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展，主要表現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”，為油田鉆具數字化管理提供有效手段。但考慮到井下苛刻的鉆井環境，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內推廣價值。

一、國內油田鉆具管理現狀

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，根據不同區域、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，而且不利于發現損壞鉆具，鉆具失效事故時有發生，難以適應鉆井市場快速發展需要，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，鉆具在各個管理節點，人工清點數量、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。傳統標識(如打鋼號)由人工操作，耗時耗力，對單一參數的確認受人為經驗干擾，準確性不高。而且，惡劣的環境如高溫、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節繼續使用(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、價格、使用、租賃、修理、檢測、擱置或報廢等信息記錄。鑒于傳統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字化發展的技術瓶頸，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，成功實現了鉆具電子標識和數字化管理。

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據，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、數據保護和密碼學、電信、制造技術、數據庫技術等，并且最大程度地發揮效應，主要包括節省人工成本，提高作業精確性、快處理速度、有效跟蹤物流動態等方面。

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、適于惡劣環境、可識別運動目標等優點。隨著RFID技術的不斷完善，它已經滲透到工業、商業、運輸業、物流管理、倉儲管理、醫療保險、金融和教學等眾多領域，如生產作業流程控制、電子收費、電子票證、交通監控、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、油田鉆具數字化管理系統

將芯片植人鉆具，以RFID無線射頻技術為理論依托開發的油田鉆具數字化管理系統，必須考慮石油行業的特殊性。芯片的安裝不影響鉆具的正常使用，同時芯片安裝牢固，不隨鉆井和物流環節的變化而從植人的鉆具中脫落；在苛刻的井下環境和復雜工況下，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；井場或作業現場環境識別和儲存數據，需要配有便攜或手持儀器設備；鉆具管理應采用具備數據庫功能的軟件，提高效率，同時為綜合評價鉆具提供數據服務。

按照上述設計理念，油田鉆具數字化管理系統核心技術構成如圖2，其核心技術包括：鉆具電子標識技術、移動數據采集技術、芯片植人和防護技術、鉆具數據庫軟件技術、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議傳遞信息。當讀數器發出特定的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射器，以某一頻率信號的形式發射預編程序的唯一代碼，再由讀數器接收，把信號轉換成RS一232信號，供后續數據采集器或計算機數據庫軟件處理，管理與芯片對應的鉆具信息。根據油田鉆具管理現場操作的不同要求，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據采集器相連，實現鉆具信息的移動管理。

2．移動數據采集技術
手持式數據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。基于WINDOWS CE或LINIX操作系統開發的鉆具移動管理軟件安裝在數據采集器上，調用和編輯收到的芯片編碼對應的鉆具信息，實現鉆具移動管理。在鉆具管理的各個環節應用該項技術，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。移動管理數據庫與Pc機數據庫可方便通過RS一232串口或USB接口實現數據交換。

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”的字母數字編碼組合。經過苛刻的環境來測試安裝在鉆具中的各種類型芯片，發現在鉆井過程中，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據，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，而根據鉆具結構特點，適合采用圓片式芯片，一般89 mm以上規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，并且依據不同鉆具類型，如不同尺寸和鋼級的鉆桿等，依據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．鉆具數據庫軟件技術
基于WINDOWS或LINIX操作系統和數據庫技術開發的鉆具數據庫管理軟件，菜單化操作，允許用戶命名和使用多個數據域菜單，每個數據段可以最多輸人達30個字符。根據用戶鉆具管理的具體要求，設置的數據域一般為資產描述、管體、母接頭、公接頭、物流、檢測、修復、應用等，每個數據域由多個數據段組成，按照API或sY標準規范和用戶需要分列參數明細，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據；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節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，當數據傳輸時它會自動顯示在電腦軟件上。所有數據編輯的功能，都可設定密碼保護，從而降低錯誤數據的可能性。當數據段的數值被輸入和設定后，數據通過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，鉆具數字化管理系統能夠提供鉆具跟蹤評價的數據平臺。對鉆具實施有效跟蹤，僅在油田管具公司內部使用還不夠，需要在油田系統內建立一個鉆具數字化管理網絡，覆蓋鉆具的采購、出入庫、物流、鉆井現場、檢測分級、報廢等各環節，采集每一節點鉆具信息，特別是要及時跟蹤和記錄鉆井過程中的各種鉆井參數(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，對鉆具數據庫信息進行補充和修正，并將每一根鉆具的完整使用數據，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。

四、結論

(1)油田現有鉆具管理模式下在鉆具上打鋼號的傳統印記方法，鋼號的標記和識別易出現差錯，并且受惡劣環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境影響是RFID射頻識別技術成功應用到鈷具數字化管理系統的關鍵。
(4)基于RFID射頻技術開發的鉆具數字化管理系統技術是加快油田數字化發展的有效措施之一