鉆具RFID電子標(biāo)簽技術(shù)應(yīng)用研究

引 言

油田生產(chǎn)作業(yè)區(qū)分布在平原、沙漠、丘陵、高原、海洋等環(huán)境惡劣、人煙稀少的地區(qū)，存在全金屬環(huán)境、高溫低寒、干燥、酸堿腐蝕、震動(dòng)沖擊、灰塵顆粒、電磁干擾、油污泥漿等容易對(duì)標(biāo)簽造成影響的各種環(huán)境因素。常規(guī)的電子標(biāo)簽產(chǎn)品在抗金屬、耐溫、耐壓性能上無(wú)法適應(yīng)油田當(dāng)前的環(huán)境， 因此進(jìn)行有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)，使得電子標(biāo)簽?zāi)軌蜻m應(yīng)油田井下惡劣的高溫、高壓環(huán)境，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽技術(shù)的油田化應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

作為一種新興的信息化技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的典型應(yīng)用是可以將所有物品通過(guò)射頻識(shí)別系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)物體個(gè)體信息的采集，進(jìn)而實(shí)施針對(duì)設(shè)備、資產(chǎn)的智能化識(shí)別和管理。借助該技術(shù)手段，企業(yè)可以隨時(shí)了解有關(guān)產(chǎn)品的位置和信息，達(dá)到定位、跟蹤和管理的目的。

從物聯(lián)網(wǎng)RFID產(chǎn)業(yè)上看，RFID產(chǎn)業(yè)主要由標(biāo)簽設(shè)計(jì)、標(biāo)簽封裝、讀寫(xiě)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造、系統(tǒng)集成、中間件、應(yīng)用軟件等環(huán)節(jié)組成。目前我國(guó)剛形成較為成熟的RFID產(chǎn)業(yè)鏈條，但缺少一些產(chǎn)品的核心技術(shù)，尤其是標(biāo)簽、中間件等方面。中低、高頻標(biāo)簽封裝技術(shù)在國(guó)內(nèi)已基本成熟，但只有少數(shù)企業(yè)具備了超高頻讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)制造能力。國(guó)內(nèi)企業(yè)基本具有RFID天線的設(shè)計(jì)和研發(fā)能力。系統(tǒng)集成是發(fā)展相對(duì)較快的環(huán)節(jié)，而中間件及后臺(tái)軟件部分還比較弱。

2 鉆具耐高溫高壓RFID電子標(biāo)簽的研制

2.1 電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)理論研究

RFID 系統(tǒng)的通信過(guò)程是閱讀器給標(biāo)簽發(fā)送信息和獲得標(biāo)簽上信息的過(guò)程。由于無(wú)源標(biāo)簽本身沒(méi)有電源，所以必須依靠從閱讀器發(fā)送的射頻信號(hào)中獲得能量，即所謂的波束供電技術(shù)。而標(biāo)簽獲得能量?jī)H夠標(biāo)簽本身使用，沒(méi)有多余的能量可供射頻信號(hào)源工作，必須利用無(wú)源反射調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)閱讀器與標(biāo)簽之間的通信。無(wú)源反射調(diào)制技術(shù)的原理就是在RFID 系統(tǒng)的整個(gè)通信過(guò)程中只存在一個(gè)發(fā)射機(jī)，即閱讀器。標(biāo)簽在應(yīng)答過(guò)程中對(duì)閱讀器發(fā)射的連續(xù)波射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再將已調(diào)制的射頻信號(hào)反射回去，被閱讀器接收解碼，完成信息傳遞。波束供電技術(shù)和無(wú)源反射調(diào)制技術(shù)是無(wú)源 RFID 系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 提升電子標(biāo)簽性能技術(shù)研究

從油田使用環(huán)境（尤其是井下）出發(fā)，需要滿足天線小尺寸、基板抗熱震性的條件，對(duì)天線結(jié)構(gòu)和芯片與天線連接工藝等方面進(jìn)行了研究。

2.2.1 天線結(jié)構(gòu)研究

采用寬帶對(duì)稱振子天線，減小振子天線的長(zhǎng)度和直徑比可以改善天線的阻抗頻率特性，獲得較寬的頻帶，即加粗振子天線的截面，通常應(yīng)用此方法的天線結(jié)構(gòu)包括雙錐天線、盤(pán)錐天線、籠形天線、套筒天線等。如圖 1 所示，加大振子天線的截面，使振子兩臂成酒杯形狀，中間的調(diào)諧短截線和兩臂并聯(lián)，這是一種典型的寬帶天線。加粗振子天線的截面會(huì)引起部分反射波，這種方法對(duì)改善帶寬的效果十分有限。

圖1 寬帶RFID 標(biāo)簽天線

2.2.2 芯片與天線連接工藝

采用倒裝片安裝工藝。倒裝片（即直接貼片）設(shè)計(jì)無(wú)需使用金線和貼片粘合劑。在芯片金線壓焊的位置使用合金凸點(diǎn)進(jìn)行連接。通常是在切割芯片之前先安裝錫球裝，雖然仍是芯片的一部分，但芯片的焊盤(pán)并不與焊接工藝或?qū)щ娔z封裝工藝兼容。使用與焊料兼容的合金化合物的焊料凸點(diǎn)是最普通的工序之一。選擇焊接材料和錫球焊盤(pán)的結(jié)構(gòu)材料來(lái)優(yōu)化電氣和機(jī)械連接。與傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)（Wire Bonding）相比， 倒裝芯片焊接技術(shù)鍵合焊區(qū)的凸點(diǎn)電極不僅僅沿芯片四周邊緣分布，還可以通過(guò)再布線實(shí)現(xiàn)面陣分布。因而倒裝芯片焊接技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 尺寸小、薄，重量更輕 ；

(2) 密度更高，使用倒裝焊技術(shù)能增加單位面積內(nèi)的I/o數(shù)量；

(3) 性能提高，短的互連減小了電感、電阻以及電容， 信號(hào)完整性、頻率特性更好；

(4) 散熱能力提高，倒裝芯片沒(méi)有塑封體，芯片背面可用散熱片等進(jìn)行有效的冷卻，提高電路的可靠性；

(5) 倒裝凸點(diǎn)等的制備基本以圓片、芯片為單位，較單根引線為單位的引線鍵合互連來(lái)看，生產(chǎn)效率高，降低了批量封裝的成本。

3  鉆具標(biāo)簽安裝方案探究

在鉆桿上安裝專用RFID 標(biāo)簽，安裝標(biāo)簽后不影響鉆桿的常規(guī)使用和性能，同時(shí)安裝后的標(biāo)簽?zāi)軌虮籖FID 讀寫(xiě)器讀取，讀取率≥ 99.5%。

3.1 電子標(biāo)簽安裝設(shè)計(jì)

鉆桿開(kāi)孔模型如圖 2 所示。標(biāo)簽為圓柱型，可以通過(guò)嵌入式直紋擠壓固定，安裝位置在鉆具公頭最大壁厚處。利用壓力將直紋壓擠變形，直紋卡緊在孔里，耐振動(dòng)沖擊冷熱影響， 安裝后標(biāo)簽沉入鉆桿接頭表面一點(diǎn)，既不影響鉆桿的正常使用， 也能達(dá)到保護(hù)鉆具標(biāo)簽的目的，同時(shí)標(biāo)簽上表面即天線端不被遮擋，確保在實(shí)際使用時(shí)被讀寫(xiě)器感知并獲取數(shù)據(jù)。此外， 安裝鉆具標(biāo)簽時(shí)，在標(biāo)簽孔中涂抹強(qiáng)粘性膠，以加強(qiáng)標(biāo)簽的牢固程度。

圖 2 鉆桿開(kāi)孔模型圖

在安裝鉆具RFID 電子標(biāo)簽時(shí)，有必要遵循規(guī)范的安裝流程進(jìn)行標(biāo)簽的安裝，以確保安裝質(zhì)量。在實(shí)際安裝時(shí)，本方案的安裝流程主要分為五個(gè)步驟，即鉆桿開(kāi)孔；涂抹緊固膠； 標(biāo)簽定位；敲擊標(biāo)簽嵌入孔中；標(biāo)簽測(cè)試。標(biāo)簽安裝示意圖如圖 3 所示。

圖 3 標(biāo)簽安裝示意圖

在注入緊固膠時(shí)，使用專用的注膠工具向鉆桿接頭上的孔中多注入些緊固膠，這樣在安裝完成后，膠在填充了鉆具標(biāo)簽和鉆桿上孔之間的縫隙之后，多余的膠被擠出來(lái)，清理掉即可。緊固膠使用示意圖如圖 4 所示。

圖 4 緊固膠使用示意圖

3.2 鉆具開(kāi)孔后力學(xué)分析

(1) 模型構(gòu)建

在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆柱受到的載荷主要包括鉆桿自重、扭矩、泥漿內(nèi)外壓力、浮力以及溫度變化和由于變形而產(chǎn)生的彎矩。

接頭材料為 37CrMnMo，彈性模量 210 GPa，泊松比為0.32，材料密度為 7 850 kg/m3。鉆桿所受載荷包括軸向拉力100kN， 扭矩 10kN· m， 彎矩 5kN·m， 內(nèi)壁壓力 6MPa，外壁壓力2.5 MPa，溫度變化為300℃。建模示意圖如圖5所示。

圖 5 建模示意圖

(2) 受力分析

無(wú)孔接頭模型的等效應(yīng)力分布如圖 6（a）所示，有孔接頭模型的等效應(yīng)力分布如圖 6（b）所示。在組合載荷作用下， 從圖 6（a）的等效應(yīng)力分布可以看出，在鉆柱管體部分，管壁最薄，等效應(yīng)力也最大，最大值為137.6 MPa。在接頭加厚部分，等效應(yīng)力為 20.5 MPa。在圖 6（b）所示的有孔模型中，由于螺紋盲孔的出現(xiàn)使盲孔附近等效應(yīng)力分布發(fā)生了明顯改變，等效應(yīng)力值也由 20.5 MPa 增加到 52 MPa，但最大等效應(yīng)力仍發(fā)生在鉆桿管體部分。

（a）無(wú)孔模型（b）有孔模型

圖 6 開(kāi)孔前后受力分析比較

4 鉆具 RFID電子標(biāo)簽信息讀取技術(shù)研究

4.1 移動(dòng)手持終端

采用油田現(xiàn)場(chǎng)專用的移動(dòng)手持終端，便于攜帶，支持超高頻、條形碼、WiFi、3G、GPS、現(xiàn)場(chǎng)攝像等功能模塊，可實(shí)現(xiàn)在鉆具的發(fā)貨、物流環(huán)節(jié)、井場(chǎng)接收、盤(pán)點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)的鉆具信息讀取和錄入功能。手持機(jī)實(shí)物如圖 7 所示。

圖 7 手持機(jī)實(shí)物圖

4.2 鉆具現(xiàn)場(chǎng)專用讀寫(xiě)器研究

在井口采用固定讀寫(xiě)器讀取下井鉆具信息和檢修完成入庫(kù)鉆具信息。結(jié)合井口操作環(huán)境，設(shè)計(jì)選用固定讀寫(xiě)器讀取鉆具標(biāo)簽信息，監(jiān)測(cè)鉆具下井過(guò)程，設(shè)備安裝在鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)下方。經(jīng)試驗(yàn)證明，金屬能夠完全屏蔽 RFID 信號(hào)，為避免 RFID 標(biāo)簽背對(duì)讀寫(xiě)器，RFID 信號(hào)被鉆桿屏蔽的情況出現(xiàn)，井口固定讀寫(xiě)器天線采用陣列部署，環(huán)形安裝以確保準(zhǔn)確讀取。井口天線安裝方式如圖 8 所示。

圖 8 井口天線安裝方式示意圖

固定讀寫(xiě)器需要結(jié)合鉆具各階段應(yīng)用環(huán)境、鉆具管理要求做針對(duì)性開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。鉆具固定讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

符 合標(biāo)準(zhǔn)：支持 ISO18000-6B 及ISO18000-6C（EPCC1G2）標(biāo)準(zhǔn)；

工作模式：提供主 - 從、定時(shí)、觸發(fā)三種工作模式；

數(shù)字接口：讀寫(xiě)器 I/O 接口具有 4 路觸發(fā)功能，4 路輸出控制功能，可以外接光電或機(jī)械觸發(fā)裝置，控制讀寫(xiě)器的工作狀態(tài)；

升級(jí)方便 ：同類產(chǎn)品中特有的軟件升級(jí)方式，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程在線升級(jí)；

可靠性高：識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快、多標(biāo)簽識(shí)別能力強(qiáng)、可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鉆具標(biāo)簽性能的研究，充分了解了 RFID 電子標(biāo)簽在抗金屬、抗溫、抗震等方面的性能指標(biāo)，創(chuàng)新性地提出了一種在鉆具上安裝電子標(biāo)簽的方法，并經(jīng)過(guò)力學(xué)分析驗(yàn)證了其可行性，同時(shí)對(duì)鉆具標(biāo)簽的現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別進(jìn)行了應(yīng)用介紹。