1.背景概述
钻井作为石油开采中重要的一个工序，其使用的钻具也是能源行业精密资产的典型代表。随着钻井市场竞争日趋激烈，深井、探井、高难度井日渐增多，对钻具的要求也逐步提高。而油田多年来一直沿用至今的传统钻具管理模式，很大程度上阻碍了油田钻具科学化管理的发展，主要表现为只能最大程度地做到批量或成套管理钻具，但无法保证每一根入井钻具的可靠性。为彻底防止因钻具管理弊端造成的钻具失效，有必要采用一种全新的钻具管理理念。
随着国家经济的发展，以电力、煤炭、石油、天然气为代表的能源行业也得到了突飞猛进的发展，而作为能源企业运营管理中的重要一部分，精密资产的系统化管理工作日趋重要。相比于其他行业，能源行业的精密资产具有价值高，使用周期长、使用地点分散、管理难度大等特点。资产管理长期以来都是公司运营管理中较为薄弱、容易忽视的地方，但精密资产是能源企业总资产重要的组成部分,对于企业的经营与发展有着重要的作用,因此,必须加强对企业固定资产的管理。
2.RFID技术的应用
射频识别（RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。
无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。
RFID系统工作示意图：
利用RFID识别工作无须人工干预，可远距离、自动批量进行实物的信息采集的特性，在钻具内植入一个RFID电子标签，给每一根钻具安装一个独一无二的“电子身份证”，为油田钻具数字化管理提供有效手段。并考虑到井下苛刻的钻井环境，采用特殊电子芯片安装和信息保护技术，确保植入钻具信息的可靠性，对RFID技术在能源行业精密资产管理中具有广泛的应用推广价值。
3.需求分析
3.1．钻具管理模式
国内油田在钻具管理方面，具体表现为两种基本管理模式：①实行钻具定队管理，即不论井队所钻井深和井身结构是什么状况，都使用一套钻具，这一套钻具视为一个等级质量、钻具好坏不分、“从一而终”。②实行钻具分级管理，即对在用钻具根据使用情况定期检测分级，新购进钻具分到井队钻到一定当量进尺后，利用钻具综合检测设备进行检测，根据检测结果和钻具技术状况，按钻具质量分为一级、二级、三级，同级别钻具存放在一起。钻井队使用钻具时，根据不同区域、不同深、不同井型对钻具不同要求，配备使用不同级别钻具，从而使钻具达到最佳使用效果。
3.2．钻具管理现状分析
钻具定队管理模式显然不能使钻具资源得到合理利用，而且不利于发现损坏钻具，钻具失效事故时有发生，难以适应钻井市场快速发展需要，目前此法基本淘汰。取代钻具定队管理模式，钻具分级管理已被广泛采用，这种管理办法经科学检测钻具质量等级，一定程度上可以提高钻具资源的利用率，从制度上、管理模式上保证人井钻具的可靠性，减少因钻具失效而引的钻井事故，为快速钻井提供有力保证。但目前钻具分级管理只能做到钻具的成套检测与管理，不能对每一根钻具的使用情况进行准确跟踪和分析，而且人工识别检测效率低，准确性差。钻具在各个管理节点，人工清点数量、查钢号、分类记录的工序重复多次，导致诸如资产入库／出库登记、定期盘点库存等工作效率低下。传统标识(如打钢号)由人工操作，耗时耗力，对单一参数的确认受人为经验干扰，准确性不高。
而且，恶劣的环境如高温、高压、化学腐蚀及液体腐蚀、击打及震动、磁力影响、表面油漆及污垢等的影响，会使钻具标识模糊不清，有的根本无法辨认，当钻具随物流到下一环节继续使用(例如转借或租赁钻具)，无法准确跟踪钻具历史信息，诸如制造商、购进日期、型号、性能参数、价格、使用、租赁、修理、检测、搁置或报废等信息记录。鉴于传统钻具管理模式中的人工印记及识别手段，已经成为钻具管理数字化发展的技术瓶颈，有必要寻找一种新型钻具标识技术。将RFID电子跟踪与识别技术，利用植人钻具内的电子芯片，可成功实现钻具电子标识和数字化管理。
四、系统设计
将芯片植人钻具，以RFID无线射频技术为理论依托开发的油田钻具数字化管理系统，对需要定点读取的位置或者机具安装RFID固定式读取设备，对移动作业配备便携或手持仪器设备，提高钻杆资产管理水平，提高钻井工作效率，同时可为综合评价钻具提供数据服务。
4.1系统硬件架构
钻具电子标签发卡器用于钻具电子标签的初始化。RFID固定式读写器在钻具生产仓储环节完成快速的出入库管理。
应用服务器和数据服务器作为业务管理和数据处理、存储系统。应用服务层是整个钻具管理系统的管理、控制、服务中心，这一层将底层传输过来的数据进行特定处理后存入主数据库，管理人员可以通过各种类型的用户接口（如手持机端应用程序）对系统内所有的数据信息进行监控、查询和分析，实现钻具管理的自动化、网络化、智能化。
4.2系统功能
基于RFID技术的钻具管理系统，核心功能模块主要有钻具电子标识技术、固定式数据采集技术、移动数据采集系统、钻具数据库软件技术以及钻具跟踪评价技术。
4.2.1钻具电子标识技术
标识钻具的电子标签必须考虑石油行业的特殊性，标签的安装即不能影响钻具的正常使用，同时也需要保证电子标签的安装牢固，不会随钻井和物流环节的变化而轻易脱落，因此，钻具标签的安装最优方式是选择将标签植入（镶嵌）到钻具中。同时，考虑到钻具工作在苛刻的井下环境和复杂工况下，如电磁、高温、高压、腐蚀、震动、表面污物等，标签的设计需确保信息不会丢失或出错，且具备良好的环境耐受性。
Venus是一款专门应用于石油钻井作业的钻杆超高频RFID标签。
无论是生产环节还是从运输到组装，Venus都可以实现资产从出厂开始整个服役周期的自动化追踪管理，追溯资产的产品规格、保养历史、当前使用状态、累积使用时间和长度等。
Venus经过油田现场的测试，证实其完全可以承受井下高温高压、震动和化学腐蚀的极端环境，Venus作为全球首款独一无二的超高频钻杆标签，它颠覆传统的射频设计，采用高强度不锈钢和高分子材料，其先进的制造工艺决定了标签经过井下钻探过程后依然拥有可靠的性能。Venus采用方便快速的嵌入式安装方式，保证标签在钻井过程中不会掉落，安全可靠。
4.2.2固定式数据采集技术
钻具在生产环节即可植入电子标签，在生产企业的仓库，和最终用户的接收仓库，可部署RFID固定式数据采集系统：
钻具在出入库时，RFID读写器通过天线发射射频信号，钻具上的RFID标签获取到感应电流，从而RFID标签获得能力被激活并向读写器发送出自身的编码等信息，读写器接收到信息并通过网络上传到钻具管理应用系统，系统自动完成钻具身份的识别、登记资产信息，如钻具型号、钻具编号、出入时间、经手人、批准人等；并实时掌握钻具的流向。
固定式读写器主要是完成各流转节点钻具的出入库，对进出的钻具进行多个、快速准确的信息采集。
FU-M6-MINI-M 是一款以ThingMagic优异的M6e-Micro模组为核心集成的
工业级双通道RFID固定式读写器。采用铝压铸外壳，提供2路 TNC天线接口，支持2路独立天线，提供工业专用的通信及电源接 口，外观小巧，安装便捷；
4.2.3移动数据采集技术
RFID手持式移动数据采集器采用防摔、防尘和防水设计，可满足恶劣的工作环境，可可靠读取钻具上的RFID标签信息，读取距离可达1米以上。基于安卓操作系统开发的钻具移动管理软件安装在数据采集器上，通过在各节点对钻具RFID标签信息的获取，达到对钻具本身身份信息的识别，实现钻具的移动管理。在钻具管理的各个环节应用该项技术，即可实时记录或查询钻具全部或部分信息，覆盖钻具的钻井现场信息、检测分级、维修保养、使用时长、报废等全生命周期各个环节。
在实际作业过程中，采集每一节点钻具信息，特别是要及时跟踪和记录钻井过程中的各种钻井参数(如钻压、转速、扭矩、钻速、纯钻时间、累积钻时等)和工程情况，结合综合录井资料和钻具检测分级评价工作，对钻具数据库信息进行补充和修正，并将每一根钻具的完整使用数据，提供给油田钻具力学及性能评估软件进行分析计算，最终提供一套科学完整的钻具跟踪评价结果，如钻具新度指标、钻具寿命预测及周期、钻具利用及经济评价、钻具质量及供应商评价等，为油田生产和物资采购部门决策提供有效依据。
RFID移动数据采集器以ThingMagic M6e-Micro为核心，一款采用超小型模组结构设计和优异的“快速搜索算法”的超高频RFID模具，可以嵌入到各种常用的手持和便携式设备中。它对标签的读取速度高达750标签/秒，功耗低，接收指令后反应快速，其特有的-5dbm到+30dbm的可调功率，识别距离可近可远，可方便的应用在能源行业精密资产管理中，对快速的查找、盘点和日常移动作业提供了可靠的保证。
4.2.4钻具数据库软件技术
数据库技术开发的钻具数据库管理软件，菜单化操作，允许用户命名和使用多个数据域菜单。根据用户钻具管理的具体要求，设置的数据域一般为资产描述、管体、母接头、公接头、物流、检测、修复、应用等，每个数据域由多个数据段组成，按照标准规范和用户需要分列参数明细，如资产描述项目包括芯片编码、用户编号、资产类型、制造商、制造号、公称尺寸、钢级、长度、SSL长度、上扣扭矩、单位长度重量等总体数据；管体项目包括外径、内径、壁厚、钢级、炉号批号、屈服强度、夏比冲击功、制造商等；公母接头项目包括外径、内径、大钳空间、接头长度、强度 硬度、夏比冲击功、接头管体屈强比、制造商等等；物流、检测、修复、应用各项目提供新购进钻具从开始应痢直至报废中间各环节信息的详细记录和跟踪。所有数据编辑的功能，都可设定密码保护，从而降低错误数据的可能性。当数据段的数值被输入和设定后，数据通过网络传输给手持机，当芯片编码与特定的项目信息相关联后，一旦标识芯片可以被扫描，所有相关的输入信息就会显示出来。
4.2.5钻具跟踪评价技术
系统能够跟踪每一根钻具实际应用情况，具备评估钻具性能的可能性，钻具数字化管理系统能够提供钻具跟踪评价的数据平台，覆盖钻具的采购、出入库、物流、钻井现场、检测分级、报废等各环节，采集每一节点钻具信息，及时跟踪和记录钻井过程中的各种钻井参数(如钻压、转速、扭矩、钻速、纯钻时间、累积钻时等)和工程情况，结合综合录井资料和钻具检测分级评价工作，对钻具数据库信息进行补充和修正，并将每一根钻具的完整使用数据，提供给油田钻具力学及性能评估软件进行分析计算，最终提供一套科学完整的钻具跟踪评价结果，如钻具新度指标、钻具寿命预测及周期、钻具利用及经济评价、钻具质量及供应商评价等，为油田生产和物资采购部门决策提供有效依据。通过钻具的芯片信息还可以在系统后台数据库查询到所有有关这种钻具的信息条目，并统计得到这根钻具的总使用次数和使用情况，帮助管理人员判断这根钻具是否需要更换、保养，甚至是已经达到了其设计使用寿命应予以报废。结合其他查询条件可以得到更多分析结果，例如结合钻具的使用日期的数据可以统计得到每根钻具的日使用次数，绘制出钻具的使用频率折线图，可以帮助管理人员发现哪些钻具的使用频率过高，哪些钻具的使用率不足造成钻具资源的浪费，及时调整钻具的分配情况，提升具杆使用效率，实现智能化的管理。
五、应用效益
>油田现有钻具管理模式下在钻具上打钢号的传统印记方法，钢号的标记和识别易出现差错，并且受恶劣环境影响而模糊不清或损坏，严重制约着钻具管理的高效和准确；
>RFID射频识别技术是当今国际先进的资产跟踪与识别技术，经过油田适用性改造，可针对性用于油田钻具的数字化管理。
>保证芯片可靠植入钻具不脱落和芯片信息不受井下环境影响是RFID射频识别技术成功应用到钴具数字化管理系统的关键。
>基于RFID射频技术开发的钻具数字化管理系统技术是加快油田数字化发展的有效措施之一。
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