申志偉李紅偉劉 兵劉 威

（1西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院；2西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

基于RFID技術(shù)的壓裂滑套控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

申志偉1李紅偉1劉 兵1劉 威2

（1西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院；2西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

為實(shí)現(xiàn)壓裂級(jí)數(shù)不受限制、各級(jí)壓裂滑套結(jié)構(gòu)一致且可以智能控制的目標(biāo)，設(shè)計(jì)出了一種基于RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）的滑套控制系統(tǒng)。當(dāng)投放的RFID標(biāo)簽球通過壓裂管道時(shí)，經(jīng)過標(biāo)簽球里內(nèi)置天線與讀寫器天線耦合，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)向井下發(fā)送。讀寫器接收載波信號(hào)后根據(jù)不同的設(shè)置發(fā)送指令信號(hào)給電控部分。電控部分驅(qū)動(dòng)空心軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，空心軸電機(jī)部分通過霍爾信號(hào)控制電機(jī)精確換向，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)滑套的開度和啟閉。通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

RFID；滑套；天線；空心軸電機(jī)；開度

隨著非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)，石油開發(fā)新技術(shù)不斷發(fā)展，水平井分段壓裂技術(shù)在當(dāng)今油氣增產(chǎn)中得到了越來越多的應(yīng)用[1-2]。傳統(tǒng)投球壓裂工藝的壓裂級(jí)數(shù)受限，流道內(nèi)通徑逐級(jí)減少，施工復(fù)雜，流動(dòng)性差，已不能滿足現(xiàn)代工藝的要求[3-7]。射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是20世紀(jì)80年代新興的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過空間耦合實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞。本文將介紹一種基于RFID的壓裂滑套控制系統(tǒng)，通過RFID標(biāo)簽球與井下通信裝置非接觸式信息傳遞，驅(qū)動(dòng)空心軸電機(jī)控制滑套動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)管柱全通徑、開關(guān)智能控制，提高了石油開采的工作效率和穩(wěn)定性。

1 RFID壓裂滑套的原理和結(jié)構(gòu)

射頻識(shí)別是無線電頻率識(shí)別的簡稱[8]。在RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽具有唯一的編碼，具有數(shù)據(jù)處理精確、迅速等優(yōu)點(diǎn)。在壓裂滑套上應(yīng)用RFID技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別和遠(yuǎn)距離通信，解決壓裂級(jí)數(shù)受限問題。RFID壓裂滑套控制系統(tǒng)主要由天線部分、電控部分、滑套執(zhí)行部分和標(biāo)簽球組成（圖1）。

天線置于內(nèi)筒，將讀取的信號(hào)傳遞給電控部分。電控部分分為兩部分：一部分讀取信號(hào)以驅(qū)動(dòng)空心軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，另一部分為智能滑套提供電能。內(nèi)滑套通過機(jī)械方式連接在空心軸電機(jī)輸出機(jī)構(gòu)上，并遮擋外殼上的壓裂孔槽?；孜挥谥行墓芎突淄馓淄仓g，初始狀態(tài)下滑套處于關(guān)閉狀態(tài)。

在壓裂滑套控制系統(tǒng)中，當(dāng)標(biāo)簽球通過天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，通過天線間的耦合，標(biāo)簽球從電磁場(chǎng)中獲取足夠的能量，并將自身存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)編碼調(diào)制后經(jīng)內(nèi)置天線向外發(fā)送。讀寫器接收從標(biāo)簽球傳來的載波信號(hào)，通過對(duì)載波信號(hào)的解調(diào)和解碼，還原出標(biāo)簽球內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過電控部分處理發(fā)送指令信號(hào)，控制滑套執(zhí)行部分動(dòng)作。如果信號(hào)識(shí)別碼與控制裝置匹配，那么電控部分控制電機(jī)關(guān)閉該段的管道閥門，實(shí)現(xiàn)對(duì)該段管道的封堵，從而完成該段的壓裂。不同壓裂段不是通過球座尺寸來區(qū)別，而是通過標(biāo)簽球的標(biāo)識(shí)碼來識(shí)別，從而達(dá)到壓裂級(jí)數(shù)不受限制的目的。

圖1 RFID壓裂滑套控制系統(tǒng)

2 編碼與通信

RFID收發(fā)裝置由無線收發(fā)模塊和天線單元組成，完成操作命令非接觸式傳遞，并通過天線由無線收發(fā)模塊將控制信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)。當(dāng)RFID系統(tǒng)工作為近場(chǎng)模式時(shí)，讀寫器與標(biāo)簽球之間的能量和信號(hào)傳輸以電感耦合方式完成[9]。應(yīng)答器的天線線圈和電容器構(gòu)成振蕩回路，通過諧振調(diào)諧到讀寫器的發(fā)射頻率，標(biāo)簽球的天線線圈和電容構(gòu)成振蕩回路以調(diào)諧讀寫器的發(fā)射頻率。電控板部分與RFID識(shí)別模塊的核心芯片PIC單片機(jī)的UART_RX、UART_TX相連接，實(shí)現(xiàn)兩部分的聯(lián)調(diào)通信。RFID模塊主要包括4部分：波特率部分、接受串行輸入數(shù)據(jù)部分、發(fā)送串行輸出數(shù)據(jù)部分和接口轉(zhuǎn)換部分。

寫入標(biāo)簽球里的數(shù)據(jù)為：8位數(shù)據(jù)起始位+8位地址位+13字節(jié)的控制數(shù)據(jù)+8位CRC校驗(yàn)。其中8位地址位循環(huán)遞增，利用該地址的唯一性防止標(biāo)簽球內(nèi)反排裝置再次動(dòng)作[10]：RFID讀寫器針對(duì)每個(gè)標(biāo)簽球內(nèi)的信息只讀一次，當(dāng)再次遇到同一個(gè)地址編碼的標(biāo)簽球時(shí)，則放棄對(duì)其信息的讀出和處理。對(duì)標(biāo)簽球進(jìn)行信號(hào)寫入時(shí)，設(shè)置CRC校驗(yàn)。當(dāng)RFID部分識(shí)別信號(hào)后，如果校驗(yàn)正確，就把所有數(shù)據(jù)存到共享存儲(chǔ)器中，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。電控部分檢測(cè)到壓力脈沖信號(hào)，通過I/O口通信觸發(fā)喚醒RFID讀寫器讀取標(biāo)簽球內(nèi)信息，并向電控系統(tǒng)發(fā)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)讀取數(shù)據(jù)，判斷地址位，執(zhí)行相應(yīng)功能。RFID通信流程如圖2所示。

圖2 RFID通信流程圖

ISO/IEC11784/5標(biāo)準(zhǔn)具有兩種工作模式：TTF（Transponder Talks First） 模 式 和RTF（Reader Talks First）模式，兩種模式可互相轉(zhuǎn)換[11]。TTF模式標(biāo)簽球狀態(tài)為Power Off—ready—TTF（自動(dòng)發(fā)送標(biāo)簽球內(nèi)數(shù)據(jù)），RTF模式標(biāo)簽球狀態(tài)為Power Off—ready—Init—Selected（發(fā)Read page指令讀取標(biāo)簽球內(nèi)數(shù)據(jù)）。對(duì)于井下的RFID讀寫器，為了適應(yīng)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽球攜帶的控制數(shù)據(jù)的讀取，采用TTF通信模式[12]。

在地面數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)向標(biāo)簽球?qū)懭肟刂茢?shù)據(jù)時(shí)加入8位CRC校驗(yàn)碼，以保證數(shù)據(jù)的正確性，井下讀寫器讀取到控制數(shù)據(jù)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)[13]，如果正確則將控制數(shù)據(jù)存入公用的EEPROM。當(dāng)外部觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生中斷喚醒系統(tǒng)時(shí)，讀寫器等待標(biāo)簽球通過天線范圍[14]，讀取標(biāo)簽球內(nèi)的控制數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信流程圖

3 電機(jī)設(shè)計(jì)

空心軸電機(jī)是滑套執(zhí)行部分的核心，電機(jī)為壓裂滑套提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)滑套啟閉。井下空間狹窄，且管道中間還有流體經(jīng)過，普通電機(jī)由于其實(shí)心構(gòu)造難以用于井下，為井下工具提供動(dòng)力。而空心軸電機(jī)不同于普通電機(jī)，其轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)為中空的，流體可以從中經(jīng)過。因此本設(shè)計(jì)所選的電機(jī)為空心軸電機(jī)。電機(jī)裝在電機(jī)外套筒內(nèi)，電機(jī)外殼上的凸起卡在電機(jī)外套筒的凹槽內(nèi)，防止電機(jī)徑向轉(zhuǎn)動(dòng)。

空心軸電機(jī)的3個(gè)霍爾信號(hào)先經(jīng)過74HC14相器后再經(jīng)過阻容電路與定時(shí)器A的3個(gè)輸入通道相連接，微控制器可以檢測(cè)到每個(gè)輸出信號(hào)的上升沿和下降沿，從而控制電機(jī)精確換相[15]。通過異或后的輸入捕獲結(jié)果不能提取出轉(zhuǎn)子方向信息，然而通過比較轉(zhuǎn)子當(dāng)前狀態(tài)及前一狀態(tài)可以重構(gòu)轉(zhuǎn)子方向[16]。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要由頂板、液壓千斤頂、基座、傳感器、拉桿、支撐板和滑套短節(jié)組成。實(shí)驗(yàn)可分為單元性實(shí)驗(yàn)和功能性實(shí)驗(yàn)兩種。

（1）單元性實(shí)驗(yàn)包括RFID信號(hào)識(shí)別性測(cè)試、RFID標(biāo)簽球耐高溫測(cè)試、RFID標(biāo)簽球耐高壓測(cè)試。測(cè)試結(jié)果是：①采用清水實(shí)驗(yàn)，流速小于4.5m/s時(shí)識(shí)別率為100%；當(dāng)采用壓裂液測(cè)試時(shí)，隨著流速增大，識(shí)別率略有降低，但流速小于4m/s時(shí)識(shí)別率不低于95%。②把標(biāo)簽球放入125℃的油中加熱，5小時(shí)后識(shí)別率未受影響。③將標(biāo)簽球放入試壓腔打壓至70MPa，20個(gè)標(biāo)簽球只有一個(gè)受損，其余19個(gè)完好，信號(hào)識(shí)別不受影響。

（2）功能性實(shí)驗(yàn)為整機(jī)裝配后的開度實(shí)驗(yàn)，采用清水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)方案：通過對(duì)滑套設(shè)置不同的開度，對(duì)標(biāo)簽球中程序進(jìn)行修改，給予標(biāo)簽球不同的命令[17]。當(dāng)標(biāo)簽球通過RFID讀寫器的天線時(shí)，天線讀取信號(hào)傳遞給控制器，控制器則根據(jù)不同的命令驅(qū)動(dòng)空心軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到設(shè)定的滑套開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑套精準(zhǔn)控制, 每個(gè)標(biāo)簽球投遞了5次。實(shí)驗(yàn)過程中驗(yàn)證的問題包括：①如不考慮標(biāo)簽球的反排問題，不對(duì)標(biāo)簽球進(jìn)行屏蔽操作，驗(yàn)證標(biāo)簽球可否反復(fù)使用；②如沒有重新寫入命令而再次被投入，則被控制滑套是否動(dòng)作。經(jīng)驗(yàn)證：標(biāo)簽球可反復(fù)使用，當(dāng)同一標(biāo)簽球投入后，被控制滑套不會(huì)重復(fù)動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)智能滑套的開度共設(shè)置5種：0（全關(guān)）、1/4、1/2、3/4、1（全開），可在標(biāo)簽球中寫入對(duì)應(yīng)命令進(jìn)行控制。每一個(gè)命令對(duì)應(yīng)一個(gè)絕對(duì)開度，控制器接收到這個(gè)對(duì)應(yīng)命令，滑套就被打開到對(duì)應(yīng)開度（表1）。

實(shí)際操作中，僅對(duì)0號(hào)短節(jié)進(jìn)行了控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 滑套開度設(shè)置

表2 開度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電控板通過電壓型壓力傳感器采集信號(hào)，捕獲壓力脈沖信號(hào)并編碼，控制空心軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滑套開關(guān)[18]。根據(jù)不同的壓裂脈沖信號(hào)，對(duì)滑套關(guān)閉或打開一定的開度：全開、全閉、3/4開度、1/2開度、1/4開度，調(diào)試時(shí)會(huì)有相應(yīng)的指示燈亮，通過實(shí)驗(yàn)已驗(yàn)證其工作情況正常，能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制器通過驅(qū)動(dòng)空心軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)能達(dá)到設(shè)定的滑套開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑套精準(zhǔn)控制。通過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量計(jì)算開度的誤差，平均誤差約為3%，最大不超過5%。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了當(dāng)同一標(biāo)簽球投入后，被控制滑套不會(huì)重復(fù)動(dòng)作，即任何一級(jí)滑套對(duì)同一個(gè)控制指令只執(zhí)行一次。

5 結(jié)論

通過本次實(shí)驗(yàn)，井下RFID讀寫模塊讀取到RFID標(biāo)簽球后將信號(hào)傳遞至電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)將信號(hào)進(jìn)行處理后控制電機(jī)相應(yīng)動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)滑套的啟閉。當(dāng)RFID標(biāo)簽球投遞識(shí)別成功后，控制系統(tǒng)通過檢測(cè)比較上次滑套開度與本次設(shè)置滑套開度的差值，進(jìn)行調(diào)節(jié)并執(zhí)行操作，滑套執(zhí)行成功率達(dá)100%?；组_度誤差平均值約為3%，其中標(biāo)簽球執(zhí)行操作為由初始密閉位置打開滑套。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相符合。

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Design of RFID-based sliding sleeve control system

Shen Zhiwei1, Li Hongwei1, Liu Bing1, Liu Wei2
(1 School of Electronics and Information Engineering, Southwest Petroleum University; 2 School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University)

In order to achieve unrestricted fracturing stages and consistent and intelligently controllable sliding sleeves in all stages, a sliding sleeve control system is designed on the basis of radio frequency identifcation (RFID) technology. When the RFID tag ball passes through the fracturing string, the stored data is sent to the downhole through the coupling between in-built antenna and reader antenna. The reader sends a command signal to the electronic control unit according to different settings after receiving the carrier signal. The electronic control unit drives the hollow-shaft motor to rotate, and the hollow-shaft motor realizes accurate commutation through the Hall signal, so that the openness and opening/closing of sliding sleeve is intelligently adjusted. An experiment was conducted on the bench to verify the reliability of the system.

radio frequency identifcation (RFID), sliding sleeve, antenna, hollow-shaft motor, openness

TE834.2

A

申志偉（1991-），男，河南安陽人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂?、射頻識(shí)別。地址：四川省成都市新都區(qū)新都大道8號(hào)，郵政編碼：610500。E-mail：s_joshua@163.com

2016-05-23；修改日期：2017-01-17

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.02.014