尚曉峰，劉巖巖，劉崇江，李清忠，趙驪川

(沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136)①

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基于無線射頻技術(shù)的智能滑套信號收發(fā)裝置設(shè)計(jì)

尚曉峰，劉巖巖，劉崇江，李清忠，趙驪川

(沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136)①

摘要：現(xiàn)有的石油開采技術(shù)中，傳統(tǒng)的機(jī)械滑套投球滑套在壓裂級數(shù)上有限，為提高開采效率，增加壓裂級數(shù)是關(guān)鍵。 將射頻技術(shù)應(yīng)用到滑套當(dāng)中，可解決井下滑套開閉問題。用投遞信號球作為開閉滑套的方式可以實(shí)現(xiàn)井下壓裂的無限級。 對信號的接收系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并模擬井下工況對信號球以及閱讀器進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了射頻滑套信號接收系統(tǒng)的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的信號接發(fā)系統(tǒng)工具能夠滿足所要求的性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：滑套；射頻；分段壓裂；射頻識別；信號球

水平井分段壓裂技術(shù)已成為當(dāng)今油氣開采的重要技術(shù)[1]。近年來，其技術(shù)工藝日趨成熟，對水平井水平段長度及壓裂級數(shù)的要求也隨著生產(chǎn)效率的提高而不斷增加，傳統(tǒng)的機(jī)械移動滑套和投球滑套因受滑套管徑的限制，壓裂級數(shù)受限[2]。為解決壓裂級數(shù)不受投球尺寸限制的問題，本文提出一種采用射頻技術(shù)開啟滑套的方法，實(shí)現(xiàn)智能識別和遠(yuǎn)距離通訊，同時采用與滑套結(jié)構(gòu)尺寸相近的壓裂工具，以解決壓裂技術(shù)受限的問題。

1總體方案

射頻識別(RFID)也稱之為無線電頻率識別。應(yīng)用RFID系統(tǒng)可以識別預(yù)先儲存在電子標(biāo)簽中的電子數(shù)據(jù)，由閱讀器讀出識別信息，具有智能識別和遠(yuǎn)距離通訊的特點(diǎn)。通過電感耦合方式可實(shí)現(xiàn)非接觸自動識別，信息數(shù)字化，識別效率高，可使用編碼技術(shù)在不用改變傳統(tǒng)投球滑套基本尺寸的前提下實(shí)現(xiàn)激發(fā)開啟滑套。

RFID系統(tǒng)基本工作原理是：電子標(biāo)簽為集成電路芯片，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入有效工作識別區(qū)域時，電子標(biāo)簽的天線與閱讀器天線相互切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，閱讀器的射頻載波用于為電子標(biāo)簽提供能量，電子標(biāo)簽被激活，電子標(biāo)簽向閱讀器傳送儲存數(shù)據(jù)的方式是采用對載波的負(fù)載調(diào)制。閱讀器采用載波間隙，脈沖調(diào)制，編碼調(diào)制等方式給電子標(biāo)簽及主機(jī)傳遞命令和數(shù)據(jù)。主機(jī)根據(jù)邏輯運(yùn)算識別該標(biāo)簽身份，并根據(jù)程序設(shè)定做出相應(yīng)的動作和控制，如圖1 所示。

圖1　RFID工作原理圖

RFID系統(tǒng)根據(jù)射頻耦合方式的不同一般分為電磁反向散射耦合系統(tǒng)(電磁場耦合)和電感耦合系統(tǒng)(磁耦合)兩類。

電感耦合方式是依據(jù)電磁感應(yīng)定律通過空間高頻交變磁場實(shí)現(xiàn)耦合。射頻載波頻率為135 kHz以下，適用于中、低頻工作的近距離RFID系統(tǒng)，典型作用距離為0～20 cm。由于射頻滑套內(nèi)空間較窄，所以選擇電感耦合系統(tǒng)。該系統(tǒng)的能量供應(yīng)方式是閱讀器天線線圈激發(fā)磁場，其中一部分磁力穿過電子標(biāo)簽天線線圈，通過感應(yīng)，在電子標(biāo)簽的天線線圈上產(chǎn)生電壓U，將其整流后作為芯片的工作電源[3-7]。

2信號收發(fā)裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1電子標(biāo)簽(信號球)設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽(智能標(biāo)簽)屬于應(yīng)答器的一種，主要有工作頻率、編碼調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸、信息數(shù)據(jù)儲存量，工作距離以及多標(biāo)簽識別功能。

由于井下深度較大、環(huán)境復(fù)雜，為保證電子標(biāo)簽順利到達(dá)信號接收區(qū)域，采用將電子標(biāo)簽做成球型的方式，信號球主要由信號發(fā)射裝置和球殼組成。信號球的組成及內(nèi)部各模塊功能如圖2所示。

圖2　信號球內(nèi)部模塊

1)天線。應(yīng)用目的是收發(fā)信號并取得最大傳輸效果。

2)電壓調(diào)節(jié)器。通過電感耦合方式把射頻信號一部分能量整合成直流電源。

3)調(diào)制器與解調(diào)器。從閱讀器傳輸過來的信息，通過調(diào)制解調(diào)電路送至控制單元，控制單元實(shí)現(xiàn)命令規(guī)定動作；從閱讀器傳回來的數(shù)據(jù)，經(jīng)調(diào)制解調(diào)，再在控制單元命令下寫入儲存器。

4)邏輯存儲單元。為射頻系統(tǒng)儲存識別信息。

2.2信號接收及控制系統(tǒng)

信號接收及控制系統(tǒng)又稱為閱讀器，閱讀器并不僅具有讀功能，而是泛指其具有讀寫功能 。此次設(shè)計(jì)的信號接收系統(tǒng)有3功能要求：①閱讀器保證能從電子標(biāo)簽IC芯片中讀取數(shù)據(jù)；②能夠通過ITEAD Arduino單片機(jī)對以讀取的信息進(jìn)行處理并能實(shí)現(xiàn)規(guī)定動作；③可以為電子標(biāo)簽傳輸能量(通過射頻方式)。

閱讀器由射頻接口、邏輯控制單元和天線3部分組成，如圖3所示。

圖3　閱讀器內(nèi)部各模塊功能

1)射頻接口主要任務(wù)和功能是激活電子標(biāo)簽并為IC芯片提供能量，是信號接收和發(fā)送的通道，包括編碼、調(diào)制、解調(diào)、功率放大等。

2)邏輯控制單元是閱讀器工作的核心，完成收發(fā)控制、向電子標(biāo)簽發(fā)送命令，并讀取處理數(shù)據(jù)。

其硬件主要選擇為：ITEAD Arduino開發(fā)板，RDM6300低頻射頻模塊(如圖4所示)及電磁閥等。

圖4　RDM6300射頻模塊

2.3芯片選擇及線圈設(shè)計(jì)

TK4100芯片是一種非接觸式、無源，具有防碰撞能力的只讀型CMOS集成電路微ID芯片，該芯片是由線圈終端之一從交變磁場得到相應(yīng)的時鐘頻率，該電路是磁場上外部線圈電感耦合產(chǎn)生電能以驅(qū)動TK4100芯片，如圖5所示。

圖5　TK4100芯片及線圈

操作條件：芯片外部線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓不小于3.5 V時啟動芯片。設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

1)射頻模塊。

線圈匝數(shù)N1

200

工作電流I1

50 mA

線圈大小

46 mm×32 mm×3 mm

線圈電感

47～68 μH

2)信號球線圈 。

線圈匝數(shù)N2

200

線圈內(nèi)圓直徑d

20 mm

射頻模塊線圈大小

S1=46 mm×32 mm=1 472 mm2

射頻模塊線圈所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為

B=μ0N1I1

穿過信號球線圈的磁通匝鏈數(shù)為

Ψ=N2μ0N1I1S1

兩線圈之間的互感為

信號球線圈感應(yīng)電壓大小為

TK4100ID芯片的內(nèi)部電路由模擬前端，寫解碼，比特率產(chǎn)生器，調(diào)制器，模式寄存器，控制器，測試邏輯，儲存器AFE選項(xiàng)寄存器構(gòu)成，如圖6所示。由圖6可知TK4100ID芯片與閱讀器之間的耦合方式。閱讀器向TK4100ID芯片傳送射頻能量和讀寫命令，同時接收TK4100ID芯片以負(fù)載調(diào)制方式傳送數(shù)據(jù)信號。

圖6　TK4100芯片內(nèi)部電路組成框圖

3射頻收發(fā)裝置功能試驗(yàn)

3.1信號接收

為滿足試驗(yàn)要求，需模擬井下工作環(huán)境。應(yīng)具備的試驗(yàn)條件如下：

1)搭載鉆井試驗(yàn)臺，閱讀器需要密封，避免直接暴露在液體環(huán)境中。

2)試驗(yàn)臺滑套管道直徑為150 mm。

3)安裝大排量排水泵，排水泵的排量設(shè)定分別為2.2、3.4 m3/min

4)滑套管道內(nèi)液體為油、水混合液。

測試信號球分別以2.1 m/s (水平井壓裂液)和3.2 m/s(垂直深井壓裂液)流速通過閱讀器 。測試閱讀器在這2種壓裂液流速下接收狀態(tài)，分別試驗(yàn)10次，結(jié)果均能接收到信號球發(fā)出的信號。

3.2耐溫試驗(yàn)

為了保證在井下溫度下能正常收發(fā)信號，模擬井下高溫環(huán)境，對信號球和閱讀器在高溫情況下進(jìn)行性能測試。

將信號球浸泡在的水箱中，將水箱內(nèi)的水加熱到100 ℃，通過觀察水箱外信號接收裝置接收識別信息的情況，驗(yàn)證信號球內(nèi)部電路能否受到影響。再通過水箱外部投遞信號球，觀察水箱內(nèi)的信號接收裝置是否接收到識別信息[8-12]。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，外部信號接收裝置能準(zhǔn)確地接收到水箱中信號球的識別信息，水箱內(nèi)的信號接收裝置也能接收到外部信號球發(fā)出識別信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該信號球和閱讀器可以在100 ℃高溫環(huán)境中接收信號。

3.3承壓試驗(yàn)

井下壓裂過程中，壓裂液壓力可達(dá)50 MPa，為保證信號球在井下正常工作，需設(shè)計(jì)承壓試驗(yàn)對信號球的性能進(jìn)行驗(yàn)證。

信號球殼體材料選擇有機(jī)玻璃，化學(xué)名稱為聚甲基丙烯酸甲酯?？稍谧灾坪銣爻袎簻y試裝置中進(jìn)行承壓測試。殼體直徑為30 mm，殼體開寬度為5 mm，深2 mm的槽，用于放置信號球線圈芯片，試驗(yàn)溫度為100 ℃，對殼體施加70 MPa壓力，觀察壓力變化情況。承壓試驗(yàn)壓力-時間曲線如圖7所示。在壓力增加至70 MPa后，壓力沒有出現(xiàn)下降，說明密封件未出現(xiàn)損壞，信號球能滿足70 MPa 的承壓性能要求。

圖7　信號球殼體承壓試驗(yàn)壓力-時間曲線

4結(jié)論

1)信號接收裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算符合要求。

2)通過信號接收試驗(yàn)表明，在油水混合液中，信號球以2.1和3.2 m/s速度通過閱讀器，能接收到信號球發(fā)出的信號。

3)為保證在井下溫度下能正常收發(fā)信號，信號球浸泡在水箱中，將其加熱到100 ℃，仍能準(zhǔn)確接收到信號。

4)在承壓試驗(yàn)中，在100 ℃溫度條件下，對殼體施加70 MPa的壓力，壓力值并無明顯下降，殼體承壓能力滿足要求。

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Intelligent Sliding Sleeve Signal Based on the Technology of Radio Frequency Transceiver Design

SHANG Xiaofeng，LIU Yanyan，LIU Chongjiang，LI Qingzhong，ZHAO Lichuan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136，China)

Abstract：In the present oil production technology，the traditional mechanical sliding sleeve，pitching sliding sleeve was restricted on fracturing level.Increasing the fracturing series is the key of improving the efficiency of mining.The RFID technology was induced to the sliding sleeve to solve open and close well decline set problem.The oil underground fracturing of infinite level can be realized with delivery signal balls as a means of opening.In this paper，the signal of the receiving system hardware and software design was calculated，and the experiment was introduced to simulate the oil underground signals and reader's experiment.The performance of the sliding sleeve of the radio signal receiving system was verified.The experimental results show that：the signal receiver system tool can meet the required performance indicators.

Keywords：sliding sleeve；radio frequency；staged fracturing；RFID；signal ball

中圖分類號：TE934.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.022

作者簡介：尚曉峰(1972-)，男，遼寧海城人，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榧す饪焖俪尚秃褪烷_采井下工具。

收稿日期：①2015-09-12

文章編號：1001-3482(2016)03-0089-04