基于RFID技術(shù)的壓裂滑套控制系統(tǒng)設(shè)計

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(1.川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司， 西安 710021；2.長慶油田分公司 儲氣庫管理處，陜西 靖邊 718500)

水平井分段壓裂技術(shù)是提升石油產(chǎn)能以及開采效率的有效途徑，但隨著水平井長度和壓裂級數(shù)增加，井內(nèi)的流動性受到了嚴重的限制，且施工復(fù)雜[1]。為了有效地克服這些弊端，設(shè)計了一種基于射頻識別技術(shù)(RFID)的壓裂滑套控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將RFID技術(shù)與控制系統(tǒng)有機結(jié)合，通過向井內(nèi)投放RFID標簽球，當控制系統(tǒng)中的識別模塊識別標簽球中的信息后，系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)指令驅(qū)動壓裂滑套系統(tǒng)工作。系統(tǒng)能有效地識別標簽球中的信息，可實現(xiàn)對滑套的多次壓裂，能有效地提高石油的開采效率[2]。

1 系統(tǒng)組成

基于RFID技術(shù)的壓裂滑套智能控制系統(tǒng)主要由RFID通信裝置、直流無刷電機控制裝置、數(shù)據(jù)信號采集裝置以及滑套執(zhí)行裝置組成。通過RFID通信裝置獲取標簽球中的信息，由閱讀器識別并解碼后，將標簽球中的信息發(fā)送至電機控制裝置，由電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)滑套的開啟和關(guān)閉[3]。從而實現(xiàn)對滑套壓裂級數(shù)的準確控制，保證油井作業(yè)的可靠運行，系統(tǒng)整體控制框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

1.1 RFID技術(shù)原理

射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification)具有非接觸自動識別的特點，其由標簽、閱讀器以及天線構(gòu)成[4]。RFID結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，標簽球內(nèi)部是由天線和控制芯片構(gòu)成，且每個控制芯片都燒錄唯一的ID，便于識別；天線是用來實現(xiàn)與閱讀器數(shù)據(jù)交互。閱讀器是用來識別解碼標簽球中的信息。

圖2 RFID結(jié)構(gòu)框圖

本文采用天線耦合的方式實現(xiàn)標簽球與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交互，其主要是利用電磁波原理。將天線置于滑套的內(nèi)外管徑中間，閱讀器利用輸出電壓激勵天線產(chǎn)生一定頻率的射頻磁場，當標簽球流過射頻磁場區(qū)域時，閱讀器與標簽球通過天線發(fā)送耦合效應(yīng)，標簽球?qū)?nèi)部存儲的數(shù)據(jù)編碼后向外發(fā)送，閱讀器接收到此信號后，對其解調(diào)和解碼以還原標簽球內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)。閱讀器與標簽球數(shù)據(jù)交互原理如圖3所示。

圖3 RFID閱讀器與標簽球數(shù)據(jù)交互原理

1.2 工作流程

壓裂滑套控制系統(tǒng)以及RFID通信裝置均安裝在滑套內(nèi)外管徑之間，壓裂滑套控制系統(tǒng)如圖4所示，將標簽球投放到滑套管道中，當RFID標簽球流過天線時就會被激活，然后由閱讀器識別解碼標簽球中的信息，電機控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的信息驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動[5]。當電機正轉(zhuǎn)時通過絲杠將電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動來拖動滑套開啟；當電機反轉(zhuǎn)時則滑套關(guān)閉。

1—投球器；2—RFID通信裝置；3—滑套控制系統(tǒng)；4—直線無刷電機。圖4 壓裂滑套控制系統(tǒng)

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

壓裂滑套控制系統(tǒng)主要由STM32F103單片機、電機驅(qū)動裝置、電機電流檢測與過流保護電路、壓力溫度采集電路、RFID閱讀器以及RFID標簽球組成[6]。RFID閱讀器由無線收發(fā)芯片、電源電路以及天線組成，其與STM32F103通過SPI總線方式進行數(shù)據(jù)通訊?？刂葡到y(tǒng)接收來自RFID閱讀器中的信息實現(xiàn)對電機的驅(qū)動控制。壓力溫度檢測電路主要用于采集系統(tǒng)在油井下工作的各項參數(shù)，實時掌握控制系統(tǒng)的工況。電流檢測與過流保護電路的目的是為了保護電機正常運行，以防電機在過載和故障時運行造成裝置停車，造成經(jīng)濟損失?？刂葡到y(tǒng)硬件框圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件框圖

2.1 電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動電路是整個控制系統(tǒng)的核心部分，其主要作用是完成對RFID標簽球信息的轉(zhuǎn)換[7]。電機驅(qū)動部分由電機驅(qū)動電路和24V直流無刷電機組成，其中電機驅(qū)動部分主要由全橋驅(qū)動芯片IR2136以及6個N-MOS管IRFS4127P組成。IR2136全橋驅(qū)動芯片是高壓高速MOS管驅(qū)動芯片，具有自我保護功能，當檢測到輸出端過流時，芯片通過ITRIP引腳輸入高電平使得IR2136關(guān)閉輸出，起到保護電機的作用。N-MOS管IRFS4127P的漏極輸入電壓高達200 V以及可承受高達72 A的導(dǎo)通電流[8]。單片機STM32F103利用定時器輸出的6路PWM波去控制電機的正反轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，電機驅(qū)動電路圖如圖6所示。

圖6 電機驅(qū)動電路設(shè)計

2.2 電流檢測與過流保護電路

系統(tǒng)利用阻值為20 mΩ高精度采樣電阻R51將電機母線電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過由AD817組成的放大電路，把此電壓信號放大5.7倍，將IMotor端送入單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后根據(jù)對應(yīng)關(guān)系完成對電機電流的檢測[9]。過流保護電路是由AD8610構(gòu)成的比較器組成，其原理是將過流電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再將此信號與基準電壓2.5 V進行比較，當電機過流時比較器電路就會輸出5 V電壓，最后通過ITRIP端給IR2136的ITRIP引腳一個高電平觸發(fā)信號，使得IR2136關(guān)閉輸出端起到保護電機的作用。電路圖如圖7所示。

圖7 電流檢測與過流保護電路

2.3 電機轉(zhuǎn)速采集電路

電機轉(zhuǎn)速的采集是利用無刷直流電機內(nèi)部的3個霍爾傳感器實現(xiàn)，當磁極略過霍爾傳感器時，霍爾傳感器就會根據(jù)轉(zhuǎn)子當前磁極的極性輸出對應(yīng)的高低電平[10]。通過分析霍爾傳感器輸出高低電平的時序，就可以得出電機轉(zhuǎn)子的位置。根據(jù)霍爾信號輸出高低電平時序的頻率，就可以計算出轉(zhuǎn)子的速度。電路圖如圖8所示。

圖8 電機轉(zhuǎn)速檢測電路

當采集電機霍爾信號時，為了不影響電機原始的霍爾信號，本系統(tǒng)利用反向器SN74AHC實現(xiàn)對霍爾信號的隔離采樣。利用15V上拉，當沒有霍爾信號時，使得反相器輸出低電平防止誤觸發(fā)。

3 軟件設(shè)計

滑套控制系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，仿真調(diào)試環(huán)境為Keil 5.0。系統(tǒng)程序主要包括定時器輸出PWM波控制電機正反轉(zhuǎn)程序、電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序、A/D采樣程序以及RFID閱讀器通訊程序等?；卓刂葡到y(tǒng)的主程序主要完成系統(tǒng)初始化、I/O口初始化、寄存器初始化、定時器參數(shù)設(shè)置等操作。系統(tǒng)啟動時，根據(jù)識別到的RFID標簽球中的信號進行解碼，根據(jù)標簽球中的信號來控制電機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對滑套壓裂級數(shù)的控制。A/D采樣程序以及中斷服務(wù)程序是用來檢測電機的電流以及轉(zhuǎn)速，根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速和設(shè)定的轉(zhuǎn)速來計算得到相應(yīng)的PWM頻率、占空比。系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程

4 試驗數(shù)據(jù)分析處理

根據(jù)軟硬件設(shè)計，研制出基于RFID技術(shù)的壓裂滑套控制系統(tǒng)。為了驗證系統(tǒng)性能，在試驗室條件下搭建如圖10所示的測試環(huán)境。把RFID標簽球從投球器投入到滑套管道中，利用輸液泵控制輸送到滑套中的流體流速在2.0～5.5 m/s，試驗時輸送的流體為水。首先驗證RFID閱讀器的準確率，將RFID標簽球投入到管道中，當標簽球經(jīng)過RFID閱讀器時，閱讀器就會識別、解碼標簽球中的信號并驅(qū)動電機完成滑套開啟或關(guān)閉的控制。為了避免試驗的偶然性，在每種流速下投入10個標簽球，驗證系統(tǒng)能否有效的識別出10個標簽球。為了避免各個標簽球之間干擾，每次只投入1個。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 試驗臺架原理

輸液泵輸送速度/(m·s-1)識別標簽球個數(shù)識別率/%接收數(shù)據(jù)正確率/%2.0101001002.5101001003.0101001003.5101001004.0101001004.5770705.0770705.566060

由表1測量數(shù)據(jù)可知，當流體的流速不超過4 m/s時識別率最高，當流體流速增加時，系統(tǒng)對標簽球的識別率逐漸降低。因此，為了保證系統(tǒng)的高可靠性，必須有效地控制輸送流體的速度不超過4 m/s，在此流速范圍內(nèi)系統(tǒng)能100%識別到標簽球，并接收到標簽球中的數(shù)據(jù)及完成對電機的控制。

驗證完RFID閱讀器能有效識別標簽球后，接下來驗證系統(tǒng)能否有效地根據(jù)標簽球中的數(shù)據(jù)驅(qū)動電機實現(xiàn)對滑套開度的精確控制。試驗時向標簽球中寫入4種控制命令，分別對應(yīng)滑套的開度為全開、3/4開、1/2開和全關(guān)，每一種控制命令控制電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的圈數(shù)，即對應(yīng)滑套的一個絕對開度。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

試驗結(jié)果表明，當流體流速在4 m/s之內(nèi)時，滑套控制系統(tǒng)的執(zhí)行率為100%，利用計量尺測量滑套的開度與實際的開度進行對比，可得滑套開度的誤差在5%內(nèi)，符合設(shè)計預(yù)期。

表2 滑套開度測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

設(shè)計了一種基于RFID技術(shù)的壓裂滑套控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的創(chuàng)新點是將射頻識別技術(shù)(RFID)和無刷直流電機控制系統(tǒng)有機結(jié)合，通過識別RFID標簽球中的信息完成對電機正反轉(zhuǎn)的控制，從而實現(xiàn)對滑套壓裂級數(shù)的智能控制。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動達到控制滑套開度的效果，實現(xiàn)對滑套開度的精確控制。經(jīng)多次試驗，將系統(tǒng)控制滑套的開度與計量尺測得的開度進行對比，平均誤差在5%內(nèi)，達到設(shè)計預(yù)期，具有一定的工程應(yīng)用價值。