劉清友，張安琪，黎　偉

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610500；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

開發(fā)應(yīng)用

射頻識別技術(shù)在井下工具中的應(yīng)用與發(fā)展

劉清友1，張安琪2，黎偉2

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610500；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

為促進(jìn)我國射頻識別技術(shù)在智能化鉆完井領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，解決深井、超深井勘探開發(fā)中的技術(shù)瓶頸，拓寬井下工具的使用功能，調(diào)研了射頻識別技術(shù)在石油工具中的應(yīng)用現(xiàn)狀。闡述了射頻識別技術(shù)的工作原理與技術(shù)特點，在非常規(guī)油氣藏鉆完井開發(fā)中引入射頻識別技術(shù)，可大幅提高井下工具的工作效率，縮短施工周期，降低施工成本。介紹了國外射頻識別技術(shù)在油田鉆具監(jiān)測管理、鉆井?dāng)U眼工具、壓裂滑套工具中的典型應(yīng)用。針對射頻識別技術(shù)的關(guān)鍵性難題，展望了該技術(shù)在未來石油裝備及工具中的發(fā)展趨勢，對促進(jìn)該技術(shù)在石油工具智能化方面的應(yīng)用具有重要意義。

射頻識別；井下工具；典型應(yīng)用；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢

石油工具對石油行業(yè)的發(fā)展起著十分重要的作用，其創(chuàng)新發(fā)展將為石油勘探開發(fā)提供必要的技術(shù)支撐。隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及與發(fā)展，對于技術(shù)密集型的石油裝備領(lǐng)域而言，將信息化、智能化融入到石油勘探開發(fā)的各個環(huán)節(jié)中，將極大提升石油裝備與工具的核心競爭力。射頻識別（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）技術(shù)正是實現(xiàn)石油裝備與工具信息化、智能化的有效途徑之一［1-3］。

隨著非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)投入的加大，RFID技術(shù)在石油裝備制造業(yè)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在智能化鉆完井井下工具的自動化控制方面，RFID技術(shù)將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益［4-5］。本文結(jié)合RFID技術(shù)的工作原理與技術(shù)特點，對國外井下工具運用RFID技術(shù)在油氣藏勘探開發(fā)中的研究現(xiàn)狀與典型應(yīng)用進(jìn)行了分析，并針對RFID技術(shù)中的關(guān)鍵性難題，展望了該技術(shù)在未來石油裝備工具中的發(fā)展趨勢，對促進(jìn)我國在油氣資源勘探開發(fā)中運用RFID技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1　RFID技術(shù)的工作原理與特點

RFID是利用電磁波的反射能量進(jìn)行通信的一種技術(shù)，RFID與其他無線通信技術(shù)（例如WLAN、藍(lán)牙、紅外、ZIGBEE、UWB）相比最大的區(qū)別在于RFID的被動工作模式，即利用反射能量進(jìn)行通信，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。通常，射頻識別系統(tǒng)由射頻電子標(biāo)簽（Tag）、讀寫器（Reader）和計算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)3部分組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　射頻識別系統(tǒng)組成

RFID技術(shù)的工作原理是讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場時產(chǎn)生感應(yīng)電流而獲得能量，發(fā)送自身編碼等信息，被讀寫器讀取并解碼后送至計算機(jī)主機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理［6-7］。由于RFID技術(shù)是一種在讀寫器和射頻電子標(biāo)簽之間進(jìn)行的非接觸式的自動識別技術(shù)，在實際應(yīng)用中具有4方面功能特點［8］：

1） 電子標(biāo)簽?zāi)軌蝽樌厍度牖螂[藏到非金屬的材料中。

2） 識別碼是用電子制作的，具有唯一性和永久存儲性，需修改時只能在地面專門設(shè)備中重新編譯。

3） 由于不直接接觸，不會發(fā)生磨損現(xiàn)象或產(chǎn)生裂紋。

4） 具有方便快捷性，操作流程簡單，且可靠性高，可有效降低施工成本。

2　在井下工具中的典型應(yīng)用

RFID技術(shù)是伴隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展才在石油裝備工具中得到了初步的應(yīng)用，在應(yīng)用之初，RFID技術(shù)僅應(yīng)用于鉆具的資產(chǎn)跟蹤與識別管理方面，以減少人為操作的失誤，提高工作效率。隨著深井、超深井勘探開發(fā)難度的加大，國外各大石油公司也積極探索將RFID技術(shù)應(yīng)用于石油勘探與鉆完井等上游業(yè)務(wù)。因此，基于RFID技術(shù)的智能化石油裝備與工具也應(yīng)運而生，使之更高效、安全地服務(wù)于石油勘探與鉆完井作業(yè)。

2.1在鉆具數(shù)字化監(jiān)測中的應(yīng)用

鉆具單元在井內(nèi)承受復(fù)雜的交變應(yīng)力的作用，將會對反復(fù)使用的鉆具引起累積疲勞失效等問題，因此有必要對鉆具的每個單元進(jìn)行密切的疲勞追蹤，隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，加速了油田鉆具數(shù)字化監(jiān)測管理系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣［9-10］。1998年，巴西國家石油公司的J.H.B.Sampaio等人針對鉆桿疲勞失效問題，提出了運用RFID技術(shù)進(jìn)行跟蹤并記錄每根鉆桿的使用情況，通過該方法可以有效記錄每次鉆井作業(yè)參數(shù)以及鉆桿單元的累積疲勞周期［11］。2007年法國石油研究院的O.Vincke等人在此基礎(chǔ)上研制出了基于RFID技術(shù)的鉆桿疲勞失效監(jiān)測裝置（如圖2所示），將RFID標(biāo)簽與鉆桿疲勞失效模型相結(jié)合，在每次鉆桿入井作業(yè)前設(shè)置相對應(yīng)的模型參數(shù)，當(dāng)攜帶有RFID標(biāo)簽的鉆桿通過鉆桿疲勞失效監(jiān)測裝置時將記錄每次的作業(yè)信息，以實現(xiàn)持續(xù)追蹤鉆桿的疲勞累積程度，有效評估并預(yù)測鉆桿的剩余使用壽命，及時更換新鉆桿以保證鉆井的正常作業(yè)，降低了鉆桿因疲勞失效所帶來的安全風(fēng)險，該裝置已成功運用于法國南部油田的現(xiàn)場試驗中（如圖3所示），試驗結(jié)果驗證了該裝置的可行性［12］。

圖2　基于RFID技術(shù)的鉆桿疲勞失效監(jiān)測裝置

圖3　鉆桿疲勞失效監(jiān)測裝置現(xiàn)場運用實例

目前，基于RFID技術(shù)開發(fā)的油田鉆具數(shù)字化監(jiān)測管理系統(tǒng)，不僅可以有效監(jiān)測每個鉆具單元的鉆井運行參數(shù)、累積疲勞周期、剩余使用壽命等，而且還能對鉆具提供包括資產(chǎn)描述、管體基本信息等在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)庫管理，涵蓋了鉆具的整個生命周期，從新進(jìn)購置、物流運輸、開始使用、檢測修復(fù)、報廢等各個環(huán)節(jié)的詳細(xì)記錄信息與使用參數(shù)，有效控制了因鉆具失效對鉆井帶來的危害。我國的安東石油技術(shù)（集團(tuán)）有限公司在2007年率先推廣了基于RFID技術(shù)開發(fā)的油田鉆具數(shù)字化管理系統(tǒng)，利用RFID電子跟蹤與識別技術(shù)，成功實現(xiàn)了鉆具的電子識別和數(shù)字化管理，加快了我國油田數(shù)字化發(fā)展的進(jìn)程［13］。

2.2在鉆井?dāng)U眼工具中的應(yīng)用

在鉆井工具中，運用RFID技術(shù)較為成功的案例應(yīng)該是鉆井?dāng)U眼工具，其主要目的是通過在鉆進(jìn)時擴(kuò)大井眼以達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。傳統(tǒng)擴(kuò)眼的工作方式是利用機(jī)械式或水力液壓式開關(guān)擴(kuò)眼工具，即在鉆柱中投球，靠液壓壓力開啟或關(guān)閉擴(kuò)眼器的切屑齒。該方法存在一定的缺陷性，導(dǎo)致鉆柱內(nèi)通道受到尺寸限制，不能使電纜工具或更小直徑的鋼球通過該區(qū)域。為適應(yīng)井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜的井況，提高鉆井作業(yè)效率，威德福公司率先在業(yè)界推出了基于RFID技術(shù)的Rip TideTM擴(kuò)眼器，通過RFID標(biāo)簽可靈活控制擴(kuò)眼器的開啟或關(guān)閉，可選擇性的分時分層段的進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，不受時間與空間上的限制［14-16］。圖4所示為傳統(tǒng)機(jī)械投球式擴(kuò)眼器與RFID擴(kuò)眼器的對比圖。

圖4　傳統(tǒng)機(jī)械投球式擴(kuò)眼器與RFID擴(kuò)眼器

目前，威德福公司研發(fā)的Rip TideTM擴(kuò)眼器有146.05 mm（5英寸）、107.95 mm（8英寸）、260.35 mm（10英寸）、298.45 mm（11英寸）、361.95 mm（14英寸）、406.40 mm（16英寸）共計6種規(guī)格，擴(kuò)眼尺寸為190.5～558.8 mm（7～22英寸）。它采用雙體模塊設(shè)計，分為RFID控制器短節(jié)和擴(kuò)眼器短節(jié)，其中RFID控制器短節(jié)如圖5所示。需要進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)時，在地面井口將設(shè)置好“開啟”命令的RFID標(biāo)簽投入鉆桿內(nèi)，當(dāng)RFID標(biāo)簽泵送至控制器短節(jié)時，控制器內(nèi)部的閱讀器識別指令，激活執(zhí)行機(jī)構(gòu)“開啟”擴(kuò)眼器，推靠切削齒塊擴(kuò)大徑向切削尺寸進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)；當(dāng)再次從井口投放設(shè)置為“關(guān)閉”指令的RFID標(biāo)簽到達(dá)控制器短節(jié)時，又激活執(zhí)行機(jī)構(gòu)“關(guān)閉”擴(kuò)眼器，回縮切削齒塊，關(guān)閉擴(kuò)眼功能。該技術(shù)的實現(xiàn)具有以下優(yōu)勢：

圖5　RFID控制器短節(jié)

1） 可進(jìn)行多次開啟和關(guān)閉，為選擇性擴(kuò)眼作業(yè)提供了前提條件。

2） 有利于開泵循環(huán)，以調(diào)整鉆井液性能，因為在長井段中保持隨鉆擴(kuò)眼會降低鉆井液性能，如果鉆進(jìn)一段，關(guān)閉擴(kuò)眼工具進(jìn)行充分的開泵循環(huán)，有利于清除巖屑、保持鉆井液性能。

3） 可使鉆柱內(nèi)通道不受尺寸限制，實現(xiàn)全通徑，從而降低了循環(huán)壓耗，同時還不影響其他工具的下入。

4） 可在一趟管柱中同時控制多個擴(kuò)眼工具獨立工作（如圖6所示），為了實現(xiàn)長井段連續(xù)擴(kuò)眼，一次性下入2個擴(kuò)眼工具，通過設(shè)置不同的RFID電子標(biāo)簽選擇性地關(guān)閉和開啟擴(kuò)眼器，當(dāng)切削齒塊磨損后，可不用起下鉆更換擴(kuò)眼器即可開啟另一個擴(kuò)眼器，實現(xiàn)連續(xù)擴(kuò)眼，提高了擴(kuò)眼效率。

圖6　雙RFID擴(kuò)眼器的底部鉆具組合

2.3在壓裂滑套工具中的應(yīng)用

隨著水平井分段壓裂技術(shù)的深入開展，特別是對于頁巖氣的開發(fā)，其完井方式越來越趨于智能化。傳統(tǒng)的水平井完井壓裂工藝（例如裸眼多級滑套分段壓裂工藝），需要利用不同直徑的小球分別打開井下多級滑套，依靠連續(xù)管磨掉小球，從而達(dá)到各級壓裂的目的，但這種方法涉及到復(fù)雜的井下操作，延長了作業(yè)時間，提高了作業(yè)成本［17-18］。

針對裸眼多級滑套分段壓裂技術(shù)上的不足，為簡化多級壓裂施工過程，減少作業(yè)復(fù)雜性和整個壓裂作業(yè)成本，2010年威德福公司設(shè)計了一種基于RFID技術(shù)的新方法，即運用RFID打開現(xiàn)有滑套工具，拓展滑套工具的使用功能［19-20］。新設(shè)計的滑套包含了1個天線和1個可識別RFID標(biāo)簽信號的讀寫器，當(dāng)RFID電子標(biāo)簽或信號球被泵入井下，經(jīng)讀寫器識別后借助井下電池來開啟或關(guān)閉滑套。

由RFID驅(qū)動的滑套主要由RFID通信單元、控制單元和滑套執(zhí)行單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，RFID電子標(biāo)簽和信號球如圖8所示。在進(jìn)行實際壓裂操作時，該滑套的工作原理是：當(dāng)需要對某一層位進(jìn)行壓裂時，就向管柱內(nèi)投放對應(yīng)層位的RFID標(biāo)簽，當(dāng)標(biāo)簽隨壓裂液泵送至該層位的滑套位置時，其RFID通信單元獲取RFID標(biāo)簽命令，由控制單元解讀后輸出控制命令，觸發(fā)并啟動滑套內(nèi)部的微型液壓馬達(dá)，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，完成滑套的打開或關(guān)閉。

圖7　RFID滑套結(jié)構(gòu)示意

圖8　RFID電子標(biāo)簽和信號球

基于RFID技術(shù)的壓裂滑套工具，由于采用了非接觸方式激活各個滑套功能區(qū)，各滑套有且僅有唯一對應(yīng)的信息碼進(jìn)行區(qū)別，操作相互獨立，因此，與傳統(tǒng)的裸眼多級滑套壓裂技術(shù)相比具有如下優(yōu)勢［21］：

1） RFID技術(shù)可以允許使用相同直徑的小球，對打開滑套的數(shù)量沒有限制，理論上可實現(xiàn)管柱全通徑、無限級數(shù)的壓裂。

2） 每個RFID信號球具有不同的電子識別碼，可打開唯一特定的滑套，需要完成工具間的互換只需更新電子標(biāo)簽及滑套控制器代碼便能夠?qū)崿F(xiàn)。

3） RFID驅(qū)動的滑套使其作業(yè)工藝流程精簡，大幅提高了施工效率，節(jié)省了施工成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3　RFID技術(shù)在井下工具中的發(fā)展趨勢

隨著RFID技術(shù)在石油工具中的應(yīng)用與規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，RFID技術(shù)必將推動石油裝備制造業(yè)中產(chǎn)品的信息化、自動化與智能化的進(jìn)程，這也將是實現(xiàn)油田裝備及工具數(shù)字化的有效途徑之一。但是，目前RFID技術(shù)在實際應(yīng)用中依然存在著一些關(guān)鍵性技術(shù)難題，影響著RFID技術(shù)在石油裝備工具中的推廣、應(yīng)用和發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1） RFID技術(shù)本身的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)完善問題。

RFID技術(shù)的研究現(xiàn)狀主要針對以下幾個方面：讀寫器設(shè)計與制造、天線設(shè)計與制造、芯片設(shè)計與制造、RFID標(biāo)準(zhǔn)制定。其中，RFID標(biāo)準(zhǔn)的制定與統(tǒng)一是爭論焦點之一，目前RFID還沒有制定出國際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從而有多種標(biāo)準(zhǔn)共存，已形成了EPCglobal、ISO、UID、AIM和IP-X五大標(biāo)準(zhǔn)組織，因此，RFID標(biāo)準(zhǔn)中的編碼標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議（通信接口）將是RFID標(biāo)準(zhǔn)化的核心研究內(nèi)容之一［22-23］。同時，現(xiàn)有的RFID技術(shù)存在數(shù)據(jù)保密性差、傳輸距離短、讀寫系統(tǒng)靈活性不高等實際問題，如果上述問題能得到有效解決，RFID技術(shù)的應(yīng)用范圍將更加廣泛。

2） 井下RFID無線通信技術(shù)的研究難點。

無論是鉆井中的擴(kuò)眼器工具，還是壓裂作業(yè)中的智能滑套工具等，RFID系統(tǒng)都受到井下環(huán)境的綜合影響，由于其井下作業(yè)周期長，RFID電子標(biāo)簽泵送速度快，且泵送過程中碰撞嚴(yán)重，位置隨機(jī)無法確定，因此，如何提高RFID電子標(biāo)簽自身強(qiáng)度和高速泵送時信號的捕獲識別率成為井下RFID無線通信技術(shù)的關(guān)鍵問題。目前，陶瓷封裝的無源標(biāo)簽在一定程度上可提高標(biāo)簽的抗碰撞能力，而標(biāo)簽與天線之間采用低頻通訊有利于井下介質(zhì)環(huán)境內(nèi)的通訊質(zhì)量。同時，為了有效提高RFID信號的捕獲識別率，有人提出可以運用支持向量機(jī)（Support Vector Machine：SVM）模型來研究RFID信號識別的影響因素，有助于定量分析RFID信號識別率的問題［24］。

3） RFID控制系統(tǒng)研制的技術(shù)難題。

井下智能工具必須要考慮其控制系統(tǒng)的供電方式以及其長期耐高溫的特性，應(yīng)盡量選用功耗小、省電的功能模塊，并通過合理的耗能管理模式，采取分別供電和分時供電的方式工作，甚至有時需要使部分功能電路處于休眠狀態(tài)，以減少電力消耗。所以，如何解決各耗電元件在井下長期工作的電能供應(yīng)和電子器件的長期耐高溫性能是RFID控制系統(tǒng)研制的關(guān)鍵，也是RFID技術(shù)下一步發(fā)展的方向之一［25］。

對于上述RFID技術(shù)的關(guān)鍵性技術(shù)難題，國外已經(jīng)作了前期的基礎(chǔ)性研究，而國內(nèi)依然處于起步階段，這些問題也將是RFID技術(shù)在我國石油裝備工具應(yīng)用中的發(fā)展方向和趨勢，以進(jìn)一步拓寬在石油裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍，促進(jìn)我國在石油裝備制造業(yè)中實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化與智能化。

4　結(jié)論

1） 射頻識別技術(shù)為石油裝備及工具的智能化開辟了一個全新領(lǐng)域，國外各大公司基于RFID技術(shù)研發(fā)的鉆桿疲勞失效監(jiān)測裝置、隨鉆擴(kuò)眼器、智能壓裂滑套等工具，可有效降低作業(yè)成本，避免井下各類復(fù)雜情況引起的安全事故，大幅提高作業(yè)效率。在解決深井、超深井勘探開發(fā)難題，完善與拓寬井下工具的使用功能上，RFID技術(shù)為新型工具的研發(fā)提供了技術(shù)指導(dǎo)與發(fā)展方向。

2） 針對射頻識別（RFID）技術(shù)的關(guān)鍵性技術(shù)難題，建議該技術(shù)在未來石油工具的發(fā)展中應(yīng)重點解決RFID標(biāo)準(zhǔn)的制定與統(tǒng)一、提高RFID電子標(biāo)簽自身強(qiáng)度和信號捕獲識別率、具備高效可靠的RFID控制系統(tǒng)等問題，這也將是RFID技術(shù)在石油裝備領(lǐng)域中實現(xiàn)工具智能化的發(fā)展趨勢。

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Application and Development of Petroleum Downhole Tools Based on Radio Frequency Identification Technology

LIUQingyou1，ZHANG Anqi2，LI Wei2
（1．State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploration，Chengdu 610500，China；2．College of Mechanical and Electronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

To promote the application and development of RFID（radio frequency identification）technology in the field of intelligent drilling and completion in our country，and resolve the bottle-neck problems in the exploration and development of deep／ultra-deep wells，and widen the func-tional use of petroleum downhole tools，the application status of RFID technology in petroleum e-quipment and tools were investigated.The working principle and technical characteristics of RFID technology are explained in this paper.While introducing RFID technology in unconventional res-ervoirs development drilling and completion，it could greatly improve downhole work efficiency，shorten the construction period，and reduce construction cost.The typical applications of foreign RFID technology in the oilfield drilling monitoring and management，drilling reaming tools and sleeve fracturing tools are introduced.With reference to the key technical problems of RFID tech-nology，the prospect of RFID technology in the future petroleum equipment and tools are sugges-ted.This paper is of significance to promote the realization of intelligent tools in petroleum equip-ment field of our country.

RFID；downhole tool；typical application；key technology；development trend

TE927

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.11.015

1001-3482（2015）11-0061-06

2015-05-16

四川省科技計劃項目（基礎(chǔ)研究）（2015JY0078）；四川省教育廳科研項目（14ZA0042）

劉清友（1965），男，重慶開縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣裝備與井下工具及計算機(jī)仿真等方面的研究工作，E-mail：liuqy66＠aliyun.com。

2015-04-02

蒙永立（1963），男，重慶人，工程師，2009年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，主要從事稠油熱采井口裝置的設(shè)計和技術(shù)研究，E-mail：mengyongli＠petrochina.com.cn。