射頻識別技術(shù)在井下工具中的應(yīng)用

劉全全(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

石油勘探、開采過程中需要使用大量井下工具，有效對這些井下工具進行管理，可提升石油勘探、開采效率，為現(xiàn)代社會發(fā)展提供充足的原油材料。而想要更好地對井下工具進行管理，企業(yè)必須要采用先進的科學(xué)技術(shù)，射頻識別技術(shù)是其中應(yīng)用效果較為良好的技術(shù)之一。通過該技術(shù)的應(yīng)用，可降低井下工具控制成本、提升操作安全性等，有利于井下作業(yè)活動的開展。所以，對射頻識別技術(shù)在井下工具中的應(yīng)用進行研究具有重要意義，為更好地應(yīng)用射頻識別技術(shù)提供支持。

1 射頻識別技術(shù)概述

現(xiàn)代石油勘探、開采時，逐漸對各種先進的技術(shù)手段進行了應(yīng)用，射頻識別技術(shù)是其中應(yīng)用范圍較廣，且效果較為良好的一種。對于射頻識別技術(shù)來說，屬于非接觸式自動識別技術(shù)，其中通常由五部分構(gòu)成，分別為：(1)讀寫器，其中設(shè)計了載波形成電路與信號放大電路，在系統(tǒng)啟動后，能夠根據(jù)需求，在載波形成電路的作用下，產(chǎn)生適當(dāng)大小的載波，之后通過信號放大電路處理后，形成強度較高的信號，并傳輸給天線[1]。(2)天線，在空間場內(nèi)，一方面，將信號傳輸至標(biāo)簽，使標(biāo)簽處于啟動狀態(tài)，另一方面，能夠接收標(biāo)簽返回的各種信息，并將這些信息與天線ID碼打包后，傳輸給讀寫器。(3)標(biāo)簽，為系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)載體，具有標(biāo)識識別、物品跟蹤、數(shù)據(jù)采集的作用。(4)計算機，對讀寫器解碼的信息進行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，向被控制元件發(fā)出相應(yīng)指令。(5)被控制元件，在計算機發(fā)傳輸指令的控制下，元件自動做出相應(yīng)操作，以達到遠程無人操控的目的。具體來說，射頻識別技術(shù)運行原理如圖1所示。

圖1 射頻識別技術(shù)的運行原理圖

相對于其他遠程操控技術(shù)，射頻識別技術(shù)具有下述幾個方面的優(yōu)勢：(1)系統(tǒng)中采用標(biāo)簽作為數(shù)據(jù)載體，且可以將其安裝到非金屬材料內(nèi)；(2)通過電子制作的方式，自動生成了相應(yīng)的識別碼，在每個系統(tǒng)內(nèi)，識別碼是唯一的，且能夠永久存儲，同時還具備可讀寫、使用率較高等特點；(3)以非接觸式感知方式為主，磨損與裂紋問題發(fā)生率非常低；(4)使用方便，操作簡單，可靠性較強，且有利于節(jié)約使用成本；(5)安全性較高，很少出現(xiàn)安全事件[2]。

2 射頻識別技術(shù)在井下工具中的具體運用

2.1 鉆具狀態(tài)監(jiān)控

鉆具在井下作業(yè)時，通常會承受復(fù)雜交變應(yīng)力的作用，加快了鉆具的損耗速度，不利于鉆具的長期使用。所以，為了延長鉆具使用時間，應(yīng)在鉆具井下作業(yè)過程中，實施對其疲勞狀態(tài)進行追蹤，準(zhǔn)確掌握鉆具的具體情況，防止疲勞效應(yīng)導(dǎo)致鉆具損壞。想要達到這一目標(biāo)，可以對射頻識別技術(shù)進行應(yīng)用。在20世紀(jì)90年代末期，巴西國家石油公司對射頻識別技術(shù)進行了應(yīng)用，利用該技術(shù)對鉆桿狀態(tài)予以監(jiān)控，能夠準(zhǔn)確采集鉆桿各個時間點的運行參數(shù)，通過對這些參數(shù)的分析與計算，較為準(zhǔn)確地判斷出鉆桿的疲勞狀態(tài)，有利于企業(yè)對鉆桿的調(diào)整[3]。在2007年，法國石油研究院以射頻識別技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了鉆桿疲勞失效監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)，將射頻識別標(biāo)簽與鉆桿疲勞失效模型結(jié)合到一起，鉆桿使用前，根據(jù)作業(yè)需求，在模型內(nèi)設(shè)定合理的控制參數(shù)；鉆桿井下作業(yè)時，可在鉆桿疲勞失效監(jiān)控系統(tǒng)范圍內(nèi)移動，每次通過監(jiān)控系統(tǒng)后，系統(tǒng)均會自動采集鉆桿狀態(tài)信息，以實時追蹤鉆桿的疲勞狀態(tài)，通過對這些信息的分析，可判斷出鉆桿的使用時間，為鉆桿的及時更換提供支持，防止鉆桿出現(xiàn)問題而影響井下作業(yè)的安全性。

隨著射頻識別技術(shù)的不斷發(fā)展，使得基于射頻識別技術(shù)的井下鉆具監(jiān)控系統(tǒng)性能更加完善，不僅可對鉆具疲勞狀態(tài)予以監(jiān)控，而且還會自動采集鉆具作業(yè)時其他方面的有關(guān)信息，如資產(chǎn)描述、管體基本信息、檢修信息等，進一步提升了鉆具狀態(tài)的監(jiān)控效果，降低因鉆具而引發(fā)井下事故的發(fā)生率[4]。在我國，中海油能源發(fā)展股份有限公司等在最近幾年也逐漸應(yīng)用了射頻識別技術(shù)，形成了智能化、數(shù)字化井下鉆具管控模式，推動我國油田行業(yè)向著更好的方向發(fā)展。

2.2 鉆井?dāng)U眼工具

現(xiàn)代石油勘探與開采需要使用大量井下作業(yè)工具，鉆井?dāng)U眼工具是其中較為重要的一種，通過該工具的應(yīng)用，可鉆取適當(dāng)大小的孔洞，為井下作業(yè)活動的進行提供支持。以往鉆井?dāng)U眼時，以機械式與水利液壓式開關(guān)擴眼工具為主，即在鉆柱內(nèi)，放入適當(dāng)大小的投球，在液壓壓力的作用下，將設(shè)備內(nèi)部的切屑齒打開或閉合，以此對鉆井?dāng)U眼予以控制。通過大量實踐研究表明，該方法具有較多問題，若在鉆柱內(nèi)部尺寸的約束下，導(dǎo)致電纜、半徑非常小的鋼球順利通過。針對這一情況，在21世紀(jì)初期，美國Weatherford公司以射頻識別技術(shù)為核心，開發(fā)出了一款全新的擴眼器，即RipTideTM擴眼器，該擴眼器運行時，可在標(biāo)簽的控制下，使設(shè)備自動打開或閉合，在任何時間、任何地點均能夠有效控制擴眼作業(yè)。

隨著射頻識別技術(shù)的不斷發(fā)展，Weatherford公司也在逐漸對擴眼器進行研發(fā)，逐漸研制出越來越多尺寸的RipTideTM擴眼器，具體有6種規(guī)格，分別為：5.75 in、8.25 in、10.25 in、11.75 in、14.25 in、16 in，可得到7.5～22.0 in的擴眼[5]。該擴眼工具內(nèi)部，采用了雙體模塊結(jié)構(gòu)：一個為射頻識別控制器短節(jié)；另一個為擴眼器短節(jié)。在擴眼作業(yè)過程中，將設(shè)置好“啟動”指令的射頻識別標(biāo)簽放入到鉆桿中，標(biāo)簽移動到短節(jié)處后，控制器內(nèi)的閱讀器會自動對標(biāo)簽進行識別，根據(jù)識別出來的信息，將執(zhí)行模塊啟動，并驅(qū)動擴眼器運行，在切屑齒的作用下，完成擴眼作業(yè)。擴眼操作結(jié)束后，再次向井內(nèi)放入設(shè)置為“閉合”指令的射頻識別標(biāo)簽，標(biāo)簽移動到短節(jié)處后，控制擴眼器閉合，將切屑齒收回，從而停止擴眼作業(yè)。

相對于其他擴眼器來說，該擴眼器的優(yōu)勢包括：(1)能夠反復(fù)開展閉合與啟動作業(yè)，使得擴眼作業(yè)不會受到時間與空間條件的約束；(2)長井段作業(yè)時，由于擴眼作業(yè)量較大，會使井下性能不斷降低，影響擴眼器的使用效果。而應(yīng)用該擴展器后，可有效對擴眼工具的運行進行調(diào)節(jié)，及時將擴眼巖屑清除，防止巖屑落入到鉆井液內(nèi)，使鉆井液在實際當(dāng)中發(fā)揮出最大的作用。(3)解決鉆柱內(nèi)部條件約束問題，可提升內(nèi)部通道的暢通性，任何工具均可從中通過。(4)在一個管柱內(nèi)，同時對多個擴眼工具進行操作，顯著提升擴眼效率。

2.3 壓裂滑套工具

現(xiàn)代油氣開發(fā)時，逐漸對水平井分段壓裂技術(shù)進行了應(yīng)用，特別是頁巖氣田更是常見，推動油氣開發(fā)領(lǐng)域向著智能化的方向發(fā)展。以往階段，采用水平井完井壓裂技術(shù)時，通過對多種規(guī)格小球的控制，逐漸將各層次的滑套打開，以此完成各級壓裂操作。對于該操作方法來說，部分操作環(huán)節(jié)由井下完成，不僅增加作業(yè)時間，需要投入更多成本，而且還具有較高的安全風(fēng)險。針對這一問題，在2010年，Weatherford公司以射頻識別技術(shù)為核心，開發(fā)出全新的壓裂滑套工具控制系統(tǒng)，即根據(jù)作業(yè)需求，由射頻識別技術(shù)對滑套工具，以完成井下裂壓操作，有效精簡了裂壓流程，降低裂壓成本[6]。該滑套工具內(nèi)，主要由兩部分構(gòu)成：一個為天線，用于接收或傳遞相關(guān)信號；另一個為讀寫器，用于對射頻識別標(biāo)簽進行識別，以此驅(qū)動滑套的打開與閉合。該工具運行原理為：井下某層壓裂過程中，先向井下放入相應(yīng)的射頻識別標(biāo)簽，在壓裂液泵的作用下，使標(biāo)簽逐漸向滑套移動，當(dāng)標(biāo)簽達到滑套位置處后，讀寫區(qū)識別標(biāo)簽中的信息，并形成相應(yīng)控制指令，啟動液壓電機，驅(qū)動執(zhí)行模塊運轉(zhuǎn)，從而將滑套打開或閉合。

相對于傳統(tǒng)壓裂滑套工具來說，基于射頻識別技術(shù)的壓裂滑套工具的優(yōu)勢包括：(1)采用一個規(guī)格的小球，可對多個滑套進行控制，使得工具結(jié)構(gòu)更加精簡。(2)在各射頻識別標(biāo)簽內(nèi)，存在特定且位移的識別碼，在該識別碼的控制下，可對對應(yīng)的滑套進行控。(3)可提升作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。

3 射頻識別技術(shù)在井下工具應(yīng)用中的核心技術(shù)

3.1 高溫工況下的電池壽命

井下控制端需要由電力能源驅(qū)動運行，只有向井下控制端輸送充足的電力能源，才可使射頻識別技術(shù)發(fā)揮出最大的作用。油井通常處于較深的地下，溫度較高，會對常規(guī)鋰電池造成較大影響，縮減電池的使用時間，無法為井下控制端提供充足的電力能源。所以，為了提升電池壽命，需要在電池組內(nèi)加裝睡眠狀態(tài)系統(tǒng)，需要提供電力能源時，可將電池組激活，而無需電能后，電池組則會自動關(guān)閉，以提升電池的使用時間。此外，還有一些企業(yè)開始對井底發(fā)電展開研究，但仍然處于起步階段，并未得到完善的成果。

3.2 電子元件的耐高溫性

目前，射頻識別技術(shù)在井下工具應(yīng)用時，很多元件的耐溫性較差，不符合油井下高溫環(huán)境的運行需求，在一定程度上影響射頻識別的應(yīng)用效果。現(xiàn)代射頻識別技術(shù)領(lǐng)域，溫度最高值為150 ℃，為了確保元件可以穩(wěn)定運行，通常要將外界環(huán)境溫度控制到135 ℃之內(nèi)[7]。完井設(shè)計時，為了符合這一條件，電子元件下入深度處的溫度不會超過135 ℃。電池運行時，也與外界環(huán)境溫度有關(guān)，這一背景下，國內(nèi)外一些企業(yè)開始對耐高溫電子元件進行研究，以保證電子元件在井下能夠穩(wěn)定運行。

3.3 電子標(biāo)簽通過閱讀器的速度控制

想要使閱讀器可以準(zhǔn)確識別標(biāo)簽內(nèi)的信號，應(yīng)保證天線覆蓋范圍內(nèi)的時間超過40 ms以上。所以，在閱讀器選擇時，應(yīng)通過室內(nèi)試驗的方式，對標(biāo)簽通過閱讀器的速度予以檢測，通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)標(biāo)簽通過速度為10 m/s時，可以達到上述標(biāo)準(zhǔn)，即在半徑為50.8 mm的管柱中，按照5 m3/min的排量作業(yè)。

4 射頻識別技術(shù)在井下工具運用的發(fā)展趨勢

想要進一步對井下工具進行管理，射頻識別技術(shù)需要注重下述幾個方面的問題：(1)射頻識別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)代科技領(lǐng)域?qū)ι漕l識別技術(shù)研究時，主要研究方向包括讀寫器、天線、芯片的設(shè)計與制造，射頻識別標(biāo)準(zhǔn)的制定等，其中，后者為最主要的研究內(nèi)容，現(xiàn)代國際市場內(nèi)，依然未得到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，不同國家與地區(qū)采用的標(biāo)準(zhǔn)體系略有差異，使得射頻識別技術(shù)應(yīng)用時，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸風(fēng)險、讀寫存在錯誤等問題，影響射頻識別技術(shù)的應(yīng)用效果。所以，在未來發(fā)展中，應(yīng)加強對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行研究，逐漸形成統(tǒng)一的，且被全球廣泛認可的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為射頻識別技術(shù)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。(2)井下通信質(zhì)量。井下環(huán)境非常復(fù)雜，且各種工具需要長時間作業(yè)，使得射頻識別標(biāo)簽損壞幾率較高，當(dāng)其出現(xiàn)損壞后，則無法準(zhǔn)確確定出標(biāo)簽的位置，影響系統(tǒng)對標(biāo)簽信號的識別。隨著射頻識別技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了一些安全性更高的標(biāo)簽，如陶瓷封裝標(biāo)簽，通過該標(biāo)簽的應(yīng)用，降低了標(biāo)簽的損壞幾率，且在標(biāo)簽與天線間，通過低頻通訊技術(shù)通信，大大提升了井下信息的傳輸質(zhì)量，為井下工具的操作提供支持。

5 結(jié)語

綜上所述，社會迅猛發(fā)展的今天，不僅為石油勘探、開采行業(yè)創(chuàng)造了諸多發(fā)展機遇，而且還提出了更多挑戰(zhàn)。這一背景下，石油勘探、開采企業(yè)應(yīng)加強對射頻識別技術(shù)的重視程度，并將其應(yīng)用到鉆具狀態(tài)監(jiān)控、鉆井?dāng)U眼工具與壓裂滑套工具管理工作當(dāng)中，以提升井下工具作業(yè)質(zhì)量與效果，為石油勘探與開采工作的開展打下良好基礎(chǔ)。