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(shí)行鉆具定隊管理，即不論井隊所鉆井深和井身結(jié)構(gòu)是什么狀況，都使用一套鉆具，這一套鉆具視為一個等級質(zhì)量、鉆具好壞不分、“從一而終”。②實(shí)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(jìn)鉆具分到井隊鉆到一定當(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、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(dá)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(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(xué)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(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤和分析，而且人工識別檢測效率低，準(zhǔn)確性差。鉆具在各個管理節(jié)點(diǎn)，人工清點(diǎn)數(shù)量、查鋼號、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(如打鋼號)由人工操作，耗時耗力，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、磁力影響、表面油漆及污垢等的影響，會使鉆具標(biāo)識模糊不清，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、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(shù)瓶頸，有必要尋找一種新型鉆具標(biāo)識技術(shù)。將RFID電子跟蹤與識別技術(shù)，利用植人鉆具內(nèi)的電子芯片，可成功實(shí)現(xiàn)鉆具電子標(biāo)識和數(shù)字化管理。

利用RFID識別工作無須人工干預(yù)，可遠(yuǎn)距離、自動批量進(jìn)行實(shí)物的信息采集的特性，在鉆具內(nèi)植入一個電子標(biāo)簽，給每一根鉆具安裝一個獨(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。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(hù)技術(shù)，確保植入鉆具信息的可靠性，對RFID技術(shù)在能源行業(yè)精密資產(chǎn)管理中具有廣泛的應(yīng)用推廣價值。

2.系統(tǒng)設(shè)計

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)，對需要定點(diǎn)讀取的位置或者機(jī)具安裝固定式讀取設(shè)備，對移動作業(yè)配備便攜或手持儀器設(shè)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(wù)。

2.1系統(tǒng)硬件架構(gòu)

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(gòu)成如下，其核心包括：鉆具電子標(biāo)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(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。

鉆具電子標(biāo)簽發(fā)卡器用于鉆具電子標(biāo)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(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器作為業(yè)務(wù)管理和數(shù)據(jù)處理、存儲系統(tǒng)。應(yīng)用服務(wù)層是整個鉆具管理系統(tǒng)的管理、控制、服務(wù)中心，這一層將底層傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)端應(yīng)用程序）對系統(tǒng)內(nèi)所有的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控、查詢和分析，實(shí)現(xiàn)鉆具管理的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

2.2系統(tǒng)功能

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

2.2.1鉆具電子標(biāo)識技術(shù)

標(biāo)識鉆具的電子標(biāo)簽必須考慮石油行業(yè)的特殊性，標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽的安裝最優(yōu)方式是選擇將標(biāo)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(fù)雜工況下，如電磁、高溫、高壓、腐蝕、震動、表面污物等，標(biāo)簽的設(shè)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(yīng)用于石油鉆井作業(yè)的鉆桿超高頻RFID標(biāo)簽。

無論是生產(chǎn)環(huán)節(jié)還是從運(yùn)輸?shù)浇M裝，Venus都可以實(shí)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(dāng)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(shí)其完全可以承受井下高溫高壓、震動和化學(xué)腐蝕的極端環(huán)境，Venus作為全球首款獨(dú)一無二的超高頻鉆桿標(biāo)簽，它顛覆傳統(tǒng)的射頻設(shè)計，采用高強(qiáng)度不銹鋼和高分子材料，其先進(jìn)的制造工藝決定了標(biāo)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(biāo)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(shù)

鉆具在生產(chǎn)環(huán)節(jié)即可植入電子標(biāo)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(biāo)簽獲取到感應(yīng)電流，從而RFID標(biāo)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(luò)上傳到鉆具管理應(yīng)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(zhǔn)人等；并實(shí)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(diǎn)鉆具的出入庫，對進(jìn)出的鉆具進(jìn)行多個、快速準(zhǔn)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(biāo)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(qiáng)的抗干擾能力，可適應(yīng)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(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中。

2.2.3移動數(shù)據(jù)采集技術(shù)

手持式移動數(shù)據(jù)采集器采用防摔、防塵和防水設(shè)計，可滿足惡劣的工作環(huán)境，可可靠讀取鉆具上的RFID標(biāo)簽信息，讀取距離可達(dá)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(diǎn)對鉆具RFID標(biāo)簽信息的獲取，達(dá)到對鉆具本身身份信息的識別，實(shí)現(xiàn)鉆具的移動管理。在鉆具管理的各個環(huán)節(jié)應(yīng)用該項技術(shù)，即可實(shí)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(shí)際作業(yè)過程中，采集每一節(jié)點(diǎn)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(jié)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(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)及性能評估軟件進(jìn)行分析計算，最終提供一套科學(xué)完整的鉆具跟蹤評價結(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)評價、鉆具質(zhì)量及供應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)備中。它對標(biāo)簽的讀取速度高達(dá)750標(biāo)簽/秒，功耗低，接收指令后反應(yīng)快速，其特有的-5dbm到+30dbm的可調(diào)功率，識別距離可近可遠(yuǎn)，可方便的應(yīng)用在能源行業(yè)精密資產(chǎn)管理中，對快速的查找、盤點(diǎn)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(shù)

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數(shù)據(jù)域菜單。

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，每個數(shù)據(jù)域由多個數(shù)據(jù)段組成，按照標(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(qiáng)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(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)用各項目提供新購進(jìn)鉆具從開始應(yīng)痢直至報廢中間各環(huán)節(jié)信息的詳細(xì)記錄和跟蹤。

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)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給手持機(jī)，當(dāng)芯片編碼與特定的項目信息相關(guān)聯(lián)后，一旦標(biāo)識芯片可以被掃描，所有相關(guān)的輸入信息就會顯示出來。

2.2.5鉆具跟蹤評價技術(shù)

系統(tǒng)能夠跟蹤每一根鉆具實(shí)際應(yīng)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(diǎn)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(jié)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(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)及性能評估軟件進(jìn)行分析計算，最終提供一套科學(xué)完整的鉆具跟蹤評價結(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)評價、鉆具質(zhì)量及供應(yīng)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(guān)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(dá)到了其設(shè)計使用壽命應(yīng)予以報廢。結(jié)合其他查詢條件可以得到更多分析結(jié)果，例如結(jié)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(fèi)，及時調(diào)整鉆具的分配情況，提升具桿使用效率，實(shí)現(xiàn)智能化的管理。

3.應(yīng)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(biāo)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(yán)重制約著鉆具管理的高效和準(zhǔn)確；

RFID射頻識別技術(shù)是當(dāng)今國際先進(jìn)的資產(chǎn)跟蹤與識別技術(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。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(shù)成功應(yīng)用到鈷具數(shù)字化管理系統(tǒng)的關(guān)鍵?；赗FID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。