射頻識別隨鉆擴眼器的研制與應用

崔龍兵，胡 亮，席步祥, 阮臣良，程光明，趙建軍

(1中國石化西北油田分公司完井測試管理中心 2中國石化石油工程技術研究院 3中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司)

隨著中石化順北、西南等區塊深井、超深井勘探開發力度加大，鉆井過程中多次遇到井眼縮徑現象。針對這個問題，當前多采用隨鉆擴眼方式解決，在鉆進的同時進行擴眼，防止縮徑卡鉆的發生；常規隨鉆擴眼器控制方式主要包括加減鉆壓、節流閥或投球壓差，這些控制方式在實際應用過程中不僅影響正常的鉆井參數，而且多為一次性操作，擴眼效率和經濟性大打折扣[1-6]。

近幾年，射頻識別技術(Radio Frequency Identification,以下簡稱：RFID,)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具有明顯的技術優勢[7-9]。本文設計了一種基于RFID控制技術的隨鉆擴眼器，在使用過程中不會改變鉆柱內通徑和井底壓力，不需要憋壓球的磨銑操作，還可以實現一趟鉆多次擴眼。

一、工具總體結構及工作原理

1.總體結構

RFID隨鉆擴眼器主要由RFID通訊電控系統、液壓執行系統和機械擴眼短節三部分組成，整體結構如圖1所示。

圖1 RFID隨鉆擴眼器整體結構示意圖

RFID通訊電控系統包括RFID通訊模塊和RFID控制模塊，RFID通訊模塊由RFID標簽和井下天線組成；控制模塊由接收控制電路和高溫電池組成；液壓執行系統主要由電磁閥、復位彈簧和液壓活塞組成；機械擴眼短節由擴眼刀翼和連接軸組成。

2.工作原理

RFID隨鉆擴眼器采用電控液、液控機的兩級控制模式，即通過RFID通訊電控系統實現地面控制命令的井下傳輸與接收，并根據控制命令對液壓執行系統完成一級控制；然后通過液壓執行系統中液路的通斷完成對機械擴眼短節刀翼的二級控制，最終實現井下擴眼操作。

具體工作流程：首先在地面將RFID標簽進行初始化，將所需執行的控制命令以特定的編碼形式寫入標簽，將標簽從井口投放，標簽隨鉆井液經過RFID擴眼器內部的井下天線時，與天線形成的空間磁場耦合，標簽內的控制命令編碼被讀取并傳送給接收控制電路，接收控制電路根據特定協議將編碼解析還原為所需執行的控制命令，從而實現了地面控制命令的井下傳輸與接收。

實際施工過程中，電磁閥初始為關閉狀態，液壓執行系統兩個液壓腔不連通，刀翼處于鎖止狀態。需要擴眼時，先投入“擴眼”命令標簽，RFID通訊電控系統接收命令后打開電磁閥，兩個液壓腔連通形成回路，刀翼鎖止功能解除；同時提高鉆井液排量，擴眼刀翼在循環壓差的作用下打開，待刀翼打開完全后，控制電路關閉電磁閥，液壓回路斷開，使刀翼處于打開鎖止狀態，此時可進行擴眼作業；擴眼完成后，投入“關閉”命令標簽，控制電路再次打開電磁閥，液壓回路再次連通，同時降低鉆井液排量，在復位彈簧的作用下，刀翼在連接軸的帶動下回收。以此實現液壓執行系統對擴眼刀翼的控制，完成擴眼。

二、關鍵技術分析

RFID隨鉆擴眼器的優勢在于控制命令采用RFID無線傳輸方式,因此，井下控制電路能否準確接收控制命令非常關鍵，是實現工具擴眼的先決條件。這就要求RFID通訊電控系統具有較高的工作穩定性和抗干擾能力，保證控制命令準確接收。在進行擴眼作業時，刀翼需要始終處于張開狀態，不能因井下振動或切削阻力等意外收回；在非擴眼時間，刀翼需要始終處于完全收回狀態，不會意外張開而造成卡鉆等問題，這就要求設計的液壓執行系統具有較高的工作可靠性，保證刀翼鎖止功能可靠。

因此，本文主要進行了以下兩方面的工作：

(1)對RFID通訊電控系統進行了電磁性能優化，消除了井下電磁環境對系統通訊磁場的干擾，保證了控制命令的準確接收。

(2)理論分析和仿真研究確定了液壓執行系統的極限承壓能力，為電磁閥優選和液壓回路承壓設計提供了理論依據，保證了擴眼刀翼的可靠鎖止。

1.RFID通訊電控系統優化設計

1.1 影響因素

RFID井下天線在工作時，通有一定頻率的交流電，從而在周圍空間激勵出交變的磁場，由于隨鉆擴眼器外殼采用的是鐵質金屬，當天線磁場的磁力線穿過時會產生金屬渦流。渦流生成的磁場反過來削弱天線原有磁場，從而影響RFID標簽與天線磁場的耦合，嚴重時造成標簽信息無法被讀取，控制命令傳輸失敗[10]。針對這一問題，本文選取高磁導率高電阻率的鐵氧體做成電磁屏蔽環，安裝在井下天線外部，目的是隔離天線磁場與擴眼器外殼，從而消除外殼的金屬渦流干擾。

1.2 仿真分析

為了驗證電磁屏蔽效果，應用ANSYS有限元軟件進行了井下天線磁場的仿真研究，由于天線的軸對稱特性，選取1/4進行建模，其仿真模型如圖2所示，圖中灰色為金屬外殼，黑色為鐵氧體環，紅色為井下天線。

圖2 井下天線磁場仿真模型

通過仿真獲得鐵氧體安裝前后的天線磁場分布圖，通過圖3的對比可以看出，未安裝鐵氧體時，磁場分布在天線內部以及天線與外殼之間的空間內；安裝鐵氧體后，天線外環空已無磁場分布，磁場完全集中在天線內部，這表明鐵氧體很好的發揮了電磁屏蔽作用，隔絕了磁力線與外殼金屬的接觸。

圖3 鐵氧體安裝前后的天線磁場分布對比

仿真獲得鐵氧體安裝前后的天線內部磁場強度和金屬外殼渦流強度，并以無金屬外殼的理想情況作為對比，如表1所示。

從表1可以看出，安裝鐵氧體后，天線內部磁場強度顯著提高，其值已接近于無金屬外殼的理想情況，外殼金屬渦流消弱殆盡。這說明采用安裝鐵氧體這種優化方式，消除了井下金屬渦流對系統通訊磁場的干擾，天線內磁場強度接近于理想狀態，有利于RFID標簽信息的讀取，提高了RFID通訊系統的工作穩定性。

表1 不同情況下天線內部磁場強度和外殼金屬渦流強度

2.液壓執行系統優化設計

2.1 控制原理

液壓執行系統控制原理如圖4所示。液壓活塞與刀翼連接軸為機械連接，液壓活塞左右兩個液壓腔用管路連接，液壓管路的通斷由電磁閥控制，電磁閥的開閉由RFID通訊電控系統控制。當兩腔連通時，液壓油可以通過油道在兩腔內自由流動，液壓活塞可以自由移動，擴眼刀翼在連接軸的帶動下打開或者關閉。當電磁閥關閉，油道斷開，液壓油無法流動，因其不可壓縮性，液壓活塞位置鎖定，進而實現對連接軸上刀翼的鎖止。

圖4 液壓執行系統控制原理

2.2 液壓鎖止優化設計

要實現液壓執行系統可靠鎖止刀翼，就必須使控制液壓回路通斷的電磁閥的截止壓力和液壓回路承壓能力大于液壓系統在靜止狀態或刀翼活動狀態時所承受的最大承壓值，保證液壓油無泄漏。

2.2.1 液壓系統靜態壓力計算

擴眼器處于未工作狀態時，液壓系統靜態壓力計算公式為：

(1)

式中：p—液壓系統承壓，Pa；A—液壓活塞有效受力面積，m2；Fy—鉆井液壓力，N；Ft—彈簧壓縮復位力，N。

結合設計的液壓系統尺寸參數，計算得到液壓系統靜態壓力為17.48 MPa。

2.2.2 液壓系統動態壓力計算

液壓執行系統工作時是一個動態過程，可通過計算機仿真模擬整個過程，從而獲得液壓腔動態壓力變化。本文使用AMESim軟件進行液壓系統仿真，分別建立了擴眼器液壓執行系統在擴眼刀翼打開和關閉過程中的模型，如圖5所示。

圖5 液壓執行系統動態仿真

仿真獲得了刀翼打開和關閉過程中兩個液壓缸的壓力變化。

(1)擴眼刀翼打開過程。初始時電磁閥處于斷電關閉狀態，當電磁閥通電打開后，鉆井液的壓力克服彈簧力，推動活塞運動，此時左右兩個液壓腔的壓力的變化曲線如圖6所示。

圖6 擴眼刀翼打開過程中左右液壓腔內的壓力變化

由圖6可以看出，擴眼刀翼打開過程中液壓腔中最高壓力7.5MPa。

(2)擴眼刀翼關閉過程。初始時電磁閥處于斷電關閉狀態。當電磁閥通電打開后，壓縮的彈簧推動液壓活塞運動，此時左右兩個液壓腔的壓力變化曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，擴眼刀翼關閉時液壓腔中的最高壓力為15 MPa。

圖7 擴眼刀翼關閉過程中左右液壓腔內的壓力變化

綜合比較液壓系統在靜止和擴眼刀翼運動這兩種狀態，系統所承受的最大壓力為17.48 MPa，因此，在進行電磁閥優選時，電磁閥的最大截止壓力必須大于液壓系統最大承受壓力，整個液壓回路的最大承壓也要大于這個值，這樣液壓系統才不會在工作中泄漏失效，從而保證擴眼刀翼可靠鎖止。

三、應用實例

本文設計的RFID隨鉆擴眼器已在臨25-平11井、勝1-3斜57井、勝2-斜105井和中鹽順89井成功實現了現場應用，取得了不錯的效果。

以中鹽順89井為例，這口井是中鹽淮安鹽化公司的芒硝井，井身結構為二開斜井，垂深2 180 m，造斜點1 200 m。要求的擴眼井段為868～968 m，處于直井段，該段地層為三垛組一段,要求擴眼井徑從215.9 mm擴至250.8 mm。

整個擴眼過程中，控制命令下傳與識別成功率100%，液壓執行系統正常工作，實現刀翼完全打開和關閉，一次性擴完全部井段，平均擴眼速度4.55 m/h，擴眼井徑達到設計要求，擴眼作業獲得成功。

四、結論

(1)理論分析確定了井下環境對系統信息接收性能的影響因素，通過在RFID天線外部安裝鐵氧體屏蔽環的方式，解決了井下金屬渦流對天線磁場強度的削弱問題，保證了井下RFID通訊電控系統對控制命令的可靠接收。

(2)通過理論計算和AMESim仿真的方式確定了液壓執行系統所承受的最大壓力，為電磁閥優選和液壓回路承壓設計提供了理論依據，從而使設計的液壓系統能夠實現擴眼刀翼的可靠鎖止。

(3)設計的RFID隨鉆擴眼器已成功實現了4口井的現場擴眼應用，驗證了工具工作的可靠性和穩定性。