RFID技術(shù)的研究及井下應(yīng)用

劉兆昆，劉 轉(zhuǎn)，楊婧翌

（西安石油大學(xué) 陜西 西安 710000）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)平穩(wěn)增長與科技的高速發(fā)展，對于油氣井的開采有了更大的需求與期望，那么相比于傳統(tǒng)工藝的鉆井手段在勘探開發(fā)費用高昂和工程效率不足，提高油氣井的長期有效性、作業(yè)高效率和降低油氣井的建造成本，應(yīng)用新技術(shù)在工程中顯得尤為重要。近年來，一種集計算機、無線電、通信技術(shù)于一體的RFID（Radio Frequency Identification，即射頻識別）技術(shù)出現(xiàn)在人們視野當(dāng)中并急劇發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于工商業(yè)自動化和交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。

RFID技術(shù)的井下通信系統(tǒng)可靠性高，降低操作復(fù)雜度并且加快數(shù)據(jù)處理速度，運用于油氣井下的惡劣環(huán)境，將帶來巨大的經(jīng)濟效益[1]。

2 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點及工作原理

RFID技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，該系統(tǒng)一般由射頻標簽、讀寫器和天線及相應(yīng)的計算機系統(tǒng)組成，通過空間能量耦合(電感耦合或電磁耦合)實現(xiàn)射頻信號無接觸信息傳遞，并識別傳遞的特定信息[2]。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

射頻標簽一般由耦合元件（天線）和芯片組成。每個標簽在出廠時含有唯一的ID碼，用來甄別標簽信息；讀寫器由天線、控制模塊和接口電路組成。天線主要進行能量傳遞，接口電路兼有發(fā)送通道和接收通道，控制模塊對信號進行解碼處理，并對下一步操作發(fā)出指令。

特點：

（1）標簽可以巧妙地粘貼或嵌入在非金屬材料中；

（2）識別碼為電子制作，具有唯一性和永久存儲性，同時具有可讀寫性，使得利用性更高；

（3）采用非接觸方式識別，磨損或裂紋現(xiàn)象均低于其他識別方式；

（4）方便快捷性，操作簡單，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系統(tǒng)中，由讀寫器的載波發(fā)生電路產(chǎn)生載波，經(jīng)過信號放大電路放大，傳至天線端，在空間場將能量傳送給標簽，激活標簽，將自身ID碼及攜帶的其他信息再返送給讀寫器的控制模塊進行解碼，然后送往計算機系統(tǒng)判定信息正確與否，最后發(fā)送指令驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。工作原理圖如圖1。

圖1 RFID系統(tǒng)工作原理

3 在井下工具的應(yīng)用

隨著RFID技術(shù)在物流等行業(yè)的快速發(fā)展,人們也將此技術(shù)逐步運用到石油工程領(lǐng)域。起初，RFID技術(shù)僅應(yīng)用于鉆具的使用跟蹤識別，與其技術(shù)在地面物流領(lǐng)域功能大致相仿，主要為了減少人為因素的誤操作，間接提高工作效率。隨著井下勘探難度加重，國外各大石油公司如馬拉松石油公司，Petrowell公司，威德福公司等都深度挖掘RFID技術(shù)，使其運用到石油勘探與鉆井工程領(lǐng)域之中。因此，應(yīng)用RFID技術(shù)的智能化石油裝備與鉆井工具隨之產(chǎn)生，這是對整個行業(yè)的發(fā)展起到了重要的作用。而在井下工具的應(yīng)用方面大致有以下幾種應(yīng)用。

3.1 鉆井?dāng)U眼工具中的應(yīng)用

在鉆井工具中，擴眼器是一個重要的部分，它通過在鉆井時擴大井眼以達到提高機械鉆速的目的。常規(guī)擴眼方式是利用機械式或水壓式控制擴眼器，即在井筒中投球，靠液壓控制擴眼器切屑齒的開關(guān)。但是該方法有一定局限性，由于井筒的尺寸限制而不能通過電纜工具或者更小的鋼球。為了應(yīng)對復(fù)雜的井況，提高鉆井工作效率，威德福公司率先在業(yè)界研發(fā)了基于RFID技術(shù)的RipTideTM擴眼器[3]，該器件使用模塊化設(shè)計，分為控制節(jié)與擴眼器節(jié)。

當(dāng)需要進行擴眼作業(yè)時，將寫入“開啟”命令的RFID標簽投入鉆桿內(nèi)，送至控制器短節(jié)的讀寫器進行識別，“開啟”擴眼器，擴眼器的切削齒塊進行作業(yè)；當(dāng)需要關(guān)閉擴眼操作時，再次投放寫入“關(guān)閉”命令的標簽，再次進行同樣的操作，即可使擴眼器停止作業(yè)。這樣通過標簽便可隨時控制工具的開關(guān)，大大提高了作業(yè)效率。RFID控制器短節(jié)如圖2所示。

圖2 擴眼器節(jié)

3.2 在壓裂滑套工具中的應(yīng)用

目前在頁巖氣的開發(fā)中普遍采用水平井分段壓裂技術(shù)，如裸眼封隔滑套分段壓裂的傳統(tǒng)工藝，采用投球方式控制滑套的開關(guān)，逐級壓裂，但由于該方法操作復(fù)雜并且作業(yè)時間較長，因此威德福公司設(shè)計了一種將RFID技術(shù)運用到滑套上的工具。該工具通過RFID標簽球控制滑套工具，將滑套工具的智能化更進一步。此滑套中主要包含天線和讀寫器（識別RFID標簽），當(dāng)需要滑套工作時，將RFID標簽泵入井下，再經(jīng)讀寫器識別后發(fā)送指令驅(qū)動滑套的開關(guān)。

該滑套主體為三部分：RFID通信，控制和執(zhí)行三個模塊。當(dāng)需要進行壓裂作業(yè)時，將RFID標簽投入至對應(yīng)層位的管柱內(nèi)，在被泵送至滑套位置時，其RFID通信單元獲取RFID標簽命令，由控制單元讀出控制指令，驅(qū)動內(nèi)部液壓馬達執(zhí)行機構(gòu)動作，完成滑套作業(yè)。圖3為RFID滑套結(jié)構(gòu)圖。

圖3 RFID滑套結(jié)構(gòu)示意

4 發(fā)展趨勢

（1）井下RFID技術(shù)應(yīng)用的廣泛性，例如套管刮削器，扶正器等工具實現(xiàn)RFID控制，從而實現(xiàn)諸多應(yīng)用的智能化。

（2）對于rfid系統(tǒng)長期經(jīng)受井下惡劣環(huán)境的干擾，系統(tǒng)本身的強度和高速識別難度加大，如何改善強化系統(tǒng)也是井下RFID發(fā)展的一大難點。

5 結(jié)語

近年來，RFID技術(shù)的高速發(fā)展使得石油行業(yè)也掀起了一股RFID應(yīng)用的熱潮，國內(nèi)外各大石油公司紛紛研制基于該技術(shù)的井下工具應(yīng)用于井下各種工況需求，利用該技術(shù)減少了傳統(tǒng)作業(yè)的復(fù)雜度，提高作業(yè)效率。對于解決現(xiàn)有石油領(lǐng)域非常規(guī)油氣藏鉆完井的技術(shù)難題，RFID必然在其中將發(fā)揮更大的價值。

[1]熊偉,賈慶升,馬收.射頻識別技術(shù)在鉆完井中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J]. 斷塊油氣田，2014，21(01)：100-103.

[2]周曉光,王曉華.射頻識別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用實例[M].人民郵電出版社,2006,12.

[3] Gonzalez L A,Valverde E,Laird T.RFID provides ondemand activation/deactivation reliability to under Reaming[R].SPE146033,2011.