RFID 标签抽油杆信息化管理的设计与实现

徐贵春，唐海军

（中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏扬州 225009）

抽油杆是油田有杆抽油设备的重要部件，它将抽油机的动力传递给井下的抽油泵。在生产过程中，抽油杆承受地层水腐蚀、管杆间偏磨及交变载荷的作用，极易发生腐蚀和疲劳断裂。而油田在抽油杆的管理和使用上存在入井时混用、回收时混装、修复后混放的问题，造成不同生产年月、不同使用时长、不同厂家的抽油杆无法区分。油井一旦混入使用年限长、疲劳程度高、质量差的抽油杆，其断脱的几率就会大幅提高，从而造成油井作业工作量及成本的增加。

为实现对抽油杆追溯跟踪和科学管理［1-5］，一些油田采用槽码、附着物或图像识别技术对抽油杆进行标记和识别［6-7］。但抽油杆所处工况环境伴有腐蚀、结垢、磨损及原油附着，抽油杆上的标志均存在识别率不高的问题，无法推广应用。近几年兴起的RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术使识别困难的情况彻底改观［8-10］，其做法是在抽油杆上固定写有抽油杆关联信息的RFID 标签，并在抽油杆使用的各个环节对其状态信息进行跟踪和评价，实现对抽油杆的“全生命周期”管理。

1 RFID标签抽油杆研制

采用RFID 标签对抽油杆进行管理时，当标签进入阅读器读写范围内，RFID标签接收阅读器发出的射频信号，并凭借感应电流所获得的能量发送出标签存储芯片中RFID 编码信息，阅读器读取信息。由于抽油杆属井下工具，标签需能承受高温、高压、强磁、振动和机械冲击，能够抵抗地层产液的腐蚀，标签的固定方式不影响其识别距离。

1.1 RFID标签选择

分别各选取3 种不同尺寸的PCB（Printed Circuit Board，印制线路板）封装和陶瓷封装的RFID标签，参数如表1 所示。同时，对这6 种裸标签的识别距离进行了测试，结果如表2所示。

表1 RFID标签参数表

表2 RFID标签识别距离测试结果

从测试结果看，陶瓷封装标签识别距离明显小于PCB封装标签，且识别距离随标签尺寸的增加而增大，考虑识别距离过大会导致一次性识别多个标签而发生混乱，另外，标签尺寸过大固定于抽油杆上会影响油井的正常生产。综合多方因素，确定选用PCB 封装、尺寸为30 mm×5 mm×2 mm 的RFID标签。

1.2 RFID标签固定方式设计

标签固定方式设计的原则是标签不受抽油杆金属屏蔽、固定方式不影响抽油杆的正常运行。通过对多种初步设计方案的对比、优选，采用抽油杆侧面固塑装配标签的方式实现RFID 标签的固定（见图1）。在抽油杆扳手方颈下部利用耐磨尼龙通过注塑的方式形成固塑环，将电子标签装配在固塑环的安装槽内，再在槽内填充密封胶进行封装。此种标签固定方式的显著优点是不影响抽油杆强度、标签能得到有效保护，对封装后的标签进行测试，稳定识别距离仍为75 cm左右。

图1 RFⅠD标签固定方式

1.3 标签固定后性能测试

为验证固定后的标签在油井复杂环境下的耐受性，分别从高温、高压、强磁、冲击四方面对封装后的标签进行测试。

（1）高温测试:将多个固定有RFID 标签的试验抽油杆短节置于加温箱内，最高测试温度150℃，48 h后标签均可正常识别；

（2）高压测试:将多个试验抽油杆短节置于高压测试装置内，最高打压35 MPa，稳压48 h 后，进行标签识别均能通过；

（3）强磁测试:将多个试验抽油杆短节置于抽油杆修复流水线，以20.6 m/min 速度通过强磁探伤设备，磁感应强度1.5～2 T，经测试所有标签在饱和磁场环境下在50 cm均可识别；

（4）冲击测试:将多个测试抽油杆短节从10 m高处垂直落下，测试5次，标签均能正常识别。

根据上述设计生产的RFID 标签抽油杆，在油田ZH11-10、AN34 等4 口井进行了入井应用，评价其在井下复杂条件下的稳定性。其中，AN34 井作业起出的RFID 标签抽油杆标签识别率达到了100%，另外3口井的标签抽油杆尚未起出。

2 抽油杆信息管理系统设计

抽油杆信息管理系统是利用RFID 标签给每根抽油杆配备一个独一无二的身份证，对抽油杆信息进行存储、更新和管理，对抽油杆工作状态进行监控，实现了抽油杆全生命周期过程的智能化识别、跟踪、评价、查询和管理，为油田抽油杆信息化管理提供了有效手段。

2.1 抽油杆信息管理系统的组成

抽油杆信息管理系统以服务器为核心，利用RFID 抽油杆管理软件向信息读写器提供数据的查询与修改，实现数据的双向传输。

2.1.1 RFID抽油杆管理软件

RFID 抽油杆管理软件是运行于Windows 平台的一个可执行软件，对数据库信息进行写入、读取、更改等操作，以及对抽油杆状态进行智能分析和评价。软件有编码管理、出入库管理等8个模块，架构设计及功能如图2所示:

图2 系统架构设计及功能

软件从抽油杆的自动编码开始，对抽油杆的入库、仓储、发料、下井、检测、修复、报废等各环节的信息进行收集、存储和管理，对抽油杆的工作状态进行监控、分析和预警，实现了抽油杆全生命周期的智能化识别、跟踪、评价、查询与管理。

2.1.2 信息读写器

赋予每根抽油杆唯一的RFID 编码（由阿拉伯数字和大写字母组合形成的24 位标签代码），并将其与抽油杆信息关联，信息读写器完成抽油杆动态信息的采集。信息读写器分固定式和便携式，固定式读写器在抽油杆仓储库配合管理软件使用。便携式读写器在作业现场使用，写入的信息存储于读写器的移动存储设备内，再通过管理软件完成数据库信息更新。

2.1.3 服务器

数据库服务器是整个系统的核心部分，承担着抽油杆信息数据的存放，将有关抽油杆的所有信息都保存到ORACLE 数据库中，RFID 抽油杆管理软件、信息读写器只作为信息管理查询和数据编辑的操作终端，与数据库进行数据的交互。

2.2 抽油杆信息化管理的实现

2.2.1 抽油杆入库信息化管理

需入库的新、旧标签抽油杆，通过固定式信息读写器写入或读取年份、规格、使用状态等信息，通过自动分拣对合格抽油杆进行分级分类入库放置，并将信息上传至抽油杆信息管理系统，入库逻辑流程如图3所示:

图3 抽油杆入库信息化管理流程

2.2.2 抽油杆出库信息化管理

根据材料申请出库相应存储区域的标签抽油杆，利用固定式信息读写器确认抽油杆信息并清点无误后进行出库，并将信息上传至抽油杆信息管理系统，出库逻辑流程如图4所示:

图4 抽油杆出库信息化管理流程

2.2.3 抽油杆出入井信息化管理

抽油杆出入井时，利用便携式信息读写器读取抽油杆信息，并自动记录其出入井的名称、时间、次序等信息，并将信息暂存于移动存储设备中，待作业完毕后将信息上传至抽油杆信息管理系统，出入井逻辑流程如图5所示:

图5 抽油杆出入井信息化管理流程

2.2.4 智能分析

偏磨分析:通过检测时采集的抽油杆磨损信息，结合现场采集的抽油杆入井信息，分析确定油井的偏磨井段，为防偏磨设计提供数据支持。

腐蚀分析:对抽油杆在不同油藏、区块的使用状态跟踪、监测，分析腐蚀规律、特点，指导采取防腐技术措施。

寿命预测:管理系统根据采集的抽油杆服役井及其生产参数（生产天数、冲次等）计算抽油杆冲次数，预测剩余寿命。

质量分析:根据抽油杆信息资源，可对不同生产厂家的同一规格型号的抽油杆使用寿命对比分析，为产品质量、供应商评价提供数据支撑。

3 结论与认识

（1）筛选的尺寸为30 mm×5 mm×2 mm 的RFID电子芯片具有耐高温、耐高压、抗磁、抗冲击及识别距离远的优点，可作为抽油杆的身份标签；

（2）设计的抽油杆标签侧面固塑的装配方式，既不影响标签的识别距离、强度性能，还能对标签起保护作用；

（3）开发的抽油杆信息管理系统满足了抽油杆出入库、出入井、检测修复、分级分类等诸环节信息化管理。