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、震動沖擊、灰塵顆粒、電磁干擾、油污泥漿等容易對標簽造成影響的各種環(huán)境因素。常規(guī)的電子標簽產(chǎn)品在抗金屬、耐溫、耐壓性能上無法適應油田當前的環(huán)境， 因此進行有針對性的開發(fā)，使得電子標簽能夠適應油田井下惡劣的高溫、高壓環(huán)境，實現(xiàn)電子標簽技術(shù)的油田化應用。

1 國內(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)的典型應用是可以將所有物品通過射頻識別系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)物體個體信息的采集，進而實施針對設備、資產(chǎn)的智能化識別和管理。借助該技術(shù)手段，企業(yè)可以隨時了解有關產(chǎn)品的位置和信息，達到定位、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)主要由標簽設計、標簽封裝、讀寫設備的設計和制造、系統(tǒng)集成、中間件、應用軟件等環(huán)節(jié)組成。目前我國剛形成較為成熟的RFID產(chǎn)業(yè)鏈條，但缺少一些產(chǎn)品的核心技術(shù)，尤其是標簽、中間件等方面。中低、高頻標簽封裝技術(shù)在國內(nèi)已基本成熟，但只有少數(shù)企業(yè)具備了超高頻讀寫器設計制造能力。國內(nèi)企業(yè)基本具有RFID天線的設計和研發(fā)能力。系統(tǒng)集成是發(fā)展相對較快的環(huán)節(jié)，而中間件及后臺軟件部分還比較弱。

2 鉆具耐高溫高壓RFID電子標簽的研制

2.1 電子標簽設計理論研究

RFID 系統(tǒng)的通信過程是閱讀器給標簽發(fā)送信息和獲得標簽上信息的過程。由于無源標簽本身沒有電源，所以必須依靠從閱讀器發(fā)送的射頻信號中獲得能量，即所謂的波束供電技術(shù)。而標簽獲得能量僅夠標簽本身使用，沒有多余的能量可供射頻信號源工作，必須利用無源反射調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)閱讀器與標簽之間的通信。無源反射調(diào)制技術(shù)的原理就是在RFID 系統(tǒng)的整個通信過程中只存在一個發(fā)射機，即閱讀器。標簽在應答過程中對閱讀器發(fā)射的連續(xù)波射頻信號進行調(diào)制，再將已調(diào)制的射頻信號反射回去，被閱讀器接收解碼，完成信息傳遞。波束供電技術(shù)和無源反射調(diào)制技術(shù)是無源 RFID 系統(tǒng)的兩大關鍵技術(shù)。

2.2 提升電子標簽性能技術(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，對天線結(jié)構(gòu)和芯片與天線連接工藝等方面進行了研究。

2.2.1 天線結(jié)構(gòu)研究

采用寬帶對稱振子天線，減小振子天線的長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，通常應用此方法的天線結(jié)構(gòu)包括雙錐天線、盤錐天線、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引起部分反射波，這種方法對改善帶寬的效果十分有限。

圖1 寬帶RFID 標簽天線

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）設計無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進行連接。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是最普通的工序之一。選擇焊接材料和錫球焊盤的結(jié)構(gòu)材料來優(yōu)化電氣和機械連接。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)的凸點電極不僅僅沿芯片四周邊緣分布，還可以通過再布線實現(xiàn)面陣分布。因而倒裝芯片焊接技術(shù)具有如下優(yōu)點：

(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， 信號完整性、頻率特性更好；

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

(5) 倒裝凸點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看，生產(chǎn)效率高，降低了批量封裝的成本。

3  鉆具標簽安裝方案探究

在鉆桿上安裝專用RFID 標簽，安裝標簽后不影響鉆桿的常規(guī)使用和性能，同時安裝后的標簽能夠被RFID 讀寫器讀取，讀取率≥ 99.5%。

3.1 電子標簽安裝設計

鉆桿開孔模型如圖 2 所示。標簽為圓柱型，可以通過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，耐振動沖擊冷熱影響， 安裝后標簽沉入鉆桿接頭表面一點，既不影響鉆桿的正常使用， 也能達到保護鉆具標簽的目的，同時標簽上表面即天線端不被遮擋，確保在實際使用時被讀寫器感知并獲取數(shù)據(jù)。此外， 安裝鉆具標簽時，在標簽孔中涂抹強粘性膠，以加強標簽的牢固程度。

圖 2 鉆桿開孔模型圖

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

圖 3 標簽安裝示意圖

在注入緊固膠時，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，膠在填充了鉆具標簽和鉆桿上孔之間的縫隙之后，多余的膠被擠出來，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 鉆具開孔后力學分析

(1) 模型構(gòu)建

在旋轉(zhuǎn)鉆進過程中，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

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

（a）無孔模型（b）有孔模型

圖 6 開孔前后受力分析比較

4 鉆具 RFID電子標簽信息讀取技術(shù)研究

4.1 移動手持終端

采用油田現(xiàn)場專用的移動手持終端，便于攜帶，支持超高頻、條形碼、WiFi、3G、GPS、現(xiàn)場攝像等功能模塊，可實現(xiàn)在鉆具的發(fā)貨、物流環(huán)節(jié)、井場接收、盤點等節(jié)點的鉆具信息讀取和錄入功能。手持機實物如圖 7 所示。

圖 7 手持機實物圖

4.2 鉆具現(xiàn)場專用讀寫器研究

在井口采用固定讀寫器讀取下井鉆具信息和檢修完成入庫鉆具信息。結(jié)合井口操作環(huán)境，設計選用固定讀寫器讀取鉆具標簽信息，監(jiān)測鉆具下井過程，設備安裝在鉆機轉(zhuǎn)盤下方。經(jīng)試驗證明，金屬能夠完全屏蔽 RFID 信號，為避免 RFID 標簽背對讀寫器，RFID 信號被鉆桿屏蔽的情況出現(xiàn)，井口固定讀寫器天線采用陣列部署，環(huán)形安裝以確保準確讀取。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

固定讀寫器需要結(jié)合鉆具各階段應用環(huán)境、鉆具管理要求做針對性開發(fā)設計。鉆具固定讀寫器設計標準如下：

符 合標準：支持 ISO18000-6B 及ISO18000-6C（EPCC1G2）標準；

工作模式：提供主 - 從、定時、觸發(fā)三種工作模式；

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

升級方便 ：同類產(chǎn)品中特有的軟件升級方式，可實現(xiàn)設備遠程在線升級；

可靠性高：識別距離遠、識別速度快、多標簽識別能力強、可長時間穩(wěn)定工作。

5 結(jié) 語

通過對鉆具標簽性能的研究，充分了解了 RFID 電子標簽在抗金屬、抗溫、抗震等方面的性能指標，創(chuàng)新性地提出了一種在鉆具上安裝電子標簽的方法，并經(jīng)過力學分析驗證了其可行性，同時對鉆具標簽的現(xiàn)場識別進行了應用介紹。