钻具RFID电子标签技术应用研究

引 言

油田生产作业区分布在平原、沙漠、丘陵、高原、海洋等环境恶劣、人烟稀少的地区，存在全金属环境、高温低寒、干燥、酸碱腐蚀、震动冲击、灰尘颗粒、电磁干扰、油污泥浆等容易对标签造成影响的各种环境因素。常规的电子标签产品在抗金属、耐温、耐压性能上无法适应油田当前的环境， 因此进行有针对性的开发，使得电子标签能够适应油田井下恶劣的高温、高压环境，实现电子标签技术的油田化应用。

1 国内外技术现状

作为一种新兴的信息化技术，物联网RFID技术的典型应用是可以将所有物品通过射频识别系统与互联网连接，实现物体个体信息的采集，进而实施针对设备、资产的智能化识别和管理。借助该技术手段，企业可以随时了解有关产品的位置和信息，达到定位、跟踪和管理的目的。

从物联网RFID产业上看，RFID产业主要由标签设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。目前我国刚形成较为成熟的RFID产业链条，但缺少一些产品的核心技术，尤其是标签、中间件等方面。中低、高频标签封装技术在国内已基本成熟，但只有少数企业具备了超高频读写器设计制造能力。国内企业基本具有RFID天线的设计和研发能力。系统集成是发展相对较快的环节，而中间件及后台软件部分还比较弱。

2 钻具耐高温高压RFID电子标签的研制

2.1 电子标签设计理论研究

RFID 系统的通信过程是阅读器给标签发送信息和获得标签上信息的过程。由于无源标签本身没有电源，所以必须依靠从阅读器发送的射频信号中获得能量，即所谓的波束供电技术。而标签获得能量仅够标签本身使用，没有多余的能量可供射频信号源工作，必须利用无源反射调制技术来实现阅读器与标签之间的通信。无源反射调制技术的原理就是在RFID 系统的整个通信过程中只存在一个发射机，即阅读器。标签在应答过程中对阅读器发射的连续波射频信号进行调制，再将已调制的射频信号反射回去，被阅读器接收解码，完成信息传递。波束供电技术和无源反射调制技术是无源 RFID 系统的两大关键技术。

2.2 提升电子标签性能技术研究

从油田使用环境（尤其是井下）出发，需要满足天线小尺寸、基板抗热震性的条件，对天线结构和芯片与天线连接工艺等方面进行了研究。

2.2.1 天线结构研究

采用宽带对称振子天线，减小振子天线的长度和直径比可以改善天线的阻抗频率特性，获得较宽的频带，即加粗振子天线的截面，通常应用此方法的天线结构包括双锥天线、盘锥天线、笼形天线、套筒天线等。如图 1 所示，加大振子天线的截面，使振子两臂成酒杯形状，中间的调谐短截线和两臂并联，这是一种典型的宽带天线。加粗振子天线的截面会引起部分反射波，这种方法对改善带宽的效果十分有限。

图1 宽带RFID 标签天线

2.2.2 芯片与天线连接工艺

采用倒装片安装工艺。倒装片（即直接贴片）设计无需使用金线和贴片粘合剂。在芯片金线压焊的位置使用合金凸点进行连接。通常是在切割芯片之前先安装锡球装，虽然仍是芯片的一部分，但芯片的焊盘并不与焊接工艺或导电胶封装工艺兼容。使用与焊料兼容的合金化合物的焊料凸点是最普通的工序之一。选择焊接材料和锡球焊盘的结构材料来优化电气和机械连接。与传统的引线键合技术（Wire Bonding）相比， 倒装芯片焊接技术键合焊区的凸点电极不仅仅沿芯片四周边缘分布，还可以通过再布线实现面阵分布。因而倒装芯片焊接技术具有如下优点：

(1) 尺寸小、薄，重量更轻 ；

(2) 密度更高，使用倒装焊技术能增加单位面积内的I/o数量；

(3) 性能提高，短的互连减小了电感、电阻以及电容， 信号完整性、频率特性更好；

(4) 散热能力提高，倒装芯片没有塑封体，芯片背面可用散热片等进行有效的冷却，提高电路的可靠性；

(5) 倒装凸点等的制备基本以圆片、芯片为单位，较单根引线为单位的引线键合互连来看，生产效率高，降低了批量封装的成本。

3  钻具标签安装方案探究

在钻杆上安装专用RFID 标签，安装标签后不影响钻杆的常规使用和性能，同时安装后的标签能够被RFID 读写器读取，读取率≥ 99.5%。

3.1 电子标签安装设计

钻杆开孔模型如图 2 所示。标签为圆柱型，可以通过嵌入式直纹挤压固定，安装位置在钻具公头最大壁厚处。利用压力将直纹压挤变形，直纹卡紧在孔里，耐振动冲击冷热影响， 安装后标签沉入钻杆接头表面一点，既不影响钻杆的正常使用， 也能达到保护钻具标签的目的，同时标签上表面即天线端不被遮挡，确保在实际使用时被读写器感知并获取数据。此外， 安装钻具标签时，在标签孔中涂抹强粘性胶，以加强标签的牢固程度。

图 2 钻杆开孔模型图

在安装钻具RFID 电子标签时，有必要遵循规范的安装流程进行标签的安装，以确保安装质量。在实际安装时，本方案的安装流程主要分为五个步骤，即钻杆开孔；涂抹紧固胶； 标签定位；敲击标签嵌入孔中；标签测试。标签安装示意图如图 3 所示。

图 3 标签安装示意图

在注入紧固胶时，使用专用的注胶工具向钻杆接头上的孔中多注入些紧固胶，这样在安装完成后，胶在填充了钻具标签和钻杆上孔之间的缝隙之后，多余的胶被挤出来，清理掉即可。紧固胶使用示意图如图 4 所示。

图 4 紧固胶使用示意图

3.2 钻具开孔后力学分析

(1) 模型构建

在旋转钻进过程中，钻柱受到的载荷主要包括钻杆自重、扭矩、泥浆内外压力、浮力以及温度变化和由于变形而产生的弯矩。

接头材料为 37CrMnMo，弹性模量 210 GPa，泊松比为0.32，材料密度为 7 850 kg/m3。钻杆所受载荷包括轴向拉力100kN， 扭矩 10kN· m， 弯矩 5kN·m， 内壁压力 6MPa，外壁压力2.5 MPa，温度变化为300℃。建模示意图如图5所示。

图 5 建模示意图

(2) 受力分析

无孔接头模型的等效应力分布如图 6（a）所示，有孔接头模型的等效应力分布如图 6（b）所示。在组合载荷作用下， 从图 6（a）的等效应力分布可以看出，在钻柱管体部分，管壁最薄，等效应力也最大，最大值为137.6 MPa。在接头加厚部分，等效应力为 20.5 MPa。在图 6（b）所示的有孔模型中，由于螺纹盲孔的出现使盲孔附近等效应力分布发生了明显改变，等效应力值也由 20.5 MPa 增加到 52 MPa，但最大等效应力仍发生在钻杆管体部分。

（a）无孔模型（b）有孔模型

图 6 开孔前后受力分析比较

4 钻具 RFID电子标签信息读取技术研究

4.1 移动手持终端

采用油田现场专用的移动手持终端，便于携带，支持超高频、条形码、WiFi、3G、GPS、现场摄像等功能模块，可实现在钻具的发货、物流环节、井场接收、盘点等节点的钻具信息读取和录入功能。手持机实物如图 7 所示。

图 7 手持机实物图

4.2 钻具现场专用读写器研究

在井口采用固定读写器读取下井钻具信息和检修完成入库钻具信息。结合井口操作环境，设计选用固定读写器读取钻具标签信息，监测钻具下井过程，设备安装在钻机转盘下方。经试验证明，金属能够完全屏蔽 RFID 信号，为避免 RFID 标签背对读写器，RFID 信号被钻杆屏蔽的情况出现，井口固定读写器天线采用阵列部署，环形安装以确保准确读取。井口天线安装方式如图 8 所示。

图 8 井口天线安装方式示意图

固定读写器需要结合钻具各阶段应用环境、钻具管理要求做针对性开发设计。钻具固定读写器设计标准如下：

符 合标准：支持 ISO18000-6B 及ISO18000-6C（EPCC1G2）标准；

工作模式：提供主 - 从、定时、触发三种工作模式；

数字接口：读写器 I/O 接口具有 4 路触发功能，4 路输出控制功能，可以外接光电或机械触发装置，控制读写器的工作状态；

升级方便 ：同类产品中特有的软件升级方式，可实现设备远程在线升级；

可靠性高：识别距离远、识别速度快、多标签识别能力强、可长时间稳定工作。

5 结 语

通过对钻具标签性能的研究，充分了解了 RFID 电子标签在抗金属、抗温、抗震等方面的性能指标，创新性地提出了一种在钻具上安装电子标签的方法，并经过力学分析验证了其可行性，同时对钻具标签的现场识别进行了应用介绍。