射频识别技术在钻完井中的应用与发展趋势

熊伟，贾庆升，马收

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；2.中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院，山东 东营257000）

1 起源及发展历史

射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术（又称电子标签、无线射频识别），是20世纪80年代新兴的一种自动识别通信技术，它利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别的目的。其工作原理是：标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流获得的能量发送存储在芯片中的产品信息（即Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（即Active Tag，有源标签或主动标签）；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。RFID 技术已广泛应用于许多领域［1］，如门禁控制/电子门票、物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书馆管理、运动计时、道路和公交系统的自动收费、零售行业的资产追踪、动物身份标识和医院用于追踪病人等。

RFID 技术在石油上游领域最早应用于钻具、设备的跟踪管理，以减少人为操作，提高效率，避免各种复杂事故的发生。20世纪90年代，在地震采集系统中用到了RFID 技术。2003年开始，国外各大石油公司积极探索RFID 技术在石油上游领域的应用，并推出了大量新概念井下工具。最近几年，新工具的现场应用日益增多。井下循环接头是北美服务公司与马拉松石油公司研发的首个射频识别工具。Petrowell 公司应用RFID技术研发了先进的液压滑套系统、流入控制装置等系列工具［2］。2008年，威德福公司应用RFID 技术研发了业界首个通过电子方式开启和关闭的随钻扩眼器［3］，可使作业者在随钻扩眼或起下钻的任何时刻开启或关闭工具，因此，可有选择性地进行随钻扩眼，提高了作业的灵活性，扩大了作业者以前不具有的施工能力，有效提高了作业效率，改善了施工安全环境。目前RFID技术已用于钻具、设备的跟踪管理［4-6］，马拉松石油公司、Petrowell 公司和IIITec 公司正致力于该技术在钻完井作业中的应用研发，并取得了一定的进展。

随着深井、超深井勘探开发力度的加大，研发新型RFID 工具及技术，使之更好地服务于石油钻完井作业，特别是在页岩及致密油气勘探开发中发挥更大的作用，显得尤为重要。

2 钻完井中的应用

通常情况下，石油行业主要利用机械、液压、智能技术以及更为先进的声波遥测技术开启钻完井和修井工具［7-8］。RFID 技术的应用提供了一种全新的理念，催生了许多钻完井和修井施工中的工具及技术。

2.1 射孔枪

2003年，马拉松石油公司在位于阿拉斯加州奇奈市附近的一口2 438.4 m 深的斜井（气井）Excape完井施工中，应用RFID 技术进行了射孔施工作业，这是RFID 技术的首次商业化应用。由于当时常规的液压控制线路点燃方法及工作效果良好，且更经济可行，因此，RFID 技术的这次应用并没有取得突破性进展。随着RFID 技术在其他方面的广泛应用及马拉松石油公司的大力推动，RFID 技术成为射孔施工的首选技术，而常规液压控制射孔已不再是作业者优先考虑的射孔方案［2］。

2.2 循环接头

井眼清洗工具——循环接头［2］（见图1），是北美服务公司与马拉松石油公司利用RFID 技术合作研发的第1 个工具［4-5］。将循环接头连接在钻柱中下入井内，然后将微小的标签投入钻杆内，泵送至位于循环接头控制器上的电子读卡器而完成指令的读取，通过控制器的电子和机械装置实现开启或关闭。

图1 RFID 循环接头

2005年8月，CNR′s N46z 井钻完井施工中，在下入完井管柱之前，下入RFID 循环接头进行清洗井眼作业，施工非常顺利，取得了圆满成功。

在用海水置换密度为1 521.790 2 kg/m3油基钻井液的过程中，为电子启动深约3 078.48 m 位于尾管顶部上面的循环接头，泵入几个预定开启程序的RFID标签。充分循环后，在泵压表上观察到了明显的压降，表明循环接头成功开启。之后用抑制性海水进行大排量循环，循环完毕，泵入预定关闭程序的RFID 标签。随后的循环压力突然升高，表明RFID 循环接头已成功关闭。

在同一趟管柱中可下入多个循环接头，在任何时间通过泵入RFID 标签单独控制每一个循环接头。

2.3 RipTideTM RFID 随钻扩眼器

RipTideTMRFID 随钻扩眼器（见图2），是威德福公司研发［3］的业界第1 个通过电子方式开启和关闭的扩眼器。该扩眼器提高了随钻扩眼作业的灵活性，可以扩出大于钻头直径25%的井眼。

图2 RipTideTM RFID 随钻扩眼器

常规扩眼器的系统部件都装在工具本体内。RipTideTMRFID 随钻扩眼器本体包括2 部分，既可用传统的投球机械方式开启，也可用电子控制方式开启或关闭。即在地面通过输入设备将“开启”或“关闭”命令输入RFID 标签，然后将微小的标签投入钻杆内，泵送至位于井下扩眼器控制器上的电子读卡器，读取指令，然后通过控制器（见图3）上的电子控制设备执行。

利用RFID 技术RipTideTM随钻扩眼器可使作业者在随钻扩眼或起下钻的任何时刻开启或关闭工具，扩大了作业者以前不具有的施工能力，有效提高了作业性能。

1）多次开启和关闭。除了受电池寿命（电池可连续使用96 h）的限制外，RFID 技术可在随钻扩眼过程中灵活可靠地多次开启和关闭工具，这一功能为选择性扩眼提供了条件。例如，由于工具进入到盐岩井段时才进行扩眼作业，该功能就消除了卡钻的可能。另外，也可以防止震击作业期间工具的意外开启，降低卡钻风险，以及由此导致的非生产性占用时间。

2）处理钻井液。长井段随钻扩眼、钻至总井深时及较短井段随钻扩眼后，都需要充分循环钻井液，以调整钻井液性能，电子开启和关闭方式有助于保护套管和扩眼器的切削结构。

3）全通径。应用RFID 技术，可使工具保持全通径而不会出现任何限制井段，从而降低了循环压耗。全通径也可允许钢丝绳访问扩眼器以下的任何工具。

4）多个扩眼器开启和关闭控制。在一趟管柱中可以下入多个扩眼器，对每个标签单独编程而实现对井下工具的独立控制。如可在同一趟管柱中下入2 个扩眼器（见图4）。首先泵入1 个标签启动1 号扩眼器，可令该扩眼器进行扩眼作业直到刀片磨钝，然后，泵入第2个标签关闭1 号扩眼器，继而泵入第3 个标签启动2号扩眼器；因此，不用起下钻更换扩眼器就可继续进行随钻扩眼，从而节省了时间。钻至总井深后，泵入第4个标签关闭2 号扩眼器，可充分循环钻井液进行井眼清洗，而不会发生扩眼产生多余的岩屑。

RipTideTMRFID 随钻扩眼器在美国北达科他州的Casey Edward 井中进行了现场随钻扩眼测试。测试过程中进行了多次开启和关闭，验证了工具的有效性，测试获得了成功。

图3 RFID 控制器

图4 包含2 个RipTideTM 扩眼器的底部钻具组合

3 多级压裂完井中的应用

3.1 压裂滑套系统

目前，分段压裂已成为页岩气储层改造的关键技术［9］。常用的裸眼封隔器分段压裂技术，采用投球驱动方式打开滑套，其缺点是滑套的内径逐级减小，流动性受到限制。快钻桥塞分段压裂技术，使用桥塞进行选择性射孔、封隔和压裂，需要多次桥塞下入及磨铣作业，施工时间长、成本高。

为了简化分段压裂特别是裸眼分段压裂的作业程序，Petrowell 公司设计了一种采用RFID 技术对压裂滑套（见图5）进行遥控操作的新方法［10-12］。压裂滑套内包括射频发射天线、阅读器、信号处理装置及电池电力驱动执行机构。从地面投入的携带指令的RFID 电子标签，经过滑套天线覆盖范围时，受天线发射射频场的激发，将指令发送至天线，滑套就会按照指令执行规定动作。每个RFID 压裂滑套内径相同，因此可下井的滑套数量不受限制；每个滑套配有唯一的电子地址，这样就可通过从地面投入射频识别电子标签的方式任意对每个滑套进行遥控。该技术不需使用连续管或电缆进行修井作业，加快了压裂作业速度。

图5 RFID 压裂滑套

2010年7月，加拿大一家公司在英属哥伦比亚的一口井中采用了RFID 分段压裂技术并获得成功。在φ155.6 mm 裸眼中下入包括10 个φ114.3 mm RFID 压裂滑套的完井管串（见图6），滑套上部和下部使用的是φ114.3 mm Fraxis 高压遇油膨胀裸眼封隔器。滑套最大外径为146.05 mm，最小内径为71.45 mm，两端扣型为139.7 mm LTC。每段压裂施工时，向送入管柱投入2 个RFID 电子标签，泵送至压裂滑套，其中一个用于关闭下部滑套，一个用于延迟打开上部相邻滑套。压裂作业于2010年7月10日开始，7月21日结束，共投入21 个标签，成功开关9 个滑套，第10 个滑套因电池电力衰竭没有打开。RFID 分段压裂技术取得了良好的施工效果，油气井产量在较长时期内保持稳定，与常规技术相比，作业成本显著降低。

图6 完井管串示意

3.2 配套工具

3.2.1 层间封隔工具

通常，为坐封封隔器，应用层间封隔阀作为防止流体向砾石充填层漏失的屏障，而且当井内流体系统由钻井液体系转换为低密度盐水完井液的时候，应用该工具还可防止地层流体的侵入。常规层间封隔阀采用转位工具和液压开启方式，RFID 技术提供了全新的方法。RFID 标签通过层间封隔阀即可实现开启或关闭，具有极大的灵活性，从而降低了由于压力循环而出现层间封隔阀意外开启的可能性，而且也可将读卡器安置在远离层间封隔阀的位置，尽管隔层的顶部可能存在碎片，但也能实现对工具的开启。

3.2.2 封隔器

完井施工中，封隔器坐封作业极为简单，但也存在一定的问题和风险。目前，大多数情况下采用液压封隔器，因此需要井下隔离装置产生一定的压差或绝对液压以启动封隔器坐封装置。长期以来，由于在工具上面存在碎片或工具本身存在机械问题，在封隔器坐封中使用的隔离装置回收困难或者根本无法回收，导致应用这种液压封隔器费用巨大。应用RFID 技术是实现封隔器坐封极为经济的方法，它消除了许多情况下不得不起下钻更换封隔器和随后隔离装置回收困难或无法回收的风险。封隔器坐封工具读取RFID 标签的指令开启水眼，封隔器在井内液体静压的作用下即可实现坐封［13-14］。

4 发展趋势

随着深井、超深井开发力度加大，石油上游各个领域的常规工具和相关技术已不能完全满足现场需要，新型工具及技术的研发势在必行。RFID 技术为井下工具的改进、研发和广泛使用开辟了一个全新领域。

1）在钻柱或油管中接入特殊的RFID 工具，对可膨胀和收缩工具进行配置。泵入RFID 标签，工具可开启或关闭，实现膨胀和收缩。在石油行业，诸如扶正器等井下工具实现可靠而灵活的开启、关闭，以及按照预定要求进行合理控制迫在眉睫。

2）钻完井和修井作业中应用的固井分级箍、震击器、连续管工具、打捞工具、刮管器、水力捞砂器等，以及其他一些相关工具都可应用RFID 技术，从而满足诸多应用需要。

5 结束语

近几年来，RFID 技术已在石油钻具和设备的跟踪管理中发挥了重要的作用，国外各大公司应用该技术研发了扩眼器、循环接头、电控压裂滑套、封隔器、层位封隔工具等钻完井工具，满足了不同井况施工需要，避免了各种复杂事故，提高了作业效率，降低了成本，确保了人身安全。为解决深井、超深井勘探开发的难题，解决石油上游各个领域特别是非常规油气藏钻完井存在的技术瓶颈，RFID 新型工具研发势在必行，也是未来完井工具发展的主要方向。展望未来，RFID 技术必将在石油完井中发挥更大的作用。

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