RFID 標簽抽油桿信息化管理的設(shè)計與實現(xiàn)

徐貴春，唐海軍

（中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚州 225009）

抽油桿是油田有桿抽油設(shè)備的重要部件，它將抽油機的動力傳遞給井下的抽油泵。在生產(chǎn)過程中，抽油桿承受地層水腐蝕、管桿間偏磨及交變載荷的作用，極易發(fā)生腐蝕和疲勞斷裂。而油田在抽油桿的管理和使用上存在入井時混用、回收時混裝、修復(fù)后混放的問題，造成不同生產(chǎn)年月、不同使用時長、不同廠家的抽油桿無法區(qū)分。油井一旦混入使用年限長、疲勞程度高、質(zhì)量差的抽油桿，其斷脫的幾率就會大幅提高，從而造成油井作業(yè)工作量及成本的增加。

為實現(xiàn)對抽油桿追溯跟蹤和科學(xué)管理［1-5］，一些油田采用槽碼、附著物或圖像識別技術(shù)對抽油桿進行標記和識別［6-7］。但抽油桿所處工況環(huán)境伴有腐蝕、結(jié)垢、磨損及原油附著，抽油桿上的標志均存在識別率不高的問題，無法推廣應(yīng)用。近幾年興起的RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）技術(shù)使識別困難的情況徹底改觀［8-10］，其做法是在抽油桿上固定寫有抽油桿關(guān)聯(lián)信息的RFID 標簽，并在抽油桿使用的各個環(huán)節(jié)對其狀態(tài)信息進行跟蹤和評價，實現(xiàn)對抽油桿的“全生命周期”管理。

1 RFID標簽抽油桿研制

采用RFID 標簽對抽油桿進行管理時，當標簽進入閱讀器讀寫范圍內(nèi)，RFID標簽接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，并憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出標簽存儲芯片中RFID 編碼信息，閱讀器讀取信息。由于抽油桿屬井下工具，標簽需能承受高溫、高壓、強磁、振動和機械沖擊，能夠抵抗地層產(chǎn)液的腐蝕，標簽的固定方式不影響其識別距離。

1.1 RFID標簽選擇

分別各選取3 種不同尺寸的PCB（Printed Circuit Board，印制線路板）封裝和陶瓷封裝的RFID標簽，參數(shù)如表1 所示。同時，對這6 種裸標簽的識別距離進行了測試，結(jié)果如表2所示。

表1 RFID標簽參數(shù)表

表2 RFID標簽識別距離測試結(jié)果

從測試結(jié)果看，陶瓷封裝標簽識別距離明顯小于PCB封裝標簽，且識別距離隨標簽尺寸的增加而增大，考慮識別距離過大會導(dǎo)致一次性識別多個標簽而發(fā)生混亂，另外，標簽尺寸過大固定于抽油桿上會影響油井的正常生產(chǎn)。綜合多方因素，確定選用PCB 封裝、尺寸為30 mm×5 mm×2 mm 的RFID標簽。

1.2 RFID標簽固定方式設(shè)計

標簽固定方式設(shè)計的原則是標簽不受抽油桿金屬屏蔽、固定方式不影響抽油桿的正常運行。通過對多種初步設(shè)計方案的對比、優(yōu)選，采用抽油桿側(cè)面固塑裝配標簽的方式實現(xiàn)RFID 標簽的固定（見圖1）。在抽油桿扳手方頸下部利用耐磨尼龍通過注塑的方式形成固塑環(huán)，將電子標簽裝配在固塑環(huán)的安裝槽內(nèi)，再在槽內(nèi)填充密封膠進行封裝。此種標簽固定方式的顯著優(yōu)點是不影響抽油桿強度、標簽?zāi)艿玫接行ПＷo，對封裝后的標簽進行測試，穩(wěn)定識別距離仍為75 cm左右。

圖1 RFⅠD標簽固定方式

1.3 標簽固定后性能測試

為驗證固定后的標簽在油井復(fù)雜環(huán)境下的耐受性，分別從高溫、高壓、強磁、沖擊四方面對封裝后的標簽進行測試。

（1）高溫測試:將多個固定有RFID 標簽的試驗抽油桿短節(jié)置于加溫箱內(nèi)，最高測試溫度150℃，48 h后標簽均可正常識別；

（2）高壓測試:將多個試驗抽油桿短節(jié)置于高壓測試裝置內(nèi)，最高打壓35 MPa，穩(wěn)壓48 h 后，進行標簽識別均能通過；

（3）強磁測試:將多個試驗抽油桿短節(jié)置于抽油桿修復(fù)流水線，以20.6 m/min 速度通過強磁探傷設(shè)備，磁感應(yīng)強度1.5～2 T，經(jīng)測試所有標簽在飽和磁場環(huán)境下在50 cm均可識別；

（4）沖擊測試:將多個測試抽油桿短節(jié)從10 m高處垂直落下，測試5次，標簽均能正常識別。

根據(jù)上述設(shè)計生產(chǎn)的RFID 標簽抽油桿，在油田ZH11-10、AN34 等4 口井進行了入井應(yīng)用，評價其在井下復(fù)雜條件下的穩(wěn)定性。其中，AN34 井作業(yè)起出的RFID 標簽抽油桿標簽識別率達到了100%，另外3口井的標簽抽油桿尚未起出。

2 抽油桿信息管理系統(tǒng)設(shè)計

抽油桿信息管理系統(tǒng)是利用RFID 標簽給每根抽油桿配備一個獨一無二的身份證，對抽油桿信息進行存儲、更新和管理，對抽油桿工作狀態(tài)進行監(jiān)控，實現(xiàn)了抽油桿全生命周期過程的智能化識別、跟蹤、評價、查詢和管理，為油田抽油桿信息化管理提供了有效手段。

2.1 抽油桿信息管理系統(tǒng)的組成

抽油桿信息管理系統(tǒng)以服務(wù)器為核心，利用RFID 抽油桿管理軟件向信息讀寫器提供數(shù)據(jù)的查詢與修改，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

2.1.1 RFID抽油桿管理軟件

RFID 抽油桿管理軟件是運行于Windows 平臺的一個可執(zhí)行軟件，對數(shù)據(jù)庫信息進行寫入、讀取、更改等操作，以及對抽油桿狀態(tài)進行智能分析和評價。軟件有編碼管理、出入庫管理等8個模塊，架構(gòu)設(shè)計及功能如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及功能

軟件從抽油桿的自動編碼開始，對抽油桿的入庫、倉儲、發(fā)料、下井、檢測、修復(fù)、報廢等各環(huán)節(jié)的信息進行收集、存儲和管理，對抽油桿的工作狀態(tài)進行監(jiān)控、分析和預(yù)警，實現(xiàn)了抽油桿全生命周期的智能化識別、跟蹤、評價、查詢與管理。

2.1.2 信息讀寫器

賦予每根抽油桿唯一的RFID 編碼（由阿拉伯數(shù)字和大寫字母組合形成的24 位標簽代碼），并將其與抽油桿信息關(guān)聯(lián)，信息讀寫器完成抽油桿動態(tài)信息的采集。信息讀寫器分固定式和便攜式，固定式讀寫器在抽油桿倉儲庫配合管理軟件使用。便攜式讀寫器在作業(yè)現(xiàn)場使用，寫入的信息存儲于讀寫器的移動存儲設(shè)備內(nèi)，再通過管理軟件完成數(shù)據(jù)庫信息更新。

2.1.3 服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心部分，承擔著抽油桿信息數(shù)據(jù)的存放，將有關(guān)抽油桿的所有信息都保存到ORACLE 數(shù)據(jù)庫中，RFID 抽油桿管理軟件、信息讀寫器只作為信息管理查詢和數(shù)據(jù)編輯的操作終端，與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的交互。

2.2 抽油桿信息化管理的實現(xiàn)

2.2.1 抽油桿入庫信息化管理

需入庫的新、舊標簽抽油桿，通過固定式信息讀寫器寫入或讀取年份、規(guī)格、使用狀態(tài)等信息，通過自動分揀對合格抽油桿進行分級分類入庫放置，并將信息上傳至抽油桿信息管理系統(tǒng)，入庫邏輯流程如圖3所示:

圖3 抽油桿入庫信息化管理流程

2.2.2 抽油桿出庫信息化管理

根據(jù)材料申請出庫相應(yīng)存儲區(qū)域的標簽抽油桿，利用固定式信息讀寫器確認抽油桿信息并清點無誤后進行出庫，并將信息上傳至抽油桿信息管理系統(tǒng)，出庫邏輯流程如圖4所示:

圖4 抽油桿出庫信息化管理流程

2.2.3 抽油桿出入井信息化管理

抽油桿出入井時，利用便攜式信息讀寫器讀取抽油桿信息，并自動記錄其出入井的名稱、時間、次序等信息，并將信息暫存于移動存儲設(shè)備中，待作業(yè)完畢后將信息上傳至抽油桿信息管理系統(tǒng)，出入井邏輯流程如圖5所示:

圖5 抽油桿出入井信息化管理流程

2.2.4 智能分析

偏磨分析:通過檢測時采集的抽油桿磨損信息，結(jié)合現(xiàn)場采集的抽油桿入井信息，分析確定油井的偏磨井段，為防偏磨設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

腐蝕分析:對抽油桿在不同油藏、區(qū)塊的使用狀態(tài)跟蹤、監(jiān)測，分析腐蝕規(guī)律、特點，指導(dǎo)采取防腐技術(shù)措施。

壽命預(yù)測:管理系統(tǒng)根據(jù)采集的抽油桿服役井及其生產(chǎn)參數(shù)（生產(chǎn)天數(shù)、沖次等）計算抽油桿沖次數(shù)，預(yù)測剩余壽命。

質(zhì)量分析:根據(jù)抽油桿信息資源，可對不同生產(chǎn)廠家的同一規(guī)格型號的抽油桿使用壽命對比分析，為產(chǎn)品質(zhì)量、供應(yīng)商評價提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)論與認識

（1）篩選的尺寸為30 mm×5 mm×2 mm 的RFID電子芯片具有耐高溫、耐高壓、抗磁、抗沖擊及識別距離遠的優(yōu)點，可作為抽油桿的身份標簽；

（2）設(shè)計的抽油桿標簽側(cè)面固塑的裝配方式，既不影響標簽的識別距離、強度性能，還能對標簽起保護作用；

（3）開發(fā)的抽油桿信息管理系統(tǒng)滿足了抽油桿出入庫、出入井、檢測修復(fù)、分級分類等諸環(huán)節(jié)信息化管理。