基于 RFID技术开发的油田钻具数字化管理系统

随着钻井市场竞争日趋激烈，深井、探井、高难度井日渐增多，对钻具的要求也逐步提高。而油田多年来一直沿用至今的传统钻具管理模式，很大程度上阻碍了油田钻具科学化管理的发展，主要表现为只能最大程度地做到批量或成套管理钻具，但无法保证每一根入井钻具的可靠性。为彻底防止因钻具管理弊端造成的钻具失效，有必要采用一种全新的钻具管理理念。目前可以借鉴并采用的成熟技术是广泛应用于仓储、物流等领域的RFID无线射频识别技术，利用植入钻具内的电子芯片，给每一根钻具安装一份独一无二的“电子身份证”，为油田钻具数字化管理提供有效手段。但考虑到井下苛刻的钻井环境，采用特殊电子芯片安装和信息保护技术，确保植入钻具信息的可靠性，该项技术具有广泛的行业内推广价值。

一、国内油田钻具管理现状

1．国内钻具管理模式
国内油田在钻具管理方面，具体表现为两种基本管理模式：①实行钻具定队管理，即不论井队所钻井深和井身结构是什么状况，都使用一套钻具，这一套钻具视为一个等级质量、钻具好坏不分、“从一而终”。②实行钻具分级管理，即对在用钻具根据使用情况定期检测分级，新购进钻具分到井队钻到一定当量进尺后，利用钻具综合检测设备进行检测，根据检测结果和钻具技术状况，按钻具质量分为一级、二级、三级，同级别钻具存放在一起。钻井队使用钻具时，根据不同区域、不同深、不同井型对钻具不同要求，配备使用不同级别钻具，从而使钻具达到最佳使用效果。

2．钻具管理现状分析
钻具定队管理模式显然不能使钻具资源得到合理利用，而且不利于发现损坏钻具，钻具失效事故时有发生，难以适应钻井市场快速发展需要，目前此法基本淘汰。取代钻具定队管理模式，钻具分级管理已被广泛采用，这种管理办法经科学检测钻具质量等级，一定程度上可以提高钻具资源的利用率，从制度上、管理模式上保证人井钻具的可靠性，减少因钻具失效而引的钻井事故，为快速钻井提供有力保证。但目前钻具分级管理只能做到钻具的成套检测与管理，不能对每一根钻具的使用情况进行准确跟踪和分析，而且人工识别检测效率低，准确性差。典型的钻具分级管理流程如图1，钻具在各个管理节点，人工清点数量、查钢号、分类记录的工序重复多次，导致诸如资产入库／出库登记、定期盘点库存等工作效率低下。传统标识(如打钢号)由人工操作，耗时耗力，对单一参数的确认受人为经验干扰，准确性不高。而且，恶劣的环境如高温、高压、化学腐蚀及液体腐蚀、击打及震动、磁力影响、表面油漆及污垢等的影响，会使钻具标识模糊不清，有的根本无法辨认，当钻具随物流到下一环节继续使用(例如转借或租赁钻具)，无法准确跟踪钻具历史信息，诸如制造商、购进日期、型号、性能参数、价格、使用、租赁、修理、检测、搁置或报废等信息记录。鉴于传统钻具管理模式中的人工印记及识别手段，已经成为钻具管理数字化发展的技术瓶颈，有必要寻找一种新型钻具标识技术。安东石油技术(集团)有限公司在国内率先将当今国际流行的RFID电子跟踪与识别技术，利用植人钻具内的电子芯片，成功实现了钻具电子标识和数字化管理。

二、RFID技术

RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别附于目标上的芯片信息获取相关数据，识别工作无须人工干预。RFID技术有效结合高频技术、电磁兼容性导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术、数据库技术等，并且最大程度地发挥效应，主要包括节省人工成本，提高作业精确性、快处理速度、有效跟踪物流动态等方面。

RFID无线射频技术与条形码、磁卡、Ic卡等同期或早期的识别技术相比，具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点。随着RFID技术的不断完善，它已经渗透到工业、商业、运输业、物流管理、仓储管理、医疗保险、金融和教学等众多领域，如生产作业流程控制、电子收费、电子票证、交通监控、停车场管理、车辆防盗、出人门禁管理、动物识别和跟踪、物品管理、图书档案管理、商品防伪、仓储管理、配送管理、物资流向控制和物流跟踪管理等。

三、油田钻具数字化管理系统

将芯片植人钻具，以RFID无线射频技术为理论依托开发的油田钻具数字化管理系统，必须考虑石油行业的特殊性。芯片的安装不影响钻具的正常使用，同时芯片安装牢固，不随钻井和物流环节的变化而从植人的钻具中脱落；在苛刻的井下环境和复杂工况下，如电磁、高温、高压、腐蚀、震动、表面污物等，芯片信息不会丢失或出错；井场或作业现场环境识别和储存数据，需要配有便携或手持仪器设备；钻具管理应采用具备数据库功能的软件，提高效率，同时为综合评价钻具提供数据服务。

按照上述设计理念，油田钻具数字化管理系统核心技术构成如图2，其核心技术包括：钻具电子标识技术、移动数据采集技术、芯片植人和防护技术、钻具数据库软件技术、钻具跟踪评价技术。

1．钻具电子标识技术
利用RFID无线射频技术，如图3，将RFID芯片植人钻具内，芯片内有耦合元件和内置天线，配用的手持式或固定式识读器与芯片可按约定的通信协议传递信息。当读数器发出特定的KHZ信号，由芯片天线接收，由于电磁感应，芯片内线圈产生电流，开启芯片计算器和发射器，以某一频率信号的形式发射预编程序的唯一代码，再由读数器接收，把信号转换成RS一232信号，供后续数据采集器或计算机数据库软件处理，管理与芯片对应的钻具信息。根据油田钻具管理现场操作的不同要求，配备两种不同的识读器，一种是直接与Pc机相连建立通讯，一种是直接与手持式数据采集器相连，实现钻具信息的移动管理。

2．移动数据采集技术
手持式数据采集器与识读器通过串口适配器连接，采用防摔、防尘和防水设计，接收来自识读器解码并转换的RS一232信号，读取信号范围在25—50mm左右。基于WINDOWS CE或LINIX操作系统开发的钻具移动管理软件安装在数据采集器上，调用和编辑收到的芯片编码对应的钻具信息，实现钻具移动管理。在钻具管理的各个环节应用该项技术，即可实时记录或查新钻具全部或部分信息，这取决于使用者管理权限和密码。移动管理数据库与Pc机数据库可方便通过RS一232串口或USB接口实现数据交换。

3．芯片植入和防护技术
RFID芯片按信息读写方式主要有三种：读写型，一次写入多次读取型、只读型；按芯片电源类型分被动式内部无电源，主动式内部有电源。其中只读型芯片，内部存有所谓“硬代码”的字母数字编码组合。经过苛刻的环境来测试安装在钻具中的各种类型芯片，发现在钻井过程中，钻柱内残留磁场会破坏可读写芯片信息，不适合钻井使用。因此钻具必须采用被动只读型芯片，防止任何外界干扰改写数据，信息安全性最高。同时为满足井下高温高压、抵抗井下钻井和完井液腐蚀的要求，采用不受酸、丙酮、碱液腐蚀影响的环氧迭片压缩合成电路芯片设计，可承受185℃ 的温度和105 MPa的压力。RFID芯片一般有卡片式、悬挂标签式、圆片钮扣式等，圆片式厚度大约在3～4 mm，直径一般在9．5～34．5mm之间，而根据钻具结构特点，适合采用圆片式芯片，一般89 mm以上规格钻具芯片直径可达到22mm左右。为防止钻井时钻柱旋转、震动、拉压和弯曲等复杂工况，可能造成的芯片脱落事故，采用了便携式打孔安装技术及设备，在确保垂直加工芯片安装孔的前提下，芯片植入高度始终低于API标要求的钻具最大磨损外径之下，并且依据不同钻具类型，如不同尺寸和钢级的钻杆等，依据强度分析芯片植入深度有所不同。植人的芯片被封闭于安装盒内与外界隔离，并用自锁式挡圈可靠锁紧芯片，确保芯片可靠植入钻具内。如图4。

4．钻具数据库软件技术
基于WINDOWS或LINIX操作系统和数据库技术开发的钻具数据库管理软件，菜单化操作，允许用户命名和使用多个数据域菜单，每个数据段可以最多输人达30个字符。根据用户钻具管理的具体要求，设置的数据域一般为资产描述、管体、母接头、公接头、物流、检测、修复、应用等，每个数据域由多个数据段组成，按照API或sY标准规范和用户需要分列参数明细，如资产描述项目包括RnD芯片编码、用户编号、资产类型、制造商、制造号、公称尺寸、钢级、长度、SSL长度、上扣扭矩、单位长度重量等总体数据；管体项目包括外径、内径、壁厚、钢级、炉号批号、屈服强度、夏比冲击功、制造商等；公母接头项目包括外径、内径、大钳空间、接头长度、强度 硬度、夏比冲击功、接头管体屈强比、制造商等等；物流、检
测、修复、应用各项目提供新购进钻具从开始应痢直至报废中间各环节信息的详细记录和跟踪。一般地，芯片标识号码不需要单独命名字符段，这是因为软件始终记录标识号码、日期、时间，当数据传输时它会自动显示在电脑软件上。所有数据编辑的功能，都可设定密码保护，从而降低错误数据的可能性。当数据段的数值被输入和设定后，数据通过USB连接线传输给手持机，当芯片编码与特定的项目信息相关联后，一旦标识芯片可以被扫描，所有相关的输入信息就会显示出来。

5．钻具跟踪评价技术
如果能够跟踪每一根钻具实际应用情况，就具备评估钻具性能的可能性，钻具数字化管理系统能够提供钻具跟踪评价的数据平台。对钻具实施有效跟踪，仅在油田管具公司内部使用还不够，需要在油田系统内建立一个钻具数字化管理网络，覆盖钻具的采购、出入库、物流、钻井现场、检测分级、报废等各环节，采集每一节点钻具信息，特别是要及时跟踪和记录钻井过程中的各种钻井参数(如钻压、转速、扭矩、钻速、纯钻时间、累积钻时等)和工程情况，结合综合录井资料和钻具检测分级评价工作，对钻具数据库信息进行补充和修正，并将每一根钻具的完整使用数据，提供给油田钻具力学及性能评估软件进行分析计算，最终提供一套科学完整的钻具跟踪评价结果，如钻具新度指标、钻具寿命预测及周期、钻具利用及经济评价、钻具质量及供应商评价等，为油田生产和物资采购部门决策提供有效依据。

四、结论

(1)油田现有钻具管理模式下在钻具上打钢号的传统印记方法，钢号的标记和识别易出现差错，并且受恶劣环境影响而模糊不清或损坏，严重制约着钻具管理的高效和准确；
(2)RFID射频识别技术是当今国际先进的资产跟踪与识别技术，经过油田适用性改造，可针对性用于油田钻具的数字化管理。
(3)保证芯片可靠植入钻具不脱落和芯片信息不受井下环境影响是RFID射频识别技术成功应用到钴具数字化管理系统的关键。
(4)基于RFID射频技术开发的钻具数字化管理系统技术是加快油田数字化发展的有效措施之一