一種井下儀器用RFID射頻天線設計

王恒 張達 黃建平 陳洲洋 羅翔

摘 要：針對井下高溫、高壓等惡劣環境對RFID射頻天線的影響，設計了一種井下用的RFID射頻天線。以非金屬材料作為天線骨架，使用高溫線纜作為纏繞線，同時在線圈外使用環氧樹脂等灌封保護。通過地面及入井試驗驗證，該天線性能穩定，在地面及井下惡劣環境下能夠準確讀取RFID信息，可廣泛應用在應用于智能滑套、隨鉆擴眼工具、礦山開發工具等。

關鍵詞：井下；RFID；天線

中圖分類號：TN82 文獻標志碼：A

Abstract： In order to avoid the effect of high temperature， high pressure and downhole other harsh environment on RFID radio frequency antenna，this downhole RFID radiofrequency antenna is designed.The nonmetallic material as antenna framework， the high temperature wire as coil， meanwhile， in order to protect antenna， epoxy resin is potted out of coil. Experimental verification of ground test and downhole test， the antenna steady performance and accurate read RFID information in ground and downhole harsh environment， can be widely used in intelligent sliding sleeve， reaming while drilling tools， mine development tool and so on.

Keywords：Downhole；RFID；antenna

0 引言

隨著石油勘探開發技術的提高，低孔低滲儲層試油工藝主要采用大規模分段壓裂改造、排液結束后下入測試儀器獲取儲層參數。在壓井及提下管柱過程中易對地層造成二次污染，且因為是多層合測，資料反映的是多層段綜合效應，不能準確評價每段產能與壓裂改造效果，而準確確定每層地層的動態參數對油藏精細分析非常重要。

目前針對上述需求，研制了基于RFID射頻通信的井下智能開關工具，這需要利用RFID天線接收RFID信號。傳統的天線難以滿足井下惡劣環境需要，因此研制了一種用于井下RFID射頻通信的天線，適用于高溫、高壓、高濕和高腐蝕環境，具有快速接收RFID信號特點。

1 RFID射頻技術簡介

RFID射頻技術利用射頻信號的空間耦合或反射的傳輸特性，達到目標識別和數據交換的目的。20世紀后期，歐洲率先將RFID 技術應用到公路收費等民用領域。

近年來，隨著電子信息技術的發展，RFID技術在各個領域得到了廣泛應用，如門禁系統、護照以及動物標簽等，目前國內外公司也開始嘗試將該技術應用在井下工具上，在井下工具上裝有RFID讀卡器和天線，當標簽通過工具的天線區域時實現數據的讀取，如圖1所示。

2 RFID射頻天線

2.1 RFID射頻天線結構設計

一種用于井下儀器的RFID射頻天線包括：天線骨架、線圈和灌封層。將圓筒形PEEG材料外面銑出幾個臺階，截面形狀為“”，中間凹槽為纏繞線圈位置；在天線骨架的下端面加工一個穿線孔；在天線骨架的再下端面處銑處兩個限位卡，目的是保證穿線孔與工具本體下接頭的穿線孔對應。

將線圈均勻纏繞在天線骨架的中間凹槽處，在纏繞線圈的凹槽內灌入耐高溫的環氧樹脂，如圖2所示。

RFID射頻天線安裝在井下工具本體上接頭和本體下接頭之間，利用限位卡將天線的穿線孔與本體下接頭的孔對應上；在本體上接頭的一端對應位置套上兩道密封圈，該密封圈主要起到防止泥沙等進入的作用，將本體上接頭插入本體下接頭，利用套管螺紋連接，對天線起到固定限位作用；當RFID標簽隨著泥漿按圖3箭頭所示方向經過RFID射頻天線時，RFID信號接收電路將接收到RFID標簽所攜帶的信息。

2.2 天線匝數設計計算

RFID天線處于泥漿等惡劣的井下環境中，工作頻段選擇低頻，耦合框圖如圖4所示，數據傳遞在物理層是基于電磁場耦合理論為基礎。

設讀寫器天線（原邊）的電感為L1，流過原邊的電流為I1，則產生的總磁通Q1=L1·I1。

取讀寫器天線平面為xoy面，坐標原點為天線的中心點，且中心軸為z軸，如圖5所示，天線回路中任一電流元Idl，由畢奧-薩法爾定律得1Idl在測量點P點的

P點的矢量方向為，進一步推導得N匝天線中心軸z方向磁感應強度為：

讀寫器相關參數下標為1，標簽相關參數下標為2，當標簽通過讀寫器天線時，假設標簽與讀寫器天線同軸，則標簽天線的感應電壓有效值為：

由于本讀卡器天線較長，天線內部磁場強度幾乎相等，所以可認為標簽都是位于天線的中心，即d為0。

天線如圖6所示進行纏繞，天線半徑為a，線圈有效長度為l，則天線的電感量L為：

式中：N為線圈匝數，a和l的單位為cm。

3 試驗分析

分別在空氣、水、鹽水、液壓油中測量天線電感量、讀卡器諧振電壓、標簽讀取情況以及天線入井試驗驗證。

將天線裝在工具本體中，測量天線電感量、讀卡器電路諧振電壓及測試標簽攜帶數據讀取情況，見表1。

設計天線隨RFID智能可控開關工具入井進行試驗服務，如圖7所示，測試天線在井下惡劣環境條件下，讀取標簽的能力，見表2。

根據上述情況，設計的井下用RFID射頻天線在地面及井下均表現良好的性能，準確讀取標簽攜帶的指令信息。

結論

設計的一種用于井下RFID射頻通信的天線，適用于高溫、高壓、高濕、高腐蝕和沖刷強度大環境，具有全通徑及快速接收RFID信號特點，滿足接收地面投入標簽指令信息的要求，在井下惡劣環境下工作穩定，性能可靠。

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