基于RFID技术的压裂滑套控制系统的设计

申志伟李红伟刘 兵刘 威

（1西南石油大学 电气信息学院；2西南石油大学机电工程学院）

基于RFID技术的压裂滑套控制系统的设计

申志伟1李红伟1刘 兵1刘 威2

（1西南石油大学 电气信息学院；2西南石油大学机电工程学院）

为实现压裂级数不受限制、各级压裂滑套结构一致且可以智能控制的目标，设计出了一种基于RFID（射频识别技术）的滑套控制系统。当投放的RFID标签球通过压裂管道时，经过标签球里内置天线与读写器天线耦合，将存储的数据向井下发送。读写器接收载波信号后根据不同的设置发送指令信号给电控部分。电控部分驱动空心轴电机转动，空心轴电机部分通过霍尔信号控制电机精确换向，从而实现智能调节滑套的开度和启闭。通过搭建实验台架进行实验，验证了系统的可靠性。

RFID；滑套；天线；空心轴电机；开度

随着非常规油气资源的大规模开发，石油开发新技术不断发展，水平井分段压裂技术在当今油气增产中得到了越来越多的应用[1-2]。传统投球压裂工艺的压裂级数受限，流道内通径逐级减少，施工复杂，流动性差，已不能满足现代工艺的要求[3-7]。射频识别技术（RFID）是20世纪80年代新兴的一种自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递。本文将介绍一种基于RFID的压裂滑套控制系统，通过RFID标签球与井下通信装置非接触式信息传递，驱动空心轴电机控制滑套动作，可实现管柱全通径、开关智能控制，提高了石油开采的工作效率和稳定性。

1 RFID压裂滑套的原理和结构

射频识别是无线电频率识别的简称[8]。在RFID系统中，标签具有唯一的编码，具有数据处理精确、迅速等优点。在压裂滑套上应用RFID技术，可以实现智能识别和远距离通信，解决压裂级数受限问题。RFID压裂滑套控制系统主要由天线部分、电控部分、滑套执行部分和标签球组成（图1）。

天线置于内筒，将读取的信号传递给电控部分。电控部分分为两部分：一部分读取信号以驱动空心轴电机转动，另一部分为智能滑套提供电能。内滑套通过机械方式连接在空心轴电机输出机构上，并遮挡外壳上的压裂孔槽。滑套位于中心管和滑套外套筒之间，初始状态下滑套处于关闭状态。

在压裂滑套控制系统中，当标签球通过天线产生的电磁场区域时，通过天线间的耦合，标签球从电磁场中获取足够的能量，并将自身存储的数据编码调制后经内置天线向外发送。读写器接收从标签球传来的载波信号，通过对载波信号的解调和解码，还原出标签球内存储的数据，经过电控部分处理发送指令信号，控制滑套执行部分动作。如果信号识别码与控制装置匹配，那么电控部分控制电机关闭该段的管道阀门，实现对该段管道的封堵，从而完成该段的压裂。不同压裂段不是通过球座尺寸来区别，而是通过标签球的标识码来识别，从而达到压裂级数不受限制的目的。

图1 RFID压裂滑套控制系统

2 编码与通信

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。当RFID系统工作为近场模式时，读写器与标签球之间的能量和信号传输以电感耦合方式完成[9]。应答器的天线线圈和电容器构成振荡回路，通过谐振调谐到读写器的发射频率，标签球的天线线圈和电容构成振荡回路以调谐读写器的发射频率。电控板部分与RFID识别模块的核心芯片PIC单片机的UART_RX、UART_TX相连接，实现两部分的联调通信。RFID模块主要包括4部分：波特率部分、接受串行输入数据部分、发送串行输出数据部分和接口转换部分。

写入标签球里的数据为：8位数据起始位+8位地址位+13字节的控制数据+8位CRC校验。其中8位地址位循环递增，利用该地址的唯一性防止标签球内反排装置再次动作[10]：RFID读写器针对每个标签球内的信息只读一次，当再次遇到同一个地址编码的标签球时，则放弃对其信息的读出和处理。对标签球进行信号写入时，设置CRC校验。当RFID部分识别信号后，如果校验正确，就把所有数据存到共享存储器中，不对数据进行处理。电控部分检测到压力脉冲信号，通过I/O口通信触发唤醒RFID读写器读取标签球内信息，并向电控系统发一个触发信号读取数据，判断地址位，执行相应功能。RFID通信流程如图2所示。

图2 RFID通信流程图

ISO/IEC11784/5标准具有两种工作模式：TTF（Transponder Talks First） 模 式 和RTF（Reader Talks First）模式，两种模式可互相转换[11]。TTF模式标签球状态为Power Off—ready—TTF（自动发送标签球内数据），RTF模式标签球状态为Power Off—ready—Init—Selected（发Read page指令读取标签球内数据）。对于井下的RFID读写器，为了适应运动标签球携带的控制数据的读取，采用TTF通信模式[12]。

在地面数据交换系统向标签球写入控制数据时加入8位CRC校验码，以保证数据的正确性，井下读写器读取到控制数据需进行CRC校验[13]，如果正确则将控制数据存入公用的EEPROM。当外部触发信号产生中断唤醒系统时，读写器等待标签球通过天线范围[14]，读取标签球内的控制数据。系统数据通信流程如图3所示。

图3 系统数据通信流程图

3 电机设计

空心轴电机是滑套执行部分的核心，电机为压裂滑套提供动力驱动滑套启闭。井下空间狭窄，且管道中间还有流体经过，普通电机由于其实心构造难以用于井下，为井下工具提供动力。而空心轴电机不同于普通电机，其转轴设计为中空的，流体可以从中经过。因此本设计所选的电机为空心轴电机。电机装在电机外套筒内，电机外壳上的凸起卡在电机外套筒的凹槽内，防止电机径向转动。

空心轴电机的3个霍尔信号先经过74HC14相器后再经过阻容电路与定时器A的3个输入通道相连接，微控制器可以检测到每个输出信号的上升沿和下降沿，从而控制电机精确换相[15]。通过异或后的输入捕获结果不能提取出转子方向信息，然而通过比较转子当前状态及前一状态可以重构转子方向[16]。

4 系统实验

本次实验的实验台架主要由顶板、液压千斤顶、基座、传感器、拉杆、支撑板和滑套短节组成。实验可分为单元性实验和功能性实验两种。

（1）单元性实验包括RFID信号识别性测试、RFID标签球耐高温测试、RFID标签球耐高压测试。测试结果是：①采用清水实验，流速小于4.5m/s时识别率为100%；当采用压裂液测试时，随着流速增大，识别率略有降低，但流速小于4m/s时识别率不低于95%。②把标签球放入125℃的油中加热，5小时后识别率未受影响。③将标签球放入试压腔打压至70MPa，20个标签球只有一个受损，其余19个完好，信号识别不受影响。

（2）功能性实验为整机装配后的开度实验，采用清水进行实验。本次实验方案：通过对滑套设置不同的开度，对标签球中程序进行修改，给予标签球不同的命令[17]。当标签球通过RFID读写器的天线时，天线读取信号传递给控制器，控制器则根据不同的命令驱动空心轴电机转动，达到设定的滑套开度，实现对滑套精准控制, 每个标签球投递了5次。实验过程中验证的问题包括：①如不考虑标签球的反排问题，不对标签球进行屏蔽操作，验证标签球可否反复使用；②如没有重新写入命令而再次被投入，则被控制滑套是否动作。经验证：标签球可反复使用，当同一标签球投入后，被控制滑套不会重复动作。

实验智能滑套的开度共设置5种：0（全关）、1/4、1/2、3/4、1（全开），可在标签球中写入对应命令进行控制。每一个命令对应一个绝对开度，控制器接收到这个对应命令，滑套就被打开到对应开度（表1）。

实际操作中，仅对0号短节进行了控制，实验结果如表2所示。

表1 滑套开度设置

表2 开度实验结果

电控板通过电压型压力传感器采集信号，捕获压力脉冲信号并编码，控制空心轴电机运动，驱动滑套开关[18]。根据不同的压裂脉冲信号，对滑套关闭或打开一定的开度：全开、全闭、3/4开度、1/2开度、1/4开度，调试时会有相应的指示灯亮，通过实验已验证其工作情况正常，能实现预期功能。

实验结果表明，控制器通过驱动空心轴电机转动能达到设定的滑套开度，实现对滑套精准控制。通过多次实验测试，使用游标卡尺测量计算开度的误差，平均误差约为3%，最大不超过5%。同时实验也验证了当同一标签球投入后，被控制滑套不会重复动作，即任何一级滑套对同一个控制指令只执行一次。

5 结论

通过本次实验，井下RFID读写模块读取到RFID标签球后将信号传递至电控系统，电控系统将信号进行处理后控制电机相应动作从而实现滑套的启闭。当RFID标签球投递识别成功后，控制系统通过检测比较上次滑套开度与本次设置滑套开度的差值，进行调节并执行操作，滑套执行成功率达100%。滑套开度误差平均值约为3%，其中标签球执行操作为由初始密闭位置打开滑套。实验结果与设计要求相符合。

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Design of RFID-based sliding sleeve control system

Shen Zhiwei1, Li Hongwei1, Liu Bing1, Liu Wei2
(1 School of Electronics and Information Engineering, Southwest Petroleum University; 2 School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University)

In order to achieve unrestricted fracturing stages and consistent and intelligently controllable sliding sleeves in all stages, a sliding sleeve control system is designed on the basis of radio frequency identifcation (RFID) technology. When the RFID tag ball passes through the fracturing string, the stored data is sent to the downhole through the coupling between in-built antenna and reader antenna. The reader sends a command signal to the electronic control unit according to different settings after receiving the carrier signal. The electronic control unit drives the hollow-shaft motor to rotate, and the hollow-shaft motor realizes accurate commutation through the Hall signal, so that the openness and opening/closing of sliding sleeve is intelligently adjusted. An experiment was conducted on the bench to verify the reliability of the system.

radio frequency identifcation (RFID), sliding sleeve, antenna, hollow-shaft motor, openness

TE834.2

A

申志伟（1991-），男，河南安阳人，在读硕士，主要研究方向为智能控制、射频识别。地址：四川省成都市新都区新都大道8号，邮政编码：610500。E-mail：s_joshua@163.com

2016-05-23；修改日期：2017-01-17

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.02.014