熊偉，賈慶升，馬收

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國(guó)石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東 東營(yíng)257000）

1 起源及發(fā)展歷史

射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)（又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識(shí)別），是20世紀(jì)80年代新興的一種自動(dòng)識(shí)別通信技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別的目的。其工作原理是：標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)，就能憑借感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（即Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（即Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽）；閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。RFID 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域［1］，如門禁控制/電子門票、物流和供應(yīng)管理、生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、郵件/快運(yùn)包裹處理、文檔追蹤/圖書館管理、運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)、道路和公交系統(tǒng)的自動(dòng)收費(fèi)、零售行業(yè)的資產(chǎn)追蹤、動(dòng)物身份標(biāo)識(shí)和醫(yī)院用于追蹤病人等。

RFID 技術(shù)在石油上游領(lǐng)域最早應(yīng)用于鉆具、設(shè)備的跟蹤管理，以減少人為操作，提高效率，避免各種復(fù)雜事故的發(fā)生。20世紀(jì)90年代，在地震采集系統(tǒng)中用到了RFID 技術(shù)。2003年開始，國(guó)外各大石油公司積極探索RFID 技術(shù)在石油上游領(lǐng)域的應(yīng)用，并推出了大量新概念井下工具。最近幾年，新工具的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用日益增多。井下循環(huán)接頭是北美服務(wù)公司與馬拉松石油公司研發(fā)的首個(gè)射頻識(shí)別工具。Petrowell 公司應(yīng)用RFID技術(shù)研發(fā)了先進(jìn)的液壓滑套系統(tǒng)、流入控制裝置等系列工具［2］。2008年，威德福公司應(yīng)用RFID 技術(shù)研發(fā)了業(yè)界首個(gè)通過電子方式開啟和關(guān)閉的隨鉆擴(kuò)眼器［3］，可使作業(yè)者在隨鉆擴(kuò)眼或起下鉆的任何時(shí)刻開啟或關(guān)閉工具，因此，可有選擇性地進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼，提高了作業(yè)的靈活性，擴(kuò)大了作業(yè)者以前不具有的施工能力，有效提高了作業(yè)效率，改善了施工安全環(huán)境。目前RFID技術(shù)已用于鉆具、設(shè)備的跟蹤管理［4-6］，馬拉松石油公司、Petrowell 公司和IIITec 公司正致力于該技術(shù)在鉆完井作業(yè)中的應(yīng)用研發(fā)，并取得了一定的進(jìn)展。

隨著深井、超深井勘探開發(fā)力度的加大，研發(fā)新型RFID 工具及技術(shù)，使之更好地服務(wù)于石油鉆完井作業(yè)，特別是在頁巖及致密油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮更大的作用，顯得尤為重要。

2 鉆完井中的應(yīng)用

通常情況下，石油行業(yè)主要利用機(jī)械、液壓、智能技術(shù)以及更為先進(jìn)的聲波遙測(cè)技術(shù)開啟鉆完井和修井工具［7-8］。RFID 技術(shù)的應(yīng)用提供了一種全新的理念，催生了許多鉆完井和修井施工中的工具及技術(shù)。

2.1 射孔槍

2003年，馬拉松石油公司在位于阿拉斯加州奇奈市附近的一口2 438.4 m 深的斜井（氣井）Excape完井施工中，應(yīng)用RFID 技術(shù)進(jìn)行了射孔施工作業(yè)，這是RFID 技術(shù)的首次商業(yè)化應(yīng)用。由于當(dāng)時(shí)常規(guī)的液壓控制線路點(diǎn)燃方法及工作效果良好，且更經(jīng)濟(jì)可行，因此，RFID 技術(shù)的這次應(yīng)用并沒有取得突破性進(jìn)展。隨著RFID 技術(shù)在其他方面的廣泛應(yīng)用及馬拉松石油公司的大力推動(dòng)，RFID 技術(shù)成為射孔施工的首選技術(shù)，而常規(guī)液壓控制射孔已不再是作業(yè)者優(yōu)先考慮的射孔方案［2］。

2.2 循環(huán)接頭

井眼清洗工具——循環(huán)接頭［2］（見圖1），是北美服務(wù)公司與馬拉松石油公司利用RFID 技術(shù)合作研發(fā)的第1 個(gè)工具［4-5］。將循環(huán)接頭連接在鉆柱中下入井內(nèi)，然后將微小的標(biāo)簽投入鉆桿內(nèi)，泵送至位于循環(huán)接頭控制器上的電子讀卡器而完成指令的讀取，通過控制器的電子和機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉。

圖1 RFID 循環(huán)接頭

2005年8月，CNR′s N46z 井鉆完井施工中，在下入完井管柱之前，下入RFID 循環(huán)接頭進(jìn)行清洗井眼作業(yè)，施工非常順利，取得了圓滿成功。

在用海水置換密度為1 521.790 2 kg/m3油基鉆井液的過程中，為電子啟動(dòng)深約3 078.48 m 位于尾管頂部上面的循環(huán)接頭，泵入幾個(gè)預(yù)定開啟程序的RFID標(biāo)簽。充分循環(huán)后，在泵壓表上觀察到了明顯的壓降，表明循環(huán)接頭成功開啟。之后用抑制性海水進(jìn)行大排量循環(huán)，循環(huán)完畢，泵入預(yù)定關(guān)閉程序的RFID 標(biāo)簽。隨后的循環(huán)壓力突然升高，表明RFID 循環(huán)接頭已成功關(guān)閉。

在同一趟管柱中可下入多個(gè)循環(huán)接頭，在任何時(shí)間通過泵入RFID 標(biāo)簽單獨(dú)控制每一個(gè)循環(huán)接頭。

2.3 RipTideTM RFID 隨鉆擴(kuò)眼器

RipTideTMRFID 隨鉆擴(kuò)眼器（見圖2），是威德福公司研發(fā)［3］的業(yè)界第1 個(gè)通過電子方式開啟和關(guān)閉的擴(kuò)眼器。該擴(kuò)眼器提高了隨鉆擴(kuò)眼作業(yè)的靈活性，可以擴(kuò)出大于鉆頭直徑25%的井眼。

圖2 RipTideTM RFID 隨鉆擴(kuò)眼器

常規(guī)擴(kuò)眼器的系統(tǒng)部件都裝在工具本體內(nèi)。RipTideTMRFID 隨鉆擴(kuò)眼器本體包括2 部分，既可用傳統(tǒng)的投球機(jī)械方式開啟，也可用電子控制方式開啟或關(guān)閉。即在地面通過輸入設(shè)備將“開啟”或“關(guān)閉”命令輸入RFID 標(biāo)簽，然后將微小的標(biāo)簽投入鉆桿內(nèi)，泵送至位于井下擴(kuò)眼器控制器上的電子讀卡器，讀取指令，然后通過控制器（見圖3）上的電子控制設(shè)備執(zhí)行。

利用RFID 技術(shù)RipTideTM隨鉆擴(kuò)眼器可使作業(yè)者在隨鉆擴(kuò)眼或起下鉆的任何時(shí)刻開啟或關(guān)閉工具，擴(kuò)大了作業(yè)者以前不具有的施工能力，有效提高了作業(yè)性能。

1）多次開啟和關(guān)閉。除了受電池壽命（電池可連續(xù)使用96 h）的限制外，RFID 技術(shù)可在隨鉆擴(kuò)眼過程中靈活可靠地多次開啟和關(guān)閉工具，這一功能為選擇性擴(kuò)眼提供了條件。例如，由于工具進(jìn)入到鹽巖井段時(shí)才進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，該功能就消除了卡鉆的可能。另外，也可以防止震擊作業(yè)期間工具的意外開啟，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，以及由此導(dǎo)致的非生產(chǎn)性占用時(shí)間。

2）處理鉆井液。長(zhǎng)井段隨鉆擴(kuò)眼、鉆至總井深時(shí)及較短井段隨鉆擴(kuò)眼后，都需要充分循環(huán)鉆井液，以調(diào)整鉆井液性能，電子開啟和關(guān)閉方式有助于保護(hù)套管和擴(kuò)眼器的切削結(jié)構(gòu)。

3）全通徑。應(yīng)用RFID 技術(shù)，可使工具保持全通徑而不會(huì)出現(xiàn)任何限制井段，從而降低了循環(huán)壓耗。全通徑也可允許鋼絲繩訪問擴(kuò)眼器以下的任何工具。

4）多個(gè)擴(kuò)眼器開啟和關(guān)閉控制。在一趟管柱中可以下入多個(gè)擴(kuò)眼器，對(duì)每個(gè)標(biāo)簽單獨(dú)編程而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工具的獨(dú)立控制。如可在同一趟管柱中下入2 個(gè)擴(kuò)眼器（見圖4）。首先泵入1 個(gè)標(biāo)簽啟動(dòng)1 號(hào)擴(kuò)眼器，可令該擴(kuò)眼器進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)直到刀片磨鈍，然后，泵入第2個(gè)標(biāo)簽關(guān)閉1 號(hào)擴(kuò)眼器，繼而泵入第3 個(gè)標(biāo)簽啟動(dòng)2號(hào)擴(kuò)眼器；因此，不用起下鉆更換擴(kuò)眼器就可繼續(xù)進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼，從而節(jié)省了時(shí)間。鉆至總井深后，泵入第4個(gè)標(biāo)簽關(guān)閉2 號(hào)擴(kuò)眼器，可充分循環(huán)鉆井液進(jìn)行井眼清洗，而不會(huì)發(fā)生擴(kuò)眼產(chǎn)生多余的巖屑。

RipTideTMRFID 隨鉆擴(kuò)眼器在美國(guó)北達(dá)科他州的Casey Edward 井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)隨鉆擴(kuò)眼測(cè)試。測(cè)試過程中進(jìn)行了多次開啟和關(guān)閉，驗(yàn)證了工具的有效性，測(cè)試獲得了成功。

圖3 RFID 控制器

圖4 包含2 個(gè)RipTideTM 擴(kuò)眼器的底部鉆具組合

3 多級(jí)壓裂完井中的應(yīng)用

3.1 壓裂滑套系統(tǒng)

目前，分段壓裂已成為頁巖氣儲(chǔ)層改造的關(guān)鍵技術(shù)［9］。常用的裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)，采用投球驅(qū)動(dòng)方式打開滑套，其缺點(diǎn)是滑套的內(nèi)徑逐級(jí)減小，流動(dòng)性受到限制。快鉆橋塞分段壓裂技術(shù)，使用橋塞進(jìn)行選擇性射孔、封隔和壓裂，需要多次橋塞下入及磨銑作業(yè)，施工時(shí)間長(zhǎng)、成本高。

為了簡(jiǎn)化分段壓裂特別是裸眼分段壓裂的作業(yè)程序，Petrowell 公司設(shè)計(jì)了一種采用RFID 技術(shù)對(duì)壓裂滑套（見圖5）進(jìn)行遙控操作的新方法［10-12］。壓裂滑套內(nèi)包括射頻發(fā)射天線、閱讀器、信號(hào)處理裝置及電池電力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從地面投入的攜帶指令的RFID 電子標(biāo)簽，經(jīng)過滑套天線覆蓋范圍時(shí)，受天線發(fā)射射頻場(chǎng)的激發(fā)，將指令發(fā)送至天線，滑套就會(huì)按照指令執(zhí)行規(guī)定動(dòng)作。每個(gè)RFID 壓裂滑套內(nèi)徑相同，因此可下井的滑套數(shù)量不受限制；每個(gè)滑套配有唯一的電子地址，這樣就可通過從地面投入射頻識(shí)別電子標(biāo)簽的方式任意對(duì)每個(gè)滑套進(jìn)行遙控。該技術(shù)不需使用連續(xù)管或電纜進(jìn)行修井作業(yè)，加快了壓裂作業(yè)速度。

圖5 RFID 壓裂滑套

2010年7月，加拿大一家公司在英屬哥倫比亞的一口井中采用了RFID 分段壓裂技術(shù)并獲得成功。在φ155.6 mm 裸眼中下入包括10 個(gè)φ114.3 mm RFID 壓裂滑套的完井管串（見圖6），滑套上部和下部使用的是φ114.3 mm Fraxis 高壓遇油膨脹裸眼封隔器。滑套最大外徑為146.05 mm，最小內(nèi)徑為71.45 mm，兩端扣型為139.7 mm LTC。每段壓裂施工時(shí)，向送入管柱投入2 個(gè)RFID 電子標(biāo)簽，泵送至壓裂滑套，其中一個(gè)用于關(guān)閉下部滑套，一個(gè)用于延遲打開上部相鄰滑套。壓裂作業(yè)于2010年7月10日開始，7月21日結(jié)束，共投入21 個(gè)標(biāo)簽，成功開關(guān)9 個(gè)滑套，第10 個(gè)滑套因電池電力衰竭沒有打開。RFID 分段壓裂技術(shù)取得了良好的施工效果，油氣井產(chǎn)量在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持穩(wěn)定，與常規(guī)技術(shù)相比，作業(yè)成本顯著降低。

圖6 完井管串示意

3.2 配套工具

3.2.1 層間封隔工具

通常，為坐封封隔器，應(yīng)用層間封隔閥作為防止流體向礫石充填層漏失的屏障，而且當(dāng)井內(nèi)流體系統(tǒng)由鉆井液體系轉(zhuǎn)換為低密度鹽水完井液的時(shí)候，應(yīng)用該工具還可防止地層流體的侵入。常規(guī)層間封隔閥采用轉(zhuǎn)位工具和液壓開啟方式，RFID 技術(shù)提供了全新的方法。RFID 標(biāo)簽通過層間封隔閥即可實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉，具有極大的靈活性，從而降低了由于壓力循環(huán)而出現(xiàn)層間封隔閥意外開啟的可能性，而且也可將讀卡器安置在遠(yuǎn)離層間封隔閥的位置，盡管隔層的頂部可能存在碎片，但也能實(shí)現(xiàn)對(duì)工具的開啟。

3.2.2 封隔器

完井施工中，封隔器坐封作業(yè)極為簡(jiǎn)單，但也存在一定的問題和風(fēng)險(xiǎn)。目前，大多數(shù)情況下采用液壓封隔器，因此需要井下隔離裝置產(chǎn)生一定的壓差或絕對(duì)液壓以啟動(dòng)封隔器坐封裝置。長(zhǎng)期以來，由于在工具上面存在碎片或工具本身存在機(jī)械問題，在封隔器坐封中使用的隔離裝置回收困難或者根本無法回收，導(dǎo)致應(yīng)用這種液壓封隔器費(fèi)用巨大。應(yīng)用RFID 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)封隔器坐封極為經(jīng)濟(jì)的方法，它消除了許多情況下不得不起下鉆更換封隔器和隨后隔離裝置回收困難或無法回收的風(fēng)險(xiǎn)。封隔器坐封工具讀取RFID 標(biāo)簽的指令開啟水眼，封隔器在井內(nèi)液體靜壓的作用下即可實(shí)現(xiàn)坐封［13-14］。

4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著深井、超深井開發(fā)力度加大，石油上游各個(gè)領(lǐng)域的常規(guī)工具和相關(guān)技術(shù)已不能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，新型工具及技術(shù)的研發(fā)勢(shì)在必行。RFID 技術(shù)為井下工具的改進(jìn)、研發(fā)和廣泛使用開辟了一個(gè)全新領(lǐng)域。

1）在鉆柱或油管中接入特殊的RFID 工具，對(duì)可膨脹和收縮工具進(jìn)行配置。泵入RFID 標(biāo)簽，工具可開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)膨脹和收縮。在石油行業(yè)，諸如扶正器等井下工具實(shí)現(xiàn)可靠而靈活的開啟、關(guān)閉，以及按照預(yù)定要求進(jìn)行合理控制迫在眉睫。

2）鉆完井和修井作業(yè)中應(yīng)用的固井分級(jí)箍、震擊器、連續(xù)管工具、打撈工具、刮管器、水力撈砂器等，以及其他一些相關(guān)工具都可應(yīng)用RFID 技術(shù)，從而滿足諸多應(yīng)用需要。

5 結(jié)束語

近幾年來，RFID 技術(shù)已在石油鉆具和設(shè)備的跟蹤管理中發(fā)揮了重要的作用，國(guó)外各大公司應(yīng)用該技術(shù)研發(fā)了擴(kuò)眼器、循環(huán)接頭、電控壓裂滑套、封隔器、層位封隔工具等鉆完井工具，滿足了不同井況施工需要，避免了各種復(fù)雜事故，提高了作業(yè)效率，降低了成本，確保了人身安全。為解決深井、超深井勘探開發(fā)的難題，解決石油上游各個(gè)領(lǐng)域特別是非常規(guī)油氣藏鉆完井存在的技術(shù)瓶頸，RFID 新型工具研發(fā)勢(shì)在必行，也是未來完井工具發(fā)展的主要方向。展望未來，RFID 技術(shù)必將在石油完井中發(fā)揮更大的作用。

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