無線射頻識(shí)別技術(shù)在多級(jí)滑套壓裂工具中的應(yīng)用探討

秦金立， 戴文潮， 萬雪峰， 趙晨熙， 韓 峰

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011)

?鉆采機(jī)械?

無線射頻識(shí)別技術(shù)在多級(jí)滑套壓裂工具中的應(yīng)用探討

秦金立1， 戴文潮1， 萬雪峰2， 趙晨熙1， 韓 峰1

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011)

為了實(shí)現(xiàn)多級(jí)滑套壓裂工具全通徑、無級(jí)數(shù)限制和智能操控，研究了無線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)驅(qū)動(dòng)滑套的工作原理和施工工藝。RFID滑套由膠囊標(biāo)簽、天線單元、控制單元、執(zhí)行單元、動(dòng)作單元和連接單元等部分構(gòu)成。膠囊標(biāo)簽攜帶信息碼通過RFID滑套，激活控制單元接收信息碼，當(dāng)信息匹配時(shí)，控制單元輸出控制命令，啟動(dòng)執(zhí)行單元?jiǎng)幼?，?shí)現(xiàn)滑套的打開或關(guān)閉動(dòng)作。通過技術(shù)調(diào)研，掌握了RFID滑套的工作原理和施工工藝，明確了RFID滑套研制的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，為無線射頻識(shí)別技術(shù)在多級(jí)滑套壓裂工具中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

RFID技術(shù) 電子標(biāo)簽 RFID滑套 多級(jí)滑套壓裂工具

水平井裸眼分段壓裂完井是低壓、低滲透油氣藏開發(fā)中采用的重要增產(chǎn)措施之一。為提高水平井產(chǎn)能，該技術(shù)采取水平井裸眼封隔器完井方式，根據(jù)地質(zhì)情況將水平段分隔成設(shè)計(jì)的層段數(shù)，再利用投球方式逐級(jí)打開各投球滑套，以實(shí)現(xiàn)分段壓裂的目的[1-8]。

目前，投球滑套壓裂工具在應(yīng)用中面臨以下技術(shù)難題：1)球與球座機(jī)械接觸形成密封，后期為實(shí)現(xiàn)全通徑產(chǎn)液需磨銑鉆除所有球座；2)球和球座結(jié)構(gòu)尺寸存在級(jí)差，完井管柱分段級(jí)數(shù)有限；3)施工過程中，球必須按照從小到大的順序依次投放，完井管柱結(jié)構(gòu)及滑套操作不夠靈活，加大了國(guó)內(nèi)多級(jí)滑套分段壓裂施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)。為此，研究采用無線射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)，通過非接觸式方式控制滑套工具打開或關(guān)閉，可解決投球滑套壓裂工具存在的不足。

1 RFID技術(shù)

RFID技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)無接觸信息傳遞，并識(shí)別傳遞的特定信息。它可通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)，并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無需人工干預(yù)，識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間也無需建立機(jī)械或光學(xué)接觸，適用于在各種惡劣環(huán)境下工作[9-13]。

RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等部分組成(見圖1)。電子標(biāo)簽部分是由標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線2部分組成，每個(gè)電子標(biāo)簽都含有唯一的識(shí)別碼，用來表示電子標(biāo)簽所附著的物體。當(dāng)電子標(biāo)簽接收到閱讀器的發(fā)射信號(hào)后，電子標(biāo)簽被“喚醒”，然后根據(jù)閱讀器發(fā)射的指令完成相應(yīng)的動(dòng)作，并將響應(yīng)信息返回給閱讀器。讀寫器也分為閱讀器天線和閱讀器2部分，閱讀器通過閱讀天線發(fā)射信號(hào)“喚醒”和傳送指令給電子標(biāo)簽，并接收標(biāo)簽返回的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過初步過濾、處理后，完成對(duì)電子標(biāo)簽信息的獲取和解析，將有用的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)交互。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)及管理。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以由簡(jiǎn)單的本地軟件擔(dān)當(dāng)，也可以是集成了RFID管理模塊的分布式ERP管理軟件。

圖1 RFID系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of RFID system

RFID系統(tǒng)具有節(jié)省人工成本、提高作業(yè)精確性、加快數(shù)據(jù)處理速度等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于物流和供應(yīng)管理、生產(chǎn)制造、門禁控制/電子門票、道路自動(dòng)收費(fèi)等各行各業(yè)中。在國(guó)外，作為一種提高裝置的可操作性和經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)，RFID技術(shù)近幾年逐漸應(yīng)用于石油和天然氣工業(yè)中，在井下工具中的應(yīng)用也漸漸成熟。

2010年,Weatherford公司研制出RFID滑套與自膨脹封隔器組合的完井管柱，并在加拿大某區(qū)塊φ152.4 mm井眼內(nèi)成功進(jìn)行了10段的壓裂作業(yè)。在壓裂施工過程中，共向井內(nèi)投放21枚電子標(biāo)簽，其中18枚標(biāo)簽成功實(shí)現(xiàn)操作打開、關(guān)閉滑套功能，標(biāo)簽激活滑套成功率達(dá)到86％。該井的成功施工，表明RFID技術(shù)在滑套工具上應(yīng)用可行，在施工效率和成本上有著巨大優(yōu)勢(shì)[14]。

2 RFID多級(jí)滑套壓裂工具

2.1 結(jié)構(gòu)組成

RFID多級(jí)滑套壓裂工具主要由電子標(biāo)簽、天線單元、控制單元、執(zhí)行單元、動(dòng)作單元、連接單元等部分構(gòu)成(見圖2)[15]。電子標(biāo)簽由線圈及少量電子器件組成,并用玻璃陶瓷封裝；天線單元連接到控制系統(tǒng)上，并在滑套內(nèi)腔建立磁場(chǎng)；控制單元集成了RFID讀碼器、壓力/溫度傳感器、控制電路以及耐高溫大容量蓄電池，通過植入控制程序收發(fā)信息、監(jiān)測(cè)井下環(huán)境參數(shù)、控制執(zhí)行單元工作，并為滑套功能單元的實(shí)現(xiàn)提供電力供應(yīng)；執(zhí)行單元為主要由微型電機(jī)或液壓馬達(dá)、管線等組成的微型能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將電池組的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；動(dòng)作單元通過機(jī)械方式連接在執(zhí)行單元上，可以密封連接單元上的壓裂泄流孔，是封隔油管套管通道、決定滑套工具開關(guān)狀態(tài)的關(guān)鍵單元；連接單元除封裝以上單元外，還與匹配的油管套連接構(gòu)成壓裂管柱。

圖2 RFID滑套結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Schematic diagram of RFID sleeve

2.2 工作原理

RFID滑套控制單元植入控制程序，電子標(biāo)簽植入特定信息碼，當(dāng)電子標(biāo)簽通過滑套線圈時(shí)被線圈建立的磁場(chǎng)激活，利用感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的信息碼，控制單元通過天線接收該信息碼，結(jié)合監(jiān)測(cè)到的環(huán)境參數(shù)(壓力、溫度等)控制程序?qū)邮盏男畔⒋a進(jìn)行解讀。若該電子標(biāo)簽攜帶的信息碼與滑套匹配，則控制單元輸出控制命令，啟動(dòng)執(zhí)行單元正向運(yùn)動(dòng)、帶動(dòng)動(dòng)作單元向前移動(dòng)，打開連接單元上的壓裂泄流孔，實(shí)現(xiàn)滑套工具打開功能；當(dāng)再次投放對(duì)應(yīng)的電子標(biāo)簽，滑套被激活，執(zhí)行單元反向運(yùn)動(dòng)、帶動(dòng)動(dòng)作單元向后移動(dòng)，再次密封連接單元上的壓裂泄流孔，實(shí)現(xiàn)滑套工具關(guān)閉功能。

2.3 工藝原理

RFID滑套與投球滑套的壓裂預(yù)置管柱類似，主要包括裸眼封隔器、封隔懸掛器、RFID滑套、壓差滑套、浮鞋(引鞋)等。RFID滑套預(yù)置管柱入井前，RFID滑套通過計(jì)算機(jī)植入不同的控制程序并做好記錄。管柱入井時(shí)，RFID滑套與常規(guī)投球式滑套作業(yè)管柱一樣，依次連接浮鞋(引鞋)、RFID滑套、裸眼封隔器、RFID滑套、裸眼封隔器、RFID滑套……封隔懸掛器、送入工具等。管柱入井到位后，水泥車頂通及循環(huán)洗井，投球坐封，加壓、脹封裸眼封隔器和懸掛器封隔器、坐掛懸掛器[16-17]。驗(yàn)證懸掛器坐掛后，倒扣、提出送入工具。

壓裂施工前，下入壓裂油管進(jìn)行回插，與懸掛器形成密封。壓裂施工時(shí)，預(yù)置管柱內(nèi)憋壓打開末端RFID滑套，進(jìn)行第一段壓裂作業(yè)，井口間隔一定時(shí)間分別投放2枚電子標(biāo)簽，前面一枚標(biāo)簽通過末端RFID滑套時(shí)，滑套被激活關(guān)閉；后面一枚通過第二段RFID滑套時(shí)，RFID滑套被激活打開，依此順序間隔投放標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)各級(jí)滑套依次打開和關(guān)閉，最后一段施工泵送尾液時(shí)，投放對(duì)應(yīng)電子標(biāo)簽到位后關(guān)閉最后一段RFID滑套。壓裂施工結(jié)束后，管柱再次憋壓到一定壓力時(shí)，所有RFID滑套被激活打開，開始進(jìn)行儲(chǔ)層排液求產(chǎn)。

2.4 性能特點(diǎn)

RFID滑套采用非接觸方式激活各個(gè)滑套打開/關(guān)閉功能，各個(gè)滑套僅由能識(shí)別的信息碼進(jìn)行唯一區(qū)別，且能獨(dú)立操作，與傳統(tǒng)滑套工具相比具備以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1)RFID滑套采取非接觸方式驅(qū)動(dòng)滑套動(dòng)作，滑套之間不存在級(jí)差限制，入井管柱能夠接入任意數(shù)量的RFID滑套，實(shí)現(xiàn)完井管柱全通徑。

2)RFID滑套管柱具有全通徑的特點(diǎn)，因此壓裂施工結(jié)束后，無需下入連續(xù)油管和銑鞋進(jìn)行后續(xù)的磨銑作業(yè)。

3)RFID滑套配合井下壓力、溫度、流量等傳感器使用，能根據(jù)井下情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4)采油后期，某層段出水后，可下入連續(xù)油管和開關(guān)工具送入特定的RFID標(biāo)簽，將該層段的滑套過流孔關(guān)閉。

3 研發(fā)難點(diǎn)

基于RFID技術(shù)的智能滑套是機(jī)電一體化高度集成的智能化井下工具。通過射頻通信完成操作命令的傳遞，通過控制單元完成命令的解讀和控制信息的輸出，再通過執(zhí)行單元完成滑套的功能動(dòng)作，各功能單元存在以下研發(fā)難點(diǎn)：

1)滑套工具在井下環(huán)境中面臨管柱空間尺寸受限，作業(yè)周期長(zhǎng)，介質(zhì)具有一定礦化度、懸浮大量砂礫的乳狀液體，標(biāo)簽泵送速度快，而且泵送過程中磕碰嚴(yán)重，如何提高標(biāo)簽自身強(qiáng)度和高速泵送下信息的捕獲率，是井下RFID通信技術(shù)研究的難點(diǎn)。

2)分段壓裂工具井下施工周期具有不確定性，如何解決RFID滑套各耗電元件在井下長(zhǎng)期工作的電力供應(yīng)和電子元器件的長(zhǎng)期耐高溫性能，是控制系統(tǒng)研制的關(guān)鍵點(diǎn)。

3)由于各級(jí)子標(biāo)簽與各級(jí)滑套僅通過電子碼進(jìn)行唯一區(qū)分并形成唯一配對(duì)，如何實(shí)現(xiàn)RFID滑套施工逐級(jí)完成、避免多級(jí)滑套與多標(biāo)簽間的沖突，以及針對(duì)特殊情況下工具的自主動(dòng)作控制，是滑套控制系統(tǒng)軟件的研究關(guān)鍵。

4)為保證施工順利進(jìn)行，當(dāng)RFID標(biāo)簽激活失效時(shí)，如何保證通過其他機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)工具打開或關(guān)閉，是RFID滑套工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)。

4 認(rèn)識(shí)與建議

1)RFID滑套工具具有最大全通徑、無級(jí)數(shù)限制、施工效率高、施工成本少等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

2)RFID技術(shù)已在分段壓裂滑套工具上展開應(yīng)用，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果，表明該技術(shù)在石油井下工具中的應(yīng)用具有可行性。

3)建議盡快開展石油井下環(huán)境中的RFID通信技術(shù)、供電技術(shù)以及適應(yīng)高溫環(huán)境的電子器件的研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行RFID技術(shù)驅(qū)動(dòng)滑套工具及其配套施工工藝的研究工作，以實(shí)現(xiàn)水平井分段壓裂工具的智能化。

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ApplicationofRadioFrequencyIdentificationinMultistageFracturingSleeveTools

QinJinli1，DaiWenchao1，WanXuefeng2，ZhaoChenxi1，HanFeng1

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing，100101，China;2.ResearchInstituteofPetroleumEngineering,SinopecNorthwestOilfieldBranch,Urumqi,Xinjiang,830011,China)

In order to realize full opening,unlimited fracturing stages and intelligent control of the fracturing sliding sleeve,the working principle and process of radio frequency identification(RFID)driven fracturing sliding sleeve have been studied.RFID fracturing sliding sleeve consists of capsule pins,an antenna unit,a control unit,an execution unit,action units,and the connecting unit.Capsule pins that carry the information codes through RFID fracturing sliding sleeve will activate the control unit that receives the information codes.If codes match，the control unit will send commands to start the action unit to open or close the fracturing sliding sleeve.Through technical research,we have gotten a clear understanding of the basic working principle and operation process of RFID fracturing sliding sleeve,the technical difficulties in RFID sliding sleeve development and provide technical support for the developing of RFID sliding sleeve in China.

RFID technology；electronic tag；RFID frac sleeve；multistage fracturing sleeve tool

2012-12-18；改回日期2013-04-19。

秦金立(1979—),女，天津人，2003年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，主要從事固井、完井工具的研究工作。

聯(lián)系方式：(0534)2670175，qjl@shelfoil.com。

中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“φ127.0 mm多級(jí)滑套分段壓裂工具的研制與應(yīng)用”(編號(hào)：P11048)部分研究?jī)?nèi)容。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.024

TE934+.2

A

1001-0890(2013)03-0123-04

[編輯 滕春鳴]