一種井下儀器用RFID射頻天線設(shè)計(jì)

王恒 張達(dá) 黃建平 陳洲洋 羅翔

摘 要：針對(duì)井下高溫、高壓等惡劣環(huán)境對(duì)RFID射頻天線的影響，設(shè)計(jì)了一種井下用的RFID射頻天線。以非金屬材料作為天線骨架，使用高溫線纜作為纏繞線，同時(shí)在線圈外使用環(huán)氧樹脂等灌封保護(hù)。通過地面及入井試驗(yàn)驗(yàn)證，該天線性能穩(wěn)定，在地面及井下惡劣環(huán)境下能夠準(zhǔn)確讀取RFID信息，可廣泛應(yīng)用在應(yīng)用于智能滑套、隨鉆擴(kuò)眼工具、礦山開發(fā)工具等。

關(guān)鍵詞：井下；RFID；天線

中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to avoid the effect of high temperature， high pressure and downhole other harsh environment on RFID radio frequency antenna，this downhole RFID radiofrequency antenna is designed.The nonmetallic material as antenna framework， the high temperature wire as coil， meanwhile， in order to protect antenna， epoxy resin is potted out of coil. Experimental verification of ground test and downhole test， the antenna steady performance and accurate read RFID information in ground and downhole harsh environment， can be widely used in intelligent sliding sleeve， reaming while drilling tools， mine development tool and so on.

Keywords：Downhole；RFID；antenna

0 引言

隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的提高，低孔低滲儲(chǔ)層試油工藝主要采用大規(guī)模分段壓裂改造、排液結(jié)束后下入測(cè)試儀器獲取儲(chǔ)層參數(shù)。在壓井及提下管柱過程中易對(duì)地層造成二次污染，且因?yàn)槭嵌鄬雍蠝y(cè)，資料反映的是多層段綜合效應(yīng)，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)每段產(chǎn)能與壓裂改造效果，而準(zhǔn)確確定每層地層的動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)油藏精細(xì)分析非常重要。

目前針對(duì)上述需求，研制了基于RFID射頻通信的井下智能開關(guān)工具，這需要利用RFID天線接收RFID信號(hào)。傳統(tǒng)的天線難以滿足井下惡劣環(huán)境需要，因此研制了一種用于井下RFID射頻通信的天線，適用于高溫、高壓、高濕和高腐蝕環(huán)境，具有快速接收RFID信號(hào)特點(diǎn)。

1 RFID射頻技術(shù)簡(jiǎn)介

RFID射頻技術(shù)利用射頻信號(hào)的空間耦合或反射的傳輸特性，達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。20世紀(jì)后期，歐洲率先將RFID 技術(shù)應(yīng)用到公路收費(fèi)等民用領(lǐng)域。

近年來，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，RFID技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如門禁系統(tǒng)、護(hù)照以及動(dòng)物標(biāo)簽等，目前國(guó)內(nèi)外公司也開始嘗試將該技術(shù)應(yīng)用在井下工具上，在井下工具上裝有RFID讀卡器和天線，當(dāng)標(biāo)簽通過工具的天線區(qū)域時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，如圖1所示。

2 RFID射頻天線

2.1 RFID射頻天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種用于井下儀器的RFID射頻天線包括：天線骨架、線圈和灌封層。將圓筒形PEEG材料外面銑出幾個(gè)臺(tái)階，截面形狀為“”，中間凹槽為纏繞線圈位置；在天線骨架的下端面加工一個(gè)穿線孔；在天線骨架的再下端面處銑處兩個(gè)限位卡，目的是保證穿線孔與工具本體下接頭的穿線孔對(duì)應(yīng)。

將線圈均勻纏繞在天線骨架的中間凹槽處，在纏繞線圈的凹槽內(nèi)灌入耐高溫的環(huán)氧樹脂，如圖2所示。

RFID射頻天線安裝在井下工具本體上接頭和本體下接頭之間，利用限位卡將天線的穿線孔與本體下接頭的孔對(duì)應(yīng)上；在本體上接頭的一端對(duì)應(yīng)位置套上兩道密封圈，該密封圈主要起到防止泥沙等進(jìn)入的作用，將本體上接頭插入本體下接頭，利用套管螺紋連接，對(duì)天線起到固定限位作用；當(dāng)RFID標(biāo)簽隨著泥漿按圖3箭頭所示方向經(jīng)過RFID射頻天線時(shí)，RFID信號(hào)接收電路將接收到RFID標(biāo)簽所攜帶的信息。

2.2 天線匝數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

RFID天線處于泥漿等惡劣的井下環(huán)境中，工作頻段選擇低頻，耦合框圖如圖4所示，數(shù)據(jù)傳遞在物理層是基于電磁場(chǎng)耦合理論為基礎(chǔ)。

設(shè)讀寫器天線（原邊）的電感為L(zhǎng)1，流過原邊的電流為I1，則產(chǎn)生的總磁通Q1=L1·I1。

取讀寫器天線平面為xoy面，坐標(biāo)原點(diǎn)為天線的中心點(diǎn)，且中心軸為z軸，如圖5所示，天線回路中任一電流元Idl，由畢奧-薩法爾定律得1Idl在測(cè)量點(diǎn)P點(diǎn)的

P點(diǎn)的矢量方向?yàn)椋M(jìn)一步推導(dǎo)得N匝天線中心軸z方向磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

讀寫器相關(guān)參數(shù)下標(biāo)為1，標(biāo)簽相關(guān)參數(shù)下標(biāo)為2，當(dāng)標(biāo)簽通過讀寫器天線時(shí)，假設(shè)標(biāo)簽與讀寫器天線同軸，則標(biāo)簽天線的感應(yīng)電壓有效值為：

由于本讀卡器天線較長(zhǎng)，天線內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎相等，所以可認(rèn)為標(biāo)簽都是位于天線的中心，即d為0。

天線如圖6所示進(jìn)行纏繞，天線半徑為a，線圈有效長(zhǎng)度為l，則天線的電感量L為：

式中：N為線圈匝數(shù)，a和l的單位為cm。

3 試驗(yàn)分析

分別在空氣、水、鹽水、液壓油中測(cè)量天線電感量、讀卡器諧振電壓、標(biāo)簽讀取情況以及天線入井試驗(yàn)驗(yàn)證。

將天線裝在工具本體中，測(cè)量天線電感量、讀卡器電路諧振電壓及測(cè)試標(biāo)簽攜帶數(shù)據(jù)讀取情況，見表1。

設(shè)計(jì)天線隨RFID智能可控開關(guān)工具入井進(jìn)行試驗(yàn)服務(wù)，如圖7所示，測(cè)試天線在井下惡劣環(huán)境條件下，讀取標(biāo)簽的能力，見表2。

根據(jù)上述情況，設(shè)計(jì)的井下用RFID射頻天線在地面及井下均表現(xiàn)良好的性能，準(zhǔn)確讀取標(biāo)簽攜帶的指令信息。

結(jié)論

設(shè)計(jì)的一種用于井下RFID射頻通信的天線，適用于高溫、高壓、高濕、高腐蝕和沖刷強(qiáng)度大環(huán)境，具有全通徑及快速接收RFID信號(hào)特點(diǎn)，滿足接收地面投入標(biāo)簽指令信息的要求，在井下惡劣環(huán)境下工作穩(wěn)定，性能可靠。

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