1.需求分析

1.1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(zhì)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(zhì)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。

1.2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(jīng)科學檢測鉆具質(zhì)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。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(chǎn)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(jīng)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(zhuǎn)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(jīng)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。將RFID電子跟蹤與識別技術，利用植人鉆具內(nèi)的電子芯片，可成功實現(xiàn)鉆具電子標識和數(shù)字化管理。

利用RFID識別工作無須人工干預，可遠距離、自動批量進行實物的信息采集的特性，在鉆具內(nèi)植入一個電子標簽，給每一根鉆具安裝一個獨一無二的“電子身份證”，為油田鉆具數(shù)字化管理提供有效手段。并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，對RFID技術在能源行業(yè)精密資產(chǎn)管理中具有廣泛的應用推廣價值。

2.系統(tǒng)設計

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)，對需要定點讀取的位置或者機具安裝固定式讀取設備，對移動作業(yè)配備便攜或手持儀器設備，提高鉆桿資產(chǎn)管理水平，提高鉆井工作效率，同時可為綜合評價鉆具提供數(shù)據(jù)服務。

2.1系統(tǒng)硬件架構

能源行業(yè)精密資產(chǎn)油田鉆具數(shù)字化管理硬件系統(tǒng)構成如下，其核心包括：鉆具電子標簽發(fā)卡器、RFID固定式讀寫器、RFID移動數(shù)據(jù)采集終端，以及配套的應用服務系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)。

鉆具電子標簽發(fā)卡器用于鉆具電子標簽的初始化。RFID固定式讀寫器在鉆具生產(chǎn)倉儲環(huán)節(jié)完成快速的出入庫管理。應用服務器和數(shù)據(jù)服務器作為業(yè)務管理和數(shù)據(jù)處理、存儲系統(tǒng)。應用服務層是整個鉆具管理系統(tǒng)的管理、控制、服務中心，這一層將底層傳輸過來的數(shù)據(jù)進行特定處理后存入主數(shù)據(jù)庫，管理人員可以通過各種類型的用戶接口（如手持機端應用程序）對系統(tǒng)內(nèi)所有的數(shù)據(jù)信息進行監(jiān)控、查詢和分析，實現(xiàn)鉆具管理的自動化、網(wǎng)絡化、智能化。

2.2系統(tǒng)功能

基于RFID技術的鉆具管理系統(tǒng)，核心功能模塊主要有鉆具電子標識技術、固定式數(shù)據(jù)采集技術、移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、鉆具數(shù)據(jù)庫軟件技術以及鉆具跟蹤評價技術。

2.2.1鉆具電子標識技術

標識鉆具的電子標簽必須考慮石油行業(yè)的特殊性，標簽的安裝即不能影響鉆具的正常使用，同時也需要保證電子標簽的安裝牢固，不會隨鉆井和物流環(huán)節(jié)的變化而輕易脫落，因此，鉆具標簽的安裝最優(yōu)方式是選擇將標簽植入（鑲嵌）到鉆具中。同時，考慮到鉆具工作在苛刻的井下環(huán)境和復雜工況下，如電磁、高溫、高壓、腐蝕、震動、表面污物等，標簽的設計需確保信息不會丟失或出錯，且具備良好的環(huán)境耐受性。

Venus是一款專門應用于石油鉆井作業(yè)的鉆桿超高頻RFID標簽。

無論是生產(chǎn)環(huán)節(jié)還是從運輸?shù)浇M裝，Venus都可以實現(xiàn)資產(chǎn)從出廠開始整個服役周期的自動化追蹤管理，追溯資產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格、保養(yǎng)歷史、當前使用狀態(tài)、累積使用時間和長度等。

Venus經(jīng)過油田現(xiàn)場的測試，證實其完全可以承受井下高溫高壓、震動和化學腐蝕的極端環(huán)境，Venus作為全球首款獨一無二的超高頻鉆桿標簽，它顛覆傳統(tǒng)的射頻設計，采用高強度不銹鋼和高分子材料，其先進的制造工藝決定了標簽經(jīng)過井下鉆探過程后依然擁有可靠的性能。Venus采用方便快速的嵌入式安裝方式，保證標簽在鉆井過程中不會掉落，安全可靠。

2.2.2固定式數(shù)據(jù)采集技術

鉆具在生產(chǎn)環(huán)節(jié)即可植入電子標簽，在生產(chǎn)企業(yè)的倉庫，和最終用戶的接收倉庫，可部署RFID固定式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：

鉆具在出入庫時，RFID讀寫器通過天線發(fā)射射頻信號，鉆具上的RFID標簽獲取到感應電流，從而RFID標簽獲得能力被激活并向讀寫器發(fā)送出自身的編碼等信息，讀寫器接收到信息并通過網(wǎng)絡上傳到鉆具管理應用系統(tǒng)，系統(tǒng)自動完成鉆具身份的識別、登記資產(chǎn)信息，如鉆具型號、鉆具編號、出入時間、經(jīng)手人、批準人等；并實時掌握鉆具的流向。

固定式讀寫器主要是完成各流轉(zhuǎn)節(jié)點鉆具的出入庫，對進出的鉆具進行多個、快速準確的信息采集。

ThingMagic M6是一款四通道的超高頻RFID讀寫器，其具備750標簽/秒的高速讀取能力，最多可同時連接4路天線工作，覆蓋范圍更廣，快速采集數(shù)據(jù)的同時保證不漏讀。同時，ThingMagic M6具備超強的抗干擾能力，可適應各種惡劣的工業(yè)環(huán)境，支持WIFI連接，可更簡便靈活的部署在個關鍵節(jié)點中。

2.2.3移動數(shù)據(jù)采集技術

手持式移動數(shù)據(jù)采集器采用防摔、防塵和防水設計，可滿足惡劣的工作環(huán)境，可可靠讀取鉆具上的RFID標簽信息，讀取距離可達1米以上?；诎沧坎僮飨到y(tǒng)開發(fā)的鉆具移動管理軟件安裝在數(shù)據(jù)采集器上，通過在各節(jié)點對鉆具RFID標簽信息的獲取，達到對鉆具本身身份信息的識別，實現(xiàn)鉆具的移動管理。在鉆具管理的各個環(huán)節(jié)應用該項技術，即可實時記錄或查詢鉆具全部或部分信息，覆蓋鉆具的鉆井現(xiàn)場信息、檢測分級、維修保養(yǎng)、使用時長、報廢等全生命周期各個環(huán)節(jié)。

在實際作業(yè)過程中，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(zhuǎn)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(jīng)濟評價、鉆具質(zhì)量及供應商評價等，為油田生產(chǎn)和物資采購部門決策提供有效依據(jù)。

移動數(shù)據(jù)采集器以ThingMagic M6e-Micro為核心，一款采用超小型模組結構設計和優(yōu)異的“快速搜索算法”的超高頻RFID模具，可以嵌入到各種常用的手持和便攜式設備中。它對標簽的讀取速度高達750標簽/秒，功耗低，接收指令后反應快速，其特有的-5dbm到+30dbm的可調(diào)功率，識別距離可近可遠，可方便的應用在能源行業(yè)精密資產(chǎn)管理中，對快速的查找、盤點和日常移動作業(yè)提供了可靠的保證。

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2.2.4鉆具數(shù)據(jù)庫軟件技術

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。

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(chǎn)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，按照標準規(guī)范和用戶需要分列參數(shù)明細，如資產(chǎn)描述項目包括芯片編碼、用戶編號、資產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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。

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)通過網(wǎng)絡傳輸給手持機，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。

2.2.5鉆具跟蹤評價技術

系統(tǒng)能夠跟蹤每一根鉆具實際應用情況，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，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，及時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(jīng)濟評價、鉆具質(zhì)量及供應商評價等，為油田生產(chǎn)和物資采購部門決策提供有效依據(jù)。

通過鉆具的芯片信息還可以在系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫查詢到所有有關這種鉆具的信息條目，并統(tǒng)計得到這根鉆具的總使用次數(shù)和使用情況，幫助管理人員判斷這根鉆具是否需要更換、保養(yǎng)，甚至是已經(jīng)達到了其設計使用壽命應予以報廢。結合其他查詢條件可以得到更多分析結果，例如結合鉆具的使用日期的數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計得到每根鉆具的日使用次數(shù)，繪制出鉆具的使用頻率折線圖，可以幫助管理人員發(fā)現(xiàn)哪些鉆具的使用頻率過高，哪些鉆具的使用率不足造成鉆具資源的浪費，及時調(diào)整鉆具的分配情況，提升具桿使用效率，實現(xiàn)智能化的管理。

3.應用效益

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；

RFID射頻識別技術是當今國際先進的資產(chǎn)跟蹤與識別技術，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。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。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。