基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输系统及方法与流程

本发明属于石油天然气钻井技术领域，特别是涉及一种基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输系统及方法。

背景技术：

压裂是提高油气田开发能力的重要技术手段，压裂过程中动态压力值和温度的测试技术，对研究压裂工艺机理、了解储层物性、评价压裂施工效果等具有重要意义；在压裂施工前，将压力、温度测量装置装在托筒内，随压裂管柱下入到井内至所需测量的位置；施工结束后，随压裂管柱一同从井内起出，完整地记录压裂施工过程中以及压裂施工结束之后排液阶段真实的井底压力、温度变化情况，若要读取这些数据，通常采用将铠装电缆或光纤等下入压力、温度测量装置位置，通过有线方式由地面进行读取，工艺复杂，成本高。

研究一种基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输系统，压力、温度测量装置随工具入井，实时记录井底压力、温度信息，压裂施工完成后，由压力、温度测量装置对数据进行压缩处理，从井口投入射频标签，由标签经过读写器天线识别范围时读取处理后的压力、温度信息，标签返排到地面后由计算机读取标签中存储的压力、温度信息，用于压裂过程的分析、解释，工艺简单、数据量小、传输速率快、成本低，具有重要的意义和实用价值，但目前尚缺少此类装置。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输系统及信号提取方法，以实现地面对井下压力、温度信息的读取。

为了达到上述目的，本发明提供的基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输系统包括：井下测量装置、井下射频读写单元、射频标签、地面射频读写单元、上位机，其中：井下测量装置与井下射频读写单元连接，井下射频读写单元通过射频标签与地面射频读写单元连接，地面射频读写单元与上位机连接；井下测量装置和井下射频读写单元构成井下单元，地面射频读写单元和上位机构成地面单元。

所述井下测量装置包括压力、温度测量单元、信号调理单元、中央处理单元、存储单元，其中：压力、温度测量单元通过信号调理单元与中央处理单元连接，存储单元与中央处理单元连接，中央处理单元与井下射频读写单元连接。

所述压力、温度测量单元包括压力传感器和温度传感器；所述信号调理单元包括信号滤波电路、信号放大电路，其中：信号滤波电路分别与压力传感器和温度传感器连接，信号滤波电路通过信号放大电路与中央处理单元连接；所述中央处理单元包括微处理器、时钟同步电路和监控电路，其中：微处理器分别与时钟同步电路、监控电路、信号放大电路和存储单元相连接；所述的微处理器选用pic系列单片机及其外围电路。

所述井下射频读写单元包括射频读写电路和射频天线，其中：射频读写电路与射频天线连接，射频读写电路与微处理器连接，射频天线通过无线的方式与射频标签连接。

所述射频标签的数量为2～n枚，n根据待传输的数据量确定。

本发明提供的基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输方法包括井下单元操作方法和地面操作方法，所述的井下单元操作方法包括如下步骤：

步骤1)下井前的初始设置

设定井下压力、温度信号测量采样间隔、判别采样间隔及压裂各阶段压力、温度信息的提取采样间隔，井下测量装置进行初始化，随工具入井；

步骤2)采集存储原始数据

井下测量装置中的压力、温度测量单元实时测量所在位置附近的压力、温度信息，信号调理单元对测量信息进行滤波、放大操作，中央处理单元按测量采样间隔采集信号调理单元输出的压力、温度信息，并将其作为原始采样数据送入存储单元中进行存储。

步骤3)压裂过程分析

中央处理单元按判别采样间隔读取存储单元中已存储的压力、温度信息，采用时频分析与模式识别相结合的方法，提取压力、温度信息中包含的特征信息，将压力、温度信息按照所属压裂过程的不同阶段进行划分，得到各阶段起始位置压力、温度信息在所述存储单元中的索引地址；

步骤4)存储分析结果

压裂各阶段起始位置压力、温度信息在所述存储单元中的索引地址连同该阶段所对应的提取采样间隔作为压裂信息存入所述存储单元中；

步骤5)检测射频标签是否存在

中央处理单元通过井下射频读写单元实时监测是否有射频标签进入可识别区域，若有，则执行步骤6)；否则，下一步返回步骤3)；

步骤6)写入标签数据

中央处理单元读取射频标签的传输指令，并依照传输指令的要求通过井下射频读写单元向射频标签中写入相应的数据；

步骤7)判断写入的标签数据是否完成

当射频标签离开井下射频读写单元中射频天线的可识别范围时，中央处理单元判断数据是否传输完毕，如果判断结果为“是”则下一步执行步骤10)，否则记录传输的最后一组数据在存储单元中的存储地址，下一步执行步骤8)；

步骤8)判断射频标签是否存在

中央处理单元通过井下射频读写单元实时监测是否有射频标签进入可识别区域，若有，则下一步执行步骤9)，否则，下一步返回步骤3)；

步骤9)写入标签剩余数据

中央处理单元将剩余压力、温度信息通过井下射频读写单元写入射频标签中；然后，下一步返回步骤7)；

步骤10)射频信号监测

井下测量装置通过井下射频读写单元继续对射频天线覆盖的可识别区域进行监测，下一步返回步骤3)；

所述的地面操作方法包括如下步骤：

步骤301)确定传输指令类型

需要读取数据时，首先根据要传输的数据类型，并通过上位机向射频标签中写入相应的传输指令，然后由井口投入射频标签；当需要传输原始采样数据时下一步执行步骤302)，当需要传输提取间隔数据时下一步执行步骤303)；

步骤302)投入射频标签传输提取间隔数据

在读取提取间隔数据时射频标签中的传输指令为传输提取间隔数据指令，此时中央处理单元读取所述存储单元中的索引地址及对应的提取间隔数据，按照提取采样间隔，将各压裂阶段内的压力、温度信息通过井下射频读写单元200写入射频标签中，然后下一步执行步骤304)；通常单枚射频标签即可读取全部待传输信息，有时也采用2枚射频标签，用于读取信息的比对；

步骤303)投入n个射频标签传输原始采样数据

在读取原始采样数据时射频标签300中的传输指令为传输原始采样数据指令，此时需要读取存储单元中按测量采样间隔存储的压力、温度信息，则根据入井前设置的测量采样间隔和工具入井时间大致判断已存储数据量，从而确定所需射频标签的数量n，通常n采用冗余设置，大于实际所需数量，防止数据读取不全，将n枚射频标签按一定时间间隔依次投入井中，当各射频标签处于井下射频读写单元的读写区域内时，中央处理单元顺序读取存储单元中存储的压力、温度信息，依次发送至各射频标签中，然后下一步执行步骤304)；

步骤304)标签出井处理标签数据

射频标签返排出井后，由地面射频读写单元读取、解码射频标签中的信息，送入上位机中进行处理和解释，实现井下压力、温度信息的无线数据传输。

在步骤1)中，所述的测量采样间隔为中央处理单元输入量的采样间隔，通常在1—60s；所述的判别采样间隔为中央处理单元针对压裂进行分析的时间间隔，通常在0.5—2h；所述的提取采样间隔为对非压裂作业阶段的数据抽取间隔，通常在1s～300s之间。

本发明提供的基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输系统及方法的效果：

用于当压力、温度测量装置永久式置于井底或在需要读取数据时不便从井底提出的情况，该测量系统无需改变钻井过程中的工艺操作流程，实现方便，数据传输速率快、稳定性好，成本低，具有较高的现场应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输系统的结构示框图。

图2为本发明提供的井下压力、温度测量装置井下部分电路结构图。

图3为本发明中井下单元操作方法流程图。

图4为本发明中的地面操作方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输系统及方法进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输系统包括：井下测量装置100、井下射频读写单元200、射频标签300、地面射频读写单元400、上位机500，其中：井下测量装置100与井下射频读写单元200连接，井下射频读写单元200通过射频标签300与地面射频读写单元400连接，地面射频读写单元400与上位机500连接；井下测量装置100和井下射频读写单元200构成井下单元，地面射频读写单元400和上位机500构成地面单元。

所述井下测量装置100用于测量、处理、存储所在位置附近的压力、温度信息，所述井下射频读写单元200用于将井下测量装置100输出的压力、温度信息送入进入识别范围的射频标签300中，所述射频标签300用于接收井下射频读写单元200输出的压力、温度信息，待射频标签300返排出井后，送入地面射频读写单元400中，所述地面射频读写单元400用于读取、解码射频标签300中存储的压力、温度信息，送入上位机500中，所述上位机500用于对压力、温度信息进行处理和分析，用于压裂解释。

如图2所示，所述井下测量装置100包括压力、温度测量单元110、信号调理单元120、中央处理单元130、存储单元140，其中：压力、温度测量单元110通过信号调理单元120与中央处理单元130连接，存储单元140与中央处理单元130连接，中央处理单元130与井下射频读写单元200连接。

所述压力、温度测量单元110用于测量安装位置附近的压力、温度信息，所述信号调理单元120用于滤波、放大压力、温度测量单元110输出的压力、温度信息，所述中央处理单元130用于设定采样频率、接收信号调理单元120输出的压力、温度信息，送至存储单元140中进行信息存储，并读取存储单元140中已存储信息用于分析判别，所述存储单元140用于存储中央处理单元130输出的信息；

所述压力、温度测量单元110包括压力传感器1101和温度传感器1102，所述压力传感器1101用于测量所在安装位置附近的压力信息，测量范围0mpa～100mpa，所述温度传感器1102用于测量所在安装位置附近的环境温度信息，测量范围-25℃～150℃。

所述信号调理单元120包括信号滤波电路1201、信号放大电路1202，其中：信号滤波电路1201分别与压力传感器1101和温度传感器1102连接，信号滤波电路1201通过信号放大电路1202与中央处理单元130连接；所述的信号滤波电路1201用于对压力、温度测量单元110输出的压力、温度信息进行滤波操作，去除高频噪声和干扰，信号放大电路1202用于对微小压力、温度信号进行幅值放大。

所述中央处理单元130包括微处理器1301、时钟同步电路1302和监控电路1303，其中：微处理器1301分别与时钟同步电路1302、监控电路1303、信号放大电路1202和存储单元140相连接；所述的微处理器1301用于对压力、温度信息进行判别处理，选用低功耗的pic系列单片机及其外围电路，时钟同步电路1302用于与上位机500实现时钟同步，监控电路1303用于实时监控微处理器1301的工作状态；

所述井下射频读写单元200包括射频读写电路210和射频天线220，其中：射频读写电路210与射频天线220连接，射频读写电路210与微处理器1301连接，射频天线220通过无线的方式与射频标签300连接；射频读写电路210用于调制/解调待传输信息并为射频标签300提供驱动能量，射频天线220用于发射待传输信号、监测射频标签300的到来。

所述射频标签300的数量为2～n枚，n根据待传输的数据量确定，所述射频标签300按一定时间间隔依次从井口投入，若单枚射频标签300即可完成全部数据的提取，投入2枚用于数据比对，投入n(n>2)枚通常用于未经中央处理单元130划分阶段的原始压力、温度信息的提取。

所述射频标签300采用有源标签设计，频率为13.66mhz，存储容量为2m比特。

本发明提供的基于射频技术的井下压力、温度测量信号传输方法包括井下单元操作方法和地面操作方法，如图3所示，所述的井下单元操作方法包括如下步骤：

步骤1)下井前的初始设置

设定井下压力、温度信号测量采样间隔、判别采样间隔及压裂各阶段压力、温度信息的提取采样间隔，井下测量装置100进行初始化，随工具入井；

步骤2)采集存储原始数据

井下测量装置100中的压力、温度测量单元110实时测量所在位置附近的压力、温度信息，信号调理单元120对测量信息进行滤波、放大等操作，中央处理单元130按测量采样间隔采集信号调理单元120输出的压力、温度信息，并将其作为原始采样数据送入存储单元140中进行存储；

步骤3)压裂过程分析

中央处理单元130按判别采样间隔读取存储单元140中已存储的压力、温度信息，采用时频分析与模式识别相结合的方法，提取压力、温度信息中包含的特征信息，将压力、温度信息按照所属压裂过程的不同阶段进行划分，得到各阶段起始位置压力、温度信息在所述存储单元140中的索引地址；

步骤4)存储分析结果

压裂各阶段起始位置压力、温度信息在所述存储单元140中的索引地址连同该阶段所对应的提取采样间隔作为压裂信息存入所述存储单元140中；

步骤5)检测射频标签是否存在

中央处理单元130通过井下射频读写单元200实时监测是否有射频标签300进入可识别区域，若有，则执行步骤6)；否则，下一步返回步骤3)；

步骤6)写入标签数据

中央处理单元130读取射频标签300的传输指令，并依照传输指令的要求通过井下射频读写单元200向射频标签300中写入相应的数据；

步骤7)判断写入的标签数据是否完成

当射频标签300离开井下射频读写单元200中射频天线220的可识别范围时，中央处理单元130判断数据是否传输完毕，如果判断结果为“是”则下一步执行步骤10)，否则记录传输的最后一组数据在存储单元140中的存储地址，下一步执行步骤8)；

步骤8)判断射频标签是否存在

中央处理单元130通过井下射频读写单元200实时监测是否有射频标签300进入可识别区域，若有，则下一步执行步骤9)，否则，下一步返回步骤3)；

步骤9)写入标签剩余数据

中央处理单元130将剩余压力、温度信息通过井下射频读写单元200写入射频标签300中；然后，下一步返回步骤7)；

步骤10)射频信号监测

井下测量装置100通过井下射频读写单元200继续对射频天线220覆盖的可识别区域进行监测，下一步返回步骤3)。

在步骤1)中，所述的测量采样间隔为中央处理单元130输入量的采样间隔，中央处理单元130按此时间间隔对井下压力、温度信息进行测量和采集，为满足后期压力、温度信息分析解释需要，测量采样间隔应尽量短，通常在1—60s；

所述的判别采样间隔为中央处理单元130针对压裂进行分析的时间间隔，中央处理单元130按此时间间隔读取存储单元140中已存储的压力、温度信息，该判别采样间隔用于对已存储压力、温度信息按压裂阶段进行划分，测量采样间隔应保证在该判别采样间隔内采集到足够多的数据用于特征判断，故判别采样间隔应远大于测量采样间隔，但应远小于各压裂阶段所包含时长的最小值，通常在0.5—2h；

所述的提取采样间隔为对非压裂作业阶段的数据抽取间隔，通过对不同年份、不同区块完整压裂数据的分析整理，提取压裂过程中各阶段压力、温度信息变化的特征规律，存入中央处理单元130中，根据压裂过程中不同阶段在后期压裂分析解释中重要程度，为各压裂阶段设定提取采样间隔，存入中央处理单元130中，中央处理单元130将按此间隔读取存储单元140中存储的对应阶段的压力、温度信息，通过井下射频读写单元200向地面发射；所述的提取采样间隔根据该阶段在压裂解释中的重要性设定，通常在1s～300s之间。

在步骤3)中，所述的时频分析与模式识别相结合的方法为：在频域中通过变尺寸分析的小波理论进行频域阶段划分，在时域和频域中结合小波分析结果根据典型压裂曲线特征进行各阶段的模式识别。

在步骤4)中，压裂各阶段起始位置压力、温度信息在所述存储单元140中的索引地址连同该阶段对应的提取采样间隔存入存储单元140中，由于存储单元140中的存储信息量在实时动态增加，中央处理单元130在不同数据量下对各阶段起始位置的确定可能存在误差，原则上数据量越大判别结果越准确，故压裂各阶段起始位置压力、温度信息在所述存储单元140中的索引地址存储时采用覆盖更新的策略。

在步骤6)中，所述的传输指令包括传输原始采样数据指令和传输提取间隔数据指令，传输原始采样数据指令要求中央处理单元130从存储单元140中读取原始采样数据并写入到射频标签300中，传输提取间隔数据指令要求中央处理单元130从存储单元140中读取提取间隔数据并写入到射频标签300中；其中：原始采样数据即为存储单元140存储的按测量采样间隔采集的压力、温度信息，提取间隔数据为根据存储单元140中压裂信息中的压裂各阶段起始位置索引地址及对应的提取采样间隔信息进行抽取后所得到的信息，其包括压裂作业阶段和非压裂作业阶段两部分：压裂作业阶段仅包括压裂施工作业阶段，非压裂作业阶段包括下压裂管柱阶段、等待作业阶段、压力保持阶段、提出压裂管柱阶段等，对于压裂作业阶段仍然提取存储单元140存储中的按测量采样间隔采集的压力、温度信息，而对于非压裂作业阶段则按照存储单元140中保存的索引记录从存储单元140存储的原始采样数据中按照提取采样间隔抽取出来的压力、温度信息。

如图4所示，所述的地面操作方法包括如下步骤：

步骤301)确定传输指令类型

需要读取数据时，首先根据要传输的数据类型，并通过上位机500向射频标签300中写入相应的传输指令，然后由井口投入射频标签300；当需要传输原始采样数据时下一步执行步骤302)，当需要传输提取间隔数据时下一步执行步骤303)；

步骤302)投入射频标签传输提取间隔数据

在读取提取间隔数据时射频标签300中的传输指令为传输提取间隔数据指令，此时中央处理单元130读取所述存储单元140中的索引地址及对应的提取间隔数据，按照提取采样间隔，将各压裂阶段内的压力、温度信息通过井下射频读写单元200写入射频标签300中，然后下一步执行步骤304)；通常单枚射频标签300即可读取全部待传输信息，有时也采用2枚射频标签300，用于读取信息的比对；

步骤303)投入n个射频标签传输原始采样数据

在读取原始采样数据时射频标签300中的传输指令为传输原始采样数据指令，此时需要读取存储单元140中按测量采样间隔存储的压力、温度信息，则根据入井前设置的测量采样间隔和工具入井时间大致判断已存储数据量，从而确定所需射频标签300的数量n，通常n采用冗余设置，大于实际所需数量，防止数据读取不全，将n枚射频标签300按一定时间间隔依次投入井中，当各射频标签300处于井下射频读写单元200的读写区域内时，中央处理单元130顺序读取存储单元140中存储的压力、温度信息，依次发送至各射频标签300中，然后下一步执行步骤304)；

步骤304)标签出井处理标签数据

射频标签300返排出井后，由地面射频读写单元400读取、解码射频标签300中的信息，送入上位机500中进行处理和解释，实现井下压力、温度信息的无线数据传输。

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，凡在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，均应包含在本发明的保护范围之内。