射频识别技术在井下工具中的应用

刘全全(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

石油勘探、开采过程中需要使用大量井下工具，有效对这些井下工具进行管理，可提升石油勘探、开采效率，为现代社会发展提供充足的原油材料。而想要更好地对井下工具进行管理，企业必须要采用先进的科学技术，射频识别技术是其中应用效果较为良好的技术之一。通过该技术的应用，可降低井下工具控制成本、提升操作安全性等，有利于井下作业活动的开展。所以，对射频识别技术在井下工具中的应用进行研究具有重要意义，为更好地应用射频识别技术提供支持。

1 射频识别技术概述

现代石油勘探、开采时，逐渐对各种先进的技术手段进行了应用，射频识别技术是其中应用范围较广，且效果较为良好的一种。对于射频识别技术来说，属于非接触式自动识别技术，其中通常由五部分构成，分别为：(1)读写器，其中设计了载波形成电路与信号放大电路，在系统启动后，能够根据需求，在载波形成电路的作用下，产生适当大小的载波，之后通过信号放大电路处理后，形成强度较高的信号，并传输给天线[1]。(2)天线，在空间场内，一方面，将信号传输至标签，使标签处于启动状态，另一方面，能够接收标签返回的各种信息，并将这些信息与天线ID码打包后，传输给读写器。(3)标签，为系统内的数据载体，具有标识识别、物品跟踪、数据采集的作用。(4)计算机，对读写器解码的信息进行判断，根据判断结果，向被控制元件发出相应指令。(5)被控制元件，在计算机发传输指令的控制下，元件自动做出相应操作，以达到远程无人操控的目的。具体来说，射频识别技术运行原理如图1所示。

图1 射频识别技术的运行原理图

相对于其他远程操控技术，射频识别技术具有下述几个方面的优势：(1)系统中采用标签作为数据载体，且可以将其安装到非金属材料内；(2)通过电子制作的方式，自动生成了相应的识别码，在每个系统内，识别码是唯一的，且能够永久存储，同时还具备可读写、使用率较高等特点；(3)以非接触式感知方式为主，磨损与裂纹问题发生率非常低；(4)使用方便，操作简单，可靠性较强，且有利于节约使用成本；(5)安全性较高，很少出现安全事件[2]。

2 射频识别技术在井下工具中的具体运用

2.1 钻具状态监控

钻具在井下作业时，通常会承受复杂交变应力的作用，加快了钻具的损耗速度，不利于钻具的长期使用。所以，为了延长钻具使用时间，应在钻具井下作业过程中，实施对其疲劳状态进行追踪，准确掌握钻具的具体情况，防止疲劳效应导致钻具损坏。想要达到这一目标，可以对射频识别技术进行应用。在20世纪90年代末期，巴西国家石油公司对射频识别技术进行了应用，利用该技术对钻杆状态予以监控，能够准确采集钻杆各个时间点的运行参数，通过对这些参数的分析与计算，较为准确地判断出钻杆的疲劳状态，有利于企业对钻杆的调整[3]。在2007年，法国石油研究院以射频识别技术为基础，开发出了钻杆疲劳失效监控系统，该系统内，将射频识别标签与钻杆疲劳失效模型结合到一起，钻杆使用前，根据作业需求，在模型内设定合理的控制参数；钻杆井下作业时，可在钻杆疲劳失效监控系统范围内移动，每次通过监控系统后，系统均会自动采集钻杆状态信息，以实时追踪钻杆的疲劳状态，通过对这些信息的分析，可判断出钻杆的使用时间，为钻杆的及时更换提供支持，防止钻杆出现问题而影响井下作业的安全性。

随着射频识别技术的不断发展，使得基于射频识别技术的井下钻具监控系统性能更加完善，不仅可对钻具疲劳状态予以监控，而且还会自动采集钻具作业时其他方面的有关信息，如资产描述、管体基本信息、检修信息等，进一步提升了钻具状态的监控效果，降低因钻具而引发井下事故的发生率[4]。在我国，中海油能源发展股份有限公司等在最近几年也逐渐应用了射频识别技术，形成了智能化、数字化井下钻具管控模式，推动我国油田行业向着更好的方向发展。

2.2 钻井扩眼工具

现代石油勘探与开采需要使用大量井下作业工具，钻井扩眼工具是其中较为重要的一种，通过该工具的应用，可钻取适当大小的孔洞，为井下作业活动的进行提供支持。以往钻井扩眼时，以机械式与水利液压式开关扩眼工具为主，即在钻柱内，放入适当大小的投球，在液压压力的作用下，将设备内部的切屑齿打开或闭合，以此对钻井扩眼予以控制。通过大量实践研究表明，该方法具有较多问题，若在钻柱内部尺寸的约束下，导致电缆、半径非常小的钢球顺利通过。针对这一情况，在21世纪初期，美国Weatherford公司以射频识别技术为核心，开发出了一款全新的扩眼器，即RipTideTM扩眼器，该扩眼器运行时，可在标签的控制下，使设备自动打开或闭合，在任何时间、任何地点均能够有效控制扩眼作业。

随着射频识别技术的不断发展，Weatherford公司也在逐渐对扩眼器进行研发，逐渐研制出越来越多尺寸的RipTideTM扩眼器，具体有6种规格，分别为：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的扩眼[5]。该扩眼工具内部，采用了双体模块结构：一个为射频识别控制器短节；另一个为扩眼器短节。在扩眼作业过程中，将设置好“启动”指令的射频识别标签放入到钻杆中，标签移动到短节处后，控制器内的阅读器会自动对标签进行识别，根据识别出来的信息，将执行模块启动，并驱动扩眼器运行，在切屑齿的作用下，完成扩眼作业。扩眼操作结束后，再次向井内放入设置为“闭合”指令的射频识别标签，标签移动到短节处后，控制扩眼器闭合，将切屑齿收回，从而停止扩眼作业。

相对于其他扩眼器来说，该扩眼器的优势包括：(1)能够反复开展闭合与启动作业，使得扩眼作业不会受到时间与空间条件的约束；(2)长井段作业时，由于扩眼作业量较大，会使井下性能不断降低，影响扩眼器的使用效果。而应用该扩展器后，可有效对扩眼工具的运行进行调节，及时将扩眼岩屑清除，防止岩屑落入到钻井液内，使钻井液在实际当中发挥出最大的作用。(3)解决钻柱内部条件约束问题，可提升内部通道的畅通性，任何工具均可从中通过。(4)在一个管柱内，同时对多个扩眼工具进行操作，显著提升扩眼效率。

2.3 压裂滑套工具

现代油气开发时，逐渐对水平井分段压裂技术进行了应用，特别是页岩气田更是常见，推动油气开发领域向着智能化的方向发展。以往阶段，采用水平井完井压裂技术时，通过对多种规格小球的控制，逐渐将各层次的滑套打开，以此完成各级压裂操作。对于该操作方法来说，部分操作环节由井下完成，不仅增加作业时间，需要投入更多成本，而且还具有较高的安全风险。针对这一问题，在2010年，Weatherford公司以射频识别技术为核心，开发出全新的压裂滑套工具控制系统，即根据作业需求，由射频识别技术对滑套工具，以完成井下裂压操作，有效精简了裂压流程，降低裂压成本[6]。该滑套工具内，主要由两部分构成：一个为天线，用于接收或传递相关信号；另一个为读写器，用于对射频识别标签进行识别，以此驱动滑套的打开与闭合。该工具运行原理为：井下某层压裂过程中，先向井下放入相应的射频识别标签，在压裂液泵的作用下，使标签逐渐向滑套移动，当标签达到滑套位置处后，读写区识别标签中的信息，并形成相应控制指令，启动液压电机，驱动执行模块运转，从而将滑套打开或闭合。

相对于传统压裂滑套工具来说，基于射频识别技术的压裂滑套工具的优势包括：(1)采用一个规格的小球，可对多个滑套进行控制，使得工具结构更加精简。(2)在各射频识别标签内，存在特定且位移的识别码，在该识别码的控制下，可对对应的滑套进行控。(3)可提升作业效率，降低作业成本。

3 射频识别技术在井下工具应用中的核心技术

3.1 高温工况下的电池寿命

井下控制端需要由电力能源驱动运行，只有向井下控制端输送充足的电力能源，才可使射频识别技术发挥出最大的作用。油井通常处于较深的地下，温度较高，会对常规锂电池造成较大影响，缩减电池的使用时间，无法为井下控制端提供充足的电力能源。所以，为了提升电池寿命，需要在电池组内加装睡眠状态系统，需要提供电力能源时，可将电池组激活，而无需电能后，电池组则会自动关闭，以提升电池的使用时间。此外，还有一些企业开始对井底发电展开研究，但仍然处于起步阶段，并未得到完善的成果。

3.2 电子元件的耐高温性

目前，射频识别技术在井下工具应用时，很多元件的耐温性较差，不符合油井下高温环境的运行需求，在一定程度上影响射频识别的应用效果。现代射频识别技术领域，温度最高值为150 ℃，为了确保元件可以稳定运行，通常要将外界环境温度控制到135 ℃之内[7]。完井设计时，为了符合这一条件，电子元件下入深度处的温度不会超过135 ℃。电池运行时，也与外界环境温度有关，这一背景下，国内外一些企业开始对耐高温电子元件进行研究，以保证电子元件在井下能够稳定运行。

3.3 电子标签通过阅读器的速度控制

想要使阅读器可以准确识别标签内的信号，应保证天线覆盖范围内的时间超过40 ms以上。所以，在阅读器选择时，应通过室内试验的方式，对标签通过阅读器的速度予以检测，通过实验发现，当标签通过速度为10 m/s时，可以达到上述标准，即在半径为50.8 mm的管柱中，按照5 m3/min的排量作业。

4 射频识别技术在井下工具运用的发展趋势

想要进一步对井下工具进行管理，射频识别技术需要注重下述几个方面的问题：(1)射频识别技术标准。现代科技领域对射频识别技术研究时，主要研究方向包括读写器、天线、芯片的设计与制造，射频识别标准的制定等，其中，后者为最主要的研究内容，现代国际市场内，依然未得到统一的标准体系，不同国家与地区采用的标准体系略有差异，使得射频识别技术应用时，经常出现数据传输风险、读写存在错误等问题，影响射频识别技术的应用效果。所以，在未来发展中，应加强对技术标准进行研究，逐渐形成统一的，且被全球广泛认可的技术标准，为射频识别技术的应用提供指导。(2)井下通信质量。井下环境非常复杂，且各种工具需要长时间作业，使得射频识别标签损坏几率较高，当其出现损坏后，则无法准确确定出标签的位置，影响系统对标签信号的识别。随着射频识别技术的不断发展，逐渐出现了一些安全性更高的标签，如陶瓷封装标签，通过该标签的应用，降低了标签的损坏几率，且在标签与天线间，通过低频通讯技术通信，大大提升了井下信息的传输质量，为井下工具的操作提供支持。

5 结语

综上所述，社会迅猛发展的今天，不仅为石油勘探、开采行业创造了诸多发展机遇，而且还提出了更多挑战。这一背景下，石油勘探、开采企业应加强对射频识别技术的重视程度，并将其应用到钻具状态监控、钻井扩眼工具与压裂滑套工具管理工作当中，以提升井下工具作业质量与效果，为石油勘探与开采工作的开展打下良好基础。