RFID技術的研究及井下應用

劉兆昆，劉 轉，楊婧翌

（西安石油大學 陜西 西安 710000）

1 引言

隨著我國經濟的持續平穩增長與科技的高速發展，對于油氣井的開采有了更大的需求與期望，那么相比于傳統工藝的鉆井手段在勘探開發費用高昂和工程效率不足，提高油氣井的長期有效性、作業高效率和降低油氣井的建造成本，應用新技術在工程中顯得尤為重要。近年來，一種集計算機、無線電、通信技術于一體的RFID（Radio Frequency Identification，即射頻識別）技術出現在人們視野當中并急劇發展，已被廣泛應用于工商業自動化和交通運輸控制管理等眾多領域。

RFID技術的井下通信系統可靠性高，降低操作復雜度并且加快數據處理速度，運用于油氣井下的惡劣環境，將帶來巨大的經濟效益[1]。

2 RFID系統結構特點及工作原理

RFID技術是一種非接觸式自動識別技術，該系統一般由射頻標簽、讀寫器和天線及相應的計算機系統組成，通過空間能量耦合(電感耦合或電磁耦合)實現射頻信號無接觸信息傳遞，并識別傳遞的特定信息[2]。

2.1 系統結構和特點

系統結構：

射頻標簽一般由耦合元件（天線）和芯片組成。每個標簽在出廠時含有唯一的ID碼，用來甄別標簽信息；讀寫器由天線、控制模塊和接口電路組成。天線主要進行能量傳遞，接口電路兼有發送通道和接收通道，控制模塊對信號進行解碼處理，并對下一步操作發出指令。

特點：

（1）標簽可以巧妙地粘貼或嵌入在非金屬材料中；

（2）識別碼為電子制作，具有唯一性和永久存儲性，同時具有可讀寫性，使得利用性更高；

（3）采用非接觸方式識別，磨損或裂紋現象均低于其他識別方式；

（4）方便快捷性，操作簡單，可靠性高，可有效降低施工成本；

（5）安全性更高。

2.2 工作原理

在RFID系統中，由讀寫器的載波發生電路產生載波，經過信號放大電路放大，傳至天線端，在空間場將能量傳送給標簽，激活標簽，將自身ID碼及攜帶的其他信息再返送給讀寫器的控制模塊進行解碼，然后送往計算機系統判定信息正確與否，最后發送指令驅動執行機構。工作原理圖如圖1。

圖1 RFID系統工作原理

3 在井下工具的應用

隨著RFID技術在物流等行業的快速發展,人們也將此技術逐步運用到石油工程領域。起初，RFID技術僅應用于鉆具的使用跟蹤識別，與其技術在地面物流領域功能大致相仿，主要為了減少人為因素的誤操作，間接提高工作效率。隨著井下勘探難度加重，國外各大石油公司如馬拉松石油公司，Petrowell公司，威德福公司等都深度挖掘RFID技術，使其運用到石油勘探與鉆井工程領域之中。因此，應用RFID技術的智能化石油裝備與鉆井工具隨之產生，這是對整個行業的發展起到了重要的作用。而在井下工具的應用方面大致有以下幾種應用。

3.1 鉆井擴眼工具中的應用

在鉆井工具中，擴眼器是一個重要的部分，它通過在鉆井時擴大井眼以達到提高機械鉆速的目的。常規擴眼方式是利用機械式或水壓式控制擴眼器，即在井筒中投球，靠液壓控制擴眼器切屑齒的開關。但是該方法有一定局限性，由于井筒的尺寸限制而不能通過電纜工具或者更小的鋼球。為了應對復雜的井況，提高鉆井工作效率，威德福公司率先在業界研發了基于RFID技術的RipTideTM擴眼器[3]，該器件使用模塊化設計，分為控制節與擴眼器節。

當需要進行擴眼作業時，將寫入“開啟”命令的RFID標簽投入鉆桿內，送至控制器短節的讀寫器進行識別，“開啟”擴眼器，擴眼器的切削齒塊進行作業；當需要關閉擴眼操作時，再次投放寫入“關閉”命令的標簽，再次進行同樣的操作，即可使擴眼器停止作業。這樣通過標簽便可隨時控制工具的開關，大大提高了作業效率。RFID控制器短節如圖2所示。

圖2 擴眼器節

3.2 在壓裂滑套工具中的應用

目前在頁巖氣的開發中普遍采用水平井分段壓裂技術，如裸眼封隔滑套分段壓裂的傳統工藝，采用投球方式控制滑套的開關，逐級壓裂，但由于該方法操作復雜并且作業時間較長，因此威德福公司設計了一種將RFID技術運用到滑套上的工具。該工具通過RFID標簽球控制滑套工具，將滑套工具的智能化更進一步。此滑套中主要包含天線和讀寫器（識別RFID標簽），當需要滑套工作時，將RFID標簽泵入井下，再經讀寫器識別后發送指令驅動滑套的開關。

該滑套主體為三部分：RFID通信，控制和執行三個模塊。當需要進行壓裂作業時，將RFID標簽投入至對應層位的管柱內，在被泵送至滑套位置時，其RFID通信單元獲取RFID標簽命令，由控制單元讀出控制指令，驅動內部液壓馬達執行機構動作，完成滑套作業。圖3為RFID滑套結構圖。

圖3 RFID滑套結構示意

4 發展趨勢

（1）井下RFID技術應用的廣泛性，例如套管刮削器，扶正器等工具實現RFID控制，從而實現諸多應用的智能化。

（2）對于rfid系統長期經受井下惡劣環境的干擾，系統本身的強度和高速識別難度加大，如何改善強化系統也是井下RFID發展的一大難點。

5 結語

近年來，RFID技術的高速發展使得石油行業也掀起了一股RFID應用的熱潮，國內外各大石油公司紛紛研制基于該技術的井下工具應用于井下各種工況需求，利用該技術減少了傳統作業的復雜度，提高作業效率。對于解決現有石油領域非常規油氣藏鉆完井的技術難題，RFID必然在其中將發揮更大的價值。

[1]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，2014，21(01)：100-103.

[2]周曉光,王曉華.射頻識別（RFID）技術原理與應用實例[M].人民郵電出版社,2006,12.

[3] Gonzalez L A,Valverde E,Laird T.RFID provides ondemand activation/deactivation reliability to under Reaming[R].SPE146033,2011.