基于RFID技術的井下控制系統在隨鉆擴眼作業中的應用

胡亮

中國石化石油工程技術研究院

射頻識別技術是一種信息傳輸與控制技術，通過一定頻率的交變電流產生空間磁場的耦合，從而可以識別特定的目標并進行數據信息的無線交互［1］。近幾年，RFID技術開始應用于石油勘探開發領域，特別是作為一種井下工具的控制手段，相比于傳統的投球式或壓差式控制方式有其明顯的技術優勢［2-5］。控制過程中不會改變管柱內通徑，不需要磨銑操作，且可以通過不同編碼的標簽實現對多個基于RFID技術的井下工具復合控制［6］。

國外，Weatherford公司研制了多種基于RFID技術的井下工具，RipTide隨鉆擴眼器于2016年在薩哈林島得到了成功應用；加拿大的作業者在不列顛哥倫比亞省一口裸眼井采用基于RFID技術的開關滑套完成了10段壓裂作業，取得了不錯的應用效果［7-8］。國內，李光泉分析了基于RFID技術的滑套工具關鍵技術［9］，建議開展井下射頻標簽、高性能線圈、井下工具控制系統及機電液一體化執行機構的研制工作；倪衛寧設計了一種RFID指令接收與控制執行一體短節，并進行了室內性能試驗［10］。與國外研究相比，國內的RFID研究尚處于原理性驗證與室內試驗階段，尚未形成能夠實際應用的產品。本文針對基于RFID技術的井下控制系統實際應用工況進行了井下環境適應性設計與優化，設計出的工程樣機成功應用于現場。

1 基于RFID技術的井下控制系統及其存在的問題

1.1 基于RFID技術的井下控制系統結構和工作原理

基于RFID技術的井下控制系統主要由RFID通訊系統和讀取控制系統組成。RFID通訊系統包括RFID標簽和井下天線兩部分，讀取控制系統由井下控制電路和高溫電池組成，兩個系統通過連接器實現通訊和控制信號的傳輸。總體結構見圖1。

圖1 基于RFID技術的井下控制系統總體結構Fig. 1 The overall structure of RFID downhole control system

如圖1所示，在地面將預先寫入控制命令的RFID標簽通過井口投放，標簽隨鉆井液向下流動。在通過井下天線內部時，獲取天線發出的射頻能量后，將所攜帶的控制命令以電磁波的形式發送給讀取控制系統，井下控制電路中的微型處理器根據特定的通訊協議對獲取的信息進行解碼，獲得控制命令，即可控制相應的井下執行機構動作。

1.2 存在的問題及優化思路

基于RFID技術的井下控制系統采用無線傳輸方式，因此，確保井下控制系統接收并正確解析控制命令是關鍵。但在實際使用中，井下工況惡劣，電磁環境復雜，極大地影響了其工作的可靠性和穩定性。如何保證控制命令既能“讀的到”，又能“讀的準”，這就需要根據實際應用環境對系統進行優化設計。基于RFID技術的井下控制系統的主要影響因素包括：（1）RFID通訊系統工作時，井下天線產生電磁場，磁力線穿過周圍金屬環境，產生渦流，其伴生的磁場削弱了原有井下天線內部磁場，嚴重時直接導致RFID系統無法正常工作，標簽信息讀取失敗是影響RFID系統工作穩定性的重要因素。（2）不同應用井況下鉆井液成分不同，其電磁特性存在差異，井下天線內通徑是鉆井液過流通道，因此，天線內部的磁場受到的影響也不同，從而造成不同井況下RFID系統電磁性能差異，影響系統工作穩定性。（3）相比常規的井下電路，RFID電路對系統電氣參數變化更加敏感，因此，井下溫度變化造成電路元器件電器參數的波動以及元器件自身的噪聲，使接收的控制信號產生異變或毛刺，造成命令解析錯誤或失敗，影響RFID系統的工作可靠性。

要想克服或減小這些因素對基于RFID技術的井下控制系統的影響，就要從RFID通訊系統結構和讀取控制系統軟硬件兩方面進行優化設計。

2 基于RFID技術的井下控制系統優化設計

井下天線通交流電后，在天線內部及周圍產生電磁場，如圖2所示，攜帶控制命令的RFID標簽隨鉆井液高速流過井下天線內通徑時，在天線內部有效磁場范圍內獲得磁場能量，將控制命令以電磁載波的形式傳遞給井下控制電路。因此，井下天線所產生的磁場強弱和有效磁場范圍直接影響了標簽讀取成功率，決定了控制命令傳輸的成敗。因此，需要根據其影響因素進行分析，對RFID井下天線及所在的通訊短節結構進行優化改進。

2.1 RFID通訊系統

2.1.1 井下天線電磁環境 根據渦流的定義可知，部分磁力線穿過工具金屬外殼，這是產生渦流的主要原因。當磁力線分布范圍一定時，井下天線與工具外殼內壁間距越大，磁力線穿過殼體越少，產生的渦流影響就越小。但在實際結構設計中，受到鉆井液通量、工具殼體強度要求等限制，間距不能無限加大，如何在實際應用中設計合理的間距，使其盡量減少對井下天線電磁場的影響，保證RFID通訊系統的正常工作，是設計的關鍵。通過對不同間距的通訊短節進行磁場影響測試試驗，獲得了不同間距對井下天線內部電磁影響變化曲線，如圖3所示。

圖2 井下天線電磁場磁力線分布Fig. 2 Magnetic flux distribution of electromagnetic field of downhole antenna

圖3 不同間距對天線內部磁場強度的影響Fig. 3 Effect of spacing on the magnetic field intensity inside the antenna

變化曲線擬合公式為：

公式擬合度0.996 5，能夠比較準確地表征井下天線與工具外殼內壁間距對井下天線內部磁場的影響，可作為基于RFID技術的井下控制系統通訊短節的結構設計參考。在測試中發現，當井下天線內部磁場強度削弱小于30%，RFID通訊系統依然能正常工作，因此，井下天線與金屬外殼內壁間距30 mm是一個可以接受的最小設計間距。

2.1.2 井下天線結構 從圖2可以看出，天線內部磁場的有效范圍長度略小于線圈纏繞長度，因此，需要設計足夠的線圈纏繞長度，以保證標簽隨鉆井液高速通過天線內部時，標簽有足夠的時間將所攜帶的數據發送出去，實現RFID控制命令的傳輸。線圈纏繞長度設計公式為

式中，L為線圈纏繞長度，m；v為標簽通過速度，m/s；t為數據傳輸時間，s；a為冗余安全系數。

本文設計的基于RFID技術的隨鉆擴眼控制系統選取工作頻率為125 kHz的飛利浦hitag標簽，根據其數據手冊，數據儲存在一個page中，傳輸時間為10 ms；考慮到命令傳輸過程中可能出現錯誤中斷，以及冗余安全考慮，設定冗余安全系數為3；標簽隨鉆井液流動，鉆井液速度等同于標簽速度，因此，通過鉆井液排量和天線內通徑算出標簽通過天線內部時的速度為10 m/s。則此次設計的井下天線線圈纏繞有效長度應不小于300 mm。

2.2 RFID讀取控制系統

在實際應用中，RFID讀取控制系統置于井底，所處工況惡劣，電磁環境復雜，這就對其軟硬件設計提出了很高的要求，既要保證讀取控制電路在高溫振動下長時間穩定工作，又要保證能夠適應不同的井下電磁環境，實現較高的RFID通訊成功率。

2.2.1 RFID讀取控制電路 在RFID讀取控制電路設計中，加入了自適應優化模塊、信號處理模塊和數據記錄模塊來提高系統工作的可靠性和穩定性。其設計方案如圖4所示。

圖4 RFID讀取控制電路設計方案Fig. 4 Electric circuit design of RFID reading control system

（1）自適應優化模塊。RFID井下控制系統相當于一個LC振蕩電路，當系統實際輸出頻率與系統固有頻率相等時，系統達到諧振狀態，此時井下天線產生的磁場最強，標簽讀取成功率最高。井下電磁干擾對RFID系統的影響表現為系統等效電感C的變化，造成系統工作頻率偏移而失諧，天線磁場變弱，RFID標簽無法獲得足夠的能量而通訊失敗。因此，針對不同鉆井液和井下溫度變化等不可預知的電磁干擾，設計了一個自適應優化模塊，通過監控電路實時監控系統工作頻率，當井下電磁影響使系統工作頻率超出正常范圍（120～130 kHz）時，自適應優化模塊開始工作，井下微處理器根據電容陣列中不同電容值進行計算比較，選擇合適的電容值對系統等效電容進行補償修正，使系統頻率重新回到正常工作范圍。并通過相位反饋監控頻率相位，利用鎖相環跟蹤保持相位差，使系統一直保持在最佳工作狀態。

（2）信號處理模塊。控制命令以電磁載波的方式進行傳輸，極易受到井下電磁環境以及控制電路自身噪聲的干擾，出現異變或毛刺等情況，影響控制命令的正確解析。因此，設計了信號處理模塊，通過對接收信號進行放大、濾波、整流和跟隨處理，整形出一個信噪比較高的耦合信號進入解調芯片，保證解調出的控制命令的準確性。其中濾波電路采用有源帶通濾波器，消除井下以及電路自身的白噪聲干擾。

（3）數據記錄模塊。基于RFID技術的井下控制系統在使用過程中，無法保證時刻正常工作，當系統出現異常狀況時，為了便于事后分析研究，增加了數據記錄模塊，作為控制系統的“黑匣子”。通過溫度傳感器記錄環境溫度；通過記錄井下天線工作電壓、輸出頻率等參數，反映RFID通訊系統工作狀態；記錄讀到標簽的信息，用以統計標簽讀取成功率。這些信息都將保存在數據記錄模塊中，掉電后不會丟失，便于后續進行回讀分析。

2.2.2 軟件設計 為了提高控制命令譯碼的正確性，防止控制信息在譯碼過程中被誤譯、錯譯和漏譯，設計控制命令解析軟件時，通過采用添加數據同步頭的方法保證捕獲到正確的控制信息，排除因干擾造成信號線上異常跳變而出現誤譯操作；再通過邊沿觸發和延時判斷相結合的方式對捕獲的信息進行解析，保證譯碼信息的準確性，避免信號錯譯情況的發生；最后通過對整個控制命令數據采用CRC校驗的方式，保證接收控制命令的完整性，消除信號部分漏譯的可能性。通過軟件優化，保證RFID通訊數據解析的正確性和完整性。其優化解析流程圖如圖5所示。

3 現場試驗

3.1 試驗基本情況

試驗井安順89井為二開斜井，垂深2 180 m，造斜點1 200 m。鉆井液密度1.35 g/cm3。擴眼井段為868～968 m，處于直井段。準備擴眼時，投放一組3個“開始擴眼”命令標簽，控制擴眼器刀翼打開，進行擴眼作業，并在擴眼期間投入一組3個測試標簽，完成目標井段擴眼后，投入一組3個“結束擴眼”命令標簽，控制擴眼刀翼收回，完成擴眼作業，工具順利取出。

圖5 軟件優化解析流程Fig. 5 Analytical process of software optimization

3.2 試驗數據分析

基于RFID技術的隨鉆擴眼器回收后，取出井下控制電路，讀取“黑匣子”記錄數據，此次共投放9個試驗標簽，實際讀取成功9個，讀取成功率100%。整個系統井下工作狀態數據如圖6所示。

圖6 RFID系統井下工作狀態Fig. 6 Downhole operating state of RFID system

3.2.1 測溫曲線 從紅色測溫曲線可以看出，入井前測溫與地面氣溫一致，在下井過程中，隨著井深的增加，井下溫度逐漸提高，工具下到預定井深后，開始循環鉆井液，在循環作用下測溫略有下降，然后保持不變，工具擴眼完成，開始從井底提出，測溫隨井深減小而下降，最終趨于地面溫度。整個試驗過程測溫曲線變化符合井深溫度變化規律，說明井下監控記錄系統工作正常，數據真實有效。

3.2.2 頻率變化曲線 從藍色系統頻率變化曲線可以看出，RFID擴眼器入井前，系統工作頻率為123 kHz，處于正常工作范圍。開始入井，系統頻率降低到120 kHz，這是由于工具內部從空氣變為灌滿鉆井液，使系統等效電容升高，系統頻率被拉低到120 kHz，尚在120～130 kHz范圍內，因此自適應優化模塊沒有立即工作。隨著入井深度增加，環境溫度升高，使系統等效電容進一步升高，系統頻率降至120 kHz以下，觸發自適應優化模塊工作，通過電容陣列優化匹配，將系統頻率調整到130 kHz，回到120～130 kHz的正常范圍內。此后系統工作頻率一直穩定，表明系統正常工作，在工具提出井口后，工具內部鉆井液清空，系統等效電容減小，系統頻率被升高超過正常工作范圍，再次觸發自適應優化模塊工作，將系統頻率調整到126 kHz正常范圍。整個過程自適應優化模塊克服了井下電磁干擾，保證了系統最佳工作狀態。

4 結論

（1）對RFID通訊短節及井下天線結構進行了電磁性能優化，選取最優天線與短節外殼內壁間距，減小了金屬渦流的電磁干擾，保證了系統穩定工作；同時設計了天線繞線長度，保證標簽隨鉆井液高速流過井下天線內部時被準確讀取。

（2）對RFID讀取控制系統進行了優化設計。硬件方面，增加了自適應優化模塊和信號處理模塊，能夠根據井下電磁環境的影響，自動調節系統工作頻率，使系統工作在最佳狀態，提高了標簽的讀取成功率；軟件方面，通過優化算法、增加校驗等方式，提高了控制信號解析的正確性。從而在軟硬件兩方面保證了控制命令被讀取并正確識別。

（3）在江蘇淮安順89井成功進行了基于RFID技術的井下控制系統下井試驗，驗證了基于RFID技術的井下控制系統的工作性能。整個試驗過程RFID控制命令均被正確識別并執行，標簽讀取成功率100%，電路中的自適應優化模塊發揮了重要作用，保證了系統的穩定工作。

（4）本文設計的基于RFID技術的井下控制系統可作為一個獨立控制短節，與多種井下工具相結合，開發系列井下控制工具，發揮其控制優勢。