о состоянии каждой отдельной трубы в процессе бурения в автоматическом режиме без участия оператора.

Сочетание установленного количества RFID-антенн, их определенного расположения и расстояния относительно бурильной трубы и относительно стационарного RFID-сканера обеспечивает возможность считывания информации с RFID-меток в процессе бурения в автоматическом режиме.

Задача решается путем размещения оптимального количества приемных RFID-антенн с учетом их влияния друг на друга, определения конфигурации их расположения относительно бурильной колонны, оптимального расстояния от трубы и защиты активного оборудования комплекса (RFID-сканера) с учетом требований пожарной и взрывобезопасности на нефтегазовых буровых

Так как колонна бурильных труб на скважине работает в разных режимах, то проведен ряд испытаний во всех этих режимах.

При проведении испытаний выявлено, что оптимальным количеством RFID-антенн являются четыре, а расстояние поверхности RFID-антенны от внешней поверхности бурильной трубы должно быть больше тридцати сантиметров по причине возможного касания с противовыбросным оборудованием при меньших расстояниях и должно быть меньше одного метра из-за ограничения по дальности считывания RFID-метки.

Для размещения RFID-антенн на буровой установке разработано специальное крепление, которое не является предметом настоящей заявки.

Также выявлено, что длина соединительного кабеля от стационарного RFID-сканера до RFID-антенны влияет на дальность считывания пассивной RFID-метки. Поэтому RFID-сканер должен быть установлен как можно ближе к RFID-антеннам, для чего он устанавливается в непосредственной близости от места установки RFID-антенн под роторным столом буровой установки, и в целях безопасности помещается во взрывозащищенный ящик. Длина соединительного кабеля от стационарного RFID-сканера до RFID-антенны должна быть как можно меньше из-за сильного затухания сигнала в нем, поэтому сканер тоже размещается в пространстве под роторным столом, при этом длина кабеля не должна превышать десяти метров.

Принципиальная схема расположения элементов измерительного комплекса относительно бурильной трубы с RFID-меткой следующая: труба с RFID-меткой - RFID-антенна - стационарный RFID-сканер - сетевой коммутатор - локальный сервер.

Увеличение количества RFID-антенн от одной до четырех улучшает считывание RFID-метки. Однако добавление пятой и последующих RFID-антенн практически не улучшает качество чтения, а вредит ему из-за возникающих интерференционных эффектов, поэтому в данном комплексе используются именно четыре RFID-антенны.

Геометрия расположения RFID-антенн следует из аксиальной симметрии, обусловленной вращающейся трубой, поэтому RFID-антенны устанавливаются в вершинах правильного многоугольника, центром которого является точка оси вращения трубы, лежащая в одной горизонтальной плоскости с центрами RFID-антенн. При этом плоскости поверхностей RFID-антенн ориентированы на ось вращения трубы перпендикулярно горизонту.

Ниже приводится перечень приложенных чертежей.

Фиг. 1 - схематическое изображение аппаратного измерительного комплекса, где

1 - бурильная труба с RFID-меткой,

2 - RFID-метка,

3 - RFID-антенна,

4 - соединительный кабель RFID-антенн с RFID-сканером,

5 - RFID-сканер

6 - сетевой коммутатор

7 - локальный сервер

9 - соединительный кабель между RFID-сканером и сетевым коммутатором

10 - соединительный кабель между сетевым коммутатором и локальным сервером

11 - взрывозащищенный ящик

13 - пространство под роторным столом

14 - пространство над роторным столом

Фиг. 2 - общий вид аппаратного измерительного комплекса, где

1 - бурильная труба с RFID-меткой,

2 - RFID-метка,

3 - RFID-антенна,

4 - соединительный кабель антенн с RFID-сканером,

5 - RFID-сканер,

8 - роторный стол буровой установки

11 - взрывозащищенный ящик

12 - устье ствола скважины

13 - пространство под роторным столом

Фиг. 3 - вид сбоку аппаратного измерительного комплекса, где

1 - бурильная труба с RFID-меткой.

2 - RFID-метка,

3 - RFID-антенна,

4 - соединительный кабель RFID-антенны и RFID-сканера,

5 - RFID- сканер,

8 - роторный стол буровой установки

11 - взрывозащищенный ящик

12 - устье ствола скважины

13 - пространство под роторным столом

Фиг. 4 - вид сверху аппаратного измерительного комплекса, где

1 - бурильная труба с RFID-меткой

2 - RFID-метка

3 - RFID-антенна

4 - соединительный кабель RFID-антенны и RFID-сканера

5 - RFID-сканер,

8 - роторный стол буровой установки

11 - взрывозащищенный ящик

12 - устье ствола скважины

13 - пространство под роторным стол.

Фиг. 5 - общий вид аппаратного измерительного комплекса, где

5 - RFID-сканер

9 - соединительный кабель между RFID-сканером и сетевым коммутатором

11 - взрывозащищенный ящик.

Фиг. 6 - общий вид аппаратного измерительного комплекса, где

3 - RFID-антенна

8 - роторный стол буровой установки

12 - устье ствола скважины.

Ниже описывается осуществление изобретения со ссылкой на приложенные чертежи.

Комплекс представляет собой автоматический программно-аппаратный комплекс, установленный над устьем ствола скважины 12 (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 6), и состоящий из четырех RFID-антенн 3 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 6), стационарного RFID-сканера 5 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5), размещенного во взрывозащищенном ящике 11 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5), кабелей 4 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4), соединяющих антенны с RFID-сканером 5 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5), прикрепленных к металлоконструкциям в пространстве 13 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4) под роторным столом 8 буровой установки (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 6), а также сетевого коммутатора 6 (Фиг. 1), соединенного с RFID-сканером 5 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5) соединительным кабелем 10 (Фиг. 1), и локального сервера 7 (Фиг. 1) с оригинальным программным обеспечением (ПО), расположенных в кабине оператора бурения в пространстве 14 (Фиг. 1) над роторным столом 8 буровой установки (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 6).

При размещении комплекса RFID-антенны 3 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 6) устанавливают в вершинах правильного многоугольника, центром которого является точка оси вращения бурильной трубы 1 (Фиг. 4), лежащая в одной горизонтальной плоскости с центрами RFID-антенн 3 (Фиг. 4, Фиг. 6), при этом плоскости поверхностей RFID-антенн 3 (Фиг. 4, Фиг. 6) ориентированы на ось вращения трубы 1 (Фиг. 4) перпендикулярно горизонту и размещаются в пространстве 13 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4) под роторным столом буровой установки 8 (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 6) на расстоянии, не менее 30 сантиметров и не более одного метра от внешней поверхности бурильной трубы 1 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4). При этом длина кабеля от стационарного RFID-сканера 5 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5) до RFID-антенны 3 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 6) не должна превышать десяти метров.

А сетевой коммутатор 6 (Фиг. 1), соединяют с RFID-сканером 5 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5) соединительным кабелем 9 (Фиг. 1, Фиг. 5), и соединительным кабелем 10 (Фиг. 1) с локальным сервером 7 (Фиг. 1) с оригинальным программным обеспечением (ПО). Сетевой коммутатор 6 (Фиг. 1) и локальный сервер 7 (Фиг. 1) размещают в кабине оператора бурения в пространстве 14 (Фиг. 1) над роторным столом 8 буровой установки (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 6).

Изобретение относится к нефтегазодобывающей и горной отраслям промышленности, а именно к способу считывания информации с RFID-меток, установленных на нефтяном и газовом буровом оборудовании. Технический результат - улучшенный мониторинг процесса бурения за счет оценивания изменяющихся физических параметров каждой отдельной компоненты бурильной колонны непосредственно в процессе бурения в автоматическом режиме. Комплекс представляет собой автоматический программно-аппаратный комплекс, установленный над устьем буровой скважины и состоящий из четырех RFID-антенн, стационарного RFID-сканера, размещенного во взрывозащищенном ящике, кабелей, соединяющих RFID-антенны с RFID-сканером, прикрепленных к металлоконструкциям под роторным столом буровой установки, а также сетевого коммутатора и локального сервера с оригинальным программным обеспечением (ПО), размещенных в кабине оператора бурения над роторным столом буровой установки. 6 ил.

Автоматизированный измерительный комплекс для считывания радиочастотной идентификационной RFID-метки в процессе бурения, установленный на нефтяном и газовом буровом оборудовании над устьем ствола буровой скважины, содержащий: RFID-антенны, стационарный RFID-сканер, сетевой коммутатор, локальный сервер, соединительные кабели, отличающийся тем, что:

- количество RFID-антенн составляет не более четырех,

- RFID-антенны устанавливаются на равном расстоянии друг от друга, образуя правильный многоугольник,

- RFID-антенны установлены в вершинах правильного многоугольника, центром которого является точка оси вращения бурильной трубы, лежащая в одной горизонтальной плоскости с центрами RFID-антенн,

- плоскости поверхностей RFID-антенн ориентированы на ось вращения бурильной трубы перпендикулярно горизонту,

- расстояние от RFID-антенн до внешней поверхности бурильной трубы с RFID-меткой должно быть не менее тридцати сантиметров,

- расстояние от RFID-антенн до внешней поверхности бурильной трубы с RFID-меткой должно быть не более одного метра,

- длина соединительных кабелей от RFID-антенн до стационарного RFID-сканера должна быть не более десяти метров,

- RFID-антенны располагаются под роторным столом буровой установки и крепятся к металлоконструкциям основания роторного стола,

- стационарный RFID-сканер размещается в пространстве под роторным столом буровой установки,

- стационарный RFID-сканер размещается во взрывозащищенном ящике, установленном в пространстве под роторным столом буровой установки,

- сетевой коммутатор и локальный сервер размещаются в кабине оператора бурения в пространстве над роторным столом буровой установки.