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探討石油鉆具全程動(dòng)態(tài)信息管理系統(tǒng)論文
1SAW-RFID簡介
相比于傳統(tǒng)的IC標(biāo)簽在溫度高于85℃后就不能可靠讀取，SAW-RFID技術(shù)以聲表面波（SAW）器件為核心，不但在高溫環(huán)境中信息讀取能夠?qū)崿F(xiàn)，而且克服了IC芯片工作時(shí)要求直流電源的缺陷。
SAW-RFID是一種不使用半導(dǎo)體元件的超高頻段、純無源射頻識(shí)別技術(shù)。與基于IC技術(shù)的無源射頻標(biāo)簽相比，SAW-RFID技術(shù)具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢：①具有較遠(yuǎn)的讀取距離和較強(qiáng)的信號(hào)穿透力；②可在惡劣的環(huán)境下工作；③讀取速度快，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物體[1]。
2系統(tǒng)總體方案
2.1芯片植入及防護(hù)
針對現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)識(shí)不能自動(dòng)輸出信息，無法與計(jì)算機(jī)及相關(guān)自動(dòng)采集信息儀器鏈接的不足，本文設(shè)計(jì)了一種石油鉆具內(nèi)置芯片標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，它包括螺塞和芯片標(biāo)簽。在接頭根部外壁設(shè)有凹入的平臺(tái)，螺塞為平頭平底的內(nèi)六角連接件，螺塞旋入平底螺紋盲孔中構(gòu)成內(nèi)置芯片標(biāo)識(shí)的鎖緊結(jié)構(gòu)，芯片標(biāo)簽為設(shè)有隔熱防磁層的電子標(biāo)簽。該結(jié)構(gòu)為機(jī)械式鎖緊凹腔結(jié)構(gòu)，芯片安裝位置可靠，便于配套儀器遠(yuǎn)程讀取芯片標(biāo)簽[2]，如圖1。
2.2電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)
高溫環(huán)境下應(yīng)用的SAW標(biāo)簽主要由壓電基片、叉指換能器、反射柵和天線組成。壓電基片材料是影響SAW標(biāo)簽性能的一個(gè)重要因素，也決定了SAW標(biāo)簽的應(yīng)用范圍。選用合適的基片材料會(huì)大大提高SAW標(biāo)簽的性能，能夠獲得更好的穩(wěn)定性，承受更大的載荷以及更高的工作溫度等。目前聲表面波器件所用的壓電材料有石英（SiO2），鈮酸鋰（LiNbO3），鉭酸鋰（LiTaO3）等。由于鉆桿生產(chǎn)線中工作環(huán)境溫度范圍設(shè)定在250℃左右，結(jié)合各種壓電材料在應(yīng)用中的局限性，設(shè)計(jì)采用以藍(lán)寶石為基底的氮化鋁（AIN）薄膜作為SAW標(biāo)簽的壓電基片。
SAW標(biāo)簽的金屬電極包括叉指換能器和反射柵。高溫環(huán)境對于金屬層材料的三個(gè)主要的要求為：導(dǎo)電率高、熔點(diǎn)高以及在高溫下有良好的抗氧化能力和化學(xué)惰性。鋁是常見的用于制作叉指換能器和反射柵的金屬材料，因?yàn)樗娜埸c(diǎn)是660℃，給在高溫下的應(yīng)用提供了可能。
SAW標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要考慮：天線類型、中心頻率、工作帶寬、回波損耗與駐波比、增益和阻抗匹配等幾個(gè)方面的問題。為了保證標(biāo)簽可以貼裝在金屬物體表面，采用了微帶貼片型天線，工作頻率為922.5MHz，工作帶寬為32MHz�？紤]到天線的成本及小型化，選用尺寸為80*30*1.6mm的PCB板，介電常數(shù)ε=7.5，天線的輪廓材料用銅貼片。
聲表面波器件必須進(jìn)行嚴(yán)密的封裝，用來防止外界的擾動(dòng)，以及灰塵、污漬、潮濕等。標(biāo)簽的封裝形式和引線也是影響SAW標(biāo)簽在高溫環(huán)境下穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。針對高溫環(huán)境下的SAW標(biāo)簽，設(shè)計(jì)采用全陶瓷外殼的封裝技術(shù)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.3鉆具全生命周期管理流程
從圖3所示的石油鉆具管理流程圖上不難看出，鉆具全生命周期系統(tǒng)流程可分為管具公司和鉆井隊(duì)兩部分，管具公司負(fù)責(zé)安裝SAW-RFID芯片并錄入相關(guān)信息，以及入庫、出庫的性能檢測等。鉆井隊(duì)則負(fù)責(zé)入井隊(duì)記錄、井口使用記錄、現(xiàn)場檢查記錄。
3結(jié)束語
本文介紹的鉆具全程動(dòng)態(tài)信息管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)鉆具電子信息全生命周期的動(dòng)態(tài)管理。同時(shí)，通過全過程的信息化管理，可為鉆具優(yōu)化使用提供科學(xué)依據(jù)，提高鉆具使用水平，降低因鉆具超負(fù)荷使用引起的井下故障，有效提升石油鉆具管理水平，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田、信息化油田和智慧油田的發(fā)展目標(biāo)起到積極的作用。
參考文獻(xiàn)
[1]孫鵬.石油鉆具全程動(dòng)態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2011，01（10）：56-58.
[2]張一丹.高溫環(huán)境下聲表面波射頻識(shí)別標(biāo)簽的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2013：1-5.
來源：科學(xué)與信息化 2016年30期
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