基于RFID的高壓管匯生命周期管理系統(tǒng)的設(shè)計及其實現(xiàn)

張前

1.荊州市世紀派創(chuàng)石油機械檢測有限公司（湖北 荊州434024）

2.中石化石油機械股份有限公司（湖北 武漢430205）

0 引言

壓裂作業(yè)是提高油氣井產(chǎn)量的重要手段之一，對于低滲透油氣田，壓裂作業(yè)已經(jīng)是必不可少的技術(shù)措施，加之近些年頁巖氣非常規(guī)能源的逐步開發(fā)，壓裂作業(yè)呈現(xiàn)出排量大、壓力高、連續(xù)作業(yè)時間長的上升趨勢[1]。高壓管匯是壓裂過程高壓流體傳輸?shù)耐ǖ溃撬峄瘔毫炎鳂I(yè)的核心部分，長期處于高壓狀態(tài)且使用頻繁，工作壓力可達到100MPa以上，在作業(yè)過程中一旦發(fā)生斷裂、刺漏等質(zhì)量事故，將導(dǎo)致壓裂施工效率低下，同時存在著較大的安全風(fēng)險,因此高壓管匯的管理顯得尤為重要。

目前高壓管匯主要采用手工記錄并建立紙質(zhì)檔案的方式進行管理，隨著高壓管匯需求量的增大，管理難度越來越大，安全風(fēng)險高。對于大型壓裂施工，現(xiàn)場高壓管匯的使用多達500余件，如圖1所示。高壓管匯的檢測編號容易磨損，部分高壓管匯無法追溯，因此對高壓管匯的使用情況統(tǒng)計難度較大。手工記錄統(tǒng)計高壓管匯使用、檢測情況繁瑣，導(dǎo)致高壓管匯相關(guān)數(shù)據(jù)信息采集效率低。記錄過程中容易產(chǎn)生紕漏，出現(xiàn)信息斷檔，存在因漏檢而導(dǎo)致的高壓管匯超期服役現(xiàn)象，增加了刺漏、爆炸等安全隱患[2]。對高壓管匯的使用、檢測情況無法進行有效實時監(jiān)控。針對存在的問題，有必要通過信息化系統(tǒng)對高壓管匯的使用、檢測、維護保養(yǎng)等情況進行全方位管理。RFID技術(shù)作為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)近年來受到了人們的關(guān)注，其最重要的優(yōu)點是非接觸識別，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和在條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標簽，并且閱讀速度極快，非常適用于高壓管匯管理領(lǐng)域。

圖1 壓裂作業(yè)施工現(xiàn)場

1 管理系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)開發(fā)前置條件

系統(tǒng)開發(fā)的前置條件主要包括以下4個方面：

1）高壓管匯包括壓裂作業(yè)所需的各類閥、管匯、接頭、由壬、壓裂頭、除砂器等,壓力等級為35 MPa、70 MPa、105 MPa及140 MPa。

2）RFID電子標簽為無源抗金屬電子標簽[3]，RFID電子標簽為鋁合金外殼加陶瓷封裝，通過不銹鋼卡箍固定在高壓管匯上（圖2）。

圖2 高壓管匯電子標簽

3）讀寫器為超高頻一體式讀寫器[4]，其視頻模塊與手機的組合方式有兩種：一是耳機插孔式射頻模塊與手機的組合，該方式中手機插孔需適應(yīng)視頻模塊結(jié)構(gòu)；二是分體式射頻模塊與手機的組合，分體式射頻模塊與手機之間通過藍牙連接，該組合無需考慮手機插孔結(jié)構(gòu)，常規(guī)智能手機即可滿足需求。

4）國內(nèi)三大石油公司的網(wǎng)絡(luò)管理都比較嚴格，各自具有自身內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，各地分公司都采取“內(nèi)網(wǎng)+外網(wǎng)”辦公模式，為了適應(yīng)現(xiàn)場工況，本系統(tǒng)采取VPN通道模式實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)同時作業(yè)[5]。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖3所示，高壓管匯管理系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括RFID電子標簽、讀寫器、電腦終端、外網(wǎng)、云服務(wù)器、硬件防火墻、VPN服務(wù)器、內(nèi)網(wǎng)、后臺服務(wù)器及主控計算機。其中RFID電子標簽與讀寫器之間進行數(shù)據(jù)傳輸，讀寫器和電腦終端通過外網(wǎng)與云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，云服務(wù)器通過VPN通道及硬件防火墻與VPN服務(wù)器連接，VPN服務(wù)器與后臺服務(wù)器連接，主控計算機和電腦終端通過內(nèi)網(wǎng)對后臺服務(wù)器進行訪問；軟件包括讀寫器操作軟件和電腦端操作軟件，讀寫器操作軟件對高壓管匯的狀態(tài)進行錄入、儲存和分析，電腦端操作軟件對管理系統(tǒng)后臺進行寫入、修改和設(shè)定。

圖3 管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

讀寫器操作軟件包括RFID讀寫管理模塊、出入庫管理模塊、使用管理模塊、檢修管理模塊、設(shè)備尋找管理模塊及基本信息查詢模塊。RFID讀寫管理模塊錄入高壓管匯基本信息，建立基礎(chǔ)檔案。出入庫管理模塊記錄設(shè)備出入庫狀態(tài)。使用管理模塊對設(shè)備的上井使用信息進行錄入和管理，并自動判斷是否需要進行檢維修。檢修管理模塊錄入設(shè)備檢維修記錄并生成報告。設(shè)備尋找管理模塊對特定目標的電子標簽進行尋找。基本信息查詢模塊可查詢高壓管匯的信息資料。

電腦端操作軟件包括組織機構(gòu)管理、基本信息管理、使用管理、檢修管理、預(yù)警管理、圖表管理及系統(tǒng)維護管理。組織機構(gòu)管理對崗位和人員進行管理，基本信息管理對高壓管匯的基本信息檔案進行管理，使用管理對上井使用數(shù)據(jù)進行錄入和自動累計。檢修管理對檢維修信息進行管理，預(yù)警管理對高壓管匯性能參數(shù)進行預(yù)警。圖表管理通過餅狀圖直觀顯示各類型高壓管匯的狀態(tài)分布情況。系統(tǒng)維護管理對系統(tǒng)進行升級改版，處理網(wǎng)絡(luò)故障。

2 系統(tǒng)管理操作流程

如圖4所示，高壓管匯管理流程如下：

圖4 高壓管匯管理流程

1）對出廠的高壓管匯安裝RFID電子標簽，通過讀寫器的RFID讀寫管理模塊綁定錄入基本信息，在對RFID電子標簽寫入基本信息的同時，通過外網(wǎng)將信息傳遞給云服務(wù)器，基本信息包含名稱、制造廠家、出廠日期、規(guī)格型號、壓力等級、出廠編號等，操作完成后流程狀態(tài)默認為出廠狀態(tài)。

2）新設(shè)備送到車間后，車間管理人員對新設(shè)備驗收，之后點擊進入到讀寫器的出入庫管理模塊中，手持讀寫器對需要入庫的設(shè)備進行掃描，掃描完成點擊“確認”按鈕，設(shè)備狀態(tài)變更為庫存狀態(tài)。

對于現(xiàn)場使用后或者檢測維修合格后需要入庫的在役設(shè)備，也采用讀寫器進行掃描，使用方法同上，將設(shè)備狀態(tài)變更為庫存狀態(tài)。對于車載高壓管匯，在出入庫管理模塊中勾選“車載”子選項，輸入車型車號。如需將已入庫的高壓管匯轉(zhuǎn)車載，則重新走入庫流程，進入到出入庫管理模塊中，對設(shè)備掃描，勾選“車載”子選項，輸入車型車號并確認。該入庫流程作為驗收的憑證。

3）如需將設(shè)備出庫使用，在讀寫器的出入庫管理模塊中點擊“使用”按鈕，對即將參與作業(yè)的高壓管匯（包含車載和庫房2種）進行掃描，錄入即將作業(yè)的平臺號或井號以建立臺賬，點擊“確認”按鈕，設(shè)備狀態(tài)變更為上井狀態(tài)。

4）在井場使用時，在讀寫器的使用管理模塊中，點擊“開始紀錄”，按照實際使用情況對高壓管匯進行區(qū)分掃描，記錄本次上井使用時間和本次使用的砂量、酸量、壓力等，點擊“確認”按鈕。

5）記錄填寫完畢后系統(tǒng)自動對累計使用時間、累計砂量、累計酸量、剩余時間等進行計算，判斷設(shè)備是否已達到檢測條件。如果無需檢測，則在讀寫器的使用管理模塊中點擊“回庫”按鈕，設(shè)備狀態(tài)變更為庫存狀態(tài)。如果需要檢修，則點擊“送檢”按鈕，設(shè)備狀態(tài)變更為檢修狀態(tài)。用戶可根據(jù)各自的管理規(guī)定，自己設(shè)置檢測周期和檢測條件，系統(tǒng)自動篩選出需要送檢的設(shè)備。

6）在讀寫器的檢修管理模塊中，填寫交檢報告，內(nèi)容包括委托單位、項目名稱、報告編號、產(chǎn)品數(shù)量、產(chǎn)品材質(zhì)、環(huán)境溫度及檢測日期等。再對需送檢的設(shè)備進行掃描，點擊“確認”按鈕，在交檢報告中生成待檢設(shè)備列表。

7）檢修單位對送檢的設(shè)備進行掃描確認，檢測項目主要包括宏觀檢測、測厚檢測、磁粉檢測及試壓檢測[6]等。

8）檢測單位在檢測完成后，根據(jù)檢測結(jié)果，在讀寫器的檢修管理模塊中利用系統(tǒng)內(nèi)置的報告模板管理系統(tǒng)錄入檢測信息，制作檢測報告，進入審核批準流程。對于合格的產(chǎn)品，設(shè)備狀態(tài)變更為庫存狀態(tài)。對于報廢的產(chǎn)品，設(shè)備狀態(tài)變更為報廢狀態(tài)。

需要有針對性地掃描RFID電子標簽時，可以提前在讀寫器的設(shè)備尋找管理模塊中錄入RFID電子標簽的編碼或自編號，再逐個掃描RFID電子標簽，當掃描到目標RFID電子標簽時讀寫器發(fā)出提示，找出指定的RFID電子標簽。

在讀寫器中對RFID電子標簽的所有操作信息，全部上傳至云服務(wù)器，最終數(shù)據(jù)保存在后臺服務(wù)器中。

3 管理系統(tǒng)的優(yōu)點

經(jīng)過油田井下作業(yè)公司現(xiàn)場實際使用，該系統(tǒng)完全符合現(xiàn)場實際工況，可以實現(xiàn)高壓管匯生命周期管理，達到了設(shè)計目的。相比傳統(tǒng)的紙質(zhì)記錄模式，本系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢。

1）以往高壓管匯的編號都是刻在銘牌上，容易生銹和損壞，導(dǎo)致編號無法追溯，增大了統(tǒng)計難度。本系統(tǒng)采用RFID技術(shù)，通過鋼扎帶將電子標簽固定在高壓管匯上，確?；拘畔⒉粊G失。電子標簽采用陶瓷封裝加鋁合金外殼，防碰撞，使用壽命長，克服了傳統(tǒng)的柔性薄膜電子標簽的諸多缺點。

2）通過系統(tǒng)自動預(yù)警，避免了高壓管匯超期服役的問題，降低了安全風(fēng)險。

3）本系統(tǒng)實時掌握高壓管匯的運行狀態(tài)、臺帳、維修、保養(yǎng)、檢測記錄等信息，實現(xiàn)全生命周期管理，為應(yīng)急事故的快速處理及管理決策提供指導(dǎo)依據(jù)。

4）本系統(tǒng)通過實時信息查詢及快速錄入，大幅減少手工登記紙質(zhì)檔案的工作量，在提高工作效率的同時，避免數(shù)據(jù)丟失，保證了生產(chǎn)工作高效運行。

5）本系統(tǒng)內(nèi)置有檢測報告模板管理系統(tǒng)，用于錄入檢測信息，制作檢測報告，確保報告模板統(tǒng)一，數(shù)據(jù)不會丟失。對檢測報告進行上傳并共享，避免以后對檢測結(jié)論修改，提高了數(shù)據(jù)真實有效性。另外制造廠家可依據(jù)設(shè)備歷次檢測所反映的問題，對設(shè)備進行優(yōu)化改進。

6）本系統(tǒng)采取各類數(shù)據(jù)挖掘和分析算法，統(tǒng)計各類產(chǎn)品的使用工況、檢測狀態(tài)、剩余壽命及剩余強度等，開展數(shù)據(jù)可視化分析和預(yù)測性分析，直觀展示數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)說話，深入挖掘檢測對象失效的原因，并針對性采取改進措施，滿足客戶的個性化需求，提升客戶體驗感。

7）本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都存儲備份在后臺服務(wù)器中，在外網(wǎng)通過撥VPN訪問內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，確保數(shù)據(jù)安全。

4 結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場實際使用，該系統(tǒng)較符合現(xiàn)場實際工況，實現(xiàn)了高壓管匯全生命周期管理，提高了高壓管匯現(xiàn)場使用的安全可靠性，克服了傳統(tǒng)手工記錄統(tǒng)計信息的不足，實現(xiàn)了有效實時監(jiān)控高壓管匯的狀況。