一种井下仪器用RFID射频天线设计

王恒 张达 黄建平 陈洲洋 罗翔

摘 要：针对井下高温、高压等恶劣环境对RFID射频天线的影响，设计了一种井下用的RFID射频天线。以非金属材料作为天线骨架，使用高温线缆作为缠绕线，同时在线圈外使用环氧树脂等灌封保护。通过地面及入井试验验证，该天线性能稳定，在地面及井下恶劣环境下能够准确读取RFID信息，可广泛应用在应用于智能滑套、随钻扩眼工具、矿山開发工具等。

关键词：井下；RFID；天线

中图分类号：TN82 文献标志码：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

随着石油勘探开发技术的提高，低孔低渗储层试油工艺主要采用大规模分段压裂改造、排液结束后下入测试仪器获取储层参数。在压井及提下管柱过程中易对地层造成二次污染，且因为是多层合测，资料反映的是多层段综合效应，不能准确评价每段产能与压裂改造效果，而准确确定每层地层的动态参数对油藏精细分析非常重要。

目前针对上述需求，研制了基于RFID射频通信的井下智能开关工具，这需要利用RFID天线接收RFID信号。传统的天线难以满足井下恶劣环境需要，因此研制了一种用于井下RFID射频通信的天线，适用于高温、高压、高湿和高腐蚀环境，具有快速接收RFID信号特点。

1 RFID射频技术简介

RFID射频技术利用射频信号的空间耦合或反射的传输特性，达到目标识别和数据交换的目的。20世纪后期，欧洲率先将RFID 技术应用到公路收费等民用领域。

近年来，随着电子信息技术的发展，RFID技术在各个领域得到了广泛应用，如门禁系统、护照以及动物标签等，目前国内外公司也开始尝试将该技术应用在井下工具上，在井下工具上装有RFID读卡器和天线，当标签通过工具的天线区域时实现数据的读取，如图1所示。

2 RFID射频天线

2.1 RFID射频天线结构设计

一种用于井下仪器的RFID射频天线包括：天线骨架、线圈和灌封层。将圆筒形PEEG材料外面铣出几个台阶，截面形状为“”，中间凹槽为缠绕线圈位置；在天线骨架的下端面加工一个穿线孔；在天线骨架的再下端面处铣处两个限位卡，目的是保证穿线孔与工具本体下接头的穿线孔对应。

将线圈均匀缠绕在天线骨架的中间凹槽处，在缠绕线圈的凹槽内灌入耐高温的环氧树脂，如图2所示。

RFID射频天线安装在井下工具本体上接头和本体下接头之间，利用限位卡将天线的穿线孔与本体下接头的孔对应上；在本体上接头的一端对应位置套上两道密封圈，该密封圈主要起到防止泥沙等进入的作用，将本体上接头插入本体下接头，利用套管螺纹连接，对天线起到固定限位作用；当RFID标签随着泥浆按图3箭头所示方向经过RFID射频天线时，RFID信号接收电路将接收到RFID标签所携带的信息。

2.2 天线匝数设计计算

RFID天线处于泥浆等恶劣的井下环境中，工作频段选择低频，耦合框图如图4所示，数据传递在物理层是基于电磁场耦合理论为基础。

设读写器天线（原边）的电感为L1，流过原边的电流为I1，则产生的总磁通Q1=L1·I1。

取读写器天线平面为xoy面，坐标原点为天线的中心点，且中心轴为z轴，如图5所示，天线回路中任一电流元Idl，由毕奥-萨法尔定律得1Idl在测量点P点的

P点的矢量方向为，进一步推导得N匝天线中心轴z方向磁感应强度为：

读写器相关参数下标为1，标签相关参数下标为2，当标签通过读写器天线时，假设标签与读写器天线同轴，则标签天线的感应电压有效值为：

由于本读卡器天线较长，天线内部磁场强度几乎相等，所以可认为标签都是位于天线的中心，即d为0。

天线如图6所示进行缠绕，天线半径为a，线圈有效长度为l，则天线的电感量L为：

式中：N为线圈匝数，a和l的单位为cm。

3 试验分析

分别在空气、水、盐水、液压油中测量天线电感量、读卡器谐振电压、标签读取情况以及天线入井试验验证。

将天线装在工具本体中，测量天线电感量、读卡器电路谐振电压及测试标签携带数据读取情况，见表1。

设计天线随RFID智能可控开关工具入井进行试验服务，如图7所示，测试天线在井下恶劣环境条件下，读取标签的能力，见表2。

根据上述情况，设计的井下用RFID射频天线在地面及井下均表现良好的性能，准确读取标签携带的指令信息。

结论

设计的一种用于井下RFID射频通信的天线，适用于高温、高压、高湿、高腐蚀和冲刷强度大环境，具有全通径及快速接收RFID信号特点，满足接收地面投入标签指令信息的要求，在井下恶劣环境下工作稳定，性能可靠。

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