徐貴春，唐海軍

（中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚(yáng)州 225009）

抽油桿是油田有桿抽油設(shè)備的重要部件，它將抽油機(jī)的動(dòng)力傳遞給井下的抽油泵。在生產(chǎn)過程中，抽油桿承受地層水腐蝕、管桿間偏磨及交變載荷的作用，極易發(fā)生腐蝕和疲勞斷裂。而油田在抽油桿的管理和使用上存在入井時(shí)混用、回收時(shí)混裝、修復(fù)后混放的問題，造成不同生產(chǎn)年月、不同使用時(shí)長、不同廠家的抽油桿無法區(qū)分。油井一旦混入使用年限長、疲勞程度高、質(zhì)量差的抽油桿，其斷脫的幾率就會(huì)大幅提高，從而造成油井作業(yè)工作量及成本的增加。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油桿追溯跟蹤和科學(xué)管理［1-5］，一些油田采用槽碼、附著物或圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)抽油桿進(jìn)行標(biāo)記和識(shí)別［6-7］。但抽油桿所處工況環(huán)境伴有腐蝕、結(jié)垢、磨損及原油附著，抽油桿上的標(biāo)志均存在識(shí)別率不高的問題，無法推廣應(yīng)用。近幾年興起的RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）技術(shù)使識(shí)別困難的情況徹底改觀［8-10］，其做法是在抽油桿上固定寫有抽油桿關(guān)聯(lián)信息的RFID 標(biāo)簽，并在抽油桿使用的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)其狀態(tài)信息進(jìn)行跟蹤和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油桿的“全生命周期”管理。

1 RFID標(biāo)簽抽油桿研制

采用RFID 標(biāo)簽對(duì)抽油桿進(jìn)行管理時(shí)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器讀寫范圍內(nèi)，RFID標(biāo)簽接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，并憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出標(biāo)簽存儲(chǔ)芯片中RFID 編碼信息，閱讀器讀取信息。由于抽油桿屬井下工具，標(biāo)簽需能承受高溫、高壓、強(qiáng)磁、振動(dòng)和機(jī)械沖擊，能夠抵抗地層產(chǎn)液的腐蝕，標(biāo)簽的固定方式不影響其識(shí)別距離。

1.1 RFID標(biāo)簽選擇

分別各選取3 種不同尺寸的PCB（Printed Circuit Board，印制線路板）封裝和陶瓷封裝的RFID標(biāo)簽，參數(shù)如表1 所示。同時(shí)，對(duì)這6 種裸標(biāo)簽的識(shí)別距離進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表1 RFID標(biāo)簽參數(shù)表

表2 RFID標(biāo)簽識(shí)別距離測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果看，陶瓷封裝標(biāo)簽識(shí)別距離明顯小于PCB封裝標(biāo)簽，且識(shí)別距離隨標(biāo)簽尺寸的增加而增大，考慮識(shí)別距離過大會(huì)導(dǎo)致一次性識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽而發(fā)生混亂，另外，標(biāo)簽尺寸過大固定于抽油桿上會(huì)影響油井的正常生產(chǎn)。綜合多方因素，確定選用PCB 封裝、尺寸為30 mm×5 mm×2 mm 的RFID標(biāo)簽。

1.2 RFID標(biāo)簽固定方式設(shè)計(jì)

標(biāo)簽固定方式設(shè)計(jì)的原則是標(biāo)簽不受抽油桿金屬屏蔽、固定方式不影響抽油桿的正常運(yùn)行。通過對(duì)多種初步設(shè)計(jì)方案的對(duì)比、優(yōu)選，采用抽油桿側(cè)面固塑裝配標(biāo)簽的方式實(shí)現(xiàn)RFID 標(biāo)簽的固定（見圖1）。在抽油桿扳手方頸下部利用耐磨尼龍通過注塑的方式形成固塑環(huán)，將電子標(biāo)簽裝配在固塑環(huán)的安裝槽內(nèi)，再在槽內(nèi)填充密封膠進(jìn)行封裝。此種標(biāo)簽固定方式的顯著優(yōu)點(diǎn)是不影響抽油桿強(qiáng)度、標(biāo)簽?zāi)艿玫接行ПＷo(hù)，對(duì)封裝后的標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)試，穩(wěn)定識(shí)別距離仍為75 cm左右。

圖1 RFⅠD標(biāo)簽固定方式

1.3 標(biāo)簽固定后性能測(cè)試

為驗(yàn)證固定后的標(biāo)簽在油井復(fù)雜環(huán)境下的耐受性，分別從高溫、高壓、強(qiáng)磁、沖擊四方面對(duì)封裝后的標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)試。

（1）高溫測(cè)試:將多個(gè)固定有RFID 標(biāo)簽的試驗(yàn)抽油桿短節(jié)置于加溫箱內(nèi)，最高測(cè)試溫度150℃，48 h后標(biāo)簽均可正常識(shí)別；

（2）高壓測(cè)試:將多個(gè)試驗(yàn)抽油桿短節(jié)置于高壓測(cè)試裝置內(nèi)，最高打壓35 MPa，穩(wěn)壓48 h 后，進(jìn)行標(biāo)簽識(shí)別均能通過；

（3）強(qiáng)磁測(cè)試:將多個(gè)試驗(yàn)抽油桿短節(jié)置于抽油桿修復(fù)流水線，以20.6 m/min 速度通過強(qiáng)磁探傷設(shè)備，磁感應(yīng)強(qiáng)度1.5～2 T，經(jīng)測(cè)試所有標(biāo)簽在飽和磁場(chǎng)環(huán)境下在50 cm均可識(shí)別；

（4）沖擊測(cè)試:將多個(gè)測(cè)試抽油桿短節(jié)從10 m高處垂直落下，測(cè)試5次，標(biāo)簽均能正常識(shí)別。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)生產(chǎn)的RFID 標(biāo)簽抽油桿，在油田ZH11-10、AN34 等4 口井進(jìn)行了入井應(yīng)用，評(píng)價(jià)其在井下復(fù)雜條件下的穩(wěn)定性。其中，AN34 井作業(yè)起出的RFID 標(biāo)簽抽油桿標(biāo)簽識(shí)別率達(dá)到了100%，另外3口井的標(biāo)簽抽油桿尚未起出。

2 抽油桿信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

抽油桿信息管理系統(tǒng)是利用RFID 標(biāo)簽給每根抽油桿配備一個(gè)獨(dú)一無二的身份證，對(duì)抽油桿信息進(jìn)行存儲(chǔ)、更新和管理，對(duì)抽油桿工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了抽油桿全生命周期過程的智能化識(shí)別、跟蹤、評(píng)價(jià)、查詢和管理，為油田抽油桿信息化管理提供了有效手段。

2.1 抽油桿信息管理系統(tǒng)的組成

抽油桿信息管理系統(tǒng)以服務(wù)器為核心，利用RFID 抽油桿管理軟件向信息讀寫器提供數(shù)據(jù)的查詢與修改，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

2.1.1 RFID抽油桿管理軟件

RFID 抽油桿管理軟件是運(yùn)行于Windows 平臺(tái)的一個(gè)可執(zhí)行軟件，對(duì)數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行寫入、讀取、更改等操作，以及對(duì)抽油桿狀態(tài)進(jìn)行智能分析和評(píng)價(jià)。軟件有編碼管理、出入庫管理等8個(gè)模塊，架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能

軟件從抽油桿的自動(dòng)編碼開始，對(duì)抽油桿的入庫、倉儲(chǔ)、發(fā)料、下井、檢測(cè)、修復(fù)、報(bào)廢等各環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行收集、存儲(chǔ)和管理，對(duì)抽油桿的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、分析和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了抽油桿全生命周期的智能化識(shí)別、跟蹤、評(píng)價(jià)、查詢與管理。

2.1.2 信息讀寫器

賦予每根抽油桿唯一的RFID 編碼（由阿拉伯?dāng)?shù)字和大寫字母組合形成的24 位標(biāo)簽代碼），并將其與抽油桿信息關(guān)聯(lián)，信息讀寫器完成抽油桿動(dòng)態(tài)信息的采集。信息讀寫器分固定式和便攜式，固定式讀寫器在抽油桿倉儲(chǔ)庫配合管理軟件使用。便攜式讀寫器在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，寫入的信息存儲(chǔ)于讀寫器的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)，再通過管理軟件完成數(shù)據(jù)庫信息更新。

2.1.3 服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著抽油桿信息數(shù)據(jù)的存放，將有關(guān)抽油桿的所有信息都保存到ORACLE 數(shù)據(jù)庫中，RFID 抽油桿管理軟件、信息讀寫器只作為信息管理查詢和數(shù)據(jù)編輯的操作終端，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

2.2 抽油桿信息化管理的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 抽油桿入庫信息化管理

需入庫的新、舊標(biāo)簽抽油桿，通過固定式信息讀寫器寫入或讀取年份、規(guī)格、使用狀態(tài)等信息，通過自動(dòng)分揀對(duì)合格抽油桿進(jìn)行分級(jí)分類入庫放置，并將信息上傳至抽油桿信息管理系統(tǒng)，入庫邏輯流程如圖3所示:

圖3 抽油桿入庫信息化管理流程

2.2.2 抽油桿出庫信息化管理

根據(jù)材料申請(qǐng)出庫相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)域的標(biāo)簽抽油桿，利用固定式信息讀寫器確認(rèn)抽油桿信息并清點(diǎn)無誤后進(jìn)行出庫，并將信息上傳至抽油桿信息管理系統(tǒng)，出庫邏輯流程如圖4所示:

圖4 抽油桿出庫信息化管理流程

2.2.3 抽油桿出入井信息化管理

抽油桿出入井時(shí)，利用便攜式信息讀寫器讀取抽油桿信息，并自動(dòng)記錄其出入井的名稱、時(shí)間、次序等信息，并將信息暫存于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中，待作業(yè)完畢后將信息上傳至抽油桿信息管理系統(tǒng)，出入井邏輯流程如圖5所示:

圖5 抽油桿出入井信息化管理流程

2.2.4 智能分析

偏磨分析:通過檢測(cè)時(shí)采集的抽油桿磨損信息，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的抽油桿入井信息，分析確定油井的偏磨井段，為防偏磨設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

腐蝕分析:對(duì)抽油桿在不同油藏、區(qū)塊的使用狀態(tài)跟蹤、監(jiān)測(cè)，分析腐蝕規(guī)律、特點(diǎn)，指導(dǎo)采取防腐技術(shù)措施。

壽命預(yù)測(cè):管理系統(tǒng)根據(jù)采集的抽油桿服役井及其生產(chǎn)參數(shù)（生產(chǎn)天數(shù)、沖次等）計(jì)算抽油桿沖次數(shù)，預(yù)測(cè)剩余壽命。

質(zhì)量分析:根據(jù)抽油桿信息資源，可對(duì)不同生產(chǎn)廠家的同一規(guī)格型號(hào)的抽油桿使用壽命對(duì)比分析，為產(chǎn)品質(zhì)量、供應(yīng)商評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）篩選的尺寸為30 mm×5 mm×2 mm 的RFID電子芯片具有耐高溫、耐高壓、抗磁、抗沖擊及識(shí)別距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可作為抽油桿的身份標(biāo)簽；

（2）設(shè)計(jì)的抽油桿標(biāo)簽側(cè)面固塑的裝配方式，既不影響標(biāo)簽的識(shí)別距離、強(qiáng)度性能，還能對(duì)標(biāo)簽起保護(hù)作用；

（3）開發(fā)的抽油桿信息管理系統(tǒng)滿足了抽油桿出入庫、出入井、檢測(cè)修復(fù)、分級(jí)分類等諸環(huán)節(jié)信息化管理。