倪衛(wèi)寧， 劉建華， 張 衛(wèi)， 吳春萍， 吳 非

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

目前，鉆井、完井、壓裂過(guò)程中井下工具的控制主要采用最簡(jiǎn)單有效的投球方式，但這種方式缺乏靈活性，只能實(shí)現(xiàn)單向控制，不能實(shí)現(xiàn)往復(fù)動(dòng)作，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多級(jí)、多程度的控制。以擴(kuò)眼器為例，采用投球方式只能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼器的打開，無(wú)法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼器的收起，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼器打開大小的多級(jí)控制。

近年來(lái)，無(wú)線射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，在石油工程的應(yīng)用也取得了一定進(jìn)展，目前主要應(yīng)用于鉆桿標(biāo)記，特種車輛及儀器的跟蹤等方面[1-7]。國(guó)外RFID在井下工具中的應(yīng)用方面處于前期研發(fā)階段，并取得了較好的應(yīng)用效果[8-10]；國(guó)內(nèi)也已開始了相關(guān)技術(shù)研究[11-13]。筆者針對(duì)井下特殊的鉆井液環(huán)境，設(shè)計(jì)出了能夠適應(yīng)各類鉆井液環(huán)境的天線匹配電路，開展了井下環(huán)境電子標(biāo)簽系統(tǒng)研究，進(jìn)行了讀寫器電路系統(tǒng)和相關(guān)嵌入式程序開發(fā)。

1 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)原理和工作頻率

典型的RFID系統(tǒng)包括可編程數(shù)據(jù)的電子標(biāo)簽、讀寫器和處理數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)3個(gè)部分[14-15],其工作原理如圖1所示。電子標(biāo)簽就是射頻卡，具有智能讀寫及加密通信的功能，包含天線、匹配網(wǎng)絡(luò)、續(xù)電模塊、中央控制器、通訊算法模塊和存儲(chǔ)器等。讀寫器由天線、無(wú)線控制模塊和接口電路組成，通過(guò)調(diào)制的射頻信號(hào)向標(biāo)簽發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，讀取標(biāo)簽的識(shí)別信息，然后讀寫器把信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)或者其他數(shù)據(jù)處理設(shè)備。

圖1 RFID系統(tǒng)工作基本原理Fig.1 Working process of the RFID system

根據(jù)RFID標(biāo)簽工作的頻段，可以將RFID標(biāo)簽分為低頻、高頻和超高頻，典型的工作頻率有125 kHz，134 kHz，13.56 MHz，433 MHz，915 MHz，2.4 GHz，5.8 GHz等;根據(jù)RFID標(biāo)簽是否使用電池，分為有源RFID標(biāo)簽(帶電池)和無(wú)源RFID標(biāo)簽(不帶電池)?？紤]RFID標(biāo)簽存儲(chǔ)周期、工作溫度、體積等因素，有源RFID標(biāo)簽由于攜帶電池，不適合在高溫高壓的井下環(huán)境工作，且不滿足體積小的要求。因此下面主要對(duì)各頻段的無(wú)源RFID標(biāo)簽進(jìn)行研究分析。

2 基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的井下工具控制方法

位于井下的指令接收與控制執(zhí)行一體短節(jié)預(yù)先植入接收控制程序，射頻識(shí)別標(biāo)簽預(yù)先寫入執(zhí)行指令的信息碼。短節(jié)包含射頻接收單元和執(zhí)行控制單元，短節(jié)內(nèi)部空腔過(guò)流鉆井液和射頻識(shí)別標(biāo)簽。通過(guò)井口投擲射頻識(shí)別標(biāo)簽，然后再經(jīng)過(guò)鉆井泵加壓輸送鉆井液，射頻識(shí)別標(biāo)簽被鉆井液裹挾進(jìn)入井筒并下行。當(dāng)射頻識(shí)別標(biāo)簽隨鉆井液通過(guò)指令接收與控制執(zhí)行一體短節(jié)內(nèi)腔時(shí)，射頻識(shí)別標(biāo)簽與短節(jié)內(nèi)部的射頻天線產(chǎn)生電磁感應(yīng)，短節(jié)讀取射頻識(shí)別標(biāo)簽內(nèi)的信息碼。射頻識(shí)別標(biāo)簽經(jīng)過(guò)短節(jié)內(nèi)腔時(shí)，標(biāo)簽和短節(jié)內(nèi)的天線距離一般不超過(guò)20 cm，因此各種頻率的RFID標(biāo)簽都可以完成信息碼的有效讀取。短節(jié)內(nèi)的控制程序根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)到的溫度、環(huán)空壓力、管柱壓力等信息對(duì)接收到的信息碼進(jìn)行譯碼，獲得指令，根據(jù)指令完成相應(yīng)的操作執(zhí)行，如控制電磁閥開關(guān)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等，完成擴(kuò)眼器、滑套等工具的打開或關(guān)閉。

3 指令接收與控制執(zhí)行短節(jié)設(shè)計(jì)

整個(gè)指令接收與控制執(zhí)行短節(jié)包括天線單元、接收與控制單元和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元(見圖2)。其中，天線繞制成圈，套在單元的內(nèi)側(cè)，射頻標(biāo)簽經(jīng)過(guò)天線線圈的內(nèi)圈時(shí)，兩者之間的距離不超過(guò)20 cm，各種低頻標(biāo)簽都在讀寫范圍以內(nèi)。接收與控制單元給天線單元施加電磁波信號(hào)，在天線單元內(nèi)腔形成電磁場(chǎng)，當(dāng)射頻標(biāo)簽經(jīng)過(guò)天線單元內(nèi)腔時(shí)，首先獲得能量，同時(shí)完成標(biāo)簽內(nèi)部信息碼的讀取。接收與控制單元讀取到信息碼后，進(jìn)行譯碼，然后根據(jù)譯碼結(jié)果驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元。天線單元、接收與控制單元和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元之間的信號(hào)線、控制線、電源線的連通孔相通。

圖2 指令接收與控制執(zhí)行短節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.2 Instruction receiving and control execution sub

4 無(wú)線射頻識(shí)別接收系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

受井筒空間和讀取電路系統(tǒng)天線尺寸的限制，短節(jié)夾層內(nèi)安裝電子電路、電池以及天線的空間有限。因此，需要設(shè)計(jì)高度集成的電路系統(tǒng)和天線結(jié)構(gòu)，確保其能安裝在有限的空間內(nèi)。

電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:1)頻率為134 kHz的收發(fā)一體電磁波電路；2)高度集成的數(shù)字器件；3)長(zhǎng)距離天線匹配技術(shù)；4)低功耗。

采用4個(gè)3.6 V高溫鋰電池串聯(lián)成14.4 V供電電源,可連續(xù)供電200 h以上。采用收發(fā)一體的天線線圈,工作頻率為134 kHz。微處理器對(duì)射頻讀寫器芯片的發(fā)射和接收進(jìn)行控制,射頻讀寫器芯片將讀取指令調(diào)制到頻率134 kHz的載波上。當(dāng)RFID標(biāo)簽經(jīng)過(guò)天線線圈附近時(shí)，RFID標(biāo)簽首先被天線線圈發(fā)射的電磁波充電,然后RFID標(biāo)簽啟動(dòng),根據(jù)預(yù)先寫入的數(shù)據(jù)調(diào)解自身的阻抗，形成負(fù)載調(diào)制信號(hào)。射頻讀寫器芯片檢測(cè)到負(fù)載調(diào)制信號(hào)，并解調(diào)信號(hào)，最后傳輸?shù)轿⑻幚砥髯x取RFID標(biāo)簽內(nèi)的指令信息。井下無(wú)線射頻接收短節(jié)電路設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 無(wú)線射頻接收短節(jié)電路設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Schematic diagram of wireless RF receiver circuit

5 天線匹配設(shè)計(jì)

讀寫器電路的匹配設(shè)計(jì)主要包含2部分:一是長(zhǎng)距離天線匹配電路，主要解決天線需要在金屬腔體里面布線所引起的功率損耗;二是針對(duì)讀寫器天線的電感在不同鉆井液中會(huì)發(fā)生變化，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可以自動(dòng)設(shè)置的電容網(wǎng)絡(luò)，采用軟件設(shè)置等效電容值以配合天線電感變化，使發(fā)射天線獲得最佳匹配，即發(fā)射電路諧振頻率為工作頻率134 kHz。

長(zhǎng)距離天線匹配電路如圖4所示，根據(jù)阻抗匹配計(jì)算得到相應(yīng)的電阻和電容值，可以實(shí)現(xiàn)2 m以內(nèi)的天線匹配。整個(gè)系統(tǒng)裝配成一個(gè)短節(jié)，天線部分安裝在短節(jié)內(nèi)壁凹槽，電路板安裝在腔體內(nèi)。

電容網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，該電容網(wǎng)絡(luò)替換匹配電容C4和C5。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)參數(shù),假設(shè)天線最大電感為L(zhǎng)max,為了實(shí)現(xiàn)最大匹配，固定連接在網(wǎng)絡(luò)的電容計(jì)算公式為：

圖4 長(zhǎng)距離天線匹配電路Fig.4 Long distance matching circuit

圖5 電容矩陣Fig.5 The capacitance matrix

(1)

式中：f為工作頻率，Hz，；L為天線電感，H；C為電路板上的匹配電容，F(xiàn)。

首先，設(shè)定L為L(zhǎng)max，計(jì)算出電路板上的電容C為Cmin；再設(shè)定L為L(zhǎng)min，計(jì)算出電路板上的電容C為Cmax。其中，Cmin是固定連接電容值，Cmax為電容網(wǎng)絡(luò)全部連通的最大電容值。

通過(guò)系統(tǒng)微處理器自帶的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及外接交流-直流轉(zhuǎn)換電路，可以監(jiān)控天線振蕩電路的輸出。微處理控制電容網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，掃描配置電容下的振蕩電路輸出，可以自動(dòng)尋找到最佳電容組合，即滿足134 kHz的諧振點(diǎn)。模擬試驗(yàn)測(cè)試10種天線的電感，依次為300，400，…，1100和1200 μH,經(jīng)過(guò)電容匹配得到的諧振頻率分別為134.03,134.12,134.03,133.74,133.84,134.12,133.46,133.56,134.12和133.75 kHz。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，諧振頻率偏差基本上小于0.5%，匹配效果完全可以滿足使用要求。

6 無(wú)線射頻識(shí)別接收系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

考慮射頻讀寫芯片的讀寫時(shí)序，在讀取過(guò)程中需要加入多個(gè)延時(shí)，確保讀取的準(zhǔn)確性。程序中設(shè)置專門寄存數(shù)組用于存儲(chǔ)讀取的多組RFID標(biāo)簽的識(shí)別碼，提高了讀取成功率。利用單片機(jī)STM32F103的在線可編程能力，直接連接USB-JTAG轉(zhuǎn)接模塊，在計(jì)算機(jī)上調(diào)試仿真，調(diào)試完善以后直接寫入代碼，不需要通過(guò)編程器燒錄程序。該系統(tǒng)采用單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C51編程，提高了程序的可讀性和可移植性，并兼顧到程序的編譯效率。

7 測(cè)試結(jié)果

未進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)射頻識(shí)別標(biāo)簽試驗(yàn)情況：其中承載指令信息的RFID標(biāo)簽?zāi)K為φ3.85 mm×23.0 mm圓柱體。該RFID標(biāo)簽?zāi)K相繼通過(guò)了70 MPa耐壓、125 ℃耐溫可靠性試驗(yàn)。調(diào)節(jié)鉆井液流量，配合外接管線直徑設(shè)置鉆井液流速為3 m/s，將射頻接收短節(jié)與外接管線對(duì)接，鉆井液以同樣的速度通過(guò)射頻接收短節(jié)內(nèi)腔。將標(biāo)簽投入鉆井液，以3 m/s的速度通過(guò)管線和射頻接收短節(jié)內(nèi)腔。標(biāo)簽經(jīng)過(guò)接收短節(jié)的內(nèi)腔時(shí)，讀取成功率67%。觀察和分析認(rèn)為，讀取不成功的主要原因是標(biāo)簽損壞和標(biāo)簽姿態(tài)不穩(wěn)定。

利用加固保護(hù)膠，將原始射頻識(shí)別標(biāo)簽包裹成釘子形，其中承載指令信息的RFID標(biāo)簽?zāi)K尺寸為φ5.5 mm×45.0 mm,有利于保護(hù)標(biāo)簽電路和進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)。該RFID標(biāo)簽?zāi)K相繼通過(guò)了70 MPa耐壓、125 ℃耐溫可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)樣本10個(gè)，進(jìn)行了3組重復(fù)試驗(yàn)，標(biāo)簽在鉆井液中經(jīng)過(guò)接收短節(jié)內(nèi)腔時(shí)，讀取成功率100%。

8 結(jié)論與建議

1) 選取134 kHz低頻率作為無(wú)線射頻工作頻率，研制的無(wú)線射頻接收短節(jié)可以實(shí)現(xiàn)鉆井液中RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀取。

2) 為了適用井下工具工作的環(huán)境要求，沒有采用廠家提供的RFID標(biāo)簽；通過(guò)對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行加固封裝和姿態(tài)優(yōu)化，接收成功率達(dá)100%。

3) 為了延長(zhǎng)工作壽命，需要進(jìn)一步降低井下讀寫器的功耗和提高其耐腐蝕、耐壓等性能，因此需要繼續(xù)對(duì)讀寫器的電路系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

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