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是廣泛應用于倉儲、物流等領域的RFID無線射頻識別技術，利用植入鉆具內的電子芯片，給每一根鉆具安裝一份獨一無二的“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技術，確保植入鉆具信息的可靠性，該項技術具有廣泛的行業(yè)內推廣價值。

一、國內油田鉆具管理現(xiàn)狀

1．國內鉆具管理模式
國內油田在鉆具管理方面，具體表現(xiàn)為兩種基本管理模式：①實行鉆具定隊管理，即不論井隊所鉆井深和井身結構是什么狀況，都使用一套鉆具，這一套鉆具視為一個等級質量、鉆具好壞不分、“從一而終”。②實行鉆具分級管理，即對在用鉆具根據(jù)使用情況定期檢測分級，新購進鉆具分到井隊鉆到一定當量進尺后，利用鉆具綜合檢測設備進行檢測，根據(jù)檢測結果和鉆具技術狀況，按鉆具質量分為一級、二級、三級，同級別鉆具存放在一起。鉆井隊使用鉆具時，根據(jù)不同區(qū)域、不同深、不同井型對鉆具不同要求，配備使用不同級別鉆具，從而使鉆具達到最佳使用效果。

2．鉆具管理現(xiàn)狀分析
鉆具定隊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，鉆具失效事故時有發(fā)生，難以適應鉆井市場快速發(fā)展需要，目前此法基本淘汰。取代鉆具定隊管理模式，鉆具分級管理已被廣泛采用，這種管理辦法經科學檢測鉆具質量等級，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行準確跟蹤和分析，而且人工識別檢測效率低，準確性差。典型的鉆具分級管理流程如圖1，鉆具在各個管理節(jié)點，人工清點數(shù)量、查鋼號、分類記錄的工序重復多次，導致諸如資產入庫／出庫登記、定期盤點庫存等工作效率低下。傳統(tǒng)標識(如打鋼號)由人工操作，耗時耗力，對單一參數(shù)的確認受人為經驗干擾，準確性不高。而且，惡劣的環(huán)境如高溫、高壓、化學腐蝕及液體腐蝕、擊打及震動、磁力影響、表面油漆及污垢等的影響，會使鉆具標識模糊不清，有的根本無法辨認，當鉆具隨物流到下一環(huán)節(jié)繼續(xù)使用(例如轉借或租賃鉆具)，無法準確跟蹤鉆具歷史信息，諸如制造商、購進日期、型號、性能參數(shù)、價格、使用、租賃、修理、檢測、擱置或報廢等信息記錄。鑒于傳統(tǒng)鉆具管理模式中的人工印記及識別手段，已經成為鉆具管理數(shù)字化發(fā)展的技術瓶頸，有必要尋找一種新型鉆具標識技術。安東石油技術(集團)有限公司在國內率先將當今國際流行的RFID電子跟蹤與識別技術，利用植人鉆具內的電子芯片，成功實現(xiàn)了鉆具電子標識和數(shù)字化管理。

二、RFID技術

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

RFID無線射頻技術與條形碼、磁卡、Ic卡等同期或早期的識別技術相比，具有非接觸、工作距離長、適于惡劣環(huán)境、可識別運動目標等優(yōu)點。隨著RFID技術的不斷完善，它已經滲透到工業(yè)、商業(yè)、運輸業(yè)、物流管理、倉儲管理、醫(yī)療保險、金融和教學等眾多領域，如生產作業(yè)流程控制、電子收費、電子票證、交通監(jiān)控、停車場管理、車輛防盜、出人門禁管理、動物識別和跟蹤、物品管理、圖書檔案管理、商品防偽、倉儲管理、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)境和復雜工況下，如電磁、高溫、高壓、腐蝕、震動、表面污物等，芯片信息不會丟失或出錯；井場或作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境識別和儲存數(shù)據(jù)，需要配有便攜或手持儀器設備；鉆具管理應采用具備數(shù)據(jù)庫功能的軟件，提高效率，同時為綜合評價鉆具提供數(shù)據(jù)服務。

按照上述設計理念，油田鉆具數(shù)字化管理系統(tǒng)核心技術構成如圖2，其核心技術包括：鉆具電子標識技術、移動數(shù)據(jù)采集技術、芯片植人和防護技術、鉆具數(shù)據(jù)庫軟件技術、鉆具跟蹤評價技術。

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

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

3．芯片植入和防護技術
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式內部無電源，主動式內部有電源。其中只讀型芯片，內部存有所謂“硬代碼”的字母數(shù)字編碼組合。經過苛刻的環(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，鉆柱內殘留磁場會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計，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)鉆具結構特點，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到22mm左右。為防止鉆井時鉆柱旋轉、震動、拉壓和彎曲等復雜工況，可能造成的芯片脫落事故，采用了便攜式打孔安裝技術及設備，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，如不同尺寸和鋼級的鉆桿等，依據(jù)強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。如圖4。

4．鉆具數(shù)據(jù)庫軟件技術
基于WINDOWS或LINIX操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術開發(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數(shù)據(jù)域菜單，每個數(shù)據(jù)段可以最多輸人達30個字符。根據(jù)用戶鉆具管理的具體要求，設置的數(shù)據(jù)域一般為資產描述、管體、母接頭、公接頭、物流、檢測、修復、應用等，每個數(shù)據(jù)域由多個數(shù)據(jù)段組成，按照API或sY標準規(guī)范和用戶需要分列參數(shù)明細，如資產描述項目包括RnD芯片編碼、用戶編號、資產類型、制造商、制造號、公稱尺寸、鋼級、長度、SSL長度、上扣扭矩、單位長度重量等總體數(shù)據(jù)；管體項目包括外徑、內徑、壁厚、鋼級、爐號批號、屈服強度、夏比沖擊功、制造商等；公母接頭項目包括外徑、內徑、大鉗空間、接頭長度、強度 硬度、夏比沖擊功、接頭管體屈強比、制造商等等；物流、檢
測、修復、應用各項目提供新購進鉆具從開始應痢直至報廢中間各環(huán)節(jié)信息的詳細記錄和跟蹤。一般地，芯片標識號碼不需要單獨命名字符段，這是因為軟件始終記錄標識號碼、日期、時間，當數(shù)據(jù)傳輸時它會自動顯示在電腦軟件上。所有數(shù)據(jù)編輯的功能，都可設定密碼保護，從而降低錯誤數(shù)據(jù)的可能性。當數(shù)據(jù)段的數(shù)值被輸入和設定后，數(shù)據(jù)通過USB連接線傳輸給手持機，當芯片編碼與特定的項目信息相關聯(lián)后，一旦標識芯片可以被掃描，所有相關的輸入信息就會顯示出來。

5．鉆具跟蹤評價技術
如果能夠跟蹤每一根鉆具實際應用情況，就具備評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價的數(shù)據(jù)平臺。對鉆具實施有效跟蹤，僅在油田管具公司內部使用還不夠，需要在油田系統(tǒng)內建立一個鉆具數(shù)字化管理網絡，覆蓋鉆具的采購、出入庫、物流、鉆井現(xiàn)場、檢測分級、報廢等各環(huán)節(jié)，采集每一節(jié)點鉆具信息，特別是要及時跟蹤和記錄鉆井過程中的各種鉆井參數(shù)(如鉆壓、轉速、扭矩、鉆速、純鉆時間、累積鉆時等)和工程情況，結合綜合錄井資料和鉆具檢測分級評價工作，對鉆具數(shù)據(jù)庫信息進行補充和修正，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及性能評估軟件進行分析計算，最終提供一套科學完整的鉆具跟蹤評價結果，如鉆具新度指標、鉆具壽命預測及周期、鉆具利用及經濟評價、鉆具質量及供應商評價等，為油田生產和物資采購部門決策提供有效依據(jù)。

四、結論

(1)油田現(xiàn)有鉆具管理模式下在鉆具上打鋼號的傳統(tǒng)印記方法，鋼號的標記和識別易出現(xiàn)差錯，并且受惡劣環(huán)境影響而模糊不清或損壞，嚴重制約著鉆具管理的高效和準確；
(2)RFID射頻識別技術是當今國際先進的資產跟蹤與識別技術，經過油田適用性改造，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射頻識別技術成功應用到鈷具數(shù)字化管理系統(tǒng)的關鍵。
(4)基于RFID射頻技術開發(fā)的鉆具數(shù)字化管理系統(tǒng)技術是加快油田數(shù)字化發(fā)展的有效措施之一