射頻識別技術在井下工具中的應用與發展

劉清友，張安琪，黎　偉

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都610500；2.西南石油大學機電工程學院，成都610500）

開發應用

射頻識別技術在井下工具中的應用與發展

劉清友1，張安琪2，黎偉2

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都610500；2.西南石油大學機電工程學院，成都610500）

為促進我國射頻識別技術在智能化鉆完井領域的應用與發展，解決深井、超深井勘探開發中的技術瓶頸，拓寬井下工具的使用功能，調研了射頻識別技術在石油工具中的應用現狀。闡述了射頻識別技術的工作原理與技術特點，在非常規油氣藏鉆完井開發中引入射頻識別技術，可大幅提高井下工具的工作效率，縮短施工周期，降低施工成本。介紹了國外射頻識別技術在油田鉆具監測管理、鉆井擴眼工具、壓裂滑套工具中的典型應用。針對射頻識別技術的關鍵性難題，展望了該技術在未來石油裝備及工具中的發展趨勢，對促進該技術在石油工具智能化方面的應用具有重要意義。

射頻識別；井下工具；典型應用；關鍵技術；發展趨勢

石油工具對石油行業的發展起著十分重要的作用，其創新發展將為石油勘探開發提供必要的技術支撐。隨著信息技術、網絡技術的普及與發展，對于技術密集型的石油裝備領域而言，將信息化、智能化融入到石油勘探開發的各個環節中，將極大提升石油裝備與工具的核心競爭力。射頻識別（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）技術正是實現石油裝備與工具信息化、智能化的有效途徑之一［1-3］。

隨著非常規油氣藏勘探開發投入的加大，RFID技術在石油裝備制造業中具有非常廣闊的應用前景，尤其是在智能化鉆完井井下工具的自動化控制方面，RFID技術將帶來巨大的經濟效益［4-5］。本文結合RFID技術的工作原理與技術特點，對國外井下工具運用RFID技術在油氣藏勘探開發中的研究現狀與典型應用進行了分析，并針對RFID技術中的關鍵性難題，展望了該技術在未來石油裝備工具中的發展趨勢，對促進我國在油氣資源勘探開發中運用RFID技術具有十分重要的現實意義。

1　RFID技術的工作原理與特點

RFID是利用電磁波的反射能量進行通信的一種技術，RFID與其他無線通信技術（例如WLAN、藍牙、紅外、ZIGBEE、UWB）相比最大的區別在于RFID的被動工作模式，即利用反射能量進行通信，是一種非接觸式的自動識別技術。通常，射頻識別系統由射頻電子標簽（Tag）、讀寫器（Reader）和計算機數據管理系統3部分組成，其組成結構如圖1所示。

圖1　射頻識別系統組成

RFID技術的工作原理是讀寫器通過天線發送出一定頻率的射頻信號，當射頻電子標簽進入磁場時產生感應電流而獲得能量，發送自身編碼等信息，被讀寫器讀取并解碼后送至計算機主機進行后續處理［6-7］。由于RFID技術是一種在讀寫器和射頻電子標簽之間進行的非接觸式的自動識別技術，在實際應用中具有4方面功能特點［8］：

1） 電子標簽能夠順利地嵌入或隱藏到非金屬的材料中。

2） 識別碼是用電子制作的，具有唯一性和永久存儲性，需修改時只能在地面專門設備中重新編譯。

3） 由于不直接接觸，不會發生磨損現象或產生裂紋。

4） 具有方便快捷性，操作流程簡單，且可靠性高，可有效降低施工成本。

2　在井下工具中的典型應用

RFID技術是伴隨著電子信息技術的迅猛發展才在石油裝備工具中得到了初步的應用，在應用之初，RFID技術僅應用于鉆具的資產跟蹤與識別管理方面，以減少人為操作的失誤，提高工作效率。隨著深井、超深井勘探開發難度的加大，國外各大石油公司也積極探索將RFID技術應用于石油勘探與鉆完井等上游業務。因此，基于RFID技術的智能化石油裝備與工具也應運而生，使之更高效、安全地服務于石油勘探與鉆完井作業。

2.1在鉆具數字化監測中的應用

鉆具單元在井內承受復雜的交變應力的作用，將會對反復使用的鉆具引起累積疲勞失效等問題，因此有必要對鉆具的每個單元進行密切的疲勞追蹤，隨著RFID技術的發展，加速了油田鉆具數字化監測管理系統的應用與推廣［9-10］。1998年，巴西國家石油公司的J.H.B.Sampaio等人針對鉆桿疲勞失效問題，提出了運用RFID技術進行跟蹤并記錄每根鉆桿的使用情況，通過該方法可以有效記錄每次鉆井作業參數以及鉆桿單元的累積疲勞周期［11］。2007年法國石油研究院的O.Vincke等人在此基礎上研制出了基于RFID技術的鉆桿疲勞失效監測裝置（如圖2所示），將RFID標簽與鉆桿疲勞失效模型相結合，在每次鉆桿入井作業前設置相對應的模型參數，當攜帶有RFID標簽的鉆桿通過鉆桿疲勞失效監測裝置時將記錄每次的作業信息，以實現持續追蹤鉆桿的疲勞累積程度，有效評估并預測鉆桿的剩余使用壽命，及時更換新鉆桿以保證鉆井的正常作業，降低了鉆桿因疲勞失效所帶來的安全風險，該裝置已成功運用于法國南部油田的現場試驗中（如圖3所示），試驗結果驗證了該裝置的可行性［12］。

圖2　基于RFID技術的鉆桿疲勞失效監測裝置

圖3　鉆桿疲勞失效監測裝置現場運用實例

目前，基于RFID技術開發的油田鉆具數字化監測管理系統，不僅可以有效監測每個鉆具單元的鉆井運行參數、累積疲勞周期、剩余使用壽命等，而且還能對鉆具提供包括資產描述、管體基本信息等在內的所有數據庫管理，涵蓋了鉆具的整個生命周期，從新進購置、物流運輸、開始使用、檢測修復、報廢等各個環節的詳細記錄信息與使用參數，有效控制了因鉆具失效對鉆井帶來的危害。我國的安東石油技術（集團）有限公司在2007年率先推廣了基于RFID技術開發的油田鉆具數字化管理系統，利用RFID電子跟蹤與識別技術，成功實現了鉆具的電子識別和數字化管理，加快了我國油田數字化發展的進程［13］。

2.2在鉆井擴眼工具中的應用

在鉆井工具中，運用RFID技術較為成功的案例應該是鉆井擴眼工具，其主要目的是通過在鉆進時擴大井眼以達到提高機械鉆速的目的。傳統擴眼的工作方式是利用機械式或水力液壓式開關擴眼工具，即在鉆柱中投球，靠液壓壓力開啟或關閉擴眼器的切屑齒。該方法存在一定的缺陷性，導致鉆柱內通道受到尺寸限制，不能使電纜工具或更小直徑的鋼球通過該區域。為適應井身結構復雜的井況，提高鉆井作業效率，威德福公司率先在業界推出了基于RFID技術的Rip TideTM擴眼器，通過RFID標簽可靈活控制擴眼器的開啟或關閉，可選擇性的分時分層段的進行擴眼作業，不受時間與空間上的限制［14-16］。圖4所示為傳統機械投球式擴眼器與RFID擴眼器的對比圖。

圖4　傳統機械投球式擴眼器與RFID擴眼器

目前，威德福公司研發的Rip TideTM擴眼器有146.05 mm（5英寸）、107.95 mm（8英寸）、260.35 mm（10英寸）、298.45 mm（11英寸）、361.95 mm（14英寸）、406.40 mm（16英寸）共計6種規格，擴眼尺寸為190.5～558.8 mm（7～22英寸）。它采用雙體模塊設計，分為RFID控制器短節和擴眼器短節，其中RFID控制器短節如圖5所示。需要進行擴眼作業時，在地面井口將設置好“開啟”命令的RFID標簽投入鉆桿內，當RFID標簽泵送至控制器短節時，控制器內部的閱讀器識別指令，激活執行機構“開啟”擴眼器，推靠切削齒塊擴大徑向切削尺寸進行擴眼作業；當再次從井口投放設置為“關閉”指令的RFID標簽到達控制器短節時，又激活執行機構“關閉”擴眼器，回縮切削齒塊，關閉擴眼功能。該技術的實現具有以下優勢：

圖5　RFID控制器短節

1） 可進行多次開啟和關閉，為選擇性擴眼作業提供了前提條件。

2） 有利于開泵循環，以調整鉆井液性能，因為在長井段中保持隨鉆擴眼會降低鉆井液性能，如果鉆進一段，關閉擴眼工具進行充分的開泵循環，有利于清除巖屑、保持鉆井液性能。

3） 可使鉆柱內通道不受尺寸限制，實現全通徑，從而降低了循環壓耗，同時還不影響其他工具的下入。

4） 可在一趟管柱中同時控制多個擴眼工具獨立工作（如圖6所示），為了實現長井段連續擴眼，一次性下入2個擴眼工具，通過設置不同的RFID電子標簽選擇性地關閉和開啟擴眼器，當切削齒塊磨損后，可不用起下鉆更換擴眼器即可開啟另一個擴眼器，實現連續擴眼，提高了擴眼效率。

圖6　雙RFID擴眼器的底部鉆具組合

2.3在壓裂滑套工具中的應用

隨著水平井分段壓裂技術的深入開展，特別是對于頁巖氣的開發，其完井方式越來越趨于智能化。傳統的水平井完井壓裂工藝（例如裸眼多級滑套分段壓裂工藝），需要利用不同直徑的小球分別打開井下多級滑套，依靠連續管磨掉小球，從而達到各級壓裂的目的，但這種方法涉及到復雜的井下操作，延長了作業時間，提高了作業成本［17-18］。

針對裸眼多級滑套分段壓裂技術上的不足，為簡化多級壓裂施工過程，減少作業復雜性和整個壓裂作業成本，2010年威德福公司設計了一種基于RFID技術的新方法，即運用RFID打開現有滑套工具，拓展滑套工具的使用功能［19-20］。新設計的滑套包含了1個天線和1個可識別RFID標簽信號的讀寫器，當RFID電子標簽或信號球被泵入井下，經讀寫器識別后借助井下電池來開啟或關閉滑套。

由RFID驅動的滑套主要由RFID通信單元、控制單元和滑套執行單元組成，其結構如圖7所示，RFID電子標簽和信號球如圖8所示。在進行實際壓裂操作時，該滑套的工作原理是：當需要對某一層位進行壓裂時，就向管柱內投放對應層位的RFID標簽，當標簽隨壓裂液泵送至該層位的滑套位置時，其RFID通信單元獲取RFID標簽命令，由控制單元解讀后輸出控制命令，觸發并啟動滑套內部的微型液壓馬達，驅動執行機構動作，完成滑套的打開或關閉。

圖7　RFID滑套結構示意

圖8　RFID電子標簽和信號球

基于RFID技術的壓裂滑套工具，由于采用了非接觸方式激活各個滑套功能區，各滑套有且僅有唯一對應的信息碼進行區別，操作相互獨立，因此，與傳統的裸眼多級滑套壓裂技術相比具有如下優勢［21］：

1） RFID技術可以允許使用相同直徑的小球，對打開滑套的數量沒有限制，理論上可實現管柱全通徑、無限級數的壓裂。

2） 每個RFID信號球具有不同的電子識別碼，可打開唯一特定的滑套，需要完成工具間的互換只需更新電子標簽及滑套控制器代碼便能夠實現。

3） RFID驅動的滑套使其作業工藝流程精簡，大幅提高了施工效率，節省了施工成本，具有廣闊的應用前景。

3　RFID技術在井下工具中的發展趨勢

隨著RFID技術在石油工具中的應用與規模的進一步擴大，RFID技術必將推動石油裝備制造業中產品的信息化、自動化與智能化的進程，這也將是實現油田裝備及工具數字化的有效途徑之一。但是，目前RFID技術在實際應用中依然存在著一些關鍵性技術難題，影響著RFID技術在石油裝備工具中的推廣、應用和發展，主要體現在以下幾個方面：

1） RFID技術本身的發展與標準完善問題。

RFID技術的研究現狀主要針對以下幾個方面：讀寫器設計與制造、天線設計與制造、芯片設計與制造、RFID標準制定。其中，RFID標準的制定與統一是爭論焦點之一，目前RFID還沒有制定出國際統一的標準規范，從而有多種標準共存，已形成了EPCglobal、ISO、UID、AIM和IP-X五大標準組織，因此，RFID標準中的編碼標準和通信協議（通信接口）將是RFID標準化的核心研究內容之一［22-23］。同時，現有的RFID技術存在數據保密性差、傳輸距離短、讀寫系統靈活性不高等實際問題，如果上述問題能得到有效解決，RFID技術的應用范圍將更加廣泛。

2） 井下RFID無線通信技術的研究難點。

無論是鉆井中的擴眼器工具，還是壓裂作業中的智能滑套工具等，RFID系統都受到井下環境的綜合影響，由于其井下作業周期長，RFID電子標簽泵送速度快，且泵送過程中碰撞嚴重，位置隨機無法確定，因此，如何提高RFID電子標簽自身強度和高速泵送時信號的捕獲識別率成為井下RFID無線通信技術的關鍵問題。目前，陶瓷封裝的無源標簽在一定程度上可提高標簽的抗碰撞能力，而標簽與天線之間采用低頻通訊有利于井下介質環境內的通訊質量。同時，為了有效提高RFID信號的捕獲識別率，有人提出可以運用支持向量機（Support Vector Machine：SVM）模型來研究RFID信號識別的影響因素，有助于定量分析RFID信號識別率的問題［24］。

3） RFID控制系統研制的技術難題。

井下智能工具必須要考慮其控制系統的供電方式以及其長期耐高溫的特性，應盡量選用功耗小、省電的功能模塊，并通過合理的耗能管理模式，采取分別供電和分時供電的方式工作，甚至有時需要使部分功能電路處于休眠狀態，以減少電力消耗。所以，如何解決各耗電元件在井下長期工作的電能供應和電子器件的長期耐高溫性能是RFID控制系統研制的關鍵，也是RFID技術下一步發展的方向之一［25］。

對于上述RFID技術的關鍵性技術難題，國外已經作了前期的基礎性研究，而國內依然處于起步階段，這些問題也將是RFID技術在我國石油裝備工具應用中的發展方向和趨勢，以進一步拓寬在石油裝備領域中的應用范圍，促進我國在石油裝備制造業中實現真正意義上的數字化與智能化。

4　結論

1） 射頻識別技術為石油裝備及工具的智能化開辟了一個全新領域，國外各大公司基于RFID技術研發的鉆桿疲勞失效監測裝置、隨鉆擴眼器、智能壓裂滑套等工具，可有效降低作業成本，避免井下各類復雜情況引起的安全事故，大幅提高作業效率。在解決深井、超深井勘探開發難題，完善與拓寬井下工具的使用功能上，RFID技術為新型工具的研發提供了技術指導與發展方向。

2） 針對射頻識別（RFID）技術的關鍵性技術難題，建議該技術在未來石油工具的發展中應重點解決RFID標準的制定與統一、提高RFID電子標簽自身強度和信號捕獲識別率、具備高效可靠的RFID控制系統等問題，這也將是RFID技術在石油裝備領域中實現工具智能化的發展趨勢。

［1］黃晶濤，檀朝東，沐峻丞，等.物聯網技術在石油裝備制造業中的應用［J］.中國石油和化工，2010（10）：62-64.

［2］Morris C.If Tesco can do it，why can’t we？The chal-lenges and benefits of implementing RFID and mobile computing in upstream environments［R］.SPE 112038，2008.

［3］Feng Y，Blanton E，Mason J，et al.A new intervention-less completion system using radio frequency identifi-cation（RFID）technique［R］.SPE 167480，2003.

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

［5］Grinrod M，Vonlanthen M，Haaland A T.RFID.A key enablerindrillingautomation［R］.SPE／IADC 163449，2013.

［6］羅春彬，彭龑，易彬.RFID技術發展與應用綜述［J］.通信技術，2009（12）：112-114.

［7］周曉光，王曉華.射頻識別（RFID）技術原理與應用實例［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［8］光新軍，王敏生，葉海超，等.RFID在井下工具中的應用［J］.石油機械，2013（5）：25-28.

［9］Jason AW.Adding to human factor to rig anti-collu-sion system：a newtechnology explored［R］.SPE 84352，2003.

［10］Larsen H F，Iversen F P，Welmer M，et la.The auto-mated drilling pilot on statfjord C［R］.IADC／SPE 128234，2010.

［11］Sampaio J H B，Placido J C R.Using radio frequency identification electronic chips to effectively control the elements of the drillstring［R］.SPE 49203，1998.

［12］Vincke O，Averbuch D，Tollet S，et al.A new drill-string fatigue supervision system［R］.SPE／IADC 105842，2007.

［13］王運美，李琛，馬建民.基于RFID技術開發的油田鉆具數字化管理系統［J］.石油礦場機械，2007，36（7）：71-74.

［14］趙長海.基于石油井下工具的RFID應用分析［J］.中國石油和化工標準與質量，2014（4）：120.

［15］Gonzalez LA，Valverde E，Laird T.RFID provides on-demand activation／deactivation reliability to under-reaming［R］.SPE 146033，2011.

［16］Snider P M，Tom Doig.RFID actuation of self-pow- ered downhole tools［R］.SPE 113842，2008.

［17］李大寨，王克沛.基于RFID技術的智能滑套分段壓裂工具的設計［J］.機械與電子，2014（2）：50-53.

［18］秦金立，戴文潮，萬雪峰，等.無線射頻識別技術在多級滑套壓裂工具中的應用探討［J］.石油鉆探技術，2013（3）：123-126.

［19］Jones R，Davis B.A Systematic Approach to the Inte-gration of Upper and Lower Completions：A Strategy for Deep Gas Applications［R］.SPE 131774，2010.

［20］Tough J，Mason J，Biedermann R B，et al.Radio Fre-quency Identification of Remotely Operated Horizon-tal Frac［R］.SPE 143940，2011.

［21］李光泉，戴文潮.無線射頻識別滑套關鍵技術研究［J］.石油機械，2013（5）：73-75.

［22］李泉林，郭龍巖.綜述RFID技術及其應用領域［J］.中國電子商情（RFID技術與應用），2006（1）：51-62.

［23］沈冬青.RFID射頻識別技術標準解析及現狀研究［J］.中國安防，2011（4）：37-40.

［24］Jo M，Youn H Y，Cha S H，et al.Mobile RFID tag detec-tion influence factors and prediction of tag detectability ［J］.Sensors Journal，IEEE，2009，9（2）：112-119.

［25］倪衛寧，劉建華，張衛，等.基于無線射頻識別的井下工具控制技術［J］.石油鉆探技術，2014（6）：102-105.

Application and Development of Petroleum Downhole Tools Based on Radio Frequency Identification Technology

LIUQingyou1，ZHANG Anqi2，LI Wei2
（1．State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploration，Chengdu 610500，China；2．College of Mechanical and Electronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

To promote the application and development of RFID（radio frequency identification）technology in the field of intelligent drilling and completion in our country，and resolve the bottle-neck problems in the exploration and development of deep／ultra-deep wells，and widen the func-tional use of petroleum downhole tools，the application status of RFID technology in petroleum e-quipment and tools were investigated.The working principle and technical characteristics of RFID technology are explained in this paper.While introducing RFID technology in unconventional res-ervoirs development drilling and completion，it could greatly improve downhole work efficiency，shorten the construction period，and reduce construction cost.The typical applications of foreign RFID technology in the oilfield drilling monitoring and management，drilling reaming tools and sleeve fracturing tools are introduced.With reference to the key technical problems of RFID tech-nology，the prospect of RFID technology in the future petroleum equipment and tools are sugges-ted.This paper is of significance to promote the realization of intelligent tools in petroleum equip-ment field of our country.

RFID；downhole tool；typical application；key technology；development trend

TE927

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.11.015

1001-3482（2015）11-0061-06

2015-05-16

四川省科技計劃項目（基礎研究）（2015JY0078）；四川省教育廳科研項目（14ZA0042）

劉清友（1965），男，重慶開縣人，教授，博士生導師，主要從事油氣裝備與井下工具及計算機仿真等方面的研究工作，E-mail：liuqy66＠aliyun.com。

2015-04-02

蒙永立（1963），男，重慶人，工程師，2009年畢業于石油大學（華東）石油工程專業，主要從事稠油熱采井口裝置的設計和技術研究，E-mail：mengyongli＠petrochina.com.cn。