基于无线射频技术的智能滑套信号收发装置设计

尚晓峰，刘岩岩，刘崇江，李清忠，赵骊川

(沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136)①



基于无线射频技术的智能滑套信号收发装置设计

尚晓峰，刘岩岩，刘崇江，李清忠，赵骊川

(沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136)①

摘要：现有的石油开采技术中，传统的机械滑套投球滑套在压裂级数上有限，为提高开采效率，增加压裂级数是关键。 将射频技术应用到滑套当中，可解决井下滑套开闭问题。用投递信号球作为开闭滑套的方式可以实现井下压裂的无限级。 对信号的接收系统软硬件进行设计计算，并模拟井下工况对信号球以及阅读器进行试验，验证了射频滑套信号接收系统的性能。试验结果表明，设计的信号接发系统工具能够满足所要求的性能指标。

关键词：滑套；射频；分段压裂；射频识别；信号球

水平井分段压裂技术已成为当今油气开采的重要技术[1]。近年来，其技术工艺日趋成熟，对水平井水平段长度及压裂级数的要求也随着生产效率的提高而不断增加，传统的机械移动滑套和投球滑套因受滑套管径的限制，压裂级数受限[2]。为解决压裂级数不受投球尺寸限制的问题，本文提出一种采用射频技术开启滑套的方法，实现智能识别和远距离通讯，同时采用与滑套结构尺寸相近的压裂工具，以解决压裂技术受限的问题。

1总体方案

射频识别(RFID)也称之为无线电频率识别。应用RFID系统可以识别预先储存在电子标签中的电子数据，由阅读器读出识别信息，具有智能识别和远距离通讯的特点。通过电感耦合方式可实现非接触自动识别，信息数字化，识别效率高，可使用编码技术在不用改变传统投球滑套基本尺寸的前提下实现激发开启滑套。

RFID系统基本工作原理是：电子标签为集成电路芯片，当电子标签进入有效工作识别区域时，电子标签的天线与阅读器天线相互切割磁感线产生感应电流，阅读器的射频载波用于为电子标签提供能量，电子标签被激活，电子标签向阅读器传送储存数据的方式是采用对载波的负载调制。阅读器采用载波间隙，脉冲调制，编码调制等方式给电子标签及主机传递命令和数据。主机根据逻辑运算识别该标签身份，并根据程序设定做出相应的动作和控制，如图1 所示。

图1　RFID工作原理图

RFID系统根据射频耦合方式的不同一般分为电磁反向散射耦合系统(电磁场耦合)和电感耦合系统(磁耦合)两类。

电感耦合方式是依据电磁感应定律通过空间高频交变磁场实现耦合。射频载波频率为135 kHz以下，适用于中、低频工作的近距离RFID系统，典型作用距离为0～20 cm。由于射频滑套内空间较窄，所以选择电感耦合系统。该系统的能量供应方式是阅读器天线线圈激发磁场，其中一部分磁力穿过电子标签天线线圈，通过感应，在电子标签的天线线圈上产生电压U，将其整流后作为芯片的工作电源[3-7]。

2信号收发装置硬件系统设计

2.1电子标签(信号球)设计

电子标签(智能标签)属于应答器的一种，主要有工作频率、编码调制方式、数据传输、信息数据储存量，工作距离以及多标签识别功能。

由于井下深度较大、环境复杂，为保证电子标签顺利到达信号接收区域，采用将电子标签做成球型的方式，信号球主要由信号发射装置和球壳组成。信号球的组成及内部各模块功能如图2所示。

图2　信号球内部模块

1)天线。应用目的是收发信号并取得最大传输效果。

2)电压调节器。通过电感耦合方式把射频信号一部分能量整合成直流电源。

3)调制器与解调器。从阅读器传输过来的信息，通过调制解调电路送至控制单元，控制单元实现命令规定动作；从阅读器传回来的数据，经调制解调，再在控制单元命令下写入储存器。

4)逻辑存储单元。为射频系统储存识别信息。

2.2信号接收及控制系统

信号接收及控制系统又称为阅读器，阅读器并不仅具有读功能，而是泛指其具有读写功能 。此次设计的信号接收系统有3功能要求：①阅读器保证能从电子标签IC芯片中读取数据；②能够通过ITEAD Arduino单片机对以读取的信息进行处理并能实现规定动作；③可以为电子标签传输能量(通过射频方式)。

阅读器由射频接口、逻辑控制单元和天线3部分组成，如图3所示。

图3　阅读器内部各模块功能

1)射频接口主要任务和功能是激活电子标签并为IC芯片提供能量，是信号接收和发送的通道，包括编码、调制、解调、功率放大等。

2)逻辑控制单元是阅读器工作的核心，完成收发控制、向电子标签发送命令，并读取处理数据。

其硬件主要选择为：ITEAD Arduino开发板，RDM6300低频射频模块(如图4所示)及电磁阀等。

图4　RDM6300射频模块

2.3芯片选择及线圈设计

TK4100芯片是一种非接触式、无源，具有防碰撞能力的只读型CMOS集成电路微ID芯片，该芯片是由线圈终端之一从交变磁场得到相应的时钟频率，该电路是磁场上外部线圈电感耦合产生电能以驱动TK4100芯片，如图5所示。

图5　TK4100芯片及线圈

操作条件：芯片外部线圈两端产生的感应电压不小于3.5 V时启动芯片。设计计算如下：

1)射频模块。

线圈匝数N1

200

工作电流I1

50 mA

线圈大小

46 mm×32 mm×3 mm

线圈电感

47～68 μH

2)信号球线圈 。

线圈匝数N2

200

线圈内圆直径d

20 mm

射频模块线圈大小

S1=46 mm×32 mm=1 472 mm2

射频模块线圈所产生的磁场强度为

B=μ0N1I1

穿过信号球线圈的磁通匝链数为

Ψ=N2μ0N1I1S1

两线圈之间的互感为

信号球线圈感应电压大小为

TK4100ID芯片的内部电路由模拟前端，写解码，比特率产生器，调制器，模式寄存器，控制器，测试逻辑，储存器AFE选项寄存器构成，如图6所示。由图6可知TK4100ID芯片与阅读器之间的耦合方式。阅读器向TK4100ID芯片传送射频能量和读写命令，同时接收TK4100ID芯片以负载调制方式传送数据信号。

图6　TK4100芯片内部电路组成框图

3射频收发装置功能试验

3.1信号接收

为满足试验要求，需模拟井下工作环境。应具备的试验条件如下：

1)搭载钻井试验台，阅读器需要密封，避免直接暴露在液体环境中。

2)试验台滑套管道直径为150 mm。

3)安装大排量排水泵，排水泵的排量设定分别为2.2、3.4 m3/min

4)滑套管道内液体为油、水混合液。

测试信号球分别以2.1 m/s (水平井压裂液)和3.2 m/s(垂直深井压裂液)流速通过阅读器 。测试阅读器在这2种压裂液流速下接收状态，分别试验10次，结果均能接收到信号球发出的信号。

3.2耐温试验

为了保证在井下温度下能正常收发信号，模拟井下高温环境，对信号球和阅读器在高温情况下进行性能测试。

将信号球浸泡在的水箱中，将水箱内的水加热到100 ℃，通过观察水箱外信号接收装置接收识别信息的情况，验证信号球内部电路能否受到影响。再通过水箱外部投递信号球，观察水箱内的信号接收装置是否接收到识别信息[8-12]。

试验结果显示，外部信号接收装置能准确地接收到水箱中信号球的识别信息，水箱内的信号接收装置也能接收到外部信号球发出识别信息。实验结果证明，该信号球和阅读器可以在100 ℃高温环境中接收信号。

3.3承压试验

井下压裂过程中，压裂液压力可达50 MPa，为保证信号球在井下正常工作，需设计承压试验对信号球的性能进行验证。

信号球壳体材料选择有机玻璃，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯。可在自制恒温承压测试装置中进行承压测试。壳体直径为30 mm，壳体开宽度为5 mm，深2 mm的槽，用于放置信号球线圈芯片，试验温度为100 ℃，对壳体施加70 MPa压力，观察压力变化情况。承压试验压力-时间曲线如图7所示。在压力增加至70 MPa后，压力没有出现下降，说明密封件未出现损坏，信号球能满足70 MPa 的承压性能要求。

图7　信号球壳体承压试验压力-时间曲线

4结论

1)信号接收装置内部结构设计计算符合要求。

2)通过信号接收试验表明，在油水混合液中，信号球以2.1和3.2 m/s速度通过阅读器，能接收到信号球发出的信号。

3)为保证在井下温度下能正常收发信号，信号球浸泡在水箱中，将其加热到100 ℃，仍能准确接收到信号。

4)在承压试验中，在100 ℃温度条件下，对壳体施加70 MPa的压力，压力值并无明显下降，壳体承压能力满足要求。

参考文献：

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[2]孔青岩，张德荣，张笑非.水平井可关闭压裂滑套有限元分析[J]．石油矿场机械,2013，42(5)：54-56.

[3]单承赣，单玉峰．射频识别(RFID)技术原理与应用[M]．第2版．北京：电子工业出版社，2015．

[4]周晓光，王晓华．射频识别(RFID)技术原理与应用实例[M]．北京：人民邮电出版社，2006．

[5]李伟业.RFID信息化图书馆设备参数优化研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[6]颜涛.RFID技术研究及其在仓储管理中的应用[D].西安：西安电子科技大学，2006.

[7]Garrison M，Cox M，Clarkson B.Reinventing deepwater exploratory testing[G].OTC 21277，2011.

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[9]李大寨，王克沛.基于RFID技术的智能滑套分段压裂工具的设计[J].机械与电子，2014(2)：50-53.

[10]光新军，王敏生.RFID在井下工具中的应用[J].石油机械，2013(5)：25-28.

[11]蓝锡巨.谈我国石油工业的发展战略问题[J].当代石油石化，2004，12(1)：10-11.

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Intelligent Sliding Sleeve Signal Based on the Technology of Radio Frequency Transceiver Design

SHANG Xiaofeng，LIU Yanyan，LIU Chongjiang，LI Qingzhong，ZHAO Lichuan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136，China)

Abstract：In the present oil production technology，the traditional mechanical sliding sleeve，pitching sliding sleeve was restricted on fracturing level.Increasing the fracturing series is the key of improving the efficiency of mining.The RFID technology was induced to the sliding sleeve to solve open and close well decline set problem.The oil underground fracturing of infinite level can be realized with delivery signal balls as a means of opening.In this paper，the signal of the receiving system hardware and software design was calculated，and the experiment was introduced to simulate the oil underground signals and reader's experiment.The performance of the sliding sleeve of the radio signal receiving system was verified.The experimental results show that：the signal receiver system tool can meet the required performance indicators.

Keywords：sliding sleeve；radio frequency；staged fracturing；RFID；signal ball

中图分类号：TE934.2

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.022

作者简介：尚晓峰(1972-)，男，辽宁海城人，博士，硕士研究生导师，主要研究领域为激光快速成型和石油开采井下工具。

收稿日期：①2015-09-12

文章编号：1001-3482(2016)03-0089-04