RFID技术的研究及井下应用

2018-03-09刘兆昆杨婧翌

信息记录材料 2018年5期

刘兆昆，刘转，杨婧翌

（西安石油大学陕西西安 710000）

1 引言

随着我国经济的持续平稳增长与科技的高速发展，对于油气井的开采有了更大的需求与期望，那么相比于传统工艺的钻井手段在勘探开发费用高昂和工程效率不足，提高油气井的长期有效性、作业高效率和降低油气井的建造成本，应用新技术在工程中显得尤为重要。近年来，一种集计算机、无线电、通信技术于一体的RFID（Radio Frequency Identification，即射频识别）技术出现在人们视野当中并急剧发展，已被广泛应用于工商业自动化和交通运输控制管理等众多领域。

RFID技术的井下通信系统可靠性高，降低操作复杂度并且加快数据处理速度，运用于油气井下的恶劣环境，将带来巨大的经济效益[1]。

2 RFID系统结构特点及工作原理

RFID技术是一种非接触式自动识别技术，该系统一般由射频标签、读写器和天线及相应的计算机系统组成，通过空间能量耦合(电感耦合或电磁耦合)实现射频信号无接触信息传递，并识别传递的特定信息[2]。

2.1 系统结构和特点

系统结构：

射频标签一般由耦合元件（天线）和芯片组成。每个标签在出厂时含有唯一的ID码，用来甄别标签信息；读写器由天线、控制模块和接口电路组成。天线主要进行能量传递，接口电路兼有发送通道和接收通道，控制模块对信号进行解码处理，并对下一步操作发出指令。

特点：

（1）标签可以巧妙地粘贴或嵌入在非金属材料中；

（2）识别码为电子制作，具有唯一性和永久存储性，同时具有可读写性，使得利用性更高；

（3）采用非接触方式识别，磨损或裂纹现象均低于其他识别方式；

（4）方便快捷性，操作简单，可靠性高，可有效降低施工成本；

（5）安全性更高。

2.2 工作原理

在RFID系统中，由读写器的载波发生电路产生载波，经过信号放大电路放大，传至天线端，在空间场将能量传送给标签，激活标签，将自身ID码及携带的其他信息再返送给读写器的控制模块进行解码，然后送往计算机系统判定信息正确与否，最后发送指令驱动执行机构。工作原理图如图1。

图1 RFID系统工作原理

3 在井下工具的应用

随着RFID技术在物流等行业的快速发展,人们也将此技术逐步运用到石油工程领域。起初，RFID技术仅应用于钻具的使用跟踪识别，与其技术在地面物流领域功能大致相仿，主要为了减少人为因素的误操作，间接提高工作效率。随着井下勘探难度加重，国外各大石油公司如马拉松石油公司，Petrowell公司，威德福公司等都深度挖掘RFID技术，使其运用到石油勘探与钻井工程领域之中。因此，应用RFID技术的智能化石油装备与钻井工具随之产生，这是对整个行业的发展起到了重要的作用。而在井下工具的应用方面大致有以下几种应用。

3.1 钻井扩眼工具中的应用

在钻井工具中，扩眼器是一个重要的部分，它通过在钻井时扩大井眼以达到提高机械钻速的目的。常规扩眼方式是利用机械式或水压式控制扩眼器，即在井筒中投球，靠液压控制扩眼器切屑齿的开关。但是该方法有一定局限性，由于井筒的尺寸限制而不能通过电缆工具或者更小的钢球。为了应对复杂的井况，提高钻井工作效率，威德福公司率先在业界研发了基于RFID技术的RipTideTM扩眼器[3]，该器件使用模块化设计，分为控制节与扩眼器节。

当需要进行扩眼作业时，将写入“开启”命令的RFID标签投入钻杆内，送至控制器短节的读写器进行识别，“开启”扩眼器，扩眼器的切削齿块进行作业；当需要关闭扩眼操作时，再次投放写入“关闭”命令的标签，再次进行同样的操作，即可使扩眼器停止作业。这样通过标签便可随时控制工具的开关，大大提高了作业效率。RFID控制器短节如图2所示。

图2 扩眼器节

3.2 在压裂滑套工具中的应用

目前在页岩气的开发中普遍采用水平井分段压裂技术，如裸眼封隔滑套分段压裂的传统工艺，采用投球方式控制滑套的开关，逐级压裂，但由于该方法操作复杂并且作业时间较长，因此威德福公司设计了一种将RFID技术运用到滑套上的工具。该工具通过RFID标签球控制滑套工具，将滑套工具的智能化更进一步。此滑套中主要包含天线和读写器（识别RFID标签），当需要滑套工作时，将RFID标签泵入井下，再经读写器识别后发送指令驱动滑套的开关。

该滑套主体为三部分：RFID通信，控制和执行三个模块。当需要进行压裂作业时，将RFID标签投入至对应层位的管柱内，在被泵送至滑套位置时，其RFID通信单元获取RFID标签命令，由控制单元读出控制指令，驱动内部液压马达执行机构动作，完成滑套作业。图3为RFID滑套结构图。