射頻識別技術在井下工具中的應用

劉全全(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引言

石油勘探、開采過程中需要使用大量井下工具，有效對這些井下工具進行管理，可提升石油勘探、開采效率，為現代社會發展提供充足的原油材料。而想要更好地對井下工具進行管理，企業必須要采用先進的科學技術，射頻識別技術是其中應用效果較為良好的技術之一。通過該技術的應用，可降低井下工具控制成本、提升操作安全性等，有利于井下作業活動的開展。所以，對射頻識別技術在井下工具中的應用進行研究具有重要意義，為更好地應用射頻識別技術提供支持。

1 射頻識別技術概述

現代石油勘探、開采時，逐漸對各種先進的技術手段進行了應用，射頻識別技術是其中應用范圍較廣，且效果較為良好的一種。對于射頻識別技術來說，屬于非接觸式自動識別技術，其中通常由五部分構成，分別為：(1)讀寫器，其中設計了載波形成電路與信號放大電路，在系統啟動后，能夠根據需求，在載波形成電路的作用下，產生適當大小的載波，之后通過信號放大電路處理后，形成強度較高的信號，并傳輸給天線[1]。(2)天線，在空間場內，一方面，將信號傳輸至標簽，使標簽處于啟動狀態，另一方面，能夠接收標簽返回的各種信息，并將這些信息與天線ID碼打包后，傳輸給讀寫器。(3)標簽，為系統內的數據載體，具有標識識別、物品跟蹤、數據采集的作用。(4)計算機，對讀寫器解碼的信息進行判斷，根據判斷結果，向被控制元件發出相應指令。(5)被控制元件，在計算機發傳輸指令的控制下，元件自動做出相應操作，以達到遠程無人操控的目的。具體來說，射頻識別技術運行原理如圖1所示。

圖1 射頻識別技術的運行原理圖

相對于其他遠程操控技術，射頻識別技術具有下述幾個方面的優勢：(1)系統中采用標簽作為數據載體，且可以將其安裝到非金屬材料內；(2)通過電子制作的方式，自動生成了相應的識別碼，在每個系統內，識別碼是唯一的，且能夠永久存儲，同時還具備可讀寫、使用率較高等特點；(3)以非接觸式感知方式為主，磨損與裂紋問題發生率非常低；(4)使用方便，操作簡單，可靠性較強，且有利于節約使用成本；(5)安全性較高，很少出現安全事件[2]。

2 射頻識別技術在井下工具中的具體運用

2.1 鉆具狀態監控

鉆具在井下作業時，通常會承受復雜交變應力的作用，加快了鉆具的損耗速度，不利于鉆具的長期使用。所以，為了延長鉆具使用時間，應在鉆具井下作業過程中，實施對其疲勞狀態進行追蹤，準確掌握鉆具的具體情況，防止疲勞效應導致鉆具損壞。想要達到這一目標，可以對射頻識別技術進行應用。在20世紀90年代末期，巴西國家石油公司對射頻識別技術進行了應用，利用該技術對鉆桿狀態予以監控，能夠準確采集鉆桿各個時間點的運行參數，通過對這些參數的分析與計算，較為準確地判斷出鉆桿的疲勞狀態，有利于企業對鉆桿的調整[3]。在2007年，法國石油研究院以射頻識別技術為基礎，開發出了鉆桿疲勞失效監控系統，該系統內，將射頻識別標簽與鉆桿疲勞失效模型結合到一起，鉆桿使用前，根據作業需求，在模型內設定合理的控制參數；鉆桿井下作業時，可在鉆桿疲勞失效監控系統范圍內移動，每次通過監控系統后，系統均會自動采集鉆桿狀態信息，以實時追蹤鉆桿的疲勞狀態，通過對這些信息的分析，可判斷出鉆桿的使用時間，為鉆桿的及時更換提供支持，防止鉆桿出現問題而影響井下作業的安全性。

隨著射頻識別技術的不斷發展，使得基于射頻識別技術的井下鉆具監控系統性能更加完善，不僅可對鉆具疲勞狀態予以監控，而且還會自動采集鉆具作業時其他方面的有關信息，如資產描述、管體基本信息、檢修信息等，進一步提升了鉆具狀態的監控效果，降低因鉆具而引發井下事故的發生率[4]。在我國，中海油能源發展股份有限公司等在最近幾年也逐漸應用了射頻識別技術，形成了智能化、數字化井下鉆具管控模式，推動我國油田行業向著更好的方向發展。

2.2 鉆井擴眼工具

現代石油勘探與開采需要使用大量井下作業工具，鉆井擴眼工具是其中較為重要的一種，通過該工具的應用，可鉆取適當大小的孔洞，為井下作業活動的進行提供支持。以往鉆井擴眼時，以機械式與水利液壓式開關擴眼工具為主，即在鉆柱內，放入適當大小的投球，在液壓壓力的作用下，將設備內部的切屑齒打開或閉合，以此對鉆井擴眼予以控制。通過大量實踐研究表明，該方法具有較多問題，若在鉆柱內部尺寸的約束下，導致電纜、半徑非常小的鋼球順利通過。針對這一情況，在21世紀初期，美國Weatherford公司以射頻識別技術為核心，開發出了一款全新的擴眼器，即RipTideTM擴眼器，該擴眼器運行時，可在標簽的控制下，使設備自動打開或閉合，在任何時間、任何地點均能夠有效控制擴眼作業。

隨著射頻識別技術的不斷發展，Weatherford公司也在逐漸對擴眼器進行研發，逐漸研制出越來越多尺寸的RipTideTM擴眼器，具體有6種規格，分別為：5.75 in、8.25 in、10.25 in、11.75 in、14.25 in、16 in，可得到7.5～22.0 in的擴眼[5]。該擴眼工具內部，采用了雙體模塊結構：一個為射頻識別控制器短節；另一個為擴眼器短節。在擴眼作業過程中，將設置好“啟動”指令的射頻識別標簽放入到鉆桿中，標簽移動到短節處后，控制器內的閱讀器會自動對標簽進行識別，根據識別出來的信息，將執行模塊啟動，并驅動擴眼器運行，在切屑齒的作用下，完成擴眼作業。擴眼操作結束后，再次向井內放入設置為“閉合”指令的射頻識別標簽，標簽移動到短節處后，控制擴眼器閉合，將切屑齒收回，從而停止擴眼作業。

相對于其他擴眼器來說，該擴眼器的優勢包括：(1)能夠反復開展閉合與啟動作業，使得擴眼作業不會受到時間與空間條件的約束；(2)長井段作業時，由于擴眼作業量較大，會使井下性能不斷降低，影響擴眼器的使用效果。而應用該擴展器后，可有效對擴眼工具的運行進行調節，及時將擴眼巖屑清除，防止巖屑落入到鉆井液內，使鉆井液在實際當中發揮出最大的作用。(3)解決鉆柱內部條件約束問題，可提升內部通道的暢通性，任何工具均可從中通過。(4)在一個管柱內，同時對多個擴眼工具進行操作，顯著提升擴眼效率。

2.3 壓裂滑套工具

現代油氣開發時，逐漸對水平井分段壓裂技術進行了應用，特別是頁巖氣田更是常見，推動油氣開發領域向著智能化的方向發展。以往階段，采用水平井完井壓裂技術時，通過對多種規格小球的控制，逐漸將各層次的滑套打開，以此完成各級壓裂操作。對于該操作方法來說，部分操作環節由井下完成，不僅增加作業時間，需要投入更多成本，而且還具有較高的安全風險。針對這一問題，在2010年，Weatherford公司以射頻識別技術為核心，開發出全新的壓裂滑套工具控制系統，即根據作業需求，由射頻識別技術對滑套工具，以完成井下裂壓操作，有效精簡了裂壓流程，降低裂壓成本[6]。該滑套工具內，主要由兩部分構成：一個為天線，用于接收或傳遞相關信號；另一個為讀寫器，用于對射頻識別標簽進行識別，以此驅動滑套的打開與閉合。該工具運行原理為：井下某層壓裂過程中，先向井下放入相應的射頻識別標簽，在壓裂液泵的作用下，使標簽逐漸向滑套移動，當標簽達到滑套位置處后，讀寫區識別標簽中的信息，并形成相應控制指令，啟動液壓電機，驅動執行模塊運轉，從而將滑套打開或閉合。

相對于傳統壓裂滑套工具來說，基于射頻識別技術的壓裂滑套工具的優勢包括：(1)采用一個規格的小球，可對多個滑套進行控制，使得工具結構更加精簡。(2)在各射頻識別標簽內，存在特定且位移的識別碼，在該識別碼的控制下，可對對應的滑套進行控。(3)可提升作業效率，降低作業成本。

3 射頻識別技術在井下工具應用中的核心技術

3.1 高溫工況下的電池壽命

井下控制端需要由電力能源驅動運行，只有向井下控制端輸送充足的電力能源，才可使射頻識別技術發揮出最大的作用。油井通常處于較深的地下，溫度較高，會對常規鋰電池造成較大影響，縮減電池的使用時間，無法為井下控制端提供充足的電力能源。所以，為了提升電池壽命，需要在電池組內加裝睡眠狀態系統，需要提供電力能源時，可將電池組激活，而無需電能后，電池組則會自動關閉，以提升電池的使用時間。此外，還有一些企業開始對井底發電展開研究，但仍然處于起步階段，并未得到完善的成果。

3.2 電子元件的耐高溫性

目前，射頻識別技術在井下工具應用時，很多元件的耐溫性較差，不符合油井下高溫環境的運行需求，在一定程度上影響射頻識別的應用效果。現代射頻識別技術領域，溫度最高值為150 ℃，為了確保元件可以穩定運行，通常要將外界環境溫度控制到135 ℃之內[7]。完井設計時，為了符合這一條件，電子元件下入深度處的溫度不會超過135 ℃。電池運行時，也與外界環境溫度有關，這一背景下，國內外一些企業開始對耐高溫電子元件進行研究，以保證電子元件在井下能夠穩定運行。

3.3 電子標簽通過閱讀器的速度控制

想要使閱讀器可以準確識別標簽內的信號，應保證天線覆蓋范圍內的時間超過40 ms以上。所以，在閱讀器選擇時，應通過室內試驗的方式，對標簽通過閱讀器的速度予以檢測，通過實驗發現，當標簽通過速度為10 m/s時，可以達到上述標準，即在半徑為50.8 mm的管柱中，按照5 m3/min的排量作業。

4 射頻識別技術在井下工具運用的發展趨勢

想要進一步對井下工具進行管理，射頻識別技術需要注重下述幾個方面的問題：(1)射頻識別技術標準。現代科技領域對射頻識別技術研究時，主要研究方向包括讀寫器、天線、芯片的設計與制造，射頻識別標準的制定等，其中，后者為最主要的研究內容，現代國際市場內，依然未得到統一的標準體系，不同國家與地區采用的標準體系略有差異，使得射頻識別技術應用時，經常出現數據傳輸風險、讀寫存在錯誤等問題，影響射頻識別技術的應用效果。所以，在未來發展中，應加強對技術標準進行研究，逐漸形成統一的，且被全球廣泛認可的技術標準，為射頻識別技術的應用提供指導。(2)井下通信質量。井下環境非常復雜，且各種工具需要長時間作業，使得射頻識別標簽損壞幾率較高，當其出現損壞后，則無法準確確定出標簽的位置，影響系統對標簽信號的識別。隨著射頻識別技術的不斷發展，逐漸出現了一些安全性更高的標簽，如陶瓷封裝標簽，通過該標簽的應用，降低了標簽的損壞幾率，且在標簽與天線間，通過低頻通訊技術通信，大大提升了井下信息的傳輸質量，為井下工具的操作提供支持。

5 結語

綜上所述，社會迅猛發展的今天，不僅為石油勘探、開采行業創造了諸多發展機遇，而且還提出了更多挑戰。這一背景下，石油勘探、開采企業應加強對射頻識別技術的重視程度，并將其應用到鉆具狀態監控、鉆井擴眼工具與壓裂滑套工具管理工作當中，以提升井下工具作業質量與效果，為石油勘探與開采工作的開展打下良好基礎。