鉆具RFID電子標簽技術應用研究

摘 要：文中介紹了油田鉆井生產中對鉆具的管理現狀，以及RFID電子標簽目前的應用現狀及前景。重點介紹了可用于油田井下環境的專用RFID電子標簽，鉆具標簽安裝方案的探討以及RFID標簽技術在鉆具管理方面的應用技術研究。

關鍵詞：RFID；電子標簽；鉆桿；鉆具標簽；RFID應用

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-03

0 引 言

油田生產作業區分布在平原、沙漠、丘陵、高原、海洋等環境惡劣、人煙稀少的地區，存在全金屬環境、高溫低寒、干燥、酸堿腐蝕、震動沖擊、灰塵顆粒、電磁干擾、油污泥漿等容易對標簽造成影響的各種環境因素。常規的電子標簽產品在抗金屬、耐溫、耐壓性能上無法適應油田當前的環境，因此進行有針對性的開發，使得電子標簽能夠適應油田井下惡劣的高溫、高壓環境，實現電子標簽技術的油田化應用。

1 國內外技術現狀

作為一種新興的信息化技術，物聯網RFID技術的典型應用是可以將所有物品通過射頻識別系統與互聯網連接，實現物體個體信息的采集，進而實施針對設備、資產的智能化識別和管理。借助該技術手段，企業可以隨時了解有關產品的位置和信息，達到定位、跟蹤和管理的目的。

從物聯網RFID產業上看，RFID產業主要由標簽設計、標簽封裝、讀寫設備的設計和制造、系統集成、中間件、應用軟件等環節組成。目前我國剛形成較為成熟的RFID產業鏈條，但缺少一些產品的核心技術，尤其是標簽、中間件等方面。中低、高頻標簽封裝技術在國內已基本成熟，但只有少數企業具備了超高頻讀寫器設計制造能力。國內企業基本具有RFID天線的設計和研發能力。系統集成是發展相對較快的環節，而中間件及后臺軟件部分還比較弱。

2 鉆具耐高溫高壓RFID電子標簽的研制

2.1 電子標簽設計理論研究

RFID系統的通信過程是閱讀器給標簽發送信息和獲得標簽上信息的過程。由于無源標簽本身沒有電源，所以必須依靠從閱讀器發送的射頻信號中獲得能量，即所謂的波束供電技術。而標簽獲得能量僅夠標簽本身使用，沒有多余的能量可供射頻信號源工作，必須利用無源反射調制技術來實現閱讀器與標簽之間的通信。無源反射調制技術的原理就是在RFID系統的整個通信過程中只存在一個發射機，即閱讀器。標簽在應答過程中對閱讀器發射的連續波射頻信號進行調制，再將已調制的射頻信號反射回去，被閱讀器接收解碼，完成信息傳遞。波束供電技術和無源反射調制技術是無源RFID系統的兩大關鍵技術。

2.2 提升電子標簽性能技術研究

從油田使用環境（尤其是井下）出發，需要滿足天線小尺寸、基板抗熱震性的條件，對天線結構和芯片與天線連接工藝等方面進行了研究。

2.2.1 天線結構研究

采用寬帶對稱振子天線，減小振子天線的長度和直徑比可以改善天線的阻抗頻率特性，獲得較寬的頻帶，即加粗振子天線的截面，通常應用此方法的天線結構包括雙錐天線、盤錐天線、籠形天線、套筒天線等。如圖1所示，加大振子天線的截面，使振子兩臂成酒杯形狀，中間的調諧短截線和兩臂并聯，這是一種典型的寬帶天線。加粗振子天線的截面會引起部分反射波，這種方法對改善帶寬的效果十分有限。

圖1 寬帶RFID標簽天線

2.2.2 芯片與天線連接工藝

采用倒裝片安裝工藝。倒裝片（即直接貼片）設計無需使用金線和貼片粘合劑。在芯片金線壓焊的位置使用合金凸點進行連接。通常是在切割芯片之前先安裝錫球裝，雖然仍是芯片的一部分，但芯片的焊盤并不與焊接工藝或導電膠封裝工藝兼容。使用與焊料兼容的合金化合物的焊料凸點是最普通的工序之一。選擇焊接材料和錫球焊盤的結構材料來優化電氣和機械連接。與傳統的引線鍵合技術 （Wire Bonding）相比，倒裝芯片焊接技術鍵合焊區的凸點電極不僅僅沿芯片四周邊緣分布，還可以通過再布線實現面陣分布。因而倒裝芯片焊接技術具有如下優點：

（1）尺寸小、薄，重量更輕；

（2）密度更高，使用倒裝焊技術能增加單位面積內的I/O數量；

（3）性能提高，短的互連減小了電感、電阻以及電容，信號完整性、頻率特性更好；

（4）散熱能力提高，倒裝芯片沒有塑封體，芯片背面可用散熱片等進行有效的冷卻，提高電路的可靠性；

（5）倒裝凸點等的制備基本以圓片、芯片為單位，較單根引線為單位的引線鍵合互連來看，生產效率高，降低了批量封裝的成本。

3 鉆具標簽安裝方案探究

在鉆桿上安裝專用RFID標簽，安裝標簽后不影響鉆桿的常規使用和性能，同時安裝后的標簽能夠被RFID讀寫器讀取，讀取率≥99.5%。

3.1 電子標簽安裝設計

鉆桿開孔模型如圖2所示。標簽為圓柱型，可以通過嵌入式直紋擠壓固定，安裝位置在鉆具公頭最大壁厚處。利用壓力將直紋壓擠變形，直紋卡緊在孔里，耐振動沖擊冷熱影響，安裝后標簽沉入鉆桿接頭表面一點，既不影響鉆桿的正常使用，也能達到保護鉆具標簽的目的，同時標簽上表面即天線端不被遮擋，確保在實際使用時被讀寫器感知并獲取數據。此外，安裝鉆具標簽時，在標簽孔中涂抹強粘性膠，以加強標簽的牢固程度。

在安裝鉆具RFID電子標簽時，有必要遵循規范的安裝流程進行標簽的安裝，以確保安裝質量。在實際安裝時，本方案的安裝流程主要分為五個步驟，即鉆桿開孔；涂抹緊固膠；標簽定位；敲擊標簽嵌入孔中；標簽測試。標簽安裝示意圖如圖3所示。

在注入緊固膠時，使用專用的注膠工具向鉆桿接頭上的孔中多注入些緊固膠，這樣在安裝完成后，膠在填充了鉆具標簽和鉆桿上孔之間的縫隙之后，多余的膠被擠出來，清理掉即可。緊固膠使用示意圖如圖4所示。

3.2 鉆具開孔后力學分析endprint

（1）模型構建

在旋轉鉆進過程中，鉆柱受到的載荷主要包括鉆桿自重、扭矩、泥漿內外壓力、浮力以及溫度變化和由于變形而產生的彎矩。

接頭材料為37CrMnMo，彈性模量210 GPa，泊松比為0.32，材料密度為7 850 kg/m3。鉆桿所受載荷包括軸向拉力100 kN，扭矩10 kN·m，彎矩5 kN·m，內壁壓力6 MPa，外壁壓力2.5 MPa，溫度變化為300℃。建模示意圖如圖5所示。

（2）受力分析

無孔接頭模型的等效應力分布如圖6（a）所示，有孔接頭模型的等效應力分布如圖6（b）所示。在組合載荷作用下，從圖6（a）的等效應力分布可以看出，在鉆柱管體部分，管壁最薄，等效應力也最大，最大值為137.6 MPa。在接頭加厚部分，等效應力為20.5 MPa。在圖6（b）所示的有孔模型中，由于螺紋盲孔的出現使盲孔附近等效應力分布發生了明顯改變，等效應力值也由20.5 MPa增加到52 MPa，但最大等效應力仍發生在鉆桿管體部分。

（a）無孔模型 （b）有孔模型

4 鉆具RFID電子標簽信息讀取技術研究

4.1 移動手持終端

采用油田現場專用的移動手持終端，便于攜帶，支持超高頻、條形碼、WiFi、3G、GPS、現場攝像等功能模塊，可實現在鉆具的發貨、物流環節、井場接收、盤點等節點的鉆具信息讀取和錄入功能。手持機實物如圖7所示。

4.2 鉆具現場專用讀寫器研究

在井口采用固定讀寫器讀取下井鉆具信息和檢修完成入庫鉆具信息。結合井口操作環境，設計選用固定讀寫器讀取鉆具標簽信息，監測鉆具下井過程，設備安裝在鉆機轉盤下方。經試驗證明，金屬能夠完全屏蔽RFID信號，為避免RFID標簽背對讀寫器，RFID信號被鉆桿屏蔽的情況出現，井口固定讀寫器天線采用陣列部署，環形安裝以確保準確讀取。井口天線安裝方式如圖8所示。

固定讀寫器需要結合鉆具各階段應用環境、鉆具管理要求做針對性開發設計。鉆具固定讀寫器設計標準如下：

符合標準：支持ISO18000-6B 及ISO18000-6C（EPC C1G2）標準；

工作模式：提供主-從、定時、觸發三種工作模式；

數字接口：讀寫器I/O 接口具有4 路觸發功能，4 路輸出控制功能，可以外接光電或機械觸發裝置，控制讀寫器的工作狀態；

升級方便：同類產品中特有的軟件升級方式，可實現設備遠程在線升級；

可靠性高：識別距離遠、識別速度快、多標簽識別能力強、可長時間穩定工作。

5 結 語

通過對鉆具標簽性能的研究，充分了解了RFID電子標簽在抗金屬、抗溫、抗震等方面的性能指標，創新性地提出了一種在鉆具上安裝電子標簽的方法，并經過力學分析驗證了其可行性，同時對鉆具標簽的現場識別進行了應用介紹。

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