基于RFID技術(shù)的石油鉆具管理系統(tǒng)研制

張小佳， 劉文紅， 申昭熙， 錢征華， 張應(yīng)紅， 周海洋

（1. 中國石油集團工程材料研究院有限公司，陜西西安 710077；2. 南京航空航天大學航空學院，江蘇南京 210016；3. 機械結(jié)構(gòu)力學及控制國家重點實驗室（南京航空航天大學），江蘇南京 210016）

隨著油氣鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井深度不斷增加，鉆井工具種類及數(shù)量也越來越多，鉆具管理越來越具有挑戰(zhàn)性。采用傳統(tǒng)的鋼印編號方法管理鉆具不但費時費力，而且使用過程中會因鉆桿磨損或銹蝕導致鉆桿信息缺失，難以對鉆桿實現(xiàn)完整、可靠的管理[1-2]。由于鉆桿的工作環(huán)境惡劣，無法應(yīng)用條形碼及二維碼技術(shù)[3-6]。射頻識別（radio-frequency identification，RFID）又稱為電子標簽（E-tag），是一種通過射頻信號讀取附著于物體的標簽中的電子碼的非接觸自動識別技術(shù)。與條形碼、二維碼等技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有讀取速度快、工作距離遠、外形多樣、工作環(huán)境適應(yīng)性強、可重復使用及在非可視條件下可讀取等優(yōu)點[7-10]，是目前最具發(fā)展應(yīng)用潛力的自動識別技術(shù)之一[11-12]。因此，將RFID技術(shù)應(yīng)用于鉆具管理，給鉆桿指定唯一的身份碼，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，可對鉆桿生產(chǎn)、運輸、維修及使用情況等流程進行監(jiān)控[13-16]。然而，現(xiàn)有研究還存在以下不足：1）不明確RFID芯片埋入對鉆桿承載能力的影響[17-18]；2）未解決RFID標簽位置未知情況下標簽信息的讀取難題。

針對以上問題，筆者提出了以RFID技術(shù)和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的鉆具管理系統(tǒng)，研究了將RFID芯片嵌入鉆桿的可行性，采用有限元方法分析了標簽埋入孔對鉆桿承載能力的影響，并研制了基于環(huán)形陣列天線的鉆具RFID標簽數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過試驗測試了埋入孔尺寸對RFID標簽數(shù)據(jù)采集的影響，并通過模擬鉆桿運動測試了采集系統(tǒng)的性能。

1 鉆具RFID標簽埋入方法

1.1 RFID標簽選擇及安裝方法

根據(jù)RFID標簽工作頻率的不同，通常將RFID標簽分為低頻標簽和高頻標簽。低頻標簽一般采用電感耦合方式，作用距離0.10～0.20 m；高頻標簽采用電磁耦合方式，工作頻率在微波頻段，識別距離可達數(shù)十米，且高頻標簽具有存儲數(shù)據(jù)量大、可讀取距離遠、識別速度快及適應(yīng)物體高速運動性能等特點[19]。因此，選用高頻抗金屬RFID標簽。

RFID標簽用于鉆具信息采集時，由于鉆具工作環(huán)境惡劣，鉆桿表面會與周圍介質(zhì)產(chǎn)生摩擦且覆有鉆井液，常規(guī)的表面粘貼方法難以適應(yīng)，需要將標簽嵌入到鉆桿中，然后用環(huán)氧樹脂膠將標簽固封在鉆桿中（見圖1）。由于接頭部位厚度較大，標簽的安裝位置選在接頭位置，在該位置加工安裝孔對鉆桿強度影響較小。安裝標簽時需在標簽背面涂上膠水，避免固化后標簽與鉆桿間存在空隙。

圖1 RFID芯片嵌入安裝示意Fig.1 Embedding installation of RFID chip

1.2 RFID標簽埋入孔尺寸優(yōu)化

為了校核標簽安裝孔對鉆桿強度的影響，采用有限元分析方法，分析拉伸工況、扭轉(zhuǎn)工況和組合工況下孔徑為12～20 mm、孔深分別為6，8和10 mm時，標簽安裝孔孔深及孔徑對鉆桿承載能力的影響，組合工況下的鉆桿應(yīng)力分布如圖2所示。拉伸工況的拉伸載荷為1 300 kN，扭轉(zhuǎn)工況的扭矩為20 kN·m，組合工況的拉伸載荷為1 000 kN 、扭矩為15 kN·m。

圖2 組合工況下的鉆桿應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution of drill pipe under different working condition combinations

從圖2可以看出，桿身與接頭連接位置的應(yīng)力最大，其次為桿身，接頭部分應(yīng)力最小，標簽安裝孔周圍應(yīng)力小于桿身應(yīng)力。3種工況下孔底與桿體最大應(yīng)力比與孔徑的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可以看出：孔徑相同時，孔底應(yīng)力隨孔深增大而增大；孔深相同時，孔底應(yīng)力隨孔徑增大而增大；孔徑對孔底應(yīng)力的影響大于孔深對孔底應(yīng)力的影響；孔徑從12 mm增至20 mm時，相同孔深下3種工況的孔底應(yīng)力都約增大6%；拉伸工況下孔底應(yīng)力與桿身應(yīng)力比為52%～61%，扭轉(zhuǎn)工況下孔底應(yīng)力與桿體應(yīng)力比為42%～47%，拉伸+扭轉(zhuǎn)組合工況下孔底應(yīng)力與桿身應(yīng)力比為51%～57%。

圖3 孔底與桿體最大應(yīng)力比與孔徑的關(guān)系曲線Fig.3 Ratio variations of maximum stress between hole bottom and drill pipe with pore diameter

根據(jù)仿真結(jié)果，得到3種工況下安裝孔最大應(yīng)力與桿體最大應(yīng)力之比最小為41.07%，最大為61.30%，因此，在鉆桿接頭上加工安裝孔后鉆桿接頭的承載能力仍然優(yōu)于桿體的承載能力，不會降低鉆桿的整體承載能力。實際應(yīng)用時，綜合考慮安裝孔尺寸對RFID讀取性能的影響、RFID標簽安裝的方便可靠性和孔深與孔徑對安裝孔應(yīng)力的影響等因素，可以得出，對于長10 mm、寬5 mm、厚3 mm的RFID標簽，在鉆桿接頭上加工深度為6 mm、直徑為18 mm的安裝孔較為合適。

2 鉆具RFID信息采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 鉆具RFID信息采集系統(tǒng)

鉆具RFID信息采集系統(tǒng)包括RFID標簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其工作原理如圖4所示。其中，RFID標簽由芯片與天線組成，每個標簽具有唯一的電子編碼[10]；讀寫器主要是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號和能量，并接收標簽返回的數(shù)據(jù)信息，對標簽信息進行解調(diào)和處理；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將讀寫器讀入的數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，并存入數(shù)據(jù)庫，為用戶提供可視化的數(shù)據(jù)支持。

圖4 鉆具RFID信息采集系統(tǒng)的工作原理Fig.4 Principle of RFID information acquisition system for drilling tools

鉆桿在出入井過程中進行信息在線采集時，存在以下技術(shù)難點：1）鉆具具有一定的電磁屏蔽性能，埋入到鉆桿中的RFID標簽接收和散射電磁波的傳輸通道變窄，使RFID標簽的可讀性降低；2）出入井過程中RFID標簽孔的位置具有不確定性，在不知道RFID標簽位置的情況下，常規(guī)的單天線閱讀器難以準確可靠地采集RFID標簽信息。為解決上述難點，鉆桿信息采集系統(tǒng)采用環(huán)形陣列天線，6個沿圓周均布的天線從不同方向發(fā)射電磁波，使電磁波信號能夠全方位覆蓋鉆桿（見圖5）。使用時，采用吊環(huán)將鉆桿信息采集系統(tǒng)安裝在鉆井平臺下方，鉆桿出入井作業(yè)均從環(huán)形陣列天線中心穿過，從而保證在RFID標簽位置未知的情況下，鉆桿穿過天線陣列就能準確采集到RFID標簽的數(shù)據(jù)。

圖5 鉆桿信息采集系統(tǒng)Fig.5 Information acquisition system for drill pipes

2.2 鉆具RFID信息采集系統(tǒng)運動信息采集試驗

鉆桿起下鉆時的最大速度通常為1.20 m/s，且表面覆蓋的鉆井液會影響信息讀取，因此利用鉆具RFID運動信息采集測試系統(tǒng)進行鉆具運動狀態(tài)下的信息采集試驗，以驗證硬件系統(tǒng)的可行性。鉆具RFID運動信息采集測試系統(tǒng)由計算機、伺服控制器、伺服電機、滑輪和機架組成，如圖6所示。首先，從鉆桿上取出一測試塊，將 RFID標簽埋入測試塊中，然后把測試塊安裝到繩子上，并在計算機上設(shè)置運動參數(shù)來控制電機運動，伺服電機輸出軸上的帶輪牽引繩子運動，模擬鉆桿出入井過程；測試速度為0.80～2.00 m/s，采用多次往返運動進行測試，試驗結(jié)果見表1。

表1 運動信息采集試驗讀取結(jié)果Table 1 Reading results of test for motion information acquisition

圖6 運動信息采集試驗Fig.6 Test for motion information acquisition

從表1可以看出，標簽運動速度越慢，讀取到的信息次數(shù)越多；隨著運動速度增大，讀取到的標簽信息次數(shù)減少；標簽移動速度為2.00 m/s時，信息采集系統(tǒng)仍然能夠可靠地讀取RFID標簽數(shù)據(jù)。為了模擬鉆桿表面覆有鉆井液的工況，將測試塊放入充滿鉆井液的塑料瓶中進行試驗，試驗結(jié)果與未放入鉆井液的情況基本相同。

3 鉆具RFID管理系統(tǒng)設(shè)計

為了對鉆桿的出入井時間、位置、工作時長、廠家、鋼號、鉆進深度及客戶需要的記錄的相關(guān)信息進行統(tǒng)計和分析，采用.NET Core 5.0開發(fā)了鉆具RFID管理系統(tǒng)，采用NOSQL數(shù)據(jù)庫MongoDB，支持海量數(shù)據(jù)存儲。建立基于Web的系統(tǒng)管理界面，對系統(tǒng)的相關(guān)操作均在瀏覽器中完成，無需安裝專門軟件。讀卡器與服務(wù)器相連，讀卡器讀到RFID信息后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，用戶端通過互聯(lián)網(wǎng)對系統(tǒng)進行遠程操作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。系統(tǒng)主要包含讀卡器設(shè)置、RFID管理、讀卡記錄、出入井記錄、工作時長統(tǒng)計查詢和用戶管理等功能模塊。讀卡器設(shè)置模塊用于設(shè)置讀卡器名稱及相關(guān)參數(shù)；RFID管理模塊用于登記鉆桿的相關(guān)信息；讀卡記錄模塊用于記錄鉆桿的標簽讀取記錄；出入井記錄模塊用于查閱出入井的鉆桿信息，包括時間記錄和位置信息等；工作時長統(tǒng)計查詢模塊可以查詢、統(tǒng)計和分析鉆桿的工作時長；用戶管理模塊用于管理用戶信息，管理員可以根據(jù)需要添加和刪除用戶。

圖7 鉆具RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Structure of RFID system for drilling tools

用戶遠程設(shè)置好參數(shù)后，系統(tǒng)自動檢測是否存在RFID標簽，工作過程中無需人工干預。鉆桿起下鉆作業(yè)時，鉆桿穿過環(huán)形天線陣列，讀寫器自動將采集到的RFID標簽數(shù)據(jù)上傳，管理系統(tǒng)為標簽數(shù)據(jù)打上時間戳，系統(tǒng)可根據(jù)鉆桿出入井的時間順序來自動排序。用戶根據(jù)系統(tǒng)記錄的鉆具出入井時間和排序等數(shù)據(jù)，可計算鉆具的使用時長、鉆進深度等信息。

4 結(jié) 論

1）鉆桿在拉伸、扭轉(zhuǎn)及組合工況下的有限元模擬結(jié)果表明， RFID標簽埋入孔深度為6 mm、直徑為20 mm時，標簽埋入孔底部應(yīng)力與桿身應(yīng)力的比值為50%左右，說明鉆桿接頭中埋入RFID標簽不會影響鉆桿的整體承載能力。

2）鉆桿起下鉆作業(yè)過程中，由于RFID標簽埋入位置未知，采用6個天線組成的環(huán)形陣列，可使天線發(fā)射的電磁波覆蓋鉆桿表面，保證RFID標簽信息采集的可靠性。

3）RFID標簽埋入孔深度為6 mm、直徑為18 mm時，利用超高頻RFID技術(shù)能夠?qū)σ苿铀俣葹?.80～2.00 m/s的鉆桿進行信息采集，且鉆桿表面覆蓋鉆井液不影響標簽信息采集。