RFID電子標簽在油管中的應(yīng)用

徐亞飛，王青海，楊兵兵

（山東勝軟科技股份有限公司，山東 東營 257000）

RFID電子標簽在油管中的應(yīng)用

徐亞飛，王青海，楊兵兵

（山東勝軟科技股份有限公司，山東 東營 257000）

文章介紹了油田作業(yè)生產(chǎn)中對油管的管理現(xiàn)狀以及RFID電子標簽?zāi)壳暗膽?yīng)用現(xiàn)狀及前景，重點介紹了可適用于油田現(xiàn)場環(huán)境的專用RFID電子標簽的技術(shù)研究，油管標簽安裝方案的探討以及RFID標簽技術(shù)在油管的全生命周期管理方面的應(yīng)用技術(shù)研究。

RFID；電子標簽；油管；油管標簽；RFID應(yīng)用

1 油田管理模式現(xiàn)狀

近年來，油田推行以“分年限、等壽命”管理為代表的油管管理模式，這種管理模式仍然存在諸多問題，一方面是這種管理模式下，所述精細管理的提升主要依靠的是管理環(huán)節(jié)上的細化，實際操作人仍舊需要人工完成，另一方面是這種管理模式仍不夠精細。

2 RFID電子標簽應(yīng)用現(xiàn)狀

在政府大力推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的背景下，國家的一系列促進政策成為中國無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強大動力來源。各部委合力推動RFID應(yīng)用示范工程，智能電網(wǎng)、智能交通、金融服務(wù)、物流倉儲、醫(yī)療健康、食品安全等RFID相關(guān)重點應(yīng)用項目數(shù)量明顯增加，范圍迅速擴大；商品防偽、資產(chǎn)管理、工業(yè)管理等企業(yè)市場需求開始升溫。中國RFID產(chǎn)業(yè)已形成相對成熟的商業(yè)模式，未來RFID產(chǎn)業(yè)將迎來高速增長期。

3 油管專用RFID電子標簽技術(shù)研究

3.1 專用電子標簽研究

通過對電子標簽基礎(chǔ)理論的研究，探索標簽的穩(wěn)頻擴頻技術(shù)，從油田使用環(huán)境（尤其是井下）出發(fā)，需要滿足天線小尺寸、基板抗熱震性的條件，在該條件下，針對標簽抗金屬性能的要求，進行了基板材料的優(yōu)選和天線的研究設(shè)計。基板材料選擇微波介質(zhì)陶瓷（MWDC），介電常數(shù)20～100，介質(zhì)損耗低。天線設(shè)計采用微帶天線，同距離下尺寸最小、頻帶拓寬80%，讀取距離穩(wěn)定性好。

增加天線帶寬方法研究：

（1）增大介質(zhì)厚度，降低基板相對介電常數(shù)。這種方法是微帶天線擴展帶寬的基本途徑，微帶天線帶寬為：

當微帶天線的駐波比ρ一定時，帶寬和品質(zhì)因素成反比，因此微帶天線主要通過降低等效諧振電抗的Q值展寬工作帶寬，微帶天線的品質(zhì)因素Q的計算公式為：

W是貼片寬度，L是貼片長度（近似為波長的一半），h為介質(zhì)板厚度，σc是銅的電導(dǎo)率，可以得到，增大介質(zhì)板厚度h，則BW增大，降低基板相對介電常數(shù)εr則BW增大，εr最小值為1（采用空氣介質(zhì)的情況），因此降低εr展寬帶寬的范圍有限。

（2）多模技術(shù)。這種方法來源于耦合諧振器的設(shè)計經(jīng)驗，耦合諧振器一般有兩個或以上的諧振器，調(diào)節(jié)參差可以工作在需要的頻率范圍。天線結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用兩個或兩個以上不同諧振頻率的諧振單元，控制諧振單元間的距離使不同的諧振頻率點近距離耦合，有效增加了天線帶寬，應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中較為常見的結(jié)構(gòu)由共面寄生單元、多疊層天線單元等，多疊層天線單元的每個輻射貼片的工作頻率不同，大小也不同，上層貼片通過下層貼片電磁耦合饋電，幾個諧振頻率很接近，有效地占據(jù)了工作頻段。

（3）天線采用加載結(jié)構(gòu)。加載原件可以是電抗元件、阻抗原件、集總參數(shù)原件或分布參數(shù)原件等，一般放置在天線內(nèi)部或者饋電端，如在折合振子的饋電處加載一個合適長度的U型短截線，如圖1所示，折合振子導(dǎo)線2的中間部分開路，長度適當?shù)腢型短截線加載在折合振子的饋電端FF’處，U型短截線的電納隨頻率呈正斜率變化，可以補償原折合振子輸入導(dǎo)納的負斜率變化，兩者合成后的電納有效改善了阻抗的頻率特性。

圖1 加載U型短截線的折合振子天線

這種加載原件可以進行“補償”展寬頻帶的方法已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，當天線長度遠小于波長的一半時，輸入阻抗表現(xiàn)為電抗性，可以改善電流分布和諧振頻率。加載結(jié)構(gòu)既可以展寬天線帶寬，又可以縮小天線尺寸，提高天線效率。

標簽防護外殼材質(zhì)優(yōu)選：金屬會屏蔽標簽信號，結(jié)合油田環(huán)境，要選擇具有耐高溫、耐腐蝕、耐水解并具有非常好的機械性能的塑料制作標簽防護外殼。

3.2 油管標簽安裝方案探究

根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料的不同，給出了比較可行的幾款標簽方案，如表1所示。

表1 油管標簽安裝方案統(tǒng)計

3.3 油管標簽讀寫技術(shù)研究

（1）標簽讀寫手持機終端。終端設(shè)備選擇系統(tǒng)穩(wěn)定性高、操作簡單、數(shù)據(jù)處理速度快，讀取距離遠、小巧便于攜帶的手持機，支持超高頻、條形碼、WiFi，3G，GPS、現(xiàn)場攝像等功能模塊，模塊性能及穩(wěn)定性高，是便攜式的電子標簽測試設(shè)備。

（2）油管作業(yè)現(xiàn)場專用讀寫器研究。讀寫器控制器控制環(huán)形天線內(nèi)核在油管上下井時感應(yīng)油管電子標簽，采集油管上下井數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的過濾，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場緩存器，現(xiàn)場緩存器將數(shù)據(jù)通過無線模塊轉(zhuǎn)發(fā)到后臺的服務(wù)器，這里現(xiàn)場緩存器用來確保當現(xiàn)場無線連接不通時，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)仍舊能被有效地記錄、保存下來。在作業(yè)隊實現(xiàn)油管上下井的自動監(jiān)測，采取的技術(shù)手段是：在作業(yè)隊的通井機井口安裝固定式讀寫器，實時感知油管接箍的上下井，并且完成記錄。準確記錄油管接箍的上下井數(shù)據(jù)，起到自動深度計算、在井深度統(tǒng)計以及問題油管接箍井口預(yù)警的功能。

井口環(huán)形天線技術(shù)研究：在油管起下井的過程中，通過使用定制的作業(yè)隊井口布置環(huán)形天線陣列，實現(xiàn)無論油管標簽處于哪一個方向，該天線均可以采集到標簽的數(shù)據(jù)。多塊天線組成環(huán)形天線陣列，360度內(nèi)周向讀取油管標簽，實現(xiàn)油管在井口上下井的自動數(shù)據(jù)采集。

通過天線管理軟件調(diào)整設(shè)置各天線板的輸入?yún)?shù)，使整個場型更均勻，確保360度無盲區(qū)。對于讀寫器的響應(yīng)時間，在國標【GB/T29272—2012信息技術(shù)射頻識別設(shè)備性能測試方法系統(tǒng)性能測試方法】中，沒有測試讀寫器響應(yīng)時間的測試項。通常，測試讀寫器讀取速率的方法，一般是記錄讀寫器開啟1分鐘時間內(nèi)單個標簽或者多個標簽的讀取數(shù)量，從而計算出讀寫器的讀取響應(yīng)時間。實測每秒讀取標簽次數(shù)超過160次，經(jīng)過計算，響應(yīng)時間快于1/160 s（6.25 ms）。

4 RFID電子標簽技術(shù)在油管管理方面的應(yīng)用

建立基于電子標簽技術(shù)的油管全生命周期跟蹤管理系統(tǒng)，可為每根油管安裝一個油田唯一“電子身份證”，并在關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)使用采集設(shè)備對油管標簽進行自動識別和應(yīng)用，實時采集采購環(huán)節(jié)的物流數(shù)據(jù)、供井回收數(shù)據(jù)、修復(fù)數(shù)據(jù)、作業(yè)現(xiàn)場的下井數(shù)據(jù)，并結(jié)合實際業(yè)務(wù)應(yīng)用，串聯(lián)油管的供應(yīng)部門、維護部門和使用部門，實現(xiàn)油管從油管在入庫、發(fā)放、入井、回收、修復(fù)直至報廢的“全生命周期”管理。

對油管管理部門來說，隨著時間的推移，通過對每根油管回收、修復(fù)直至報廢“全生命周期”信息的數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)對全廠油管投入總量、目前完好數(shù)量和報廢數(shù)量的實時查詢，為優(yōu)化油管投入、深挖油管價值提供支持。

對油氣生產(chǎn)部門來說，借助油管全生命周期跟蹤檔案，可以把以往不全面、不連續(xù)的信息串聯(lián)起來，為區(qū)塊和單井診斷分析提供數(shù)據(jù)支持。通過把這口井歷年作業(yè)的信息直觀有效地連接起來，使得管理人員能夠放長視線、準確全面地對區(qū)塊、單井進行診斷分析。通過實現(xiàn)每口油水井油管腐蝕、斷脫、偏磨等失效原因的數(shù)據(jù)采集分析，可以對出現(xiàn)質(zhì)量問題的油管實現(xiàn)全程、準確追溯；同時，每根管桿、每個井下工具從投產(chǎn)到報廢完整和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫也能夠建立，從而提供延長油水井免修期、優(yōu)化油管工具使用的數(shù)據(jù)支持，具有突出的指導(dǎo)作用。

同時，油管“全生命周期”管理信息系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)，可輔助工藝所工作人員進行偏磨分析、質(zhì)量追蹤以及油藏狀況、作業(yè)效果分析，促進油藏精細化管理。

[1]孫國強.創(chuàng)新機制優(yōu)化運行，實施油管桿分年限等壽命管理[J].揚州大學學報（人文社科版），2010（6）：63-65.

[2]顧松，許慶勇.戶籍式信息化管理讓每根油管桿都有永久“身份證”—濱南采油廠[N].齊魯晚報，2015-05-25（02）.

[3]卞定元.適用于多種環(huán)境的RFID標簽天線研究[D].上海：復(fù)旦大學，2008.

[4]譚娟娟.寬頻帶RFID標簽天線設(shè)計[D].北京：北京郵電大學，2009.

[5]趙軍偉.兩款特殊用途電子標簽的設(shè)計研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[6]周祥，宋雪樺.標簽天線彎曲對射頻識別系統(tǒng)性能影響的研究[J].微波學報，2005（S1）：96-100.

[7]左德榕.我國RFID設(shè)備企業(yè)發(fā)展研究[D].北京：北京郵電大學，2008.

Application of RFID electronic label on tubing

Xu Yafei, Wang Qinghai, Yang Bingbing
（Shandong Sheng Soft Polytron Technology Inc., Dongying 257000, China）

This paper introduces the application status and prospect of oil production in the present management situation of the tubing and the RFID electronic tag at present. The paper focused on the technology of the special RFID tags can be applied to the oil feld environment, and discussion on installation scheme of oil pipe label and research on the application technology of RFID tag technology in the whole life cycle management of oil pipeag technology in the whole life cycle management of tubing.

RFID; electronic label; tubing; tubing label; RFID application

徐亞飛（1965— ），男，江蘇淮陰，博士研究生，高級工程師，董事長；研究方向：油田信息化建設(shè)。