基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)在隨鉆擴眼作業(yè)中的應(yīng)用

胡亮

中國石化石油工程技術(shù)研究院

射頻識別技術(shù)是一種信息傳輸與控制技術(shù)，通過一定頻率的交變電流產(chǎn)生空間磁場的耦合，從而可以識別特定的目標并進行數(shù)據(jù)信息的無線交互［1］。近幾年，RFID技術(shù)開始應(yīng)用于石油勘探開發(fā)領(lǐng)域，特別是作為一種井下工具的控制手段，相比于傳統(tǒng)的投球式或壓差式控制方式有其明顯的技術(shù)優(yōu)勢［2-5］。控制過程中不會改變管柱內(nèi)通徑，不需要磨銑操作，且可以通過不同編碼的標簽實現(xiàn)對多個基于RFID技術(shù)的井下工具復(fù)合控制［6］。

國外，Weatherford公司研制了多種基于RFID技術(shù)的井下工具，RipTide隨鉆擴眼器于2016年在薩哈林島得到了成功應(yīng)用；加拿大的作業(yè)者在不列顛哥倫比亞省一口裸眼井采用基于RFID技術(shù)的開關(guān)滑套完成了10段壓裂作業(yè)，取得了不錯的應(yīng)用效果［7-8］。國內(nèi)，李光泉分析了基于RFID技術(shù)的滑套工具關(guān)鍵技術(shù)［9］，建議開展井下射頻標簽、高性能線圈、井下工具控制系統(tǒng)及機電液一體化執(zhí)行機構(gòu)的研制工作；倪衛(wèi)寧設(shè)計了一種RFID指令接收與控制執(zhí)行一體短節(jié)，并進行了室內(nèi)性能試驗［10］。與國外研究相比，國內(nèi)的RFID研究尚處于原理性驗證與室內(nèi)試驗階段，尚未形成能夠?qū)嶋H應(yīng)用的產(chǎn)品。本文針對基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)實際應(yīng)用工況進行了井下環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與優(yōu)化，設(shè)計出的工程樣機成功應(yīng)用于現(xiàn)場。

1 基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)及其存在的問題

1.1 基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)主要由RFID通訊系統(tǒng)和讀取控制系統(tǒng)組成。RFID通訊系統(tǒng)包括RFID標簽和井下天線兩部分，讀取控制系統(tǒng)由井下控制電路和高溫電池組成，兩個系統(tǒng)通過連接器實現(xiàn)通訊和控制信號的傳輸。總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig. 1 The overall structure of RFID downhole control system

如圖1所示，在地面將預(yù)先寫入控制命令的RFID標簽通過井口投放，標簽隨鉆井液向下流動。在通過井下天線內(nèi)部時，獲取天線發(fā)出的射頻能量后，將所攜帶的控制命令以電磁波的形式發(fā)送給讀取控制系統(tǒng)，井下控制電路中的微型處理器根據(jù)特定的通訊協(xié)議對獲取的信息進行解碼，獲得控制命令，即可控制相應(yīng)的井下執(zhí)行機構(gòu)動作。

1.2 存在的問題及優(yōu)化思路

基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)采用無線傳輸方式，因此，確保井下控制系統(tǒng)接收并正確解析控制命令是關(guān)鍵。但在實際使用中，井下工況惡劣，電磁環(huán)境復(fù)雜，極大地影響了其工作的可靠性和穩(wěn)定性。如何保證控制命令既能“讀的到”，又能“讀的準”，這就需要根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計?；赗FID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)的主要影響因素包括：（1）RFID通訊系統(tǒng)工作時，井下天線產(chǎn)生電磁場，磁力線穿過周圍金屬環(huán)境，產(chǎn)生渦流，其伴生的磁場削弱了原有井下天線內(nèi)部磁場，嚴重時直接導(dǎo)致RFID系統(tǒng)無法正常工作，標簽信息讀取失敗是影響RFID系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的重要因素。（2）不同應(yīng)用井況下鉆井液成分不同，其電磁特性存在差異，井下天線內(nèi)通徑是鉆井液過流通道，因此，天線內(nèi)部的磁場受到的影響也不同，從而造成不同井況下RFID系統(tǒng)電磁性能差異，影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。（3）相比常規(guī)的井下電路，RFID電路對系統(tǒng)電氣參數(shù)變化更加敏感，因此，井下溫度變化造成電路元器件電器參數(shù)的波動以及元器件自身的噪聲，使接收的控制信號產(chǎn)生異變或毛刺，造成命令解析錯誤或失敗，影響RFID系統(tǒng)的工作可靠性。

要想克服或減小這些因素對基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)的影響，就要從RFID通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和讀取控制系統(tǒng)軟硬件兩方面進行優(yōu)化設(shè)計。

2 基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

井下天線通交流電后，在天線內(nèi)部及周圍產(chǎn)生電磁場，如圖2所示，攜帶控制命令的RFID標簽隨鉆井液高速流過井下天線內(nèi)通徑時，在天線內(nèi)部有效磁場范圍內(nèi)獲得磁場能量，將控制命令以電磁載波的形式傳遞給井下控制電路。因此，井下天線所產(chǎn)生的磁場強弱和有效磁場范圍直接影響了標簽讀取成功率，決定了控制命令傳輸?shù)某蓴?。因此，需要根?jù)其影響因素進行分析，對RFID井下天線及所在的通訊短節(jié)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。

2.1 RFID通訊系統(tǒng)

2.1.1 井下天線電磁環(huán)境 根據(jù)渦流的定義可知，部分磁力線穿過工具金屬外殼，這是產(chǎn)生渦流的主要原因。當(dāng)磁力線分布范圍一定時，井下天線與工具外殼內(nèi)壁間距越大，磁力線穿過殼體越少，產(chǎn)生的渦流影響就越小。但在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，受到鉆井液通量、工具殼體強度要求等限制，間距不能無限加大，如何在實際應(yīng)用中設(shè)計合理的間距，使其盡量減少對井下天線電磁場的影響，保證RFID通訊系統(tǒng)的正常工作，是設(shè)計的關(guān)鍵。通過對不同間距的通訊短節(jié)進行磁場影響測試試驗，獲得了不同間距對井下天線內(nèi)部電磁影響變化曲線，如圖3所示。

圖2 井下天線電磁場磁力線分布Fig. 2 Magnetic flux distribution of electromagnetic field of downhole antenna

圖3 不同間距對天線內(nèi)部磁場強度的影響Fig. 3 Effect of spacing on the magnetic field intensity inside the antenna

變化曲線擬合公式為：

公式擬合度0.996 5，能夠比較準確地表征井下天線與工具外殼內(nèi)壁間距對井下天線內(nèi)部磁場的影響，可作為基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)通訊短節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。在測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)井下天線內(nèi)部磁場強度削弱小于30%，RFID通訊系統(tǒng)依然能正常工作，因此，井下天線與金屬外殼內(nèi)壁間距30 mm是一個可以接受的最小設(shè)計間距。

2.1.2 井下天線結(jié)構(gòu) 從圖2可以看出，天線內(nèi)部磁場的有效范圍長度略小于線圈纏繞長度，因此，需要設(shè)計足夠的線圈纏繞長度，以保證標簽隨鉆井液高速通過天線內(nèi)部時，標簽有足夠的時間將所攜帶的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，實現(xiàn)RFID控制命令的傳輸。線圈纏繞長度設(shè)計公式為

式中，L為線圈纏繞長度，m；v為標簽通過速度，m/s；t為數(shù)據(jù)傳輸時間，s；a為冗余安全系數(shù)。

本文設(shè)計的基于RFID技術(shù)的隨鉆擴眼控制系統(tǒng)選取工作頻率為125 kHz的飛利浦hitag標簽，根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊，數(shù)據(jù)儲存在一個page中，傳輸時間為10 ms；考慮到命令傳輸過程中可能出現(xiàn)錯誤中斷，以及冗余安全考慮，設(shè)定冗余安全系數(shù)為3；標簽隨鉆井液流動，鉆井液速度等同于標簽速度，因此，通過鉆井液排量和天線內(nèi)通徑算出標簽通過天線內(nèi)部時的速度為10 m/s。則此次設(shè)計的井下天線線圈纏繞有效長度應(yīng)不小于300 mm。

2.2 RFID讀取控制系統(tǒng)

在實際應(yīng)用中，RFID讀取控制系統(tǒng)置于井底，所處工況惡劣，電磁環(huán)境復(fù)雜，這就對其軟硬件設(shè)計提出了很高的要求，既要保證讀取控制電路在高溫振動下長時間穩(wěn)定工作，又要保證能夠適應(yīng)不同的井下電磁環(huán)境，實現(xiàn)較高的RFID通訊成功率。

2.2.1 RFID讀取控制電路 在RFID讀取控制電路設(shè)計中，加入了自適應(yīng)優(yōu)化模塊、信號處理模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊來提高系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。其設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 RFID讀取控制電路設(shè)計方案Fig. 4 Electric circuit design of RFID reading control system

（1）自適應(yīng)優(yōu)化模塊。RFID井下控制系統(tǒng)相當(dāng)于一個LC振蕩電路，當(dāng)系統(tǒng)實際輸出頻率與系統(tǒng)固有頻率相等時，系統(tǒng)達到諧振狀態(tài)，此時井下天線產(chǎn)生的磁場最強，標簽讀取成功率最高。井下電磁干擾對RFID系統(tǒng)的影響表現(xiàn)為系統(tǒng)等效電感C的變化，造成系統(tǒng)工作頻率偏移而失諧，天線磁場變?nèi)?，RFID標簽無法獲得足夠的能量而通訊失敗。因此，針對不同鉆井液和井下溫度變化等不可預(yù)知的電磁干擾，設(shè)計了一個自適應(yīng)優(yōu)化模塊，通過監(jiān)控電路實時監(jiān)控系統(tǒng)工作頻率，當(dāng)井下電磁影響使系統(tǒng)工作頻率超出正常范圍（120～130 kHz）時，自適應(yīng)優(yōu)化模塊開始工作，井下微處理器根據(jù)電容陣列中不同電容值進行計算比較，選擇合適的電容值對系統(tǒng)等效電容進行補償修正，使系統(tǒng)頻率重新回到正常工作范圍。并通過相位反饋監(jiān)控頻率相位，利用鎖相環(huán)跟蹤保持相位差，使系統(tǒng)一直保持在最佳工作狀態(tài)。

（2）信號處理模塊?？刂泼钜噪姶泡d波的方式進行傳輸，極易受到井下電磁環(huán)境以及控制電路自身噪聲的干擾，出現(xiàn)異變或毛刺等情況，影響控制命令的正確解析。因此，設(shè)計了信號處理模塊，通過對接收信號進行放大、濾波、整流和跟隨處理，整形出一個信噪比較高的耦合信號進入解調(diào)芯片，保證解調(diào)出的控制命令的準確性。其中濾波電路采用有源帶通濾波器，消除井下以及電路自身的白噪聲干擾。

（3）數(shù)據(jù)記錄模塊?；赗FID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)在使用過程中，無法保證時刻正常工作，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀況時，為了便于事后分析研究，增加了數(shù)據(jù)記錄模塊，作為控制系統(tǒng)的“黑匣子”。通過溫度傳感器記錄環(huán)境溫度；通過記錄井下天線工作電壓、輸出頻率等參數(shù)，反映RFID通訊系統(tǒng)工作狀態(tài)；記錄讀到標簽的信息，用以統(tǒng)計標簽讀取成功率。這些信息都將保存在數(shù)據(jù)記錄模塊中，掉電后不會丟失，便于后續(xù)進行回讀分析。

2.2.2 軟件設(shè)計 為了提高控制命令譯碼的正確性，防止控制信息在譯碼過程中被誤譯、錯譯和漏譯，設(shè)計控制命令解析軟件時，通過采用添加數(shù)據(jù)同步頭的方法保證捕獲到正確的控制信息，排除因干擾造成信號線上異常跳變而出現(xiàn)誤譯操作；再通過邊沿觸發(fā)和延時判斷相結(jié)合的方式對捕獲的信息進行解析，保證譯碼信息的準確性，避免信號錯譯情況的發(fā)生；最后通過對整個控制命令數(shù)據(jù)采用CRC校驗的方式，保證接收控制命令的完整性，消除信號部分漏譯的可能性。通過軟件優(yōu)化，保證RFID通訊數(shù)據(jù)解析的正確性和完整性。其優(yōu)化解析流程圖如圖5所示。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗基本情況

試驗井安順89井為二開斜井，垂深2 180 m，造斜點1 200 m。鉆井液密度1.35 g/cm3。擴眼井段為868～968 m，處于直井段。準備擴眼時，投放一組3個“開始擴眼”命令標簽，控制擴眼器刀翼打開，進行擴眼作業(yè)，并在擴眼期間投入一組3個測試標簽，完成目標井段擴眼后，投入一組3個“結(jié)束擴眼”命令標簽，控制擴眼刀翼收回，完成擴眼作業(yè)，工具順利取出。

圖5 軟件優(yōu)化解析流程Fig. 5 Analytical process of software optimization

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

基于RFID技術(shù)的隨鉆擴眼器回收后，取出井下控制電路，讀取“黑匣子”記錄數(shù)據(jù)，此次共投放9個試驗標簽，實際讀取成功9個，讀取成功率100%。整個系統(tǒng)井下工作狀態(tài)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 RFID系統(tǒng)井下工作狀態(tài)Fig. 6 Downhole operating state of RFID system

3.2.1 測溫曲線 從紅色測溫曲線可以看出，入井前測溫與地面氣溫一致，在下井過程中，隨著井深的增加，井下溫度逐漸提高，工具下到預(yù)定井深后，開始循環(huán)鉆井液，在循環(huán)作用下測溫略有下降，然后保持不變，工具擴眼完成，開始從井底提出，測溫隨井深減小而下降，最終趨于地面溫度。整個試驗過程測溫曲線變化符合井深溫度變化規(guī)律，說明井下監(jiān)控記錄系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)真實有效。

3.2.2 頻率變化曲線 從藍色系統(tǒng)頻率變化曲線可以看出，RFID擴眼器入井前，系統(tǒng)工作頻率為123 kHz，處于正常工作范圍。開始入井，系統(tǒng)頻率降低到120 kHz，這是由于工具內(nèi)部從空氣變?yōu)楣酀M鉆井液，使系統(tǒng)等效電容升高，系統(tǒng)頻率被拉低到120 kHz，尚在120～130 kHz范圍內(nèi)，因此自適應(yīng)優(yōu)化模塊沒有立即工作。隨著入井深度增加，環(huán)境溫度升高，使系統(tǒng)等效電容進一步升高，系統(tǒng)頻率降至120 kHz以下，觸發(fā)自適應(yīng)優(yōu)化模塊工作，通過電容陣列優(yōu)化匹配，將系統(tǒng)頻率調(diào)整到130 kHz，回到120～130 kHz的正常范圍內(nèi)。此后系統(tǒng)工作頻率一直穩(wěn)定，表明系統(tǒng)正常工作，在工具提出井口后，工具內(nèi)部鉆井液清空，系統(tǒng)等效電容減小，系統(tǒng)頻率被升高超過正常工作范圍，再次觸發(fā)自適應(yīng)優(yōu)化模塊工作，將系統(tǒng)頻率調(diào)整到126 kHz正常范圍。整個過程自適應(yīng)優(yōu)化模塊克服了井下電磁干擾，保證了系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）對RFID通訊短節(jié)及井下天線結(jié)構(gòu)進行了電磁性能優(yōu)化，選取最優(yōu)天線與短節(jié)外殼內(nèi)壁間距，減小了金屬渦流的電磁干擾，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定工作；同時設(shè)計了天線繞線長度，保證標簽隨鉆井液高速流過井下天線內(nèi)部時被準確讀取。

（2）對RFID讀取控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。硬件方面，增加了自適應(yīng)優(yōu)化模塊和信號處理模塊，能夠根據(jù)井下電磁環(huán)境的影響，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，提高了標簽的讀取成功率；軟件方面，通過優(yōu)化算法、增加校驗等方式，提高了控制信號解析的正確性。從而在軟硬件兩方面保證了控制命令被讀取并正確識別。

（3）在江蘇淮安順89井成功進行了基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)下井試驗，驗證了基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)的工作性能。整個試驗過程RFID控制命令均被正確識別并執(zhí)行，標簽讀取成功率100%，電路中的自適應(yīng)優(yōu)化模塊發(fā)揮了重要作用，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

（4）本文設(shè)計的基于RFID技術(shù)的井下控制系統(tǒng)可作為一個獨立控制短節(jié)，與多種井下工具相結(jié)合，開發(fā)系列井下控制工具，發(fā)揮其控制優(yōu)勢。