基于无线射频识别的井下工具控制技术

倪卫宁， 刘建华， 张 卫， 吴春萍， 吴 非

(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

目前，钻井、完井、压裂过程中井下工具的控制主要采用最简单有效的投球方式，但这种方式缺乏灵活性，只能实现单向控制，不能实现往复动作，更无法实现复杂的多级、多程度的控制。以扩眼器为例，采用投球方式只能实现扩眼器的打开，无法实现扩眼器的收起，更无法实现扩眼器打开大小的多级控制。

近年来，无线射频识别(radio frequency identification，RFID)技术得到了迅速发展，已广泛应用于工业生产、商业和交通运输等领域，在石油工程的应用也取得了一定进展，目前主要应用于钻杆标记，特种车辆及仪器的跟踪等方面[1-7]。国外RFID在井下工具中的应用方面处于前期研发阶段，并取得了较好的应用效果[8-10]；国内也已开始了相关技术研究[11-13]。笔者针对井下特殊的钻井液环境，设计出了能够适应各类钻井液环境的天线匹配电路，开展了井下环境电子标签系统研究，进行了读写器电路系统和相关嵌入式程序开发。

1 无线射频识别技术原理和工作频率

典型的RFID系统包括可编程数据的电子标签、读写器和处理数据的远端计算机3个部分[14-15],其工作原理如图1所示。电子标签就是射频卡，具有智能读写及加密通信的功能，包含天线、匹配网络、续电模块、中央控制器、通讯算法模块和存储器等。读写器由天线、无线控制模块和接口电路组成，通过调制的射频信号向标签发出请求信号，读取标签的识别信息，然后读写器把信号发送到计算机或者其他数据处理设备。

图1 RFID系统工作基本原理Fig.1 Working process of the RFID system

根据RFID标签工作的频段，可以将RFID标签分为低频、高频和超高频，典型的工作频率有125 kHz，134 kHz，13.56 MHz，433 MHz，915 MHz，2.4 GHz，5.8 GHz等;根据RFID标签是否使用电池，分为有源RFID标签(带电池)和无源RFID标签(不带电池)。考虑RFID标签存储周期、工作温度、体积等因素，有源RFID标签由于携带电池，不适合在高温高压的井下环境工作，且不满足体积小的要求。因此下面主要对各频段的无源RFID标签进行研究分析。

2 基于无线射频识别技术的井下工具控制方法

位于井下的指令接收与控制执行一体短节预先植入接收控制程序，射频识别标签预先写入执行指令的信息码。短节包含射频接收单元和执行控制单元，短节内部空腔过流钻井液和射频识别标签。通过井口投掷射频识别标签，然后再经过钻井泵加压输送钻井液，射频识别标签被钻井液裹挟进入井筒并下行。当射频识别标签随钻井液通过指令接收与控制执行一体短节内腔时，射频识别标签与短节内部的射频天线产生电磁感应，短节读取射频识别标签内的信息码。射频识别标签经过短节内腔时，标签和短节内的天线距离一般不超过20 cm，因此各种频率的RFID标签都可以完成信息码的有效读取。短节内的控制程序根据当前检测到的温度、环空压力、管柱压力等信息对接收到的信息码进行译码，获得指令，根据指令完成相应的操作执行，如控制电磁阀开关，驱动电机转动等，完成扩眼器、滑套等工具的打开或关闭。

3 指令接收与控制执行短节设计

整个指令接收与控制执行短节包括天线单元、接收与控制单元和驱动执行单元(见图2)。其中，天线绕制成圈，套在单元的内侧，射频标签经过天线线圈的内圈时，两者之间的距离不超过20 cm，各种低频标签都在读写范围以内。接收与控制单元给天线单元施加电磁波信号，在天线单元内腔形成电磁场，当射频标签经过天线单元内腔时，首先获得能量，同时完成标签内部信息码的读取。接收与控制单元读取到信息码后，进行译码，然后根据译码结果驱动执行单元。天线单元、接收与控制单元和驱动执行单元之间的信号线、控制线、电源线的连通孔相通。

图2 指令接收与控制执行短节结构Fig.2 Instruction receiving and control execution sub

4 无线射频识别接收系统电路设计

受井筒空间和读取电路系统天线尺寸的限制，短节夹层内安装电子电路、电池以及天线的空间有限。因此，需要设计高度集成的电路系统和天线结构，确保其能安装在有限的空间内。

电路系统设计要求:1)频率为134 kHz的收发一体电磁波电路；2)高度集成的数字器件；3)长距离天线匹配技术；4)低功耗。

采用4个3.6 V高温锂电池串联成14.4 V供电电源,可连续供电200 h以上。采用收发一体的天线线圈,工作频率为134 kHz。微处理器对射频读写器芯片的发射和接收进行控制,射频读写器芯片将读取指令调制到频率134 kHz的载波上。当RFID标签经过天线线圈附近时，RFID标签首先被天线线圈发射的电磁波充电,然后RFID标签启动,根据预先写入的数据调解自身的阻抗，形成负载调制信号。射频读写器芯片检测到负载调制信号，并解调信号，最后传输到微处理器读取RFID标签内的指令信息。井下无线射频接收短节电路设计流程如图3所示。

图3 无线射频接收短节电路设计框图Fig.3 Schematic diagram of wireless RF receiver circuit

5 天线匹配设计

读写器电路的匹配设计主要包含2部分:一是长距离天线匹配电路，主要解决天线需要在金属腔体里面布线所引起的功率损耗;二是针对读写器天线的电感在不同钻井液中会发生变化，需要设计一个可以自动设置的电容网络，采用软件设置等效电容值以配合天线电感变化，使发射天线获得最佳匹配，即发射电路谐振频率为工作频率134 kHz。

长距离天线匹配电路如图4所示，根据阻抗匹配计算得到相应的电阻和电容值，可以实现2 m以内的天线匹配。整个系统装配成一个短节，天线部分安装在短节内壁凹槽，电路板安装在腔体内。

电容网络如图5所示，该电容网络替换匹配电容C4和C5。根据试验测试和经验参数,假设天线最大电感为Lmax,为了实现最大匹配，固定连接在网络的电容计算公式为：

图4 长距离天线匹配电路Fig.4 Long distance matching circuit

图5 电容矩阵Fig.5 The capacitance matrix

(1)

式中：f为工作频率，Hz，；L为天线电感，H；C为电路板上的匹配电容，F。

首先，设定L为Lmax，计算出电路板上的电容C为Cmin；再设定L为Lmin，计算出电路板上的电容C为Cmax。其中，Cmin是固定连接电容值，Cmax为电容网络全部连通的最大电容值。

通过系统微处理器自带的模拟数字转换器以及外接交流-直流转换电路，可以监控天线振荡电路的输出。微处理控制电容网络开关，扫描配置电容下的振荡电路输出，可以自动寻找到最佳电容组合，即满足134 kHz的谐振点。模拟试验测试10种天线的电感，依次为300，400，…，1100和1200 μH,经过电容匹配得到的谐振频率分别为134.03,134.12,134.03,133.74,133.84,134.12,133.46,133.56,134.12和133.75 kHz。

从以上数据可以看出，谐振频率偏差基本上小于0.5%，匹配效果完全可以满足使用要求。

6 无线射频识别接收系统软件设计

考虑射频读写芯片的读写时序，在读取过程中需要加入多个延时，确保读取的准确性。程序中设置专门寄存数组用于存储读取的多组RFID标签的识别码，提高了读取成功率。利用单片机STM32F103的在线可编程能力，直接连接USB-JTAG转接模块，在计算机上调试仿真，调试完善以后直接写入代码，不需要通过编程器烧录程序。该系统采用单片机高级语言C51编程，提高了程序的可读性和可移植性，并兼顾到程序的编译效率。

7 测试结果

未进行姿态调节射频识别标签试验情况：其中承载指令信息的RFID标签模块为φ3.85 mm×23.0 mm圆柱体。该RFID标签模块相继通过了70 MPa耐压、125 ℃耐温可靠性试验。调节钻井液流量，配合外接管线直径设置钻井液流速为3 m/s，将射频接收短节与外接管线对接，钻井液以同样的速度通过射频接收短节内腔。将标签投入钻井液，以3 m/s的速度通过管线和射频接收短节内腔。标签经过接收短节的内腔时，读取成功率67%。观察和分析认为，读取不成功的主要原因是标签损坏和标签姿态不稳定。

利用加固保护胶，将原始射频识别标签包裹成钉子形，其中承载指令信息的RFID标签模块尺寸为φ5.5 mm×45.0 mm,有利于保护标签电路和进行姿态调节。该RFID标签模块相继通过了70 MPa耐压、125 ℃耐温可靠性试验。试验样本10个，进行了3组重复试验，标签在钻井液中经过接收短节内腔时，读取成功率100%。

8 结论与建议

1) 选取134 kHz低频率作为无线射频工作频率，研制的无线射频接收短节可以实现钻井液中RFID标签的数据读取。

2) 为了适用井下工具工作的环境要求，没有采用厂家提供的RFID标签；通过对RFID标签进行加固封装和姿态优化，接收成功率达100%。

3) 为了延长工作寿命，需要进一步降低井下读写器的功耗和提高其耐腐蚀、耐压等性能，因此需要继续对读写器的电路系统和机械结构进行研究。

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