0 引言

近年来，随着无线射频识别(RFID)技术在石油与天然气领域的应用，其作为井下工具的控制手段，相比于传统的机械控制方式有着不可比拟的优越性^[1-5]。由于RFID技术在控制过程中不会受到压裂级数以及管径受限等问题的影响，进而可通过利用有源天线在井下工具中配对小的无线射频识别标签来控制各种不同的设备。目前无线射频识别技术已在国外大多数石油公司得到广泛应用，并取得了显著的效果。威德福(Weatherford)公司研发的JetStream无线射频识别钻井循环接头能够有效地运移岩屑，净化井眼，相比于传统井下工具有着明显的经济优势^[6-9]。但考虑到井下环境作业的复杂多变性，各种不可抗拒因素(如高温、高压、振动以及其他设备的电磁干扰)都会对无线射频井下通信系统的稳定性造成干扰，进而影响通信信号的传输。现有研究分析多数是以静态磁场为分析对象^[10]，这种简化分析会导致结果准确性偏差较大，并且忽略了在实际情况下RFID系统处于交变磁场中成功运用的关键：电子标签在高速泵送下的读取率，即标签天线端的感应电压能否到达其芯片的最小驱动电压。针对现有分析的不足，笔者在井下RFID信号收发系统设计的基础上，又从电磁识别的影响因素方面对RFID系统的作业环境进行了分析，主要表现在井下工具金属外壳尺寸以及压裂液电导率两方面对标签感应电压有效值的影响程度和影响规律上。

1 井下RFID系统技术分析 1.1 工作原理

RFID技术的控制系统是实现这一技术的关键，其系统原理如图 1所示^[11]。

由于低频RFID系统的能量供给方式为电感耦合，所以射频源在读写器天线L₁上产生高频电流i，高频电流i产生的磁场穿过线圈，并有相对一部分磁感线穿过标签天线L₂，而穿过标签天线L₂的磁感线通过感应，在L₂上产生感应电压V_t，经整流、调制后，便得到标签芯片工作所需的直流电压V，将芯片内的数据进行编码，经内置天线向外发送，读写器天线接收从标签发射的载波信号，通过解码得到内部相应数据，根据不同的发送指令信号，依次控制执行机构的动作。

1.2 系统要求

为使井下RFID系统能够可靠工作，所设计的读写器应满足如下设计要求。

(1) 系统通信频率应选择125 kHz的低频收发波段^[12]，因为该频段穿透力强，形成的电磁场稳定，衰弱幅度小。

(2) 为了避免标签在投入井下时与油管产生过多干涉以及对井下液体的阻碍，在能够确保有效传输信号的情况下，应将标签的尺寸设计得尽可能小。

(3) 读写器在设计时应选用低功耗性能稳定的芯片，以便延长工作周期。

2 RFID系统的电感耦合

当标签进入读写器产生的交变磁场时，标签天线端会激发感应电压，同时在回路中产生电流。当近场耦合有效，标签天线所获取的能量可供标签芯片正常工作时，读写器和标签便进入了数据的交互阶段。

2.1 读写器天线磁感应强度计算

为满足标签在通过井下RFID系统时能被有效读取，读写器的天线外形应当采用空心螺线管状，如图 2所示。

图 2中，r为螺线管天线半径，x₁、x₂分别为螺线管天线两端，Q为天线轴线上任意一点，α₁为天线两端与Q之间的夹角，α₂为天线x₂端与Q之间的夹角，α为Q点积分点与轴线的夹角。

螺线管天线轴线上任意一点Q处的磁感应强度为^[10-11]：

(1)

式中：N₁为螺线管天线匝数，I为螺线管天线感应电流。

2.2 标签天线感应电压的计算

标签天线上感应电压的大小和所围面积内的磁通量的变化率成正比。感应电压V_t可表示为：

(2)

式中：N₂表示标签天线的匝数，$φ$表示单匝线圈的磁通量。

磁通量$φ$和磁感应强度B之间的关系为：

(3)

式中：磁感应强度B由读写器天线产生，S为读写器天线所围面积。

将式(1)和式(3)带入式(2)中可得：

(4)

由式(4)可推出标签谐振端电压与感应电压间的关系为：

(5)

为确保标签芯片能有效工作，其最小驱动电压不得小于0.16 V，在125 kHz工作频率下，品质因数Q的取值可以达到40。经计算，理论上标签天线两端的感应电压最小约为4 mV。

3 RFID系统井下环境电磁仿真 3.1 井下RFID系统磁场影响因素

井下RFID系统工作时，当电子标签随压裂液通过读写器天线时，若不能与天线产生足够大的互感量，则标签芯片就无法产生工作时所需的驱动电压，读写器就无法识别标签。在低频波段，由于读写器天线与标签天线之间的耦合较弱^[13-15]，只有当二者之间的距离足够近时，标签才能从读写器天线所激发的磁场中捕获能量进行数据的传输。

综上所述，井下RFID系统能否有效识别标签的关键在于标签天线的感应电压能否达到芯片的驱动电压。针对电磁波传播影响机理，综合分析多种井下环境工况后，发现可能存在井下工具金属外壳尺寸、压裂液类型及介质流速等多种干扰因素，并最终确定了2个最为主要的影响因素：井下工具金属外壳尺寸和压裂液类型。

3.2 RFID天线模型建立

根据RFID井下滑套的结构特点，进行仿真的部分主要是射频天线，而且为了观察到电子标签运动时读写器天线磁场的变化情况，以及标签天线内磁通量的变化和标签的感应电压是否能够达到所需要求，标签的模型构建也应纳入到整个井下射频仿真系统中。与其相关的部分主要由井下工具金属外壳和整个井下环境中所充满的压裂液组成。对此，选用Ansoft Maxwell软件进行井下电磁影响仿真。所建立的井下RFID天线系统等效模型如图 3所示。

在实际建模时，需要根据各个组成部分之间不同的材质来设定基于井下环境中不同的相对磁导率和电导率。由于仿真模型关于轴线对称，可假设模型的材料属性为各向同性。为便于计算和提高仿真分析精度，在二维模型建立时取实物的1/2进行仿真分析。在模型求解时，磁场环境设定为交变磁场，频率125 kHz，激励方式为施加频率为125 kHz的交变电压，进而模拟出射频天线在井下产生的交变谐波磁场。所用材料的相关属性参数如表 1所示。使用Ansoft Maxwell软件建立的二维模型如图 4所示。

图 4中，红色部分为读写器螺线管天线，黄色部分为标签天线，绿色部分为井下工具金属外壳，蓝色部分为压裂液介质。

3.3 井下RFID天线磁场影响因素仿真分析 3.3.1 仿真结果分析

仿真运算得到RFID天线井下环境的磁场强度分布如图 5所示。由图 5可以看出，在越接近螺线管天线的地方，磁感应强度越大，而标签处由于与读写器天线产生了电感耦合，也产生了相当强度的磁场。

3.3.2 井下工具金属外壳尺寸影响分析

在实际情况下，由于涡流效应的存在使得井下工具金属外壳尺寸对RFID天线激发的磁场产生较大影响。由图 5可知，RFID天线所产生的磁感线分布在金属筒壁的一定范围内，且越靠近天线端，磁感应强度越大，磁感线越密集。因此，若金属外壳与天线之间距离过于接近，则穿过金属外壳的磁感线就越多，产生的涡流效应就越强，对系统的反向干扰就越强，进而削弱了读写器天线与标签天线之间的互感，降低了标签天线端的感应电压。

在压裂液介质相同，金属外壳磁导率和电导率不变的前提下，仅直径发生变化，所选尺寸规格如表 2所示。其中，非金属外壳项为仿真对照组。

不同外壳下，标签天线端感应电压随其通过读写器天线距离的变化曲线如图 6所示。从图 6可以看出，不同尺寸的金属外壳对标签的感应电压有效值影响较大，随着外壳尺寸的增大，标签感应电压的有效值也随之增大，说明在井下空间允许的情况下，应适当增加读写器天线与金属外壳之间的距离，以此来确保标签信号的正常传输。标签的感应电压在4种情况下的比较结果如表 3所示。

对照组为影响最小趋于无干扰的情况，可以看出，随着外壳尺寸的减小，对标签感应电压的影响增大到26.9%左右。对比前文标签感应电压的最小值要求，以上几种情况均能达到设计要求。

3.3.3 压裂液类型影响分析

对所建模型中的压裂液填充区域进行不同的电导率设置，可以模拟出不同压裂液介质对标签感应电压的影响程度。为尽可能真实地模拟出实际工况，采用了油基压裂液、水基压裂液、醇基压裂液和泡沫基压裂液共4种介质进行仿真分析。考虑到压裂液内多含有聚合物以及携砂颗粒等成分，但均为顺磁性物质，相对磁导率取值均在1附近的极小范围浮动，且压裂溶液中所含导磁性物质极少，所以不会对整体介质环境的磁导率产生影响。因此，将4种压裂液的相对磁导率均设为1，电导率为实测值。各压裂液参数见表 4。其中空气项为仿真对照组。

不同类型的压裂液影响下，标签天线端感应电压随其通过读写器天线距离的变化曲线如图 7所示。

由仿真结果可知，金属外壳尺寸一定时，不同电导率的压裂液虽会对标签天线端感应电压产生影响，整体趋势为随着压裂液电导率增大，标签天线端的感应电压有效值逐渐减小，但这种影响非常有限，总体影响未超过5%，结果如表 5所示。

4 RFID系统信号接收验证试验 4.1 RFID系统硬件结构分析

RFID信号接收装置由控制系统电路板和外接天线组成。

信号控制系统的电路板用于接收和调制来自电子标签的信息，并控制驱动器相应的动作。电路板主要包括微处理器、射频模块以及外围边路。射频控制系统电路板的简易结构原理图如图 8所示。

在进行井下RFID控制系统设计时，由于要适应井下作业，所以读写器尺寸要小，同时系统对芯片仅进行读取操作，任务量较小，且对芯片的处理能力不做其他要求^[16-17]。因此，STC11F02芯片作为该设计的首选目标。主控模块电路图如图 9所示。STC11F02是新一代高速、耗能低、有着强抗干扰能力的MCU芯片。该芯片内部集成的复位电路，在快速通信、强干扰环境及智能控制等场合下有良好的应用^[18]。

作为读写器关键部分的射频基站芯片，应能满足数据调制、发射并能接收射频信号的解调任务。因此，U2270B作为一款成本低，性能优越的低频射频芯片，在满足频率为125 kHz的低频读写距离情况下，其较快的数据传输速率和灵活的供电方式成为首选。射频模块电路图如图 10所示。

4.2 金属外壳尺寸影响试验

为了验证所设计RFID读写器在不同工况环境下的接收情况，进行了室内试验。

在压裂液介质相同的条件下，选用长度和壁厚相同，但内径不同的1组非金属外壳和3组金属外壳，将RFID天线置于管内进行试验。金属外壳参数如表 6所示。每组试验进行10次，信号接收结果为：在标签以2 m/s的速度经过读写器天线时，除1号金属外壳的接收率为90%外，其余3组均能达到100%的接收率。

试验结果表明，如果外壳与读写器天线之间的间距过小，会影响到井下RFID系统的信号接收。因此，在设计RFID系统时，其天线与外壳之间的距离应适当增大，以确保整个系统的正常运作。

4.3 压裂液影响试验

选取仿真用的4种压裂溶液，将RFID天线置于套筒内，测试RFID读写器天线在不同介质中对标签读取情况的试验，信号接收结果为各组标签的读取率均能达到100%。

综合上文仿真结果与试验结果可以看出，在现有不同类型的压裂液环境里，RFID系统均能有效工作，但会存在一些较小的干扰，可见压裂液对RFID系统的影响相比于金属外壳尺寸这一因素是非常有限的。

5 结论与建议

(1) 根据RFID井下工具的特点，完成了RFID信号装置的微处理器芯片选型、射频模块的电路与外围部分的电路设计。

(2) 根据RFID天线系统的结构特点和井下磁场的工作环境，建立了RFID系统的井下天线仿真模型，各项仿真数据结果与理论计算结果吻合，验证了天线仿真模型的正确性。

(3) 井下工具金属外壳是标签感应电压的重要影响因素。规律为金属外壳尺寸越大，标签的感应电压越小，则对RFID系统的电磁性能影响越大，因此在进行井下RFID系统设计时，可适当增大井下工具金属外壳尺寸。

(4) 压裂液电导率会对标签感应电压造成一定的影响，但这种干扰十分局限，总体影响程度较小，可在RFID系统设计时，添加自适应调节系统，来保证系统的稳定性。