Способ крепления радиочастотной идентификационной метки на насосно-компрессорной трубе
METHOD FOR FIXING THE RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION MARK ON THE TUBING PIPE

Область техники
Изобретение относится к способу крепления радиочастотной идентификационной метки на насосно-компрессорной трубе, используемой в нефтедобывающей промышленности.
Уровень техники
Проблема идентификации и отслеживания насосно-компрессорной трубы на всех этапах ее жизненного цикла существует давно. Жизненный цикл трубной продукции, начинающийся на заводе-производителе и заканчивающийся ее утилизацией, может включать также неоднократные спуско-подъемные операции (СПО) в скважину и ремонты трубы после периода эксплуатации.
Традиционные способы идентификации трубной продукции, такие как нанесение маркировки на поверхность трубы краской, лазером или ударно-точечным методом, неприемлемы для условий эксплуатации труб в нефтедобывающей отрасли. Такая маркировка труб является малоинформативной, при этом отсутствует возможность добавления и перезаписи информации в процессе их эксплуатации. Поиск и распознавание традиционной маркировки труб бывают затруднены или вовсе невозможны в связи с ее низкой стойкостью к условиям эксплуатации трубы.
Решением этой проблемы является идентификация и отслеживание насосно-компрессорной трубы при помощи технологии радиочастотной идентификации (RFID), предусматривающей размещение радиочастотной идентификационной метки на трубе.
Типовой исходной информацией, заносимой в радиочастотную идентификационную метку, является дата изготовления и наименование изготовителя, номер плавки, партии и самой трубы, группа прочности, дата отгрузки и иные сведения. Впоследствии с помощью RFID-терминалов информация, занесенная в метку, может корректироваться и дополняться маршрутом перемещения трубы, положением трубы в колонне насосно-компрессорных труб, информацией о количестве СПО и ремонтов трубы, ее наработке на конкретной скважине, решением о ее отбраковке и утилизации.
Требованиями к системе RFID насосно-компрессорных труб, кроме как можно меньших ее размеров и возможности перезаписи информации (класс RW), является ее работоспособность при температурах от -50 до +150°С, стойкость к атмосферным осадкам, нефтепродуктам, буровым растворам и прочим агрессивным средам, устойчивость к ударным и сдвигающим механическим воздействиям в процессе СПО.
Известны способы крепления радиочастотной идентификационной метки в теле нефтепромысловой трубы (см. патент РФ №2514870, опубл. 10.05.2014.05; патент РФ №2724855, опубл. 25.06.2020; патент США №8463664, опубл. 11.06.2013; публикация международной заявки WO 2011/109631, опубл. 09.09.2011; патент Китая №204371113, опубл. 03.06.2015).
Основной причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известных способов, является то, что в известных способах радиочастотную идентификационную метку размещают в углублении, выполненном в теле трубы, снижающем ее прочностные характеристики. Данные известные способы неприемлемы для насосно-компрессорных труб по причине их тонкостенности.
Известны способы крепления радиочастотной идентификационной метки на поверхности нефтепромысловой трубы (см. патент РФ №166171, опубл. 20.11.2016; патент РФ №194449, опубл. 11.12.2019).
Основной причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании данных известных способов, является то, что при их реализации крепление радиочастотной идентификационной метки на поверхности трубы осуществляется посредством недолговечного полимерного хомута и термоусаживающегося материала. Механические воздействия на насосно-компрессорную трубу в процессе СПО, особенно в скважинах с высоким темпом набора кривизны ствола, приведут к сдиранию такой системы крепления метки и выходу ее из строя после разрушения защиты.
Известны способы крепления радиочастотной идентификационной метки на нефтепромысловой трубе, в которых метку размещают в отдельном кольцевом держателе, который устанавливают на трубу и фиксируют на ней (см. публикацию международной заявки WO 2011/059342, опубл. 19.05.2011; патент РФ №2706950, опубл. 22.11.2019).
К основной причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, раскрытого в публикации международной заявки WO 2011/059342 (опубл. 19.05.2011), относится то, что данный способ предусматривает закрепление кольцевого держателя метки на трубе путем его сжимания. Механическое воздействие на держатель метки в процессе его закрепления на трубе приводит к пластической деформации тела трубы, что неприемлемо для насосно-компрессорных труб. Кроме того, данный известный способ не предусматривает защиту метки от воздействия агрессивных сред, характерных для нефтедобывающих скважин.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ крепления радиочастотной идентификационной метки на насосно-компрессорной трубе, в котором метку размещают в углублении, выполненном на внешнем диаметре кольца, которое закрепляют на трубе (см. патент РФ №2706950, опубл. 22.11.2019, принят за прототип).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что он предусматривает выполнение резьбы на внутреннем диаметре кольца и на внешнем диаметре трубы, посредством которой осуществляется их соединение. Нарезание резьбы на теле насосно-компрессорной трубы приводит к появлению дополнительного концентратора напряжений и снижению ее прочности. Кроме того, реализация известного способа, принятого за прототип, не обеспечивает защиту метки от воздействия агрессивных сред, характерных для нефтедобывающих скважин.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является многоаспектной и заключается в:
- обеспечении фиксированного положения радиочастотной идентификационной метки на поверхности насосно-компрессорной трубы в процессе ее эксплуатации;
- обеспечении защиты используемой радиочастотной метки от воздействия на нее агрессивных сред, характерных для нефтедобывающих скважин;
- устранении недостатков, присущих аналогам предложенного способа, указанным выше.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении прочности крепления радиочастотной метки на насосно-компрессорной трубе при исключении ослабления тела трубы и ее пластической деформации, а также в исключении прямого контакта поверхности установленной радиочастотной метки с внешней средой.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе крепления радиочастотной идентификационной метки к насосно-компрессорной трубе, включающем размещение радиочастотной идентификационной метки в углублении, выполненном на наружной поверхности кольцевого металлического держателя, закрепление кольцевого металлического держателя на насосно-компрессорной трубе, закрепляют кольцевой держатель на насосно-компрессорной трубе посредством запрессовки в зазор, образованный внутренней поверхностью кольцевого держателя и наружной поверхностью насосно-компрессорной трубы, двух металлических кольцевых клиньев, которые перед проведением запрессовки размещают на насосно-компрессорной трубе по одному с каждого торца кольцевого держателя, причем кольцевой держатель выполнен с возможностью свободного перемещения относительно насосно-компрессорной трубы, при этом периферийные участки его внутренней поверхности, сопрягаемые при запрессовке с кольцевыми клиньями, выполнены сужающимися, причем кольцевые клинья выполнены с продольными прорезями и возможностью свободного перемещения относительно насосно-компрессорной трубы, а радиочастотную идентификационную метку, размещенную в углублении кольцевого держателя, герметично покрывают радиопрозрачным компаундом.
Кроме того, предусмотрены частные варианты реализации способа, согласно которым:
- используют кольцевые клинья, внутренняя поверхность которых выполнена цилиндрической, а их наружная поверхность, сопрягаемая с кольцевым держателем, выполнена конической, при этом используют кольцевой держатель, у которого внутренняя поверхность, сопрягаемая с кольцевыми клиньями, выполнена конической;
- используют кольцевой держатель и кольцевые клинья, выполненные с углом уклона сопрягаемых конических поверхностей в диапазоне 1÷6°;
- используют кольцевые клинья, выполненные с продольными прорезями, расположенными равномерно по их контуру;
- перед покрытием радиочастотной идентификационной метки радиопрозрачным компаундом, ее дополнительно присоединяют к кольцевому держателю по меньшей мере одним крепежным элементом;
- используют кольцевой держатель и кольцевые клинья, выполненные из металла, при этом разница стандартных электродных потенциалов металла насосно-компрессорной трубы и металла, из которого выполнены кольцевой держатель и кольцевые клинья, не превышает 0,15 В.
Запрессовка кольцевидных металлических клиньев с обеих сторон от кольцевидного металлического держателя в сужающиеся зазоры, образованные внутренней поверхностью данного держателя и наружной поверхностью насосно-компрессорной трубы, позволяет сформировать плотное сопряжение поверхностей типа «металл-металл» между кольцевым держателем и кольцевыми клиньями, между кольцевыми клиньями и насосно-компрессорной трубой. При этом сопряжение элементов осуществляется по всему периметру их контакта, что обеспечивает высокую прочность образованного соединения.
Применение кольцевидных клиньев, выполненных с продольными прорезями, обеспечивает их равномерное деформирование в процессе запрессовки и качественное сопряжение элементов конструкции.
Использование кольцевого держателя и кольцевых клиньев, выполненных с возможностью их свободного перемещения относительно насосно-компрессорной трубы, обеспечивает отсутствие недопустимого механического воздействия на данную трубу в процессе их установки.
Герметичное покрытие радиочастотной метки, установленной в углублении, выполненном на наружной поверхности кольцевого держателя, компаундом исключает прямой контакт ее поверхности с внешней средой, тем самым обеспечивается защита метки от воздействия на нее агрессивных сред, характерных для нефтедобывающих скважин. При этом использование радиопрозрачного компаунда не оказывает негативного влияния на работоспособность радиочастотной идентификационной метки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного выше технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлен общий вид участка насосно-компрессорной трубы с закрепленной на ней радиочастотной идентификационной меткой;
- на фиг. 2 показан общий вид элементов конструкции крепления радиочастотной идентификационной метки;
- на фиг. 3 частично показано продольное сечение насосно-компрессорной трубы с установленной на ней конструкцией крепления радиочастотной идентификационной метки;
- на фиг. 4 частично показано продольное сечение кольцевого держателя с размещенной в нем радиочастотной идентификационной меткой;
- на фиг. 5 показан общий вид малогабаритного горизонтального гидравлического пресса.
Ссылочными позициями на чертежах обозначено:
1 - кольцевой держатель;
2 - кольцевой клин;
3 - радиочастотная идентификационная метка;
4 - насосно-компрессорная труба;
5 - винт;
6 - компаунд;
7 - пуансон;
8 - плита крепления гидроцилиндров;
9 - опорная плита;
10 - подвижная плита.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение раскрыто с помощью примеров конкретного выполнения, которые являются чисто иллюстративными и не ограничивают объема притязаний по настоящему изобретению, определяемого только приложенной формулой изобретения с учетом эквивалентов.
Как показано на фиг. 1-3, крепление радиочастотной идентификационной метки 3 к насосно-компрессорной трубе 4 обеспечивается за счет применения кольцевого металлического держателя 1 и двух кольцевых металлических клиньев 2, при этом метку 3 размещают в углублении, выполненном на наружной поверхности кольцевого держателя 1.
Применяемые кольцевой держатель 1 и кольцевые клинья 2 могут быть выполнены из любого подходящего металла, выбор которого для специалистов понятен. В частности, держатель 1 и клинья 2 могут быть выполнены из углеродистой стали. При выборе материала кольцевого держателя 1 и кольцевых клиньев 2 предпочтительно обеспечивать выполнение условия, согласно которому разница стандартных электродных потенциалов металла насосно-компрессорной трубы 4 и металла, из которого выполнены кольцевой держатель 1 и кольцевые клинья 2, не превышает 0,15 В. В этом случае учитывается электрохимическая совместимость материала трубы 4, кольцевого держателя 1 и кольцевых клиньев 2, что исключает вероятность их интенсивной контактной коррозии.
Периферийные участки внутренней поверхности используемого кольцевого держателя 1, сопрягаемые при запрессовке с кольцевыми клиньями 2, выполнены сужающимися в направлении к его средней части, а минимальный размер отверстия кольцевого держателя 1 в средней части выполнен несколько больше наружного диаметра насосно-компрессорной трубы 4. Данные характеристики внутренней поверхности используемого кольцевого держателя 1 обеспечивают возможность его свободного перемещения относительно насосно-компрессорной трубы 4 при установке на нее.
Минимальный размер отверстия используемых кольцевых клиньев 2 также выполнен несколько больше наружного диаметра насосно-компрессорной трубы 4, что обеспечивает возможность их свободного перемещения относительно насосно-компрессорной трубы 4 при установке на нее. Предпочтительно использовать кольцевые клинья 2, внутренняя поверхность которых выполнена цилиндрической. В этом случае обеспечивается их более плотный контакт с насосно-компрессорной трубой 4.
В соответствии с заявленным способом используют кольцевые клинья 2, выполненные с продольными прорезями. Предпочтительно использовать клинья 2, выполненные с продольными прорезями, расположенными равномерно по их контуру. В этом случае обеспечивается более равномерное их деформирование в процессе запрессовки.
Предпочтительно использовать кольцевые клинья 2, наружная поверхность которых, сопрягаемая в процессе запрессовки с кольцевым держателем 1, выполнена конической, и кольцевой держатель 1, у которого внутренняя поверхность, сопрягаемая с кольцевыми клиньями 2, также выполнена конической. В этом случае обеспечивается более полный контакт поверхностей клиньев 2 и держателя 1, сопрягаемых при запрессовке. При этом предпочтительно использовать кольцевой держатель 1 и кольцевые клинья 2, выполненные с углом уклона сопрягаемых конических поверхностей в диапазоне 1÷6°. В этом случае обеспечивается большая плотность их соединения.
Используемый кольцевой держатель 1 имеет углубление, в котором размещают радиочастотную идентификационную метку 3. Размеры и форма углубления зависят от размеров и формы выбранной радиочастотной идентификационной метки 3, пригодной для функционирования в заданных условиях. После установки радиочастотной идентификационной метки 3 в углублении, ее герметично покрывают радиопрозрачным компаундом 6, при этом заполняют компаундом 6 имеющиеся пустоты (объем между меткой 3 и стенками углубления кольцевого держателя 1), а также обеспечивают покрытие метки 3 компаундом 6 с ее внешней стороны.
Радиопрозрачный компаунд 6 после своего отверждения служит креплением метки 3 в углублении кольцевого держателя 1 и защищает ее от абразивного износа, а также от воздействия агрессивных сред, характерных для нефтедобывающих скважин, при этом его наличие не снижает параметры считываемости метки 3.
Предпочтительно перед покрытием радиочастотной идентификационной метки 3 радиопрозрачным компаундом 6, ее дополнительно присоединить к кольцевому держателю 1 по меньшей мере одним крепежным элементом, например, винтом 5. В этом случае повышается надежность крепления метки 3 к кольцевому держателю 1. На фиг. 4 показан вариант, в котором корпус радиочастотной идентификационной метки 3 привернут двумя винтами 5 к кольцевому держателю 1 через резьбовые крепежные отверстия, выполненные в углублении, и покрыт радиопрозрачным компаундом 6.
В качестве радиопрозрачного компаунда 6 могут быть применены различные не металлонаполненные составы, выбор из которых для специалиста понятен, включая эпоксидные или клеевые составы, однокомпонентные или многокомпонентные составы, термоотверждаемые или отверждаемые на воздухе, обладающие высокой адгезией к материалу кольцевого держателя 1 и стойкостью к абразивному износу.
Кольцевой держатель 1 размещают на насосно-компрессорной трубе 4 и фиксируют на ней посредством запрессовки в зазор, образованный внутренней поверхностью держателя 1 и наружной поверхностью трубы 4, двух кольцевых клиньев 2, которые перед проведением запрессовки размещают на насосно-компрессорной трубе 4 по одному с каждого торца кольцевого держателя 1.
Следует отметить, что допустим как вариант, при котором сначала на насосно-компрессорной трубу 4 устанавливают кольцевой держатель 1, после чего в углублении держателя 1 размещают радиочастотную идентификационную метку 3 и покрывают ее компаундом 6, так и вариант, при котором сначала в углублении кольцевого держателя 1 размещают радиочастотную идентификационную метку 3, покрывают ее компаундом 6, после чего держатель 1 устанавливают на насосно-компрессорную трубу 4.
Запрессовка кольцевых клиньев 2 осуществляется на заранее рассчитанную глубину и заранее рассчитанным усилием запрессовки. Предпочтительно проведение предварительного математического моделирования процесса запрессовки с расчетом величин напряжений и деформаций в теле трубы 4, кольцевого держателя 1 и кольцевых клиньев 2.
Запрессовка кольцевых клиньев 2 с обеих сторон кольцевого держателя 1 может быть реализована с помощью двух гидравлических цилиндров через пунсоны 7, например с использованием малогабаритного горизонтального пресса (см. фиг. 5).
В данном случае насосно-компрессорная труба 4, с размещенной на ее теле конструкцией, состоящей из кольцевого держателя 1 и двух кольцевых клиньев 2, устанавливается в ложемент пресса. Усилие от гидравлических цилиндров передается через закрепленную на их штоках подвижную плиту 10. В опорной плите 9 и в подвижной плите 10 устанавливаются пуансоны 7, с помощью которых усилие передается на торцы кольцевых клиньев 2. Путем выдвижения штоков гидроцилиндров производится запрессовка конструкции крепления.
Проведенные заявителем изыскания и математическое моделирование процесса запрессовки, выполненное с применение программного комплекса Ansys Mechanical, показало, что теоретическое усилие осевого сдвига, при котором запрессованную конструкцию срывает с места, составляет более 7 т. При этом пластические деформации в насосно-компрессорной трубе не наблюдаются.
Таки образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:
- объект, полученный при реализации заявленного способа, предназначен для использования в промышленности, а именно в нефтедобывающей промышленности,
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».