無線射頻壓裂滑套系統模擬試驗研究

張利巍 孫露凱 范立華

將無線射頻識別（RFID）技術應用到油水井壓裂中，能夠很好地解決現有壓裂滑套存在的壓裂級數受限、操作非智能等諸多問題。因井下工況復雜，理論分析與實際應用差別較大，為進一步系統地探究井下無線射頻系統的開發應用，使用三維軟件設計無線射頻滑套模擬試驗臺，對標簽的運動狀態進行理論分析，并建立室內模擬試驗平臺，系統地進行井下相關試驗。試驗結果表明：標簽選擇有鐵氧體磁芯，且天線繞制形式選用單層螺線管線圈，可以提高整個系統的性能；在系統電感值相同的情況下，單層螺線管天線軸向長度對閱讀器模塊能識別的標簽最大通過速度有積極的影響；標簽天線線圈與閱讀器天線線圈平面之間的角度也會影響標簽的識別率。研究結果對井下無線射頻系統的開發應用具有一定的指導作用。

油水井壓裂；滑套；無線射頻識別；標簽；試驗臺；天線

Simulation Test on Wireless Radio Frequency

Fracturing Sliding Sleeve System

When the wireless radio frequency identification （RFID） technology is applied in the fracturing of oil and water wells， the problems such as limited fracturing stages and non-intelligent operation of existing fracturing sleeve are well solved. However， the downhole conditions are complex， and there are some big differences between theoretical analysis and practical application. To further systematically explore the development and application of downhole wireless radio frequency system， a 3D software was used to design a wireless radio frequency sliding sleeve simulation test bench to conduct theoretical analysis on the labelled motion state. Then， a laboratory simulation test platform was built to conduct related downhole test. The test results show that selecting a ferrite core for the label and using a single-layer solenoid for antenna winding form can improve the performance of the whole system. Under the same inductance value of the system， the axial length of the single-layer solenoid antenna has a positive impact on the maximum passing speed of label that can be identified by the reader module. The angle between the label antenna coil and the reader antenna coil planes can also affect the identification rate of the label. The research results have certain guiding significance for the development and application of downhole wireless radio frequency system.

oil water well fracturing;sliding sleeve;RFID; label; test bench; antenna

0 引 言

近年來，國內外對石油燃料的需求不斷增加，如何提高油氣藏產量備受關注［1-2］，而最有效的手段就是對目標油藏進行高效且智能的開采［3］。隨著無線射頻識別（RFID）技術在井下工具控制和油田鉆井工具數字化等領域的不斷發展，國內外已經有很多關于井下無線射頻技術的研究。無線射頻技術應用于石油天然氣領域將是未來石油工業的發展趨勢。

水力壓裂技術是油氣田增產增注的有效手段。其中，分段壓裂技術是當前可以使油藏產能得以提高的關鍵技術，其通過投球打開滑套的方式進行分段壓裂。但在壓裂施工的過程中，投球打套逐層施工，鋼球必然按照直徑從小到大的順序依次投放，因此分段壓裂的級數會受到限制，且靈活性不高?；赗FID技術的滑套開關工具最顯著的優勢是投球直徑相同，且對打開滑套的次數沒有限制，理論上可實現管柱全通徑、無限級數的壓裂［4］。由于井下工況環境復雜，多種因素都會干擾無線射頻滑套的穩定性，從而影響系統的標簽識別率［5］。對于無線射頻滑套系統的開發應用，國內目前還停留在研究階段，國外也處于試驗階段，均未在實際工作中廣泛應用［6］。

為了提高RFID技術應用在油水井壓裂滑套系統中的穩定性，筆者設計并搭建了一套無線射頻滑套模擬試驗臺［7-8］，進行標簽運動狀態試驗和不同磁場條件下信號收發試驗［9］，并對標簽的運動狀態進行理論分析。通過模擬不同目的和條件下的系統試驗，探究RFID標簽在實際工況下的識別率和系統工作的穩定性［10-11］。

1 井下RFID技術簡介

RFID技術為基礎的油水井壓裂滑套系統，可通過無線射頻方式實現數據能量的非接觸式傳輸［12-13］。系統主要由電子標簽、天線單元、控制單元、執行單元、動作單元、連接單元等部分構成［14］，具體連接關系如圖1所示。

無線射頻滑套系統工作時，井下閱讀器控制單元和標簽通過井上計算機寫入特定信息碼，標簽和信息碼形成唯一對應的關系。在對某一油層進行壓裂，打開相對應的滑套時，向管柱內投入該目標層相對應的標簽，該標簽通過目標層滑套時就會獲得感應電流，即可發送出存儲在標簽芯片中的信息碼。閱讀器天線接收到標簽攜帶的命令后，由中央控制單元對命令進行解讀，控制單元對信息處理后輸出控制命令，相對應的滑套執行單元即會進行滑套的開關操作，進而實現非接觸式打開或關閉滑套的功能［15］。

2 裝置模型建立

2.1 裝置簡介

無線射頻滑套模擬試驗臺是一種用于模擬井下無線射頻信號傳輸和接收的裝置。該試驗臺通過模擬真實的井下系統環境，可以進行標簽運動狀態試驗和不同磁場條件下信號收發試驗，得到標簽的工作參數，并通過數據分析和評估，測試無線射頻滑套系統的穩定性、可靠性，為進一步優化無線射頻壓裂滑套系統提供理論依據和試驗支撐。

2.2 試驗臺模型設計

無線射頻滑套模擬試驗臺主要用來進行無線射頻系統性能試驗、標簽球運動狀態試驗和不同磁場條件下的信號收發試驗。試驗臺主要由試驗管柱、天線、標簽、滑輪、固定支架、底部閥門和試驗平臺組成，其結構模型如圖2所示。在試驗設計中，選擇TK4100作為標簽芯片，工作頻率為125 kHz，封裝的標簽小球直徑為30 mm；閱讀器射頻模塊選用電感值為400 μH的YL0301和電感值為68 μH的RDM6300，工作頻率為125 kHz。此外，還選取了電感值為100和170 μH的射頻模塊，閱讀器天線選用直徑為0.67 mm的銅漆包線。試驗管柱分為2層，內層選擇外徑為75.9 mm的亞克力有機玻璃管，外層可自由匹配附加半剖標準油管對稱夾持。選用不銹鋼U形尼龍軸定滑輪來減小摩擦力對系統的影響。在有機玻璃管柱距離底部1 cm處開一個G1/4型閥門。設計一個簡易的試驗臺固定支架，支架整體設計結構如圖3所示。

無線射頻滑套系統的工作原理基于射頻識別技術。系統的主體部分放置在平臺上，通過支架固定試驗管柱。在系統開始工作前，根據既定的電感值，將天線線圈繞制在有機玻璃管的外壁上，閱讀器模塊與計算機之間使用USB轉TTL線進行連接。在系統工作過程中，首先打開計算機上的串口軟件，將標簽連接到細繩上，并通過試驗管柱正上方的滑輪來控制標簽位置，將其放置在特定的高度。當標簽位于和天線線圈的有效通信范圍內時，閱讀器模塊可以識別到標簽，并將讀取到的標簽信號返回到串口軟件上。通過觀察串口返回值，可以判斷標簽與閱讀器模塊之間是否正常通信，從而實現兩者之間的數據傳輸。通過以上步驟，系統能夠實現對標簽的識別和數據傳輸，為后續工作提供基礎。

3 試驗與分析

利用前述設計的無線射頻滑套模擬試驗臺進行相關模擬試驗，探究RFID技術用于控制井下工具的可行性，得到不同條件下影響系統標簽識別率的相關因素，為進一步優化無線射頻壓裂滑套系統提供試驗依據。

3.1 裝置初始狀態確定

在實際工況下，標簽進入管柱并到達閱讀器天線，最終標簽達到平衡狀態，做勻速運動。在平衡狀態下：

G=F+f（1）

在流體中所受到的黏滯阻力f為：

f=6πηvr（2）

由式（1）和式（2）得

式中：G為標簽重力，N;F為標簽所受浮力，N；f為標簽所受黏滯阻力，N；η為流體的黏度系數，Pa·s；r為標簽小球的半徑，m；v為標簽小球的速度，m/s；ρ為液體密度，kg/m3；v1為小球達到平衡狀態的速度，m/s；V為排開液體的體積，m3；g為重力加速度，m/s2。

假設儲層深度為900 m，井內液體密度一般在1.05×103 kg/m3，黏度在13～21 mPa·s。黏度為13 mPa·s時，所能達到的收尾速度大約為7.6 m/s。假設小球一直以最終速度7.6 m/s從井口運動到井下閱讀器感應區域，所需時間約為1.97 min。當黏度為21 mPa·s時，所能達到的收尾速度大約為4.7 m/s。假設小球一直以最終速度4.7 m/s從井口運動到井下閱讀器感應區域，所需時間約為3.19 min。

在進行速度相關試驗的過程中，標簽速度的設定有2種情況。

（1）管柱內的介質為空氣，在自由落體狀態下進行速度試驗，標簽被識別時的速度在試驗中作為已知量，便可以求出試驗中自由落體的距離，也即標簽初始位置距離天線上段有效通信處的距離。

（2）管柱內介質為胍爾膠壓裂液，標簽在下落的過程中先進行自由落體（空氣阻力不計）；然后進入管柱的液體中，標簽經歷在空氣中的自由落體和進入液體中的加速度減小的變加速運動。標簽在自由落體部分的運動按照第一種情況進行求解，在標簽變加速運動的過程中，根據牛頓第二定律，可以計算v與x的關系：

即解

設a=-6πη，b=mg-ρgV。對式（5）積分可得：

m1/a2av2+b-blnav2+b-

m1/a2av0+b-blnav0+b=h

（6）

式中：v0為小球到達液體表面速度，m/s；v2為小球到達天線速度，m/s；h為液體表面到天線的距離，m。

根據式（6），可以通過MATLAB軟件求出特定速度下所需的自由落體運動的位移，達到指導初始條件的目的。

3.2 試驗系統性能試驗

所選用的有機玻璃管類似于天線線圈骨架，主要用于固定天線線圈，并滿足系統周圍磁場不受影響的要求。然而，在實際工況中，井下的金屬管柱會對無線射頻系統識別產生影響。為了模擬實際工況下金屬管柱的影響，可以在天線線圈外面加上金屬管柱，通過改變外加金屬管柱的材質來探究不同金屬管柱對系統識別的影響。這樣，在試驗中可以模擬出實際工況下金屬管柱存在的情況，進一步研究和優化無線射頻系統的性能。

試驗中封裝了無鐵氧體磁芯的餅狀標簽、有鐵氧體磁芯的餅狀標簽和有鐵氧體磁芯的小球標簽，標簽的投送選擇用細繩進行控制，便于回收投入管柱的標簽。模擬井下壓裂系統試驗裝置的RFID系統主要包括閱讀器、標簽和天線。模擬井下環境的裝置主要由亞克力玻璃管、胍膠液、半剖標準油管組成。

根據試驗臺搭建的試驗裝置如圖4所示。

為了驗證標簽結構的影響，繞制了螺線管長度為35 cm的單層螺線管天線，以無氧和有氧的餅狀標簽測量有效通信距離，在68和400 μH電感條件下，每組試驗進行5次，測得的試驗數據如圖5所示。在400 μH電感環形空心線圈條件下，以無氧和有氧的餅狀標簽進行識別試驗，測得的閱讀器模塊讀取情況如表1所示。

由圖5可知，在同一標簽結構下，如果電感值太大，標簽與天線的上端有效通信距離會相應地減小。在同一電感值情況下，加入鐵氧體磁芯的標簽，測得的上端有效通信距離數據更加穩定，說明在標簽中加入鐵氧體磁芯可以增強標簽識別的穩定性，特別是在閱讀器天線線圈稀疏的地方。由表1可知，未加入鐵氧體磁芯的標簽能被識別的最大速度約為2.0 m/s，加入鐵氧體磁芯能被識別的最大速度約為2.5 m/s，說明加入鐵氧體磁芯后，增大了標簽的識別速度，也增加了識別率。將電感值為400 μH的射頻模塊和電感值為68 μH的螺線管天線進行識別試驗，結果顯示兩者標簽無法被識別，說明射頻模塊和螺線管天線的電感值必須進行匹配。

為了探究天線線圈的繞制形式對井下RFID系統的影響，分別繞制了68 μH環形空心線圈天線、68 μH單層螺線管線圈天線和400 μH環形空心線圈天線進行速度相關試驗。試驗數據如表2所示。

由表2可知，在環形空心線圈的條件下，閱讀器模塊電感越大，標簽能被識別到的次數越多，說明識別效果越好。再對比68 μH的環形空心線圈和單層螺線管線圈可知，在電感相同的情況下，環形空心線圈無法兼顧標簽的速度和反應時間，而單層螺線管線圈和標簽能夠正常通信的速度更大，所以選用單層螺線管線圈更符合井下實際工況。

3.3 方位角測試試驗

試驗過程發現，當標簽天線線圈與閱讀器天線線圈平面夾角大于某個值時，標簽與閱讀器模塊就無法進行通信，一般把這個夾角稱為標簽通信的方位角。在閱讀器天線為環形線圈條件下，測出閱讀器模塊電感為68、100、170和400 μH的方位角，分別為58.9°、64.4°、67.0°和76.4°。試驗結果表明，隨著閱讀器模塊電感的增大，標簽天線線圈與閱讀器天線線圈之間的方位角增大，證明當標簽天線平面與閱讀器天線平面夾角為0°時，標簽的識別效果最佳。

3.4 螺線管天線長度測試試驗

為了探究單層螺線管天線長度對標簽識別的影響，進行螺線管長度影響試驗。在電感值為400 μH的情況下，用加入鐵氧體磁芯的標簽小球進行試驗，在相同的速度下重復測試10次。試驗數據如表3所示。

由表3可知：在電感值為400 μH的情況下，在測定的速度范圍內，單層螺線管天線長度為35 cm的都能夠接收到數據，信號識別效果很好;單層螺線管線圈長度為15 cm的系統，標簽能被識別的最大速度大約為4.15 m/s。這說明在系統電感值相同的情況下，單層螺線管天線軸向長度對閱讀器模塊能識別的標簽最大通過速度有積極的影響。

3.5 有磁條件下測試試驗

為了探究有磁條件對系統工作的影響，進行了有磁條件下測試試驗。用加入鐵氧體磁芯的標簽小球進行試驗，在相同的速度下重復測試10次。試驗數據如表4所示。

由表4可知：在無磁場條件下，標簽能識別的最大速度大約為4.73 m/s；在有磁條件下，標簽能識別的最大速度大約為1.34 m/s。這說明磁場條件對井下RFID系統識別影響很大，會使閱讀器識別標簽的最大速度減小。

4 結 束 語

RFID技術在油水井分段壓裂系統中具有非接觸式的優勢，能夠顯著改善工具適應能力并提高施工效率。通過試驗與分析發現，標簽的選擇、螺線管天線長度、磁場環境以及標簽天線線圈與閱讀器天線線圈平面之間的角度都對標簽的識別效果產生重要影響。首先，選擇具有鐵氧體磁芯和單層螺線管線圈的標簽，相較于無鐵氧體磁芯的標簽，系統性能可提高24.5%以上。其次，螺線管天線長度越長系統識別效果越好，在實際工況中，螺線管天線長度選擇要符合井下工況，并以系統各模塊工作需求為準。此外，室內測試還發現，通過外加油管改變管柱內磁場環境，在其他條件保持不變時，閱讀器對標簽的識別率會降低大約71.7%。最后，在方位角測試中發現，隨著閱讀器模塊電感的增大，標簽天線線圈與閱讀器天線線圈之間的方位角隨之增大，間接驗證了當標簽天線平面與閱讀器天線平面夾角為0°時，標簽通過閱讀器天線感應電動勢最大，標簽的識別效果最佳。

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