RFID電子標簽在油管中的應用

徐亞飛，王青海，楊兵兵

（山東勝軟科技股份有限公司，山東 東營 257000）

RFID電子標簽在油管中的應用

徐亞飛，王青海，楊兵兵

（山東勝軟科技股份有限公司，山東 東營 257000）

文章介紹了油田作業生產中對油管的管理現狀以及RFID電子標簽目前的應用現狀及前景，重點介紹了可適用于油田現場環境的專用RFID電子標簽的技術研究，油管標簽安裝方案的探討以及RFID標簽技術在油管的全生命周期管理方面的應用技術研究。

RFID；電子標簽；油管；油管標簽；RFID應用

1 油田管理模式現狀

近年來，油田推行以“分年限、等壽命”管理為代表的油管管理模式，這種管理模式仍然存在諸多問題，一方面是這種管理模式下，所述精細管理的提升主要依靠的是管理環節上的細化，實際操作人仍舊需要人工完成，另一方面是這種管理模式仍不夠精細。

2 RFID電子標簽應用現狀

在政府大力推動物聯網產業發展的背景下，國家的一系列促進政策成為中國無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）產業發展的強大動力來源。各部委合力推動RFID應用示范工程，智能電網、智能交通、金融服務、物流倉儲、醫療健康、食品安全等RFID相關重點應用項目數量明顯增加，范圍迅速擴大；商品防偽、資產管理、工業管理等企業市場需求開始升溫。中國RFID產業已形成相對成熟的商業模式，未來RFID產業將迎來高速增長期。

3 油管專用RFID電子標簽技術研究

3.1 專用電子標簽研究

通過對電子標簽基礎理論的研究，探索標簽的穩頻擴頻技術，從油田使用環境（尤其是井下）出發，需要滿足天線小尺寸、基板抗熱震性的條件，在該條件下，針對標簽抗金屬性能的要求，進行了基板材料的優選和天線的研究設計。基板材料選擇微波介質陶瓷（MWDC），介電常數20～100，介質損耗低。天線設計采用微帶天線，同距離下尺寸最小、頻帶拓寬80%，讀取距離穩定性好。

增加天線帶寬方法研究：

（1）增大介質厚度，降低基板相對介電常數。這種方法是微帶天線擴展帶寬的基本途徑，微帶天線帶寬為：

當微帶天線的駐波比ρ一定時，帶寬和品質因素成反比，因此微帶天線主要通過降低等效諧振電抗的Q值展寬工作帶寬，微帶天線的品質因素Q的計算公式為：

W是貼片寬度，L是貼片長度（近似為波長的一半），h為介質板厚度，σc是銅的電導率，可以得到，增大介質板厚度h，則BW增大，降低基板相對介電常數εr則BW增大，εr最小值為1（采用空氣介質的情況），因此降低εr展寬帶寬的范圍有限。

（2）多模技術。這種方法來源于耦合諧振器的設計經驗，耦合諧振器一般有兩個或以上的諧振器，調節參差可以工作在需要的頻率范圍。天線結構設計中采用兩個或兩個以上不同諧振頻率的諧振單元，控制諧振單元間的距離使不同的諧振頻率點近距離耦合，有效增加了天線帶寬，應用在RFID系統中較為常見的結構由共面寄生單元、多疊層天線單元等，多疊層天線單元的每個輻射貼片的工作頻率不同，大小也不同，上層貼片通過下層貼片電磁耦合饋電，幾個諧振頻率很接近，有效地占據了工作頻段。

（3）天線采用加載結構。加載原件可以是電抗元件、阻抗原件、集總參數原件或分布參數原件等，一般放置在天線內部或者饋電端，如在折合振子的饋電處加載一個合適長度的U型短截線，如圖1所示，折合振子導線2的中間部分開路，長度適當的U型短截線加載在折合振子的饋電端FF’處，U型短截線的電納隨頻率呈正斜率變化，可以補償原折合振子輸入導納的負斜率變化，兩者合成后的電納有效改善了阻抗的頻率特性。

圖1 加載U型短截線的折合振子天線

這種加載原件可以進行“補償”展寬頻帶的方法已經獲得廣泛應用，當天線長度遠小于波長的一半時，輸入阻抗表現為電抗性，可以改善電流分布和諧振頻率。加載結構既可以展寬天線帶寬，又可以縮小天線尺寸，提高天線效率。

標簽防護外殼材質優選：金屬會屏蔽標簽信號，結合油田環境，要選擇具有耐高溫、耐腐蝕、耐水解并具有非常好的機械性能的塑料制作標簽防護外殼。

3.2 油管標簽安裝方案探究

根據結構、材料的不同，給出了比較可行的幾款標簽方案，如表1所示。

表1 油管標簽安裝方案統計

3.3 油管標簽讀寫技術研究

（1）標簽讀寫手持機終端。終端設備選擇系統穩定性高、操作簡單、數據處理速度快，讀取距離遠、小巧便于攜帶的手持機，支持超高頻、條形碼、WiFi，3G，GPS、現場攝像等功能模塊，模塊性能及穩定性高，是便攜式的電子標簽測試設備。

（2）油管作業現場專用讀寫器研究。讀寫器控制器控制環形天線內核在油管上下井時感應油管電子標簽，采集油管上下井數據，并進行數據的過濾，然后將數據發送到現場緩存器，現場緩存器將數據通過無線模塊轉發到后臺的服務器，這里現場緩存器用來確保當現場無線連接不通時，現場采集的數據仍舊能被有效地記錄、保存下來。在作業隊實現油管上下井的自動監測，采取的技術手段是：在作業隊的通井機井口安裝固定式讀寫器，實時感知油管接箍的上下井，并且完成記錄。準確記錄油管接箍的上下井數據，起到自動深度計算、在井深度統計以及問題油管接箍井口預警的功能。

井口環形天線技術研究：在油管起下井的過程中，通過使用定制的作業隊井口布置環形天線陣列，實現無論油管標簽處于哪一個方向，該天線均可以采集到標簽的數據。多塊天線組成環形天線陣列，360度內周向讀取油管標簽，實現油管在井口上下井的自動數據采集。

通過天線管理軟件調整設置各天線板的輸入參數，使整個場型更均勻，確保360度無盲區。對于讀寫器的響應時間，在國標【GB/T29272—2012信息技術射頻識別設備性能測試方法系統性能測試方法】中，沒有測試讀寫器響應時間的測試項。通常，測試讀寫器讀取速率的方法，一般是記錄讀寫器開啟1分鐘時間內單個標簽或者多個標簽的讀取數量，從而計算出讀寫器的讀取響應時間。實測每秒讀取標簽次數超過160次，經過計算，響應時間快于1/160 s（6.25 ms）。

4 RFID電子標簽技術在油管管理方面的應用

建立基于電子標簽技術的油管全生命周期跟蹤管理系統，可為每根油管安裝一個油田唯一“電子身份證”，并在關鍵業務環節使用采集設備對油管標簽進行自動識別和應用，實時采集采購環節的物流數據、供井回收數據、修復數據、作業現場的下井數據，并結合實際業務應用，串聯油管的供應部門、維護部門和使用部門，實現油管從油管在入庫、發放、入井、回收、修復直至報廢的“全生命周期”管理。

對油管管理部門來說，隨著時間的推移，通過對每根油管回收、修復直至報廢“全生命周期”信息的數據采集，可實現對全廠油管投入總量、目前完好數量和報廢數量的實時查詢，為優化油管投入、深挖油管價值提供支持。

對油氣生產部門來說，借助油管全生命周期跟蹤檔案，可以把以往不全面、不連續的信息串聯起來，為區塊和單井診斷分析提供數據支持。通過把這口井歷年作業的信息直觀有效地連接起來，使得管理人員能夠放長視線、準確全面地對區塊、單井進行診斷分析。通過實現每口油水井油管腐蝕、斷脫、偏磨等失效原因的數據采集分析，可以對出現質量問題的油管實現全程、準確追溯；同時，每根管桿、每個井下工具從投產到報廢完整和關聯的數據庫也能夠建立，從而提供延長油水井免修期、優化油管工具使用的數據支持，具有突出的指導作用。

同時，油管“全生命周期”管理信息系統里的數據，可輔助工藝所工作人員進行偏磨分析、質量追蹤以及油藏狀況、作業效果分析，促進油藏精細化管理。

[1]孫國強.創新機制優化運行，實施油管桿分年限等壽命管理[J].揚州大學學報（人文社科版），2010（6）：63-65.

[2]顧松，許慶勇.戶籍式信息化管理讓每根油管桿都有永久“身份證”—濱南采油廠[N].齊魯晚報，2015-05-25（02）.

[3]卞定元.適用于多種環境的RFID標簽天線研究[D].上海：復旦大學，2008.

[4]譚娟娟.寬頻帶RFID標簽天線設計[D].北京：北京郵電大學，2009.

[5]趙軍偉.兩款特殊用途電子標簽的設計研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[6]周祥，宋雪樺.標簽天線彎曲對射頻識別系統性能影響的研究[J].微波學報，2005（S1）：96-100.

[7]左德榕.我國RFID設備企業發展研究[D].北京：北京郵電大學，2008.

Application of RFID electronic label on tubing

Xu Yafei, Wang Qinghai, Yang Bingbing
（Shandong Sheng Soft Polytron Technology Inc., Dongying 257000, China）

This paper introduces the application status and prospect of oil production in the present management situation of the tubing and the RFID electronic tag at present. The paper focused on the technology of the special RFID tags can be applied to the oil feld environment, and discussion on installation scheme of oil pipe label and research on the application technology of RFID tag technology in the whole life cycle management of oil pipeag technology in the whole life cycle management of tubing.

RFID; electronic label; tubing; tubing label; RFID application

徐亞飛（1965— ），男，江蘇淮陰，博士研究生，高級工程師，董事長；研究方向：油田信息化建設。