RFID電子標(biāo)簽在油管中的應(yīng)用

徐亞飛，王青海，楊兵兵

（山東勝軟科技股份有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

RFID電子標(biāo)簽在油管中的應(yīng)用

徐亞飛，王青海，楊兵兵

（山東勝軟科技股份有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

文章介紹了油田作業(yè)生產(chǎn)中對(duì)油管的管理現(xiàn)狀以及RFID電子標(biāo)簽?zāi)壳暗膽?yīng)用現(xiàn)狀及前景，重點(diǎn)介紹了可適用于油田現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的專用RFID電子標(biāo)簽的技術(shù)研究，油管標(biāo)簽安裝方案的探討以及RFID標(biāo)簽技術(shù)在油管的全生命周期管理方面的應(yīng)用技術(shù)研究。

RFID；電子標(biāo)簽；油管；油管標(biāo)簽；RFID應(yīng)用

1 油田管理模式現(xiàn)狀

近年來，油田推行以“分年限、等壽命”管理為代表的油管管理模式，這種管理模式仍然存在諸多問題，一方面是這種管理模式下，所述精細(xì)管理的提升主要依靠的是管理環(huán)節(jié)上的細(xì)化，實(shí)際操作人仍舊需要人工完成，另一方面是這種管理模式仍不夠精細(xì)。

2 RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用現(xiàn)狀

在政府大力推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的背景下，國(guó)家的一系列促進(jìn)政策成為中國(guó)無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力來源。各部委合力推動(dòng)RFID應(yīng)用示范工程，智能電網(wǎng)、智能交通、金融服務(wù)、物流倉儲(chǔ)、醫(yī)療健康、食品安全等RFID相關(guān)重點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目數(shù)量明顯增加，范圍迅速擴(kuò)大；商品防偽、資產(chǎn)管理、工業(yè)管理等企業(yè)市場(chǎng)需求開始升溫。中國(guó)RFID產(chǎn)業(yè)已形成相對(duì)成熟的商業(yè)模式，未來RFID產(chǎn)業(yè)將迎來高速增長(zhǎng)期。

3 油管專用RFID電子標(biāo)簽技術(shù)研究

3.1 專用電子標(biāo)簽研究

通過對(duì)電子標(biāo)簽基礎(chǔ)理論的研究，探索標(biāo)簽的穩(wěn)頻擴(kuò)頻技術(shù)，從油田使用環(huán)境（尤其是井下）出發(fā)，需要滿足天線小尺寸、基板抗熱震性的條件，在該條件下，針對(duì)標(biāo)簽抗金屬性能的要求，進(jìn)行了基板材料的優(yōu)選和天線的研究設(shè)計(jì)?；宀牧线x擇微波介質(zhì)陶瓷（MWDC），介電常數(shù)20～100，介質(zhì)損耗低。天線設(shè)計(jì)采用微帶天線，同距離下尺寸最小、頻帶拓寬80%，讀取距離穩(wěn)定性好。

增加天線帶寬方法研究：

（1）增大介質(zhì)厚度，降低基板相對(duì)介電常數(shù)。這種方法是微帶天線擴(kuò)展帶寬的基本途徑，微帶天線帶寬為：

當(dāng)微帶天線的駐波比ρ一定時(shí)，帶寬和品質(zhì)因素成反比，因此微帶天線主要通過降低等效諧振電抗的Q值展寬工作帶寬，微帶天線的品質(zhì)因素Q的計(jì)算公式為：

W是貼片寬度，L是貼片長(zhǎng)度（近似為波長(zhǎng)的一半），h為介質(zhì)板厚度，σc是銅的電導(dǎo)率，可以得到，增大介質(zhì)板厚度h，則BW增大，降低基板相對(duì)介電常數(shù)εr則BW增大，εr最小值為1（采用空氣介質(zhì)的情況），因此降低εr展寬帶寬的范圍有限。

（2）多模技術(shù)。這種方法來源于耦合諧振器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，耦合諧振器一般有兩個(gè)或以上的諧振器，調(diào)節(jié)參差可以工作在需要的頻率范圍。天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)或兩個(gè)以上不同諧振頻率的諧振單元，控制諧振單元間的距離使不同的諧振頻率點(diǎn)近距離耦合，有效增加了天線帶寬，應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中較為常見的結(jié)構(gòu)由共面寄生單元、多疊層天線單元等，多疊層天線單元的每個(gè)輻射貼片的工作頻率不同，大小也不同，上層貼片通過下層貼片電磁耦合饋電，幾個(gè)諧振頻率很接近，有效地占據(jù)了工作頻段。

（3）天線采用加載結(jié)構(gòu)。加載原件可以是電抗元件、阻抗原件、集總參數(shù)原件或分布參數(shù)原件等，一般放置在天線內(nèi)部或者饋電端，如在折合振子的饋電處加載一個(gè)合適長(zhǎng)度的U型短截線，如圖1所示，折合振子導(dǎo)線2的中間部分開路，長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)腢型短截線加載在折合振子的饋電端FF’處，U型短截線的電納隨頻率呈正斜率變化，可以補(bǔ)償原折合振子輸入導(dǎo)納的負(fù)斜率變化，兩者合成后的電納有效改善了阻抗的頻率特性。

圖1 加載U型短截線的折合振子天線

這種加載原件可以進(jìn)行“補(bǔ)償”展寬頻帶的方法已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，當(dāng)天線長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的一半時(shí)，輸入阻抗表現(xiàn)為電抗性，可以改善電流分布和諧振頻率。加載結(jié)構(gòu)既可以展寬天線帶寬，又可以縮小天線尺寸，提高天線效率。

標(biāo)簽防護(hù)外殼材質(zhì)優(yōu)選：金屬會(huì)屏蔽標(biāo)簽信號(hào)，結(jié)合油田環(huán)境，要選擇具有耐高溫、耐腐蝕、耐水解并具有非常好的機(jī)械性能的塑料制作標(biāo)簽防護(hù)外殼。

3.2 油管標(biāo)簽安裝方案探究

根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料的不同，給出了比較可行的幾款標(biāo)簽方案，如表1所示。

表1 油管標(biāo)簽安裝方案統(tǒng)計(jì)

3.3 油管標(biāo)簽讀寫技術(shù)研究

（1）標(biāo)簽讀寫手持機(jī)終端。終端設(shè)備選擇系統(tǒng)穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理速度快，讀取距離遠(yuǎn)、小巧便于攜帶的手持機(jī)，支持超高頻、條形碼、WiFi，3G，GPS、現(xiàn)場(chǎng)攝像等功能模塊，模塊性能及穩(wěn)定性高，是便攜式的電子標(biāo)簽測(cè)試設(shè)備。

（2）油管作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)專用讀寫器研究。讀寫器控制器控制環(huán)形天線內(nèi)核在油管上下井時(shí)感應(yīng)油管電子標(biāo)簽，采集油管上下井?dāng)?shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的過濾，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)緩存器，現(xiàn)場(chǎng)緩存器將數(shù)據(jù)通過無線模塊轉(zhuǎn)發(fā)到后臺(tái)的服務(wù)器，這里現(xiàn)場(chǎng)緩存器用來確保當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)無線連接不通時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)仍舊能被有效地記錄、保存下來。在作業(yè)隊(duì)實(shí)現(xiàn)油管上下井的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，采取的技術(shù)手段是：在作業(yè)隊(duì)的通井機(jī)井口安裝固定式讀寫器，實(shí)時(shí)感知油管接箍的上下井，并且完成記錄。準(zhǔn)確記錄油管接箍的上下井?dāng)?shù)據(jù)，起到自動(dòng)深度計(jì)算、在井深度統(tǒng)計(jì)以及問題油管接箍井口預(yù)警的功能。

井口環(huán)形天線技術(shù)研究：在油管起下井的過程中，通過使用定制的作業(yè)隊(duì)井口布置環(huán)形天線陣列，實(shí)現(xiàn)無論油管標(biāo)簽處于哪一個(gè)方向，該天線均可以采集到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。多塊天線組成環(huán)形天線陣列，360度內(nèi)周向讀取油管標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)油管在井口上下井的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。

通過天線管理軟件調(diào)整設(shè)置各天線板的輸入?yún)?shù)，使整個(gè)場(chǎng)型更均勻，確保360度無盲區(qū)。對(duì)于讀寫器的響應(yīng)時(shí)間，在國(guó)標(biāo)【GB/T29272—2012信息技術(shù)射頻識(shí)別設(shè)備性能測(cè)試方法系統(tǒng)性能測(cè)試方法】中，沒有測(cè)試讀寫器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試項(xiàng)。通常，測(cè)試讀寫器讀取速率的方法，一般是記錄讀寫器開啟1分鐘時(shí)間內(nèi)單個(gè)標(biāo)簽或者多個(gè)標(biāo)簽的讀取數(shù)量，從而計(jì)算出讀寫器的讀取響應(yīng)時(shí)間。實(shí)測(cè)每秒讀取標(biāo)簽次數(shù)超過160次，經(jīng)過計(jì)算，響應(yīng)時(shí)間快于1/160 s（6.25 ms）。

4 RFID電子標(biāo)簽技術(shù)在油管管理方面的應(yīng)用

建立基于電子標(biāo)簽技術(shù)的油管全生命周期跟蹤管理系統(tǒng)，可為每根油管安裝一個(gè)油田唯一“電子身份證”，并在關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)使用采集設(shè)備對(duì)油管標(biāo)簽進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和應(yīng)用，實(shí)時(shí)采集采購(gòu)環(huán)節(jié)的物流數(shù)據(jù)、供井回收數(shù)據(jù)、修復(fù)數(shù)據(jù)、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的下井?dāng)?shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用，串聯(lián)油管的供應(yīng)部門、維護(hù)部門和使用部門，實(shí)現(xiàn)油管從油管在入庫、發(fā)放、入井、回收、修復(fù)直至報(bào)廢的“全生命周期”管理。

對(duì)油管管理部門來說，隨著時(shí)間的推移，通過對(duì)每根油管回收、修復(fù)直至報(bào)廢“全生命周期”信息的數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠油管投入總量、目前完好數(shù)量和報(bào)廢數(shù)量的實(shí)時(shí)查詢，為優(yōu)化油管投入、深挖油管價(jià)值提供支持。

對(duì)油氣生產(chǎn)部門來說，借助油管全生命周期跟蹤檔案，可以把以往不全面、不連續(xù)的信息串聯(lián)起來，為區(qū)塊和單井診斷分析提供數(shù)據(jù)支持。通過把這口井歷年作業(yè)的信息直觀有效地連接起來，使得管理人員能夠放長(zhǎng)視線、準(zhǔn)確全面地對(duì)區(qū)塊、單井進(jìn)行診斷分析。通過實(shí)現(xiàn)每口油水井油管腐蝕、斷脫、偏磨等失效原因的數(shù)據(jù)采集分析，可以對(duì)出現(xiàn)質(zhì)量問題的油管實(shí)現(xiàn)全程、準(zhǔn)確追溯；同時(shí)，每根管桿、每個(gè)井下工具從投產(chǎn)到報(bào)廢完整和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫也能夠建立，從而提供延長(zhǎng)油水井免修期、優(yōu)化油管工具使用的數(shù)據(jù)支持，具有突出的指導(dǎo)作用。

同時(shí)，油管“全生命周期”管理信息系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)，可輔助工藝所工作人員進(jìn)行偏磨分析、質(zhì)量追蹤以及油藏狀況、作業(yè)效果分析，促進(jìn)油藏精細(xì)化管理。

[1]孫國(guó)強(qiáng).創(chuàng)新機(jī)制優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)施油管桿分年限等壽命管理[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)（人文社科版），2010（6）：63-65.

[2]顧松，許慶勇.戶籍式信息化管理讓每根油管桿都有永久“身份證”—濱南采油廠[N].齊魯晚報(bào)，2015-05-25（02）.

[3]卞定元.適用于多種環(huán)境的RFID標(biāo)簽天線研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2008.

[4]譚娟娟.寬頻帶RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009.

[5]趙軍偉.兩款特殊用途電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[6]周祥，宋雪樺.標(biāo)簽天線彎曲對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)性能影響的研究[J].微波學(xué)報(bào)，2005（S1）：96-100.

[7]左德榕.我國(guó)RFID設(shè)備企業(yè)發(fā)展研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.

Application of RFID electronic label on tubing

Xu Yafei, Wang Qinghai, Yang Bingbing
（Shandong Sheng Soft Polytron Technology Inc., Dongying 257000, China）

This paper introduces the application status and prospect of oil production in the present management situation of the tubing and the RFID electronic tag at present. The paper focused on the technology of the special RFID tags can be applied to the oil feld environment, and discussion on installation scheme of oil pipe label and research on the application technology of RFID tag technology in the whole life cycle management of oil pipeag technology in the whole life cycle management of tubing.

RFID; electronic label; tubing; tubing label; RFID application

徐亞飛（1965— ），男，江蘇淮陰，博士研究生，高級(jí)工程師，董事長(zhǎng)；研究方向：油田信息化建設(shè)。