RFID技术在压裂滑套工具中的应用*

李红伟，刘　兵，李　强，申志伟，路振兴，董社霞（.西南石油大学电气信息学院，四川成都60500；.中海油田服务股份有限公司完井中心，天津300459）

RFID技术在压裂滑套工具中的应用*

李红伟1，刘兵1，李强2，申志伟1，路振兴2，董社霞2
（1.西南石油大学电气信息学院，四川成都610500；2.中海油田服务股份有限公司完井中心，天津300459）

目前，国内外对射频识别技术（RFID）在压裂工具中的应用还处于前期研发阶段，分析了RFID技术在压裂滑套工具中应用的可行性，阐述了油井下RFID控制系统和无线收发单元的内部结构与工作方式，其关键技术是RFID天线的设计、通信模块的识别率及电子元件和电池在高温高压条件下的工作状态。根据油井下的应用情况，搭建试验平台并进行相关试验操作，对主要存在的问题总结并改进，提出了RFID结合压力脉冲技术和磁感应技术的滑套工具的发展趋势，及水平井分段压裂工具的智能化方向。

射频识别技术；电子标签；RFID滑套工具；压力脉冲技术

0　引言

随着新技术在石油工程中应用的不断发展，油气井的长期高效作业显得极其重要，而水平井分段压裂技术已成为当今油气增产的关键技术。传统工艺采用裸眼封隔器分段压裂技术，通过投球驱动方式打开滑套，但随着水平井水平段长度和压裂级数的不断增加，流动性受到限制；若采用快钻桥塞分段压裂技术，使用桥塞进行选择性射孔、封隔和压裂，需要下入连续油管进行磨铣工作，施工时间长、成本高［1］。近年来，无线射频识别（radio frequency identification，RFID）技术在石油领域的应用取得了一定的进展，在水平井分段压裂的控制方面，RFID通过非接触式信息传递可实现管柱全通径、开关状态随时可控，能够突破传统工艺在滑套工具中应用的瓶颈。

RFID技术是一种非接触式自动识别技术，基本的RFID系统一般由电子标签、读写器和天线及相应的硬件控制系统组成，通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现射频信号无接触信息传递，并识别传递的特定信息［2，3］。RFID井下通信装置可靠性高，既节省后期运营成本，又提高作业精确性和加快数据处理速度，适用于石油井下恶劣环境，将带来巨大的经济效益［4］。

1　RFID压裂滑套的应用原理与功能

1.1RFID控制滑套结构与原理

滑套控制系统由RFID收发装置、控制模块和滑套执行装置组成［5，6］，如图1所示。RFID收发装置由无线收发模块和天线单元组成，完成操作命令非接触式传递，并通过天线由无线收发模块将控制信号传送至控制系统；控制模块主要由主控电路板、检测传感器组成，将无线信号解读并输出执行命令；滑套执行装置主要由微型直流电机、配套的管线路、内滑套、滑套外壳及密封组件组成，内滑套通过机械方式连接在微型直流电机输出机构上，并遮挡外壳上的压裂孔槽。

图1　RFID滑套结构示意图Fig 1　RFID sleeve structure diagram

电子标签一般封装制作成相同直径的信号球，当信号球被泵入井下，通过井下天线激活并捕获信号后，由读写器识别解码后，将RFID信息传送至控制模块，经解读后输出控制命令，借助井下电池触发滑套内部微型直流电机启动，驱动完成滑套打开或关闭。

1.2控制系统功能与选型

RFID控制系统由控制系统电路板与外围电路经特殊材料密封组成。如图2所示，RFID控制电路板由单片机、电机驱动模块、电压检测传感器和压力温度检测模块组成；无线接收模块由无线收发芯片、滤波放大电路、稳压电路和天线接收器组成。

无线接收模块一般选择低功耗、稳定性较高的CC1101芯片，控制模块中微处理器选用MSP430系列的超低功耗单片机，两者通过SPI方式进行通信连接，实现数据间的传输；天线匹配电路由电感和电容构成，与无线收发器的射频输入输出端连接，接收来自电子标签的无线数字信号，并通过无线通信协议解码，然后向控制模块传送该数字信号，进而控制电机驱动模块动作。电压、压力及温度信号采集电路，用于油井状态的反馈，以便进行智能调节。

2　RFID滑套在井下应用的关键技术

滑套工具在井下环境中管柱空间尺寸受限，作业周期长，介质是具有一定矿化度且悬浮大量砂砾的乳状液体，且管内温度高，所有元器件均采用耐高温型号，且经特殊封装，能够承受钻井中的高温高压环境，以及符合井下滑套工具的长时间待机，因此，低功耗和充足的电量是RFID控制系统需要考虑的问题。

2.1井下RFID通信天线的关键技术

井下天线作为RFID滑套工具的重要组成部分，其稳定性决定系统的性能。标签和天线之间采用高频通信，绕射能力较强的长波信号能适应井下介质环境，有利于提高通信质量。通过试验表明：可选用由玻璃纤维增强的聚醚醚酮（PEEK）作为井下天线的基板［9］，它是机械性能优良，具有高强度、高稳定性、耐冲刷的理想电绝缘体，适用于复杂恶劣的油井环境。通过测试，聚醚醚酮（PEEK）在耐高温性能方面十分突出，可在250℃下长期使用，比其他耐高温材料聚苯硫醚（PPS）、聚酰亚胺（PI）高出50℃。天线线圈是由漆包线紧密的缠绕在聚醚醚酮的基板框架中间，并由树脂浇注。天线外面包裹一层吸波材料来抑制其磁场，以减少在金属壳的涡流损耗。当滑套装上耐压外壳后，用树脂浇注以填充天线部分与外壳之间的间隙，提高其抗冲刷能力，避免吸收材料被井流体腐蚀，从而提高系统的可靠性和识别率。

2.2井下RFID标签的关键技术

电子标签由信号发射装置和承压外壳组成。其中，外壳和金属件主要起密封和承压作用，用于保护信号发生装置不被高温高压的油液损坏。通过对标签PCB电路板的尺寸和形状的优化设计，将PCB板设计为圆形，使其适合在球体内安装，有利于增强信号的识别度。如图3所示，标签表面上使用玻璃密封，不能在井下高压环境直接使用，因此，标签必须被重新封装，其封装材料要考虑既不影响标签的识别率，又要在一定程度增强标签抗高温高压的能力。目前一般采用陶瓷或者加玻璃纤维的PA66等为封装材料，若采用聚醚醚酮（PEEK）为标签外壳封装材料，在高温高压下进行试验，标签可以完全满足井下的工作条件。

图3　电子标签封装图Fig 3　Package diagram of RFID electronic tag

2.3井下RFID控制系统的能耗技术

油井下读写器和驱动电机需要高性能的锂电池在油井生命周期内能持续供电，但在高温条件下，锂电池的寿命较短，为了节省电池的电量，系统可设置睡眠模式，通过分别供电和分时供电的方式工作，以此减少电力消耗，在一定程度上延长电池的寿命，Weatherford公司目前的电池有效工作时间为1个月。目前有些石油公司尝试对井下智能压裂工具进行井底发电或电缆供电，在压裂或油井后期调整作业过程中，通过井下发电机发电、蓄电的方式来提供电力来源，但技术难度相对较大。该设想还处于前期研发阶段，如果成功，将对RFID在油气井下的应用带来革命性改变。

2.4井下RFID通信装置的识别技术

RFID标签需要由一定粘度的前置液或后期支撑剂的携砂液送入井下，泵送速度快，为了使井下读写器能够获取到信号球的电子信息，信号球在读写器天线覆盖范围内的时间至少需要40 ms，这决定了标签能被读写器天线检测到的最大速度。理论上井下天线的读取范围为0.12m。标签在于井筒角度不大于45°时有较高的识别率，所以，RFID标签的结构设计很重要。

3　系统试验与改进

3.1RFID识别实验台架与方案

本试验台架主要的目的就是研究流速对RFID信号的识别准确性和识别率的影响。试验台架系统原理如图4所示，台架试验装置由投球系统、动力给液系统、流量监测系统、试验检测控制系统和取球回收系统构成，其中关键部分是试验检测控制系统，主要包括RFID滑套控制系统、电机控制系统和计算机地面操作系统。

图4　试验系统原理图Fig 4　Principle diagram of test system

试验方案是流量调节与计量系统将水压和流速控制在试验需要的范围，以2～10 m/s流速向内径为62 mm，外径为132 mm模拟管道投入标签球，测试其识别性能和控制可靠性。每种工况速度投入20个，每次投入1个，其中每种标签球的泵送液是含有细小砂石和盐分的液体，利用RFID信号激活控制系统并驱动滑套工作。

试验数据如表1所示，实验泵送速度4 m/s以前的识别率是最高的，可达90%以上，泵送速度达10 m/s时，RFID标签识别率低于50%。随着速度的增加，标签球识别性降低，故障率升高，控制系统的性能降低。系统试验也存在误差，实际压裂液对RFID标签的识别性影响更大，以及控制系统的不完善，实际工况要比模拟系统复杂。综合考虑施工的效率和可靠性，流速控制最好为4 m/s。

表1　试验相关数据记录表Tab 1　Test related data recording sheet

3.2标签球耐压试验

为模拟压裂过程中标签球承受来自压裂液的冲击力，需要进行标签球的耐压试验。试验原理图如图5所示，将20枚标签球依次放置在试压腔中，用试压泵向试压腔中泵入清水，打压到70 MPa，蹩压10 min，泄压，取出信号球并检测信号球是否损坏，然后继续RFID标签识别试验，观察其识别性是否受影响，经测试标签球耐压可达到70 MPa，损坏率仅为5%。

图5　信号球耐压试验原理图Fig 5　Principle diagram of signal ball pressure test

3.3RFID系统控制方式的改进

随着石油深井开发力度加大，为应对井下复杂环境和突发情况，保证压裂施工的顺利进行，RFID滑套工具必须具备多种操作方式，避免RFID标签激活失效时，滑套工具不能正常工作。

根据油井实际需求，改进RFID的多级压裂滑套工具如图6所示，它由盘形弹簧的能量存储系统、RFID天线、磁力传感器、压力传感器、微机控制系统和电池组及滑套执行器组成。因此，井下工具不工作时，可将RFID控制系统和天线置于休眠状态，在套管中安装压力传感器或磁力传感器，通过识别压力脉冲信号或者电磁波感应来唤醒系统。另外，油井压裂过程中，针对不同位置的滑套，可通过压力脉冲技术设置不同的脉冲信号个数和时间间隔的宽度进行信息编码，井下压力传感器识别压力信号后进行解码，将命令传递给控制系统，实现滑套的打开和关闭操作，可有效避免RFID激活失效时压裂施工操作的延误。但压力脉冲信号和电磁波信号的衰减程度都受液体及其成分影响大，需要针对井下环境进行理论分析和试验分析，这也是国内外研究机构需要研究的方向。

图6　改进RFID的滑套工具Fig 6　Sleeve tool of improved RFID

4　结论

1）RFID技术已在分段压裂滑套工具上展开应用，并进行了模拟试验验证，解决了井下作业的难题，表明该技术在石油井下应用的可行性。

2）建议尽快开展石油井下环境中供电技术的研究，来弥补碱性电池或锂电池井下作业的不足，并在此基础上进行其配套设施的研究工作，研究井下发电技术是石油工程未来实现井下智能化的发展方向。

3）RFID在井下工具中成功应用的关键技术是电子标签和天线高温高压条件下的封装技术及其高速泵送下信息的读取率，提高RFID标签的制作工艺技术将会为RFID在井下应用带来革命性改变。

4）压裂工艺结合压力脉冲技术和磁感应技术进行施工操作，可保证井下RFID压裂滑套工具的正常高效工作，也是国内外研究机构需要的研究方向。

［1］倪卫宁，刘建华，张卫，等.基于无线射频识别的井下工具控制技术［J］.断块油气田，2014，21（1）：100-103.

［2］秦金立，戴文潮，万雪峰，等.无线射频识别技术在多级滑套压裂工具中的应用探讨［J］.石油钻探技术，2014，41（3）：123-126.

［3］李光泉，戴文潮.无线射频识别滑套关键技术研究［J］.石油机械，2014，41（5）：73-75.

［4］熊伟，贾庆升，马收.射频识别技术在钻完井中的应用与发展趋势［J］.断块油气田，2014，21（1）：100-103.

［5］光新军，王敏生，叶海超，等.RFID在井下工具中的应用［J］.石油机械，2013，41（5）：25-28.

［6］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.

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［8］Yuan Feng，Blanton Eric，Palmer Chris，et al.Is it possible to do unlimited multi-Stage fracturing economically［C］∥SPE 167791，SPE European Unconventional Conference and Exhibition，Vienna，Austria，2014.

［9］Zheng Lichen，Gao Yang，Yang Qinghai，et al.Controllable sliding sleeve fracturing technology［C］∥SPE 171450，SPE Asia Pacific Oil&Gas Conference and Exhibition，Adelaide，Australia，2014.

［10］Iain Adan.Radio frequency identification（RFID）leads the way in the questforinterventionfreeuppercompletioninstallation［C］∥SPE 166182，SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Louisiana，USA，2013.

李红伟（1977-），河南安阳人，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为智能控制、井下智能工具设计和控制等。

Application of RFID technology in fracturing sleeve tool*

LI Hong-wei1，LIU Bing1，LI Qiang2，SHEN Zhi-wei1，LU Zhen-xing2，DONG She-xia2
（1.School of Electrical Engineering and Information，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.China Oilfield Services Co Ltd Well-Completion Center，Tianjin 300459，China）

Currently，applications of radio frequency identification（RFID）in fracturing tool is still in early stages of development at home and abroad.Feasibility of application of RFID technology in fracturing sleeve tool is mainly analyzed，internal structure and working mode of RFID control systems and wireless transceiver unit in wells is described.The key technology is the design of RFID antenna，recognition rate of communication module and working state of electronic components and battery at high temperature and high pressure.According to application situation under oil well，test platform is built and related test operations are carried out，the main problems are summarized and improved.Development trend of sleeve tools on RFID technology combined with pressure pulse and magnetic induction technologies，and intelligent direction of staged fracturing tool in Horizontal well are proposed.

radio frequency identification（RFID）technology；electronic tag；RFID sleeve tool；pressure pulse technology

TE93

A

1000—9787（2016）06—0142—04

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0142—04

2015—09—24

中海油前瞻性合作项目（G1417CS—B20C036）