[发明专利]一种用于石油井下工具控制的全向性RFID天线装置

说明书

本发明公开了一种用于石油井下工具控制的全向性RFID天线装置，通过构建多个子回路的思想实现全向性RFID读写器三维组合线圈天线，工作频率为适用井下金属和液体环境的低频125KHz或134.2KHz，并以管状形式缠绕在天线骨架上安装在井下金属管套中。本发明以多子回路组合天线产生X,Y,Z三个方向的磁场，相比目前井下RFID系统采用的单向螺线管天线，能够克服井下RFID标签随介质高速流动时发生滚动而产生读写方向性问题，可有效提升井下RFID系统的可靠性。

技术领域

本发明涉及能源开采装备技术领域，尤其涉及一种用于石油井下工具控制的全向性RFID天线装置。

背景技术

随着深井、超深井开发力度的加大，钻完井和固井作业中的常规井下工具和相关技术已不能完全满足现场需要。作为一门新兴技术，通过电子标签非接触式传递控制数据的RFID(Radio Frequency Identification,无线射频识别)有望为井下工具的高效、低成本控制提供一种全新的途径，完成一些传统工具不能完成的作业。其中读写器天线与金属钻杆同轴布置，当携带地面控制指令的电子标签随井内流体运动到天线区域时，进行RFID通信获取控制指令驱动井下工具动作。

RFID技术在石油工程领域的井下测量控制方面具有非常广阔的应用前景，可带来巨大的经济效益。然而，井下复杂的应用环境会对RFID系统造成不容忽视的影响，极大削弱RFID系统的通信性能。天线作为RFID系统中读写器和电子标签实现能量传递与数据交互的耦合载体，其结构和特性对RFID系统性能起着关键的作用。在现有技术中，美国专利US7063148，中国专利201010513415，201110171527，201510726490，201610061009，201811443692公开了一种用于石油井下数据通信的RFID系统，其中RFID读写器采用螺线管天线，其主要产生轴向方向的磁场，用于激活RFID电子标签完成数据通信。然而，电子标签随井内介质高速流动不可避免会发生滚动，当标签与读写器天线轴线垂直或近似垂直时，标签天线感应电压接近为零，导致出现读写方向性问题，影响RFID通信的可靠性。为了解决该问题，中国专利201610068814，201610361559对井下RFID电子标签天线进行了改进，前者使用分别与XY、XZ和YZ平面平行的三个线圈，后者通过配重稳定标签的运行姿态，来避免读写方向性问题，但这两种方法均会使标签的体积过大，无法满足井下狭小空间的要求。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于石油井下工具控制的全向性RFID天线装置。适用于提高石油井下RFID读写器天线的方向性，提升井下RFID系统的通信性能，实现RFID标签各个方向位置的读取，避免出现RFID读写盲区。可在井下复杂环境中实现对标签的全方向读取。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明用于石油井下工具控制的全向性RFID读写器天线装置，工作频率为适用井下金属和液体环境的125KHz或134.2KHz，构建多个子回路，每个子回路都有相反的相电流，产生X,Y,Z三个方向的磁场，实现当井下RFID电子标签随井内流体介质运动到井下读写器天线区域时，在各个方向均能被可靠读取。

所述的RFID读写器天线为立体组合式线圈天线，单个子回路为长方形，在管状天线骨架的外表面环绕弯曲成管状形式，实现与井下金属管道的同轴安装。

所述的RFID读写器天线由4个、5个、6个以及更多的子回路组成。奇数个子回路组合线圈天线的空间磁场分布要优于偶数个子回路组合线圈天线。

所述RFID读写器天线的长度根据井下电子标签的运行速度以及读取标签信息的时间来确定。天线的内径以电感最大化为优化目标进行设计，提高读写器检波电路的解调能力，提升井下读写器性能。

本发明的有益效果在于：