无线射频识别技术在多级滑套压裂工具中的应用

无线射频识别技术在多级滑套压裂工具中的应用

周磊

川庆钻探长庆井下技术作业公司研发中心 710021

摘要：无线射频识别技术（RFID）作为当前应用较为广泛的通信技术，主要负责阅读器与标签之间的无接触通信。原理为通过发送无线电讯号对特定目标进行识别和信息的读取。而滑套压裂工具在低压、低渗透油气藏增产过程中发挥着重要的作用，但也存在着完井管数分段级数有限以及滑套操作灵活度有待提高等问题。因此引入无线射频识别技术来提高多级滑套压裂工具的可操作性。本文从无线射频识别技术在多级滑套压裂工具中的应用原理出发，就如何促进其应用提供可行性建议。

关键词：无线射频识别技术；多级滑套压裂工具；应用

一、引言

无线射频识别技术具有无需建立接触以及无需人工干预等特点，可以在井下及油气开采等恶劣的环境下工作，为阅读器与标签建立通信，同时针对特定目标进行识别与信息读取。正因为其在恶劣环境下的优异表现，有效解决了滑套压裂工具原有的灵活性不足等弊端，因而在油气开采过程中发挥了重要的作用。接下来将就其应用原理以及如何促进无线射频识别技术的应用介绍一些方式或方法。

二、无线射频识别技术在多级滑套压裂工具中的应用原理

（一）主要结构

实际的无线射频识别技术主要包括数据管理系统、阅读器、电子标签、阅读器天线以及标签天线等部分。其中，电子标签有标签芯片与标签天线构成，标签中带有独特的识别码，可以表示带有电子标签的物体。阅读器与阅读器天线合称为读写器。在实际的工作过程中，首先由阅读器通过阅读器天线发出信号激活电子标签，与此同时发送指令至电子标签。电子标签在接收到阅读器发送的指令之后，会返回信号至阅读器。此信号之后会进行过滤与处理，以此来获得电子标签中的识别码等信息，并将对识别目标有用的信息输入至网络，与数据管理系统进行信息交互。此时数据管理系统用于储存与管理信息。至此，RFID系统工作完成。

在将RFID应用至多级滑套压裂工具中时，其结构可以描述为电子标签、天线单元、执行单元、控制单元、连接单元以及动作单元等部分。电子标签一般封装为球形，用设备泵至井下，在井下工作环节，由井下天线激活电子标签中的识别码，并将目标信息传至控制单元；控制单元内部集成RFID读码器、温度传感器、压力传感器以及电力供应装置，用于收发RFID信息，同时通过天线单元检测井下环境参数，并为系统提供电能，连接执行单元，用于发送信息或指令至执行单元，以控制滑套功能的实现。执行单元主要进行能量转换，将控制单元提供的电能转换为机械能，并与动作单元连接。动作单元主要进行滑套压裂工具的开关操作，同时对连接单元上的压裂泄流孔进行密封，帮助封隔套管管道。天线单元需要连接至控制单元，连接单元则对以上单元进行连接封装，并与油管套组成压裂管柱^[1]。

（二）工作原理

首先，由RFID滑套压裂工具上的控制单元被植入系统的控制程序，同时电子标签也被植入特殊的识别码，在此目标通过滑套压裂工具的线圈时，其被植入的识别码被线圈的感应磁场激活，产生感应电流。之后利用感应电流将标签芯片中的信息通过标签天线发出，控制单元对此信息通过天线进行接收，而控制单元自身所具有的温度以及压力传感器用来监测井下的环境参数，其内部植入的控制程序对接收到的信息进行分析与处理，最终得出该信息是否与滑套压裂系统匹配的结论。若此信息与滑套压裂系统所匹配，则控制单元会向执行单元发送指令，促使执行单元运动，同时使动作单元运动，打开连接单元上的压裂泄流孔，从而打开滑套压裂工具，实现滑套功能。若此电子标签再次通过滑套的线圈时，标签内的识别码被再次激活，同样产生感应电流，但此次控制单元向执行单元发出的指令与开始相反，使执行单元反向运动，动作单元也反向运动，将连接单元上的压裂泄流孔关闭，从而将滑套功能关闭。

三、如何促进无线射频识别技术在多级滑套压裂工具中的应用

（一）促进RFID在井下天线与标签中的应用

在油气开采过程中，井下环境在信息通信以及介质等环境条件方面存在较大困难，尤其是油气井下的深度以及地层结构，对信号的传输有着更高的要求。RFID可以根据应用的频率分为低频、高频、超高频以及微波等四种频率。而在实际应用过程中，电子标签与井下天线之间采取高频通信的方式，使用长波信号来进行井下的通讯^[2]，有效适应井下的介质环境。

例如，在将RFID应用至滑套压裂工具的井下天线与标签环节时，井下天线的基板可以选择PEEK，即采用玻璃纤维增强的聚醚醚酮，此物质具备较高的强度与稳定性，同时也耐冲刷，可以广泛应用于油气开采井等复杂恶劣的通信环境中。另外，RFID可以为电子标签作用的发挥提供充足的空间。一般来说，电子标签的组成包括承压外壳与信号发射装置，主要发挥标签信息的发送与密封和承压作用，以保证滑套功能的实现。而在承压外壳与天线之间填充物质，可以帮助滑套进一步提升耐冲刷的能力，减少天线的损耗，提高其对特定目标的识别准确率。

（二）利用RFID降低多级滑套压裂工具的能耗

在油气资源开发的过程中，需要不断利用RFID进行井下与外部的通信，也就需要电池组持续稳定地向控制单元的RFID读写器与电机驱动进行供电。但油井的生命周期无法固定，供电性能会影响油井的开采。如果采用传统的通信技术，不断持续地进行信息传输，那么在井下复杂的介质环境中，尤其是在高温环境中，电池组的电量无法维系整个油井生命周期，同时电池组的使用寿命也会逐渐缩短，影响滑套功能的实现。

通过应用无线射频识别技术，可以对供电电池组设置休眠模式，针对井下RFID读写器等设备的用电需求进行合理供电，如根据设备进行分别供电或者依据使用时长进行分时供电，若设备此时无需供电，则直接进入休眠模式，以此来延长电池组的使用寿命与安全性^[3]。另外，也可以采取井下发电或者电缆供电的方式对井下设备进行供电，如利用发电机进行蓄电与供电，从而更加理性地调整供电区间与强度，保证滑套压裂工具与RFID的应用效果。

（三）应用RFID进行井下通信装置的识别

除了以上两种应用方式之外，应用RFID进行井下通信装置的识别也是其在滑套压裂工具中应用的主要方式。由于RFID的电子标签需要通过前置液或者携砂液等载体送至油井下方，同时前置液一般具有一定的粘度，携砂液也作为后期支撑剂进行使用，泵入的速度较快，但速度快直接影响井下RFID读写器的数据读取效果，特别是当装载着电子标签的信号球通过滑套时，泵入速度直接决定了井下天线所能覆盖的监测范围，因此需要着重进行标签的结构设计。

一般来说，井下天线所能覆盖的范围为0.12m，在识别率较高时，井筒与标签的角度应当在45°以内^[4]，此范围内可以确保井下RFID读写器基本能够识别到信号球所带有的电子标签，并将有用的信息发送至控制单元，驱动执行单元与动作单元进行相应的操作，以弥补管柱空间有限以及标签泵入过程容易受阻等弊端，提高标签在高速泵与强度下的通信能力，有效确保井下通信装置对标签信息的捕获率。

总结：无线射频识别技术由于其自身的无接触性以及不需人为干预等特性，在多级滑套压裂工具中得到了广泛的应用。尤其是在井下天线与标签、降低工具能耗以及通信装置识别等方面展现出了良好的效果。但RFID滑套器件的电力供应与耐高温性能等问题，仍然是今后RFID应用过程中亟待改进的问题，相信在不久的将来，通过RFID井下通信技术、供电性能与抗高温器件的深入研究，可以推动多级滑套压裂工具朝着智能化的方向不断前进。

参考文献：

[1]滕向松. RFID滑套系统设计与分析[D]. 东北石油大学, 2019.

[2]黎伟, 夏杨, 陈曦. RFID智能滑套设计与试验研究[J]. 石油钻探技术, 2019, 47(6):6.

[3]廖作杰, 张文, 王祖文,等. 一种基于无线射频识别通信技术的分压分测工艺管柱:, CN210152610U[P]. 2020.

[4]陈联国, 李永忠. 基于RFID技术的压裂滑套控制系统设计[J]. 石油矿场机械, 2019(2):5.