基于無線射頻識別的井下工具控制技術

倪衛(wèi)寧， 劉建華， 張 衛(wèi)， 吳春萍， 吳 非

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

目前，鉆井、完井、壓裂過程中井下工具的控制主要采用最簡單有效的投球方式，但這種方式缺乏靈活性，只能實現單向控制，不能實現往復動作，更無法實現復雜的多級、多程度的控制。以擴眼器為例，采用投球方式只能實現擴眼器的打開，無法實現擴眼器的收起，更無法實現擴眼器打開大小的多級控制。

近年來，無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術得到了迅速發(fā)展，已廣泛應用于工業(yè)生產、商業(yè)和交通運輸等領域，在石油工程的應用也取得了一定進展，目前主要應用于鉆桿標記，特種車輛及儀器的跟蹤等方面[1-7]。國外RFID在井下工具中的應用方面處于前期研發(fā)階段，并取得了較好的應用效果[8-10]；國內也已開始了相關技術研究[11-13]。筆者針對井下特殊的鉆井液環(huán)境，設計出了能夠適應各類鉆井液環(huán)境的天線匹配電路，開展了井下環(huán)境電子標簽系統研究，進行了讀寫器電路系統和相關嵌入式程序開發(fā)。

1 無線射頻識別技術原理和工作頻率

典型的RFID系統包括可編程數據的電子標簽、讀寫器和處理數據的遠端計算機3個部分[14-15],其工作原理如圖1所示。電子標簽就是射頻卡，具有智能讀寫及加密通信的功能，包含天線、匹配網絡、續(xù)電模塊、中央控制器、通訊算法模塊和存儲器等。讀寫器由天線、無線控制模塊和接口電路組成，通過調制的射頻信號向標簽發(fā)出請求信號，讀取標簽的識別信息，然后讀寫器把信號發(fā)送到計算機或者其他數據處理設備。

圖1 RFID系統工作基本原理Fig.1 Working process of the RFID system

根據RFID標簽工作的頻段，可以將RFID標簽分為低頻、高頻和超高頻，典型的工作頻率有125 kHz，134 kHz，13.56 MHz，433 MHz，915 MHz，2.4 GHz，5.8 GHz等;根據RFID標簽是否使用電池，分為有源RFID標簽(帶電池)和無源RFID標簽(不帶電池)。考慮RFID標簽存儲周期、工作溫度、體積等因素，有源RFID標簽由于攜帶電池，不適合在高溫高壓的井下環(huán)境工作，且不滿足體積小的要求。因此下面主要對各頻段的無源RFID標簽進行研究分析。

2 基于無線射頻識別技術的井下工具控制方法

位于井下的指令接收與控制執(zhí)行一體短節(jié)預先植入接收控制程序，射頻識別標簽預先寫入執(zhí)行指令的信息碼。短節(jié)包含射頻接收單元和執(zhí)行控制單元，短節(jié)內部空腔過流鉆井液和射頻識別標簽。通過井口投擲射頻識別標簽，然后再經過鉆井泵加壓輸送鉆井液，射頻識別標簽被鉆井液裹挾進入井筒并下行。當射頻識別標簽隨鉆井液通過指令接收與控制執(zhí)行一體短節(jié)內腔時，射頻識別標簽與短節(jié)內部的射頻天線產生電磁感應，短節(jié)讀取射頻識別標簽內的信息碼。射頻識別標簽經過短節(jié)內腔時，標簽和短節(jié)內的天線距離一般不超過20 cm，因此各種頻率的RFID標簽都可以完成信息碼的有效讀取。短節(jié)內的控制程序根據當前檢測到的溫度、環(huán)空壓力、管柱壓力等信息對接收到的信息碼進行譯碼，獲得指令，根據指令完成相應的操作執(zhí)行，如控制電磁閥開關，驅動電機轉動等，完成擴眼器、滑套等工具的打開或關閉。

3 指令接收與控制執(zhí)行短節(jié)設計

整個指令接收與控制執(zhí)行短節(jié)包括天線單元、接收與控制單元和驅動執(zhí)行單元(見圖2)。其中，天線繞制成圈，套在單元的內側，射頻標簽經過天線線圈的內圈時，兩者之間的距離不超過20 cm，各種低頻標簽都在讀寫范圍以內。接收與控制單元給天線單元施加電磁波信號，在天線單元內腔形成電磁場，當射頻標簽經過天線單元內腔時，首先獲得能量，同時完成標簽內部信息碼的讀取。接收與控制單元讀取到信息碼后，進行譯碼，然后根據譯碼結果驅動執(zhí)行單元。天線單元、接收與控制單元和驅動執(zhí)行單元之間的信號線、控制線、電源線的連通孔相通。

圖2 指令接收與控制執(zhí)行短節(jié)結構Fig.2 Instruction receiving and control execution sub

4 無線射頻識別接收系統電路設計

受井筒空間和讀取電路系統天線尺寸的限制，短節(jié)夾層內安裝電子電路、電池以及天線的空間有限。因此，需要設計高度集成的電路系統和天線結構，確保其能安裝在有限的空間內。

電路系統設計要求:1)頻率為134 kHz的收發(fā)一體電磁波電路；2)高度集成的數字器件；3)長距離天線匹配技術；4)低功耗。

采用4個3.6 V高溫鋰電池串聯成14.4 V供電電源,可連續(xù)供電200 h以上。采用收發(fā)一體的天線線圈,工作頻率為134 kHz。微處理器對射頻讀寫器芯片的發(fā)射和接收進行控制,射頻讀寫器芯片將讀取指令調制到頻率134 kHz的載波上。當RFID標簽經過天線線圈附近時，RFID標簽首先被天線線圈發(fā)射的電磁波充電,然后RFID標簽啟動,根據預先寫入的數據調解自身的阻抗，形成負載調制信號。射頻讀寫器芯片檢測到負載調制信號，并解調信號，最后傳輸到微處理器讀取RFID標簽內的指令信息。井下無線射頻接收短節(jié)電路設計流程如圖3所示。

圖3 無線射頻接收短節(jié)電路設計框圖Fig.3 Schematic diagram of wireless RF receiver circuit

5 天線匹配設計

讀寫器電路的匹配設計主要包含2部分:一是長距離天線匹配電路，主要解決天線需要在金屬腔體里面布線所引起的功率損耗;二是針對讀寫器天線的電感在不同鉆井液中會發(fā)生變化，需要設計一個可以自動設置的電容網絡，采用軟件設置等效電容值以配合天線電感變化，使發(fā)射天線獲得最佳匹配，即發(fā)射電路諧振頻率為工作頻率134 kHz。

長距離天線匹配電路如圖4所示，根據阻抗匹配計算得到相應的電阻和電容值，可以實現2 m以內的天線匹配。整個系統裝配成一個短節(jié)，天線部分安裝在短節(jié)內壁凹槽，電路板安裝在腔體內。

電容網絡如圖5所示，該電容網絡替換匹配電容C4和C5。根據試驗測試和經驗參數,假設天線最大電感為Lmax,為了實現最大匹配，固定連接在網絡的電容計算公式為：

圖4 長距離天線匹配電路Fig.4 Long distance matching circuit

圖5 電容矩陣Fig.5 The capacitance matrix

(1)

式中：f為工作頻率，Hz，；L為天線電感，H；C為電路板上的匹配電容，F。

首先，設定L為Lmax，計算出電路板上的電容C為Cmin；再設定L為Lmin，計算出電路板上的電容C為Cmax。其中，Cmin是固定連接電容值，Cmax為電容網絡全部連通的最大電容值。

通過系統微處理器自帶的模擬數字轉換器以及外接交流-直流轉換電路，可以監(jiān)控天線振蕩電路的輸出。微處理控制電容網絡開關，掃描配置電容下的振蕩電路輸出，可以自動尋找到最佳電容組合，即滿足134 kHz的諧振點。模擬試驗測試10種天線的電感，依次為300，400，…，1100和1200 μH,經過電容匹配得到的諧振頻率分別為134.03,134.12,134.03,133.74,133.84,134.12,133.46,133.56,134.12和133.75 kHz。

從以上數據可以看出，諧振頻率偏差基本上小于0.5%，匹配效果完全可以滿足使用要求。

6 無線射頻識別接收系統軟件設計

考慮射頻讀寫芯片的讀寫時序，在讀取過程中需要加入多個延時，確保讀取的準確性。程序中設置專門寄存數組用于存儲讀取的多組RFID標簽的識別碼，提高了讀取成功率。利用單片機STM32F103的在線可編程能力，直接連接USB-JTAG轉接模塊，在計算機上調試仿真，調試完善以后直接寫入代碼，不需要通過編程器燒錄程序。該系統采用單片機高級語言C51編程，提高了程序的可讀性和可移植性，并兼顧到程序的編譯效率。

7 測試結果

未進行姿態(tài)調節(jié)射頻識別標簽試驗情況：其中承載指令信息的RFID標簽模塊為φ3.85 mm×23.0 mm圓柱體。該RFID標簽模塊相繼通過了70 MPa耐壓、125 ℃耐溫可靠性試驗。調節(jié)鉆井液流量，配合外接管線直徑設置鉆井液流速為3 m/s，將射頻接收短節(jié)與外接管線對接，鉆井液以同樣的速度通過射頻接收短節(jié)內腔。將標簽投入鉆井液，以3 m/s的速度通過管線和射頻接收短節(jié)內腔。標簽經過接收短節(jié)的內腔時，讀取成功率67%。觀察和分析認為，讀取不成功的主要原因是標簽損壞和標簽姿態(tài)不穩(wěn)定。

利用加固保護膠，將原始射頻識別標簽包裹成釘子形，其中承載指令信息的RFID標簽模塊尺寸為φ5.5 mm×45.0 mm,有利于保護標簽電路和進行姿態(tài)調節(jié)。該RFID標簽模塊相繼通過了70 MPa耐壓、125 ℃耐溫可靠性試驗。試驗樣本10個，進行了3組重復試驗，標簽在鉆井液中經過接收短節(jié)內腔時，讀取成功率100%。

8 結論與建議

1) 選取134 kHz低頻率作為無線射頻工作頻率，研制的無線射頻接收短節(jié)可以實現鉆井液中RFID標簽的數據讀取。

2) 為了適用井下工具工作的環(huán)境要求，沒有采用廠家提供的RFID標簽；通過對RFID標簽進行加固封裝和姿態(tài)優(yōu)化，接收成功率達100%。

3) 為了延長工作壽命，需要進一步降低井下讀寫器的功耗和提高其耐腐蝕、耐壓等性能，因此需要繼續(xù)對讀寫器的電路系統和機械結構進行研究。

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