隨著鉆井市場競爭日趨激烈，深井、探井、高難度井日漸增多，對鉆具的要求也逐步提高。而油田多年來一直沿用至今的傳統(tǒng)鉆具管理模式，很大程度上阻礙了油田鉆具科學(xué)化管理的發(fā)展，主要表現(xiàn)為只能最大程度地做到批量或成套管理鉆具，但無法保證每一根入井鉆具的可靠性。為徹底防止因鉆具管理弊端造成的鉆具失效，有必要采用一種全新的鉆具管理理念。目前可以借鑒并采用的成熟技術(shù)是廣泛應(yīng)用于倉儲(chǔ)、物流等領(lǐng)域的RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)，利用植入鉆具內(nèi)的電子芯片，給每一根鉆具安裝一份獨(dú)一無二的“電子身份證”，為油田鉆具數(shù)字化管理提供有效手段。但考慮到井下苛刻的鉆井環(huán)境，采用特殊電子芯片安裝和信息保護(hù)技術(shù)，確保植入鉆具信息的可靠性，該項(xiàng)技術(shù)具有廣泛的行業(yè)內(nèi)推廣價(jià)值。

一、國內(nèi)油田鉆具管理現(xiàn)狀

1．國內(nèi)鉆具管理模式
國內(nèi)油田在鉆具管理方面，具體表現(xiàn)為兩種基本管理模式：①實(shí)行鉆具定隊(duì)管理，即不論井隊(duì)所鉆井深和井身結(jié)構(gòu)是什么狀況，都使用一套鉆具，這一套鉆具視為一個(gè)等級(jí)質(zhì)量、鉆具好壞不分、“從一而終”。②實(shí)行鉆具分級(jí)管理，即對在用鉆具根據(jù)使用情況定期檢測分級(jí)，新購進(jìn)鉆具分到井隊(duì)鉆到一定當(dāng)量進(jìn)尺后，利用鉆具綜合檢測設(shè)備進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果和鉆具技術(shù)狀況，按鉆具質(zhì)量分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)，同級(jí)別鉆具存放在一起。鉆井隊(duì)使用鉆具時(shí)，根據(jù)不同區(qū)域、不同深、不同井型對鉆具不同要求，配備使用不同級(jí)別鉆具，從而使鉆具達(dá)到最佳使用效果。

2．鉆具管理現(xiàn)狀分析
鉆具定隊(duì)管理模式顯然不能使鉆具資源得到合理利用，而且不利于發(fā)現(xiàn)損壞鉆具，鉆具失效事故時(shí)有發(fā)生，難以適應(yīng)鉆井市場快速發(fā)展需要，目前此法基本淘汰。取代鉆具定隊(duì)管理模式，鉆具分級(jí)管理已被廣泛采用，這種管理辦法經(jīng)科學(xué)檢測鉆具質(zhì)量等級(jí)，一定程度上可以提高鉆具資源的利用率，從制度上、管理模式上保證人井鉆具的可靠性，減少因鉆具失效而引的鉆井事故，為快速鉆井提供有力保證。但目前鉆具分級(jí)管理只能做到鉆具的成套檢測與管理，不能對每一根鉆具的使用情況進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤和分析，而且人工識(shí)別檢測效率低，準(zhǔn)確性差。典型的鉆具分級(jí)管理流程如圖1，鉆具在各個(gè)管理節(jié)點(diǎn)，人工清點(diǎn)數(shù)量、查鋼號(hào)、分類記錄的工序重復(fù)多次，導(dǎo)致諸如資產(chǎn)入庫／出庫登記、定期盤點(diǎn)庫存等工作效率低下。傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)(如打鋼號(hào))由人工操作，耗時(shí)耗力，對單一參數(shù)的確認(rèn)受人為經(jīng)驗(yàn)干擾，準(zhǔn)確性不高。而且，惡劣的環(huán)境如高溫、高壓、化學(xué)腐蝕及液體腐蝕、擊打及震動(dòng)、磁力影響、表面油漆及污垢等的影響，會(huì)使鉆具標(biāo)識(shí)模糊不清，有的根本無法辨認(rèn)，當(dāng)鉆具隨物流到下一環(huán)節(jié)繼續(xù)使用(例如轉(zhuǎn)借或租賃鉆具)，無法準(zhǔn)確跟蹤鉆具歷史信息，諸如制造商、購進(jìn)日期、型號(hào)、性能參數(shù)、價(jià)格、使用、租賃、修理、檢測、擱置或報(bào)廢等信息記錄。鑒于傳統(tǒng)鉆具管理模式中的人工印記及識(shí)別手段，已經(jīng)成為鉆具管理數(shù)字化發(fā)展的技術(shù)瓶頸，有必要尋找一種新型鉆具標(biāo)識(shí)技術(shù)。安東石油技術(shù)(集團(tuán))有限公司在國內(nèi)率先將當(dāng)今國際流行的RFID電子跟蹤與識(shí)別技術(shù)，利用植人鉆具內(nèi)的電子芯片，成功實(shí)現(xiàn)了鉆具電子標(biāo)識(shí)和數(shù)字化管理。

二、RFID技術(shù)

RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別附于目標(biāo)上的芯片信息獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)。RFID技術(shù)有效結(jié)合高頻技術(shù)、電磁兼容性導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)、電信、制造技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，并且最大程度地發(fā)揮效應(yīng)，主要包括節(jié)省人工成本，提高作業(yè)精確性、快處理速度、有效跟蹤物流動(dòng)態(tài)等方面。

RFID無線射頻技術(shù)與條形碼、磁卡、Ic卡等同期或早期的識(shí)別技術(shù)相比，具有非接觸、工作距離長、適于惡劣環(huán)境、可識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。隨著RFID技術(shù)的不斷完善，它已經(jīng)滲透到工業(yè)、商業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、物流管理、倉儲(chǔ)管理、醫(yī)療保險(xiǎn)、金融和教學(xué)等眾多領(lǐng)域，如生產(chǎn)作業(yè)流程控制、電子收費(fèi)、電子票證、交通監(jiān)控、停車場管理、車輛防盜、出人門禁管理、動(dòng)物識(shí)別和跟蹤、物品管理、圖書檔案管理、商品防偽、倉儲(chǔ)管理、配送管理、物資流向控制和物流跟蹤管理等。

三、油田鉆具數(shù)字化管理系統(tǒng)

將芯片植人鉆具，以RFID無線射頻技術(shù)為理論依托開發(fā)的油田鉆具數(shù)字化管理系統(tǒng)，必須考慮石油行業(yè)的特殊性。芯片的安裝不影響鉆具的正常使用，同時(shí)芯片安裝牢固，不隨鉆井和物流環(huán)節(jié)的變化而從植人的鉆具中脫落；在苛刻的井下環(huán)境和復(fù)雜工況下，如電磁、高溫、高壓、腐蝕、震動(dòng)、表面污物等，芯片信息不會(huì)丟失或出錯(cuò)；井場或作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境識(shí)別和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，需要配有便攜或手持儀器設(shè)備；鉆具管理應(yīng)采用具備數(shù)據(jù)庫功能的軟件，提高效率，同時(shí)為綜合評(píng)價(jià)鉆具提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

按照上述設(shè)計(jì)理念，油田鉆具數(shù)字化管理系統(tǒng)核心技術(shù)構(gòu)成如圖2，其核心技術(shù)包括：鉆具電子標(biāo)識(shí)技術(shù)、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、芯片植人和防護(hù)技術(shù)、鉆具數(shù)據(jù)庫軟件技術(shù)、鉆具跟蹤評(píng)價(jià)技術(shù)。

1．鉆具電子標(biāo)識(shí)技術(shù)
利用RFID無線射頻技術(shù)，如圖3，將RFID芯片植人鉆具內(nèi)，芯片內(nèi)有耦合元件和內(nèi)置天線，配用的手持式或固定式識(shí)讀器與芯片可按約定的通信協(xié)議傳遞信息。當(dāng)讀數(shù)器發(fā)出特定的KHZ信號(hào)，由芯片天線接收，由于電磁感應(yīng)，芯片內(nèi)線圈產(chǎn)生電流，開啟芯片計(jì)算器和發(fā)射器，以某一頻率信號(hào)的形式發(fā)射預(yù)編程序的唯一代碼，再由讀數(shù)器接收，把信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS一232信號(hào)，供后續(xù)數(shù)據(jù)采集器或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫軟件處理，管理與芯片對應(yīng)的鉆具信息。根據(jù)油田鉆具管理現(xiàn)場操作的不同要求，配備兩種不同的識(shí)讀器，一種是直接與Pc機(jī)相連建立通訊，一種是直接與手持式數(shù)據(jù)采集器相連，實(shí)現(xiàn)鉆具信息的移動(dòng)管理。

2．移動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)
手持式數(shù)據(jù)采集器與識(shí)讀器通過串口適配器連接，采用防摔、防塵和防水設(shè)計(jì)，接收來自識(shí)讀器解碼并轉(zhuǎn)換的RS一232信號(hào)，讀取信號(hào)范圍在25—50mm左右?；赪INDOWS CE或LINIX操作系統(tǒng)開發(fā)的鉆具移動(dòng)管理軟件安裝在數(shù)據(jù)采集器上，調(diào)用和編輯收到的芯片編碼對應(yīng)的鉆具信息，實(shí)現(xiàn)鉆具移動(dòng)管理。在鉆具管理的各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，即可實(shí)時(shí)記錄或查新鉆具全部或部分信息，這取決于使用者管理權(quán)限和密碼。移動(dòng)管理數(shù)據(jù)庫與Pc機(jī)數(shù)據(jù)庫可方便通過RS一232串口或USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

3．芯片植入和防護(hù)技術(shù)
RFID芯片按信息讀寫方式主要有三種：讀寫型，一次寫入多次讀取型、只讀型；按芯片電源類型分被動(dòng)式內(nèi)部無電源，主動(dòng)式內(nèi)部有電源。其中只讀型芯片，內(nèi)部存有所謂“硬代碼”的字母數(shù)字編碼組合。經(jīng)過苛刻的環(huán)境來測試安裝在鉆具中的各種類型芯片，發(fā)現(xiàn)在鉆井過程中，鉆柱內(nèi)殘留磁場會(huì)破壞可讀寫芯片信息，不適合鉆井使用。因此鉆具必須采用被動(dòng)只讀型芯片，防止任何外界干擾改寫數(shù)據(jù)，信息安全性最高。同時(shí)為滿足井下高溫高壓、抵抗井下鉆井和完井液腐蝕的要求，采用不受酸、丙酮、堿液腐蝕影響的環(huán)氧迭片壓縮合成電路芯片設(shè)計(jì)，可承受185℃ 的溫度和105 MPa的壓力。RFID芯片一般有卡片式、懸掛標(biāo)簽式、圓片鈕扣式等，圓片式厚度大約在3～4 mm，直徑一般在9．5～34．5mm之間，而根據(jù)鉆具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適合采用圓片式芯片，一般89 mm以上規(guī)格鉆具芯片直徑可達(dá)到22mm左右。為防止鉆井時(shí)鉆柱旋轉(zhuǎn)、震動(dòng)、拉壓和彎曲等復(fù)雜工況，可能造成的芯片脫落事故，采用了便攜式打孔安裝技術(shù)及設(shè)備，在確保垂直加工芯片安裝孔的前提下，芯片植入高度始終低于API標(biāo)要求的鉆具最大磨損外徑之下，并且依據(jù)不同鉆具類型，如不同尺寸和鋼級(jí)的鉆桿等，依據(jù)強(qiáng)度分析芯片植入深度有所不同。植人的芯片被封閉于安裝盒內(nèi)與外界隔離，并用自鎖式擋圈可靠鎖緊芯片，確保芯片可靠植入鉆具內(nèi)。如圖4。

4．鉆具數(shù)據(jù)庫軟件技術(shù)
基于WINDOWS或LINIX操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)的鉆具數(shù)據(jù)庫管理軟件，菜單化操作，允許用戶命名和使用多個(gè)數(shù)據(jù)域菜單，每個(gè)數(shù)據(jù)段可以最多輸人達(dá)30個(gè)字符。根據(jù)用戶鉆具管理的具體要求，設(shè)置的數(shù)據(jù)域一般為資產(chǎn)描述、管體、母接頭、公接頭、物流、檢測、修復(fù)、應(yīng)用等，每個(gè)數(shù)據(jù)域由多個(gè)數(shù)據(jù)段組成，按照API或sY標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和用戶需要分列參數(shù)明細(xì)，如資產(chǎn)描述項(xiàng)目包括RnD芯片編碼、用戶編號(hào)、資產(chǎn)類型、制造商、制造號(hào)、公稱尺寸、鋼級(jí)、長度、SSL長度、上扣扭矩、單位長度重量等總體數(shù)據(jù)；管體項(xiàng)目包括外徑、內(nèi)徑、壁厚、鋼級(jí)、爐號(hào)批號(hào)、屈服強(qiáng)度、夏比沖擊功、制造商等；公母接頭項(xiàng)目包括外徑、內(nèi)徑、大鉗空間、接頭長度、強(qiáng)度 硬度、夏比沖擊功、接頭管體屈強(qiáng)比、制造商等等；物流、檢
測、修復(fù)、應(yīng)用各項(xiàng)目提供新購進(jìn)鉆具從開始應(yīng)痢直至報(bào)廢中間各環(huán)節(jié)信息的詳細(xì)記錄和跟蹤。一般地，芯片標(biāo)識(shí)號(hào)碼不需要單獨(dú)命名字符段，這是因?yàn)檐浖冀K記錄標(biāo)識(shí)號(hào)碼、日期、時(shí)間，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)它會(huì)自動(dòng)顯示在電腦軟件上。所有數(shù)據(jù)編輯的功能，都可設(shè)定密碼保護(hù)，從而降低錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的可能性。當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)值被輸入和設(shè)定后，數(shù)據(jù)通過USB連接線傳輸給手持機(jī)，當(dāng)芯片編碼與特定的項(xiàng)目信息相關(guān)聯(lián)后，一旦標(biāo)識(shí)芯片可以被掃描，所有相關(guān)的輸入信息就會(huì)顯示出來。

5．鉆具跟蹤評(píng)價(jià)技術(shù)
如果能夠跟蹤每一根鉆具實(shí)際應(yīng)用情況，就具備評(píng)估鉆具性能的可能性，鉆具數(shù)字化管理系統(tǒng)能夠提供鉆具跟蹤評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)平臺(tái)。對鉆具實(shí)施有效跟蹤，僅在油田管具公司內(nèi)部使用還不夠，需要在油田系統(tǒng)內(nèi)建立一個(gè)鉆具數(shù)字化管理網(wǎng)絡(luò)，覆蓋鉆具的采購、出入庫、物流、鉆井現(xiàn)場、檢測分級(jí)、報(bào)廢等各環(huán)節(jié)，采集每一節(jié)點(diǎn)鉆具信息，特別是要及時(shí)跟蹤和記錄鉆井過程中的各種鉆井參數(shù)(如鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆速、純鉆時(shí)間、累積鉆時(shí)等)和工程情況，結(jié)合綜合錄井資料和鉆具檢測分級(jí)評(píng)價(jià)工作，對鉆具數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行補(bǔ)充和修正，并將每一根鉆具的完整使用數(shù)據(jù)，提供給油田鉆具力學(xué)及性能評(píng)估軟件進(jìn)行分析計(jì)算，最終提供一套科學(xué)完整的鉆具跟蹤評(píng)價(jià)結(jié)果，如鉆具新度指標(biāo)、鉆具壽命預(yù)測及周期、鉆具利用及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、鉆具質(zhì)量及供應(yīng)商評(píng)價(jià)等，為油田生產(chǎn)和物資采購部門決策提供有效依據(jù)。

四、結(jié)論

(1)油田現(xiàn)有鉆具管理模式下在鉆具上打鋼號(hào)的傳統(tǒng)印記方法，鋼號(hào)的標(biāo)記和識(shí)別易出現(xiàn)差錯(cuò)，并且受惡劣環(huán)境影響而模糊不清或損壞，嚴(yán)重制約著鉆具管理的高效和準(zhǔn)確；
(2)RFID射頻識(shí)別技術(shù)是當(dāng)今國際先進(jìn)的資產(chǎn)跟蹤與識(shí)別技術(shù)，經(jīng)過油田適用性改造，可針對性用于油田鉆具的數(shù)字化管理。
(3)保證芯片可靠植入鉆具不脫落和芯片信息不受井下環(huán)境影響是RFID射頻識(shí)別技術(shù)成功應(yīng)用到鈷具數(shù)字化管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。
(4)基于RFID射頻技術(shù)開發(fā)的鉆具數(shù)字化管理系統(tǒng)技術(shù)是加快油田數(shù)字化發(fā)展的有效措施之一