基于無線射頻技術的智能滑套信號收發裝置設計

尚曉峰，劉巖巖，劉崇江，李清忠，趙驪川

(沈陽航空航天大學 機電工程學院，沈陽 110136)①

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基于無線射頻技術的智能滑套信號收發裝置設計

尚曉峰，劉巖巖，劉崇江，李清忠，趙驪川

(沈陽航空航天大學 機電工程學院，沈陽 110136)①

摘要：現有的石油開采技術中，傳統的機械滑套投球滑套在壓裂級數上有限，為提高開采效率，增加壓裂級數是關鍵。 將射頻技術應用到滑套當中，可解決井下滑套開閉問題。用投遞信號球作為開閉滑套的方式可以實現井下壓裂的無限級。 對信號的接收系統軟硬件進行設計計算，并模擬井下工況對信號球以及閱讀器進行試驗，驗證了射頻滑套信號接收系統的性能。試驗結果表明，設計的信號接發系統工具能夠滿足所要求的性能指標。

關鍵詞：滑套；射頻；分段壓裂；射頻識別；信號球

水平井分段壓裂技術已成為當今油氣開采的重要技術[1]。近年來，其技術工藝日趨成熟，對水平井水平段長度及壓裂級數的要求也隨著生產效率的提高而不斷增加，傳統的機械移動滑套和投球滑套因受滑套管徑的限制，壓裂級數受限[2]。為解決壓裂級數不受投球尺寸限制的問題，本文提出一種采用射頻技術開啟滑套的方法，實現智能識別和遠距離通訊，同時采用與滑套結構尺寸相近的壓裂工具，以解決壓裂技術受限的問題。

1總體方案

射頻識別(RFID)也稱之為無線電頻率識別。應用RFID系統可以識別預先儲存在電子標簽中的電子數據，由閱讀器讀出識別信息，具有智能識別和遠距離通訊的特點。通過電感耦合方式可實現非接觸自動識別，信息數字化，識別效率高，可使用編碼技術在不用改變傳統投球滑套基本尺寸的前提下實現激發開啟滑套。

RFID系統基本工作原理是：電子標簽為集成電路芯片，當電子標簽進入有效工作識別區域時，電子標簽的天線與閱讀器天線相互切割磁感線產生感應電流，閱讀器的射頻載波用于為電子標簽提供能量，電子標簽被激活，電子標簽向閱讀器傳送儲存數據的方式是采用對載波的負載調制。閱讀器采用載波間隙，脈沖調制，編碼調制等方式給電子標簽及主機傳遞命令和數據。主機根據邏輯運算識別該標簽身份，并根據程序設定做出相應的動作和控制，如圖1 所示。

圖1　RFID工作原理圖

RFID系統根據射頻耦合方式的不同一般分為電磁反向散射耦合系統(電磁場耦合)和電感耦合系統(磁耦合)兩類。

電感耦合方式是依據電磁感應定律通過空間高頻交變磁場實現耦合。射頻載波頻率為135 kHz以下，適用于中、低頻工作的近距離RFID系統，典型作用距離為0～20 cm。由于射頻滑套內空間較窄，所以選擇電感耦合系統。該系統的能量供應方式是閱讀器天線線圈激發磁場，其中一部分磁力穿過電子標簽天線線圈，通過感應，在電子標簽的天線線圈上產生電壓U，將其整流后作為芯片的工作電源[3-7]。

2信號收發裝置硬件系統設計

2.1電子標簽(信號球)設計

電子標簽(智能標簽)屬于應答器的一種，主要有工作頻率、編碼調制方式、數據傳輸、信息數據儲存量，工作距離以及多標簽識別功能。

由于井下深度較大、環境復雜，為保證電子標簽順利到達信號接收區域，采用將電子標簽做成球型的方式，信號球主要由信號發射裝置和球殼組成。信號球的組成及內部各模塊功能如圖2所示。

圖2　信號球內部模塊

1)天線。應用目的是收發信號并取得最大傳輸效果。

2)電壓調節器。通過電感耦合方式把射頻信號一部分能量整合成直流電源。

3)調制器與解調器。從閱讀器傳輸過來的信息，通過調制解調電路送至控制單元，控制單元實現命令規定動作；從閱讀器傳回來的數據，經調制解調，再在控制單元命令下寫入儲存器。

4)邏輯存儲單元。為射頻系統儲存識別信息。

2.2信號接收及控制系統

信號接收及控制系統又稱為閱讀器，閱讀器并不僅具有讀功能，而是泛指其具有讀寫功能 。此次設計的信號接收系統有3功能要求：①閱讀器保證能從電子標簽IC芯片中讀取數據；②能夠通過ITEAD Arduino單片機對以讀取的信息進行處理并能實現規定動作；③可以為電子標簽傳輸能量(通過射頻方式)。

閱讀器由射頻接口、邏輯控制單元和天線3部分組成，如圖3所示。

圖3　閱讀器內部各模塊功能

1)射頻接口主要任務和功能是激活電子標簽并為IC芯片提供能量，是信號接收和發送的通道，包括編碼、調制、解調、功率放大等。

2)邏輯控制單元是閱讀器工作的核心，完成收發控制、向電子標簽發送命令，并讀取處理數據。

其硬件主要選擇為：ITEAD Arduino開發板，RDM6300低頻射頻模塊(如圖4所示)及電磁閥等。

圖4　RDM6300射頻模塊

2.3芯片選擇及線圈設計

TK4100芯片是一種非接觸式、無源，具有防碰撞能力的只讀型CMOS集成電路微ID芯片，該芯片是由線圈終端之一從交變磁場得到相應的時鐘頻率，該電路是磁場上外部線圈電感耦合產生電能以驅動TK4100芯片，如圖5所示。

圖5　TK4100芯片及線圈

操作條件：芯片外部線圈兩端產生的感應電壓不小于3.5 V時啟動芯片。設計計算如下：

1)射頻模塊。

線圈匝數N1

200

工作電流I1

50 mA

線圈大小

46 mm×32 mm×3 mm

線圈電感

47～68 μH

2)信號球線圈 。

線圈匝數N2

200

線圈內圓直徑d

20 mm

射頻模塊線圈大小

S1=46 mm×32 mm=1 472 mm2

射頻模塊線圈所產生的磁場強度為

B=μ0N1I1

穿過信號球線圈的磁通匝鏈數為

Ψ=N2μ0N1I1S1

兩線圈之間的互感為

信號球線圈感應電壓大小為

TK4100ID芯片的內部電路由模擬前端，寫解碼，比特率產生器，調制器，模式寄存器，控制器，測試邏輯，儲存器AFE選項寄存器構成，如圖6所示。由圖6可知TK4100ID芯片與閱讀器之間的耦合方式。閱讀器向TK4100ID芯片傳送射頻能量和讀寫命令，同時接收TK4100ID芯片以負載調制方式傳送數據信號。

圖6　TK4100芯片內部電路組成框圖

3射頻收發裝置功能試驗

3.1信號接收

為滿足試驗要求，需模擬井下工作環境。應具備的試驗條件如下：

1)搭載鉆井試驗臺，閱讀器需要密封，避免直接暴露在液體環境中。

2)試驗臺滑套管道直徑為150 mm。

3)安裝大排量排水泵，排水泵的排量設定分別為2.2、3.4 m3/min

4)滑套管道內液體為油、水混合液。

測試信號球分別以2.1 m/s (水平井壓裂液)和3.2 m/s(垂直深井壓裂液)流速通過閱讀器 。測試閱讀器在這2種壓裂液流速下接收狀態，分別試驗10次，結果均能接收到信號球發出的信號。

3.2耐溫試驗

為了保證在井下溫度下能正常收發信號，模擬井下高溫環境，對信號球和閱讀器在高溫情況下進行性能測試。

將信號球浸泡在的水箱中，將水箱內的水加熱到100 ℃，通過觀察水箱外信號接收裝置接收識別信息的情況，驗證信號球內部電路能否受到影響。再通過水箱外部投遞信號球，觀察水箱內的信號接收裝置是否接收到識別信息[8-12]。

試驗結果顯示，外部信號接收裝置能準確地接收到水箱中信號球的識別信息，水箱內的信號接收裝置也能接收到外部信號球發出識別信息。實驗結果證明，該信號球和閱讀器可以在100 ℃高溫環境中接收信號。

3.3承壓試驗

井下壓裂過程中，壓裂液壓力可達50 MPa，為保證信號球在井下正常工作，需設計承壓試驗對信號球的性能進行驗證。

信號球殼體材料選擇有機玻璃，化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯?？稍谧灾坪銣爻袎簻y試裝置中進行承壓測試。殼體直徑為30 mm，殼體開寬度為5 mm，深2 mm的槽，用于放置信號球線圈芯片，試驗溫度為100 ℃，對殼體施加70 MPa壓力，觀察壓力變化情況。承壓試驗壓力-時間曲線如圖7所示。在壓力增加至70 MPa后，壓力沒有出現下降，說明密封件未出現損壞，信號球能滿足70 MPa 的承壓性能要求。

圖7　信號球殼體承壓試驗壓力-時間曲線

4結論

1)信號接收裝置內部結構設計計算符合要求。

2)通過信號接收試驗表明，在油水混合液中，信號球以2.1和3.2 m/s速度通過閱讀器，能接收到信號球發出的信號。

3)為保證在井下溫度下能正常收發信號，信號球浸泡在水箱中，將其加熱到100 ℃，仍能準確接收到信號。

4)在承壓試驗中，在100 ℃溫度條件下，對殼體施加70 MPa的壓力，壓力值并無明顯下降，殼體承壓能力滿足要求。

參考文獻：

[1]尚曉峰，孫永賀，尚進，等.水平井壓裂球的強度研究及結構改進[J]．石油礦場機械，2015，44(8)：39-43.

[2]孔青巖，張德榮，張笑非.水平井可關閉壓裂滑套有限元分析[J]．石油礦場機械,2013，42(5)：54-56.

[3]單承贛，單玉峰．射頻識別(RFID)技術原理與應用[M]．第2版．北京：電子工業出版社，2015．

[4]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．

[5]李偉業.RFID信息化圖書館設備參數優化研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[6]顏濤.RFID技術研究及其在倉儲管理中的應用[D].西安：西安電子科技大學，2006.

[7]Garrison M，Cox M，Clarkson B.Reinventing deepwater exploratory testing[G].OTC 21277，2011.

[8]Jones R A.Systematic approach to the integration of upper and lower completion，a strategy for deep gas application[R].SPE 131774，2010.

[9]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.

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

[11]藍錫巨.談我國石油工業的發展戰略問題[J].當代石油石化，2004，12(1)：10-11.

[12]Alpak F O，Verdín C T，Sepehrnoori K.Estimation of Axisymmetric Spatial Distributions of Permeability and Porosity From Pressure-Transient Data Acquired With in Situ Permanent Sensors[J].Journal of Petroleum Science and Engineering.2004(44)：231-267.

Intelligent Sliding Sleeve Signal Based on the Technology of Radio Frequency Transceiver Design

SHANG Xiaofeng，LIU Yanyan，LIU Chongjiang，LI Qingzhong，ZHAO Lichuan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136，China)

Abstract：In the present oil production technology，the traditional mechanical sliding sleeve，pitching sliding sleeve was restricted on fracturing level.Increasing the fracturing series is the key of improving the efficiency of mining.The RFID technology was induced to the sliding sleeve to solve open and close well decline set problem.The oil underground fracturing of infinite level can be realized with delivery signal balls as a means of opening.In this paper，the signal of the receiving system hardware and software design was calculated，and the experiment was introduced to simulate the oil underground signals and reader's experiment.The performance of the sliding sleeve of the radio signal receiving system was verified.The experimental results show that：the signal receiver system tool can meet the required performance indicators.

Keywords：sliding sleeve；radio frequency；staged fracturing；RFID；signal ball

中圖分類號：TE934.2

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.022

作者簡介：尚曉峰(1972-)，男，遼寧海城人，博士，碩士研究生導師，主要研究領域為激光快速成型和石油開采井下工具。

收稿日期：①2015-09-12

文章編號：1001-3482(2016)03-0089-04