RFID技術在壓裂滑套工具中的應用*

李紅偉，劉　兵，李　強，申志偉，路振興，董社霞（.西南石油大學電氣信息學院，四川成都60500；.中海油田服務股份有限公司完井中心，天津300459）

RFID技術在壓裂滑套工具中的應用*

李紅偉1，劉兵1，李強2，申志偉1，路振興2，董社霞2
（1.西南石油大學電氣信息學院，四川成都610500；2.中海油田服務股份有限公司完井中心，天津300459）

目前，國內外對射頻識別技術（RFID）在壓裂工具中的應用還處于前期研發階段，分析了RFID技術在壓裂滑套工具中應用的可行性，闡述了油井下RFID控制系統和無線收發單元的內部結構與工作方式，其關鍵技術是RFID天線的設計、通信模塊的識別率及電子元件和電池在高溫高壓條件下的工作狀態。根據油井下的應用情況，搭建試驗平臺并進行相關試驗操作，對主要存在的問題總結并改進，提出了RFID結合壓力脈沖技術和磁感應技術的滑套工具的發展趨勢，及水平井分段壓裂工具的智能化方向。

射頻識別技術；電子標簽；RFID滑套工具；壓力脈沖技術

0　引言

隨著新技術在石油工程中應用的不斷發展，油氣井的長期高效作業顯得極其重要，而水平井分段壓裂技術已成為當今油氣增產的關鍵技術。傳統工藝采用裸眼封隔器分段壓裂技術，通過投球驅動方式打開滑套，但隨著水平井水平段長度和壓裂級數的不斷增加，流動性受到限制；若采用快鉆橋塞分段壓裂技術，使用橋塞進行選擇性射孔、封隔和壓裂，需要下入連續油管進行磨銑工作，施工時間長、成本高［1］。近年來，無線射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術在石油領域的應用取得了一定的進展，在水平井分段壓裂的控制方面，RFID通過非接觸式信息傳遞可實現管柱全通徑、開關狀態隨時可控，能夠突破傳統工藝在滑套工具中應用的瓶頸。

RFID技術是一種非接觸式自動識別技術，基本的RFID系統一般由電子標簽、讀寫器和天線及相應的硬件控制系統組成，通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現射頻信號無接觸信息傳遞，并識別傳遞的特定信息［2，3］。RFID井下通信裝置可靠性高，既節省后期運營成本，又提高作業精確性和加快數據處理速度，適用于石油井下惡劣環境，將帶來巨大的經濟效益［4］。

1　RFID壓裂滑套的應用原理與功能

1.1RFID控制滑套結構與原理

滑套控制系統由RFID收發裝置、控制模塊和滑套執行裝置組成［5，6］，如圖1所示。RFID收發裝置由無線收發模塊和天線單元組成，完成操作命令非接觸式傳遞，并通過天線由無線收發模塊將控制信號傳送至控制系統；控制模塊主要由主控電路板、檢測傳感器組成，將無線信號解讀并輸出執行命令；滑套執行裝置主要由微型直流電機、配套的管線路、內滑套、滑套外殼及密封組件組成，內滑套通過機械方式連接在微型直流電機輸出機構上，并遮擋外殼上的壓裂孔槽。

圖1　RFID滑套結構示意圖Fig 1　RFID sleeve structure diagram

電子標簽一般封裝制作成相同直徑的信號球，當信號球被泵入井下，通過井下天線激活并捕獲信號后，由讀寫器識別解碼后，將RFID信息傳送至控制模塊，經解讀后輸出控制命令，借助井下電池觸發滑套內部微型直流電機啟動，驅動完成滑套打開或關閉。

1.2控制系統功能與選型

RFID控制系統由控制系統電路板與外圍電路經特殊材料密封組成。如圖2所示，RFID控制電路板由單片機、電機驅動模塊、電壓檢測傳感器和壓力溫度檢測模塊組成；無線接收模塊由無線收發芯片、濾波放大電路、穩壓電路和天線接收器組成。

無線接收模塊一般選擇低功耗、穩定性較高的CC1101芯片，控制模塊中微處理器選用MSP430系列的超低功耗單片機，兩者通過SPI方式進行通信連接，實現數據間的傳輸；天線匹配電路由電感和電容構成，與無線收發器的射頻輸入輸出端連接，接收來自電子標簽的無線數字信號，并通過無線通信協議解碼，然后向控制模塊傳送該數字信號，進而控制電機驅動模塊動作。電壓、壓力及溫度信號采集電路，用于油井狀態的反饋，以便進行智能調節。

2　RFID滑套在井下應用的關鍵技術

滑套工具在井下環境中管柱空間尺寸受限，作業周期長，介質是具有一定礦化度且懸浮大量砂礫的乳狀液體，且管內溫度高，所有元器件均采用耐高溫型號，且經特殊封裝，能夠承受鉆井中的高溫高壓環境，以及符合井下滑套工具的長時間待機，因此，低功耗和充足的電量是RFID控制系統需要考慮的問題。

2.1井下RFID通信天線的關鍵技術

井下天線作為RFID滑套工具的重要組成部分，其穩定性決定系統的性能。標簽和天線之間采用高頻通信，繞射能力較強的長波信號能適應井下介質環境，有利于提高通信質量。通過試驗表明：可選用由玻璃纖維增強的聚醚醚酮（PEEK）作為井下天線的基板［9］，它是機械性能優良，具有高強度、高穩定性、耐沖刷的理想電絕緣體，適用于復雜惡劣的油井環境。通過測試，聚醚醚酮（PEEK）在耐高溫性能方面十分突出，可在250℃下長期使用，比其他耐高溫材料聚苯硫醚（PPS）、聚酰亞胺（PI）高出50℃。天線線圈是由漆包線緊密的纏繞在聚醚醚酮的基板框架中間，并由樹脂澆注。天線外面包裹一層吸波材料來抑制其磁場，以減少在金屬殼的渦流損耗。當滑套裝上耐壓外殼后，用樹脂澆注以填充天線部分與外殼之間的間隙，提高其抗沖刷能力，避免吸收材料被井流體腐蝕，從而提高系統的可靠性和識別率。

2.2井下RFID標簽的關鍵技術

電子標簽由信號發射裝置和承壓外殼組成。其中，外殼和金屬件主要起密封和承壓作用，用于保護信號發生裝置不被高溫高壓的油液損壞。通過對標簽PCB電路板的尺寸和形狀的優化設計，將PCB板設計為圓形，使其適合在球體內安裝，有利于增強信號的識別度。如圖3所示，標簽表面上使用玻璃密封，不能在井下高壓環境直接使用，因此，標簽必須被重新封裝，其封裝材料要考慮既不影響標簽的識別率，又要在一定程度增強標簽抗高溫高壓的能力。目前一般采用陶瓷或者加玻璃纖維的PA66等為封裝材料，若采用聚醚醚酮（PEEK）為標簽外殼封裝材料，在高溫高壓下進行試驗，標簽可以完全滿足井下的工作條件。

圖3　電子標簽封裝圖Fig 3　Package diagram of RFID electronic tag

2.3井下RFID控制系統的能耗技術

油井下讀寫器和驅動電機需要高性能的鋰電池在油井生命周期內能持續供電，但在高溫條件下，鋰電池的壽命較短，為了節省電池的電量，系統可設置睡眠模式，通過分別供電和分時供電的方式工作，以此減少電力消耗，在一定程度上延長電池的壽命，Weatherford公司目前的電池有效工作時間為1個月。目前有些石油公司嘗試對井下智能壓裂工具進行井底發電或電纜供電，在壓裂或油井后期調整作業過程中，通過井下發電機發電、蓄電的方式來提供電力來源，但技術難度相對較大。該設想還處于前期研發階段，如果成功，將對RFID在油氣井下的應用帶來革命性改變。

2.4井下RFID通信裝置的識別技術

RFID標簽需要由一定粘度的前置液或后期支撐劑的攜砂液送入井下，泵送速度快，為了使井下讀寫器能夠獲取到信號球的電子信息，信號球在讀寫器天線覆蓋范圍內的時間至少需要40 ms，這決定了標簽能被讀寫器天線檢測到的最大速度。理論上井下天線的讀取范圍為0.12m。標簽在于井筒角度不大于45°時有較高的識別率，所以，RFID標簽的結構設計很重要。

3　系統試驗與改進

3.1RFID識別實驗臺架與方案

本試驗臺架主要的目的就是研究流速對RFID信號的識別準確性和識別率的影響。試驗臺架系統原理如圖4所示，臺架試驗裝置由投球系統、動力給液系統、流量監測系統、試驗檢測控制系統和取球回收系統構成，其中關鍵部分是試驗檢測控制系統，主要包括RFID滑套控制系統、電機控制系統和計算機地面操作系統。

圖4　試驗系統原理圖Fig 4　Principle diagram of test system

試驗方案是流量調節與計量系統將水壓和流速控制在試驗需要的范圍，以2～10 m/s流速向內徑為62 mm，外徑為132 mm模擬管道投入標簽球，測試其識別性能和控制可靠性。每種工況速度投入20個，每次投入1個，其中每種標簽球的泵送液是含有細小砂石和鹽分的液體，利用RFID信號激活控制系統并驅動滑套工作。

試驗數據如表1所示，實驗泵送速度4 m/s以前的識別率是最高的，可達90%以上，泵送速度達10 m/s時，RFID標簽識別率低于50%。隨著速度的增加，標簽球識別性降低，故障率升高，控制系統的性能降低。系統試驗也存在誤差，實際壓裂液對RFID標簽的識別性影響更大，以及控制系統的不完善，實際工況要比模擬系統復雜。綜合考慮施工的效率和可靠性，流速控制最好為4 m/s。

表1　試驗相關數據記錄表Tab 1　Test related data recording sheet

3.2標簽球耐壓試驗

為模擬壓裂過程中標簽球承受來自壓裂液的沖擊力，需要進行標簽球的耐壓試驗。試驗原理圖如圖5所示，將20枚標簽球依次放置在試壓腔中，用試壓泵向試壓腔中泵入清水，打壓到70 MPa，蹩壓10 min，泄壓，取出信號球并檢測信號球是否損壞，然后繼續RFID標簽識別試驗，觀察其識別性是否受影響，經測試標簽球耐壓可達到70 MPa，損壞率僅為5%。

圖5　信號球耐壓試驗原理圖Fig 5　Principle diagram of signal ball pressure test

3.3RFID系統控制方式的改進

隨著石油深井開發力度加大，為應對井下復雜環境和突發情況，保證壓裂施工的順利進行，RFID滑套工具必須具備多種操作方式，避免RFID標簽激活失效時，滑套工具不能正常工作。

根據油井實際需求，改進RFID的多級壓裂滑套工具如圖6所示，它由盤形彈簧的能量存儲系統、RFID天線、磁力傳感器、壓力傳感器、微機控制系統和電池組及滑套執行器組成。因此，井下工具不工作時，可將RFID控制系統和天線置于休眠狀態，在套管中安裝壓力傳感器或磁力傳感器，通過識別壓力脈沖信號或者電磁波感應來喚醒系統。另外，油井壓裂過程中，針對不同位置的滑套，可通過壓力脈沖技術設置不同的脈沖信號個數和時間間隔的寬度進行信息編碼，井下壓力傳感器識別壓力信號后進行解碼，將命令傳遞給控制系統，實現滑套的打開和關閉操作，可有效避免RFID激活失效時壓裂施工操作的延誤。但壓力脈沖信號和電磁波信號的衰減程度都受液體及其成分影響大，需要針對井下環境進行理論分析和試驗分析，這也是國內外研究機構需要研究的方向。

圖6　改進RFID的滑套工具Fig 6　Sleeve tool of improved RFID

4　結論

1）RFID技術已在分段壓裂滑套工具上展開應用，并進行了模擬試驗驗證，解決了井下作業的難題，表明該技術在石油井下應用的可行性。

2）建議盡快開展石油井下環境中供電技術的研究，來彌補堿性電池或鋰電池井下作業的不足，并在此基礎上進行其配套設施的研究工作，研究井下發電技術是石油工程未來實現井下智能化的發展方向。

3）RFID在井下工具中成功應用的關鍵技術是電子標簽和天線高溫高壓條件下的封裝技術及其高速泵送下信息的讀取率，提高RFID標簽的制作工藝技術將會為RFID在井下應用帶來革命性改變。

4）壓裂工藝結合壓力脈沖技術和磁感應技術進行施工操作，可保證井下RFID壓裂滑套工具的正常高效工作，也是國內外研究機構需要的研究方向。

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李紅偉（1977-），河南安陽人，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為智能控制、井下智能工具設計和控制等。

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

中海油前瞻性合作項目（G1417CS—B20C036）