井下射頻電磁識(shí)別影響因素研究

胡 亮， 肖 莉， 趙建軍， 尹慧博

(1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

采用射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)控制井下工具，與傳統(tǒng)的投球或壓差控制方式相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1-2]，控制過程中不會(huì)改變管柱內(nèi)通徑和井底壓力，不需要磨銑憋壓球，還可以通過不同編碼的標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)井下工具的復(fù)合控制。當(dāng)前國(guó)外已研制出多種應(yīng)用RFID技術(shù)的鉆井完井工具，并取得了良好的效果[3-4]。威德福公司在加拿大某區(qū)塊應(yīng)用采用了RFID技術(shù)的智能滑套進(jìn)行了10段壓裂，滑套打開成功率達(dá)到86%，與常規(guī)滑套相比經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯[5-6]。但井下復(fù)雜工況如高溫、高壓、振動(dòng)及復(fù)雜的井下電磁環(huán)境都會(huì)對(duì)RFID井下系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。毛博[7]研究發(fā)現(xiàn)，井下工具金屬外殼上的渦流對(duì)RFID系統(tǒng)的電磁性能影響較大，可以采用在井下天線和儀器外殼之間添加鐵氧體屏蔽層的方法消除渦流的影響，但在設(shè)計(jì)井下工具時(shí)，由于鐵氧體的加工和安裝固定比較困難，難以實(shí)現(xiàn)工程化。張哲[8]研究了不同類型鉆井液的影響，但選取的鉆井液代表性不強(qiáng)，沒有考慮實(shí)際應(yīng)用中可能影響較大的飽和鹽水鉆井液。針對(duì)以上研究的不足，筆者結(jié)合井下工具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了井下射頻電磁識(shí)別影響因素分析，研究分析了井下工具金屬外殼與鉆井液類型對(duì)電磁的影響程度及影響規(guī)律，并提出了工程化的建議。

1 RFID井下系統(tǒng)電磁影響因素

RFID井下系統(tǒng)主要包括RFID井下天線和讀取控制系統(tǒng)2部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。開始工作時(shí)，井下天線兩端持續(xù)通一定頻率的交變電流，從而在天線內(nèi)部和周圍產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電磁場(chǎng)。電子標(biāo)簽隨著鉆井液流經(jīng)天線內(nèi)部時(shí)，通過電磁耦合獲得激勵(lì)能量，將攜帶的控制信息以頻率載波的形式發(fā)送出來，讀取控制系統(tǒng)接收并解讀這些信息，再控制相應(yīng)的井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

圖1 RFID井下通訊短節(jié)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of RFID downhole communication system

上述過程中，井下天線產(chǎn)生磁場(chǎng)的強(qiáng)弱直接影響標(biāo)簽通過時(shí)的讀取成功率，決定控制信息傳輸?shù)某晒β?。根?jù)電磁波傳播影響機(jī)理，對(duì)各種井下工況進(jìn)行分析，確定了2個(gè)主要影響因素：井下工具的金屬外殼和鉆井液類型。

1) 井下工具的金屬外殼。井下工具的外殼多采用鋼制材料，其電阻率較低。當(dāng)RFID井下天線通以高頻交流電時(shí)，工具的金屬外殼處于交變磁場(chǎng)中，在金屬內(nèi)部形成閉合回路，從而形成旋渦狀的感應(yīng)電流(渦流)，如圖2所示。根據(jù)法拉第電磁定律，渦流又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的附加磁場(chǎng)，疊加后會(huì)削弱天線原有的磁場(chǎng)強(qiáng)度。由于金屬外殼產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度與激勵(lì)電流頻率的平方成正比，因此為了減小金屬渦流的影響，RFID井下控制系統(tǒng)多采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中相對(duì)較低的頻率，如筆者設(shè)計(jì)的RFID系統(tǒng)的頻率為125 kHz。

圖2 井下工具金屬外殼渦流產(chǎn)生機(jī)理Fig.2 Generation mechanism of eddy currents on downhole instrument casing

2) 鉆井液類型。不同工況下采用的鉆井液不同，對(duì)RFID系統(tǒng)電磁性能的影響程度也不同。理論分析認(rèn)為，鉆井液所含電離子濃度越高，電導(dǎo)率就越大，置于交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的影響也越大。因此，需要考慮可能出現(xiàn)電導(dǎo)率極端情況的鉆井液，如飽和鹽水鉆井液。

基于上述認(rèn)識(shí)，在RFID井下電磁系統(tǒng)仿真和影響因素分析中，重點(diǎn)分析井下工具金屬外殼和鉆井液類型對(duì)RFID井下系統(tǒng)電磁識(shí)別的影響程度和影響規(guī)律，為RFID井下系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 RFID天線軸線處磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算

計(jì)算理想情況下所設(shè)計(jì)的RFID天線內(nèi)部軸線處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，是為了與隨后的仿真模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，作為判斷仿真模型正確性的依據(jù)；同時(shí)，與井下環(huán)境影響仿真后的系統(tǒng)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，可反映井下環(huán)境因素對(duì)RFID系統(tǒng)電磁的影響程度。RFID井下天線可等效為空心載流螺線管，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 RFID井下天線結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram ofan RFID Downhole antenna

圖4 空心載流螺線管縱向剖面Fig.4 Longitudinal profile of hollow solenoid with current

將RFID天線等效為長(zhǎng)度為L(zhǎng)、半徑為R、總匝數(shù)為N的空心載流密繞直螺線管，如圖4所示(圖4中：R為空心載流密繞直螺線管半徑，m；β1為天線兩端到P點(diǎn)的夾角，(°)；β2為P點(diǎn)到天線一端與天線軸線的夾角，(°)；β為P點(diǎn)到天線軸線的夾角，(°))。

設(shè)天線中心軸線為x軸，天線兩端坐標(biāo)設(shè)為x1和x2，根據(jù)已有的計(jì)算公式[9]，其上任一P點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

式中：H為RFID天線軸線任一P點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m;I為向空心載流螺線管所通電流強(qiáng)度，A；n為單位長(zhǎng)度空心載流螺線管上的線圈匝數(shù)。

將設(shè)計(jì)的RFID井下天線相關(guān)參數(shù)代入式(1)進(jìn)行求解，可得到天線內(nèi)部軸線處的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線，如圖5所示。

圖5 井下天線內(nèi)部軸線處磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布Fig.5 Distribution curve of magnetic field intensity inside the downhole antennae

從圖5可以看出，磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值為148 A/m，位于中心軸中點(diǎn)處。

3 RFID井下電磁環(huán)境仿真

3.1 模型的建立

根據(jù)RFID井下系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要仿真的磁場(chǎng)環(huán)境主要集中在井下天線周圍，與其相關(guān)的主要因素為工具金屬外殼和整個(gè)系統(tǒng)中充滿的鉆井液。因此，選用ANSYS軟件的Electromagneti模塊，采用節(jié)點(diǎn)法磁矢量位進(jìn)行三維仿真[10]。整個(gè)仿真環(huán)境由工具金屬外殼、RFID天線和鉆井液組成，鉆井液充滿天線內(nèi)部和天線與工具外殼之間，其等效結(jié)構(gòu)圖及尺寸參數(shù)如圖6所示(圖6中：d0為天線內(nèi)徑，mm；d1為天線外徑，mm；d2為工具外殼內(nèi)徑，mm；d3為工具外殼外徑，mm；L為天線等效長(zhǎng)度，mm；W為天線與儀器外殼內(nèi)壁的間距，mm)。

圖6 RFID井下天線結(jié)構(gòu)等效圖Fig.6 Equivalent diagram of the RFID antennae structure

假設(shè)仿真模型的材料為各向同性，由于仿真模型是軸對(duì)稱形式，為減小計(jì)算量，取實(shí)物的1/4建模，建立的三維模型如圖7所示(圖7中，藍(lán)色部分為RFID天線外部環(huán)境，紅色為RFID天線，綠色為天線內(nèi)部鉆井液環(huán)境)。

圖7 RFID井下天線仿真模型Fig.7 Simulation model of RFID antennae

模型的邊界條件和激勵(lì)條件：對(duì)稱模型的感應(yīng)渦流處邊界電壓為0 V；模型外邊緣的磁通量平行；激勵(lì)交變電流強(qiáng)度為0.3 A，頻率為125 kHz。

3.2 電磁影響因素分析

3.2.1 仿真結(jié)果分析

通過仿真得到了RFID井下天線空間磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，如圖8所示；天線軸線處的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖9所示。

圖8 仿真RFID井下天線磁場(chǎng)強(qiáng)度Fig.8 Magnetic field intensity inside RFID antennae

圖9 RFID天線軸線上磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布Fig.9 Distribution curve of magnetic field intensity on the axis of RFID antennae

圖9所示天線軸線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線與圖5所示理論分析的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線相吻合，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。但受到井下環(huán)境影響的仿真磁場(chǎng)強(qiáng)度(119 A/m)小于理想狀態(tài)下的理論磁場(chǎng)強(qiáng)度(148 A/m)，說明RFID系統(tǒng)磁場(chǎng)受井下環(huán)境的影響較大。

3.2.2 井下工具金屬外殼影響分析

RFID井下天線所產(chǎn)生的磁感線分布在一定空間范圍內(nèi)(如圖10所示)，在井下天線外圍，越靠近天線磁力線越密集，越遠(yuǎn)離越稀疏。因此，從理論上講，井下工具金屬外殼與井下天線距離越遠(yuǎn)，穿過工具外殼的磁力線就越少，產(chǎn)生的感應(yīng)渦流也就越小，對(duì)天線內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響越小。

井下天線與工具內(nèi)壁不同間距下的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化仿真結(jié)果如圖11所示。

圖10 井下天線的磁力線分布Fig.10 Magnetic lines distribution of downhole antennae

圖11 井下天線與工具內(nèi)壁不同間距下的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線Fig.11 Simulation influence curve of magnetic field intensity on different distances between downhole antennae and tool casing

從圖11可以看出，井下工具外殼渦流對(duì)天線內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響很大；隨著間距增大，其影響程度變小，且影響變化率呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

3.2.3 鉆井液影響分析

將所建模型中的填充溶液設(shè)置不同的電阻率和相對(duì)磁導(dǎo)率，可以模擬RFID井下天線在不同鉆井液工況下的電磁場(chǎng)情況?？紤]鉆井液的電磁影響機(jī)理和實(shí)際工況需要，采用了飽和鹽水鉆井液、某水基鉆井液、1號(hào)原油(80%脫水原油與20%某水基鉆井液混合)和2號(hào)原油(100%脫水原油)等4種不同的溶液進(jìn)行仿真，各溶液的電磁參數(shù)見表1?？紤]溶液主要成分為水或原油，為順磁性物質(zhì)，相對(duì)磁導(dǎo)率等于或略大于1.0，鉆井液中所含鐵磁性物質(zhì)較少，不足以對(duì)鉆井液整體的相對(duì)磁導(dǎo)率產(chǎn)生影響。因此，相對(duì)磁導(dǎo)率都取1.0，電導(dǎo)率為實(shí)際測(cè)量值。

表1 仿真溶液電磁參數(shù)Table 1 Electromagnetic parameters of simulation solution

不同溶液中RFID天線內(nèi)部軸線磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果：飽和鹽水為140.8 A/m，某水基鉆井液為144.6 A/m，1號(hào)原油為147.5 A/m，2號(hào)原油為147.5 A/m。

由仿真結(jié)果可知，隨著溶液電導(dǎo)率減小，其對(duì)RFID井下天線軸線上磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響逐漸減小，且總體影響不大。

4 地面試驗(yàn)

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果和仿真結(jié)論，進(jìn)行了地面試驗(yàn)。因?yàn)橐脤ｉT的測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量RFID天線上125 kHz交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，筆者所在的實(shí)驗(yàn)室不具備這樣的條件，但根據(jù)螺線管磁場(chǎng)強(qiáng)度理論，天線內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度與天線的電感呈正相關(guān)關(guān)系，外界環(huán)境對(duì)天線磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響也表現(xiàn)為天線受外界影響后產(chǎn)生互感，造成天線電感變小，因此通過LCR表測(cè)量天線電感的變化來間接反映天線內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。

4.1 工具外殼內(nèi)壁與井下天線間距影響試驗(yàn)

選用長(zhǎng)度、壁厚相同但內(nèi)徑不同的1組非金屬套筒和5組金屬套筒，將RFID天線放入其中，用LCR表測(cè)試其天線電感，分析不同材質(zhì)和不同間距對(duì)RFID天線電感的影響。試驗(yàn)套筒的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)套筒的參數(shù)Table 2 Parameters of ground test sleeves

通過測(cè)量天線電感變化，可以表征不同間距對(duì)井下天線電感的影響。試驗(yàn)過程分為2步：1)作為工具外殼金屬渦流影響的對(duì)比試驗(yàn)，將天線放入非金屬套筒測(cè)量，此時(shí)的間距很小，而測(cè)試結(jié)果表明天線電感值與未加套筒時(shí)幾乎相同；2)將RFID天線依次放入1—5號(hào)金屬套管中間，測(cè)量的天線電感變化率如圖12所示。

圖12 工具外殼內(nèi)壁與井下天線間距對(duì)天線電感的影響Fig.12 Influence of different distances between tool casing and downhole antennae on magnetic field intensity

由于天線電感與天線內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，因此，可以用天線電感變化率表征天線內(nèi)部磁場(chǎng)的變化率。由圖12可以看出：1)井下天線放入金屬套筒內(nèi)，天線的電感減小，說明井下工具外殼金屬渦流是影響井下天線電感(內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度)的重要因素；2)隨著井下工具金屬外殼內(nèi)壁與井下天線間距增大，金屬渦流對(duì)天線電感(內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度)的影響逐漸減小，試驗(yàn)結(jié)論與仿真結(jié)論相符。

試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，如果間距過小，RFID天線內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度被削弱30%以上，甚至?xí)斐蒖FID系統(tǒng)無法正常工作。因此，在設(shè)計(jì)RFID井下工具時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大RFID天線與工具外殼內(nèi)壁的間距，以保證RFID系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

4.2 鉆井液影響試驗(yàn)

選取仿真用的4種試驗(yàn)溶液，將RFID天線放入金屬套管內(nèi)，并將環(huán)空和內(nèi)部充滿試驗(yàn)溶液，天線兩端接外部測(cè)試儀器，測(cè)得不同試驗(yàn)溶液條件下天線的電感為：飽和鹽水為315.56 μH，某水基鉆井液為319.35 μH，1號(hào)原油為320.62 μH，2號(hào)原油為320.29 μH。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：不同類型溶液對(duì)天線電感的影響較小；隨著溶液電導(dǎo)率減小，對(duì)天線電感的影響逐漸減小。

鉆井液類型對(duì)RFID系統(tǒng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響無法消除，但總體影響程度較小，試驗(yàn)過程中RFID系統(tǒng)依然能夠工作，只是讀取控制信息的成功率受到一定影響。因此，建議設(shè)計(jì)RFID井下控制系統(tǒng)硬件時(shí)添加自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊，補(bǔ)償這種較小的影響，以提高RFID井下系統(tǒng)工作時(shí)的可靠性[11]。

5 結(jié)論與建議

1) 根據(jù)RFID井下工具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電磁工作環(huán)境，建立了RFID井下系統(tǒng)電磁仿真模型，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

2) 井下工具金屬外殼產(chǎn)生的渦流是影響RFID井下系統(tǒng)電磁性能的重要因素。工具外殼內(nèi)壁與井下天線的間距越大，對(duì)天線內(nèi)部磁場(chǎng)的影響越小，因此在設(shè)計(jì)RFID井下工具機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，可通過增大天線與工具外殼內(nèi)壁間距的方式來減小金屬渦流的影響。

3) 鉆井液類型不同，電導(dǎo)率不同，對(duì)RFID井下系統(tǒng)電磁性能的影響程度略有差別，但總體影響不大，在設(shè)計(jì)RFID井下控制系統(tǒng)硬件時(shí)，可以通過添加自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊，補(bǔ)償這種較小的影響，保證系統(tǒng)工作時(shí)的可靠性。

4) 建議進(jìn)行RFID井下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鉆井工況下的影響因素分析，重點(diǎn)進(jìn)行高溫和流動(dòng)鉆井液試驗(yàn)。

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