1SAW-RFID简介
相比于传统的IC标签在温度高于85℃后就不能可靠读取，SAW-RFID技術以声表面波（SAW）器件为核心，不但在高温环境中信息读取能够实现，而且克服了IC芯片工作时要求直流电源的缺陷。
SAW-RFID是一种不使用半导体元件的超高频段、纯无源射频识别技术。与基于IC技术的无源射频标签相比，SAW-RFID技术具有以下独特的优势：①具有较远的读取距离和较强的信号穿透力；②可在恶劣的环境下工作；③读取速度快，可识别高速运动的物体[1]。
2系统总体方案
2.1芯片植入及防护
针对现有技术的标识不能自动输出信息，无法与计算机及相关自动采集信息仪器链接的不足，本文设计了一种石油钻具内置芯片标签结构，它包括螺塞和芯片标签。在接头根部外壁设有凹入的平台，螺塞为平头平底的内六角连接件，螺塞旋入平底螺纹盲孔中构成内置芯片标识的锁紧结构，芯片标签为设有隔热防磁层的电子标签。该结构为机械式锁紧凹腔结构，芯片安装位置可靠，便于配套仪器远程读取芯片标签[2]，如图1。
2.2电子标签设计
高温环境下应用的SAW标签主要由压电基片、叉指换能器、反射栅和天线组成。压电基片材料是影响SAW标签性能的一个重要因素，也决定了SAW标签的应用范围。选用合适的基片材料会大大提高SAW标签的性能，能够获得更好的稳定性，承受更大的载荷以及更高的工作温度等。目前声表面波器件所用的压电材料有石英（SiO2），铌酸锂（LiNbO3），钽酸锂（LiTaO3）等。由于钻杆生产线中工作环境温度范围设定在250℃左右，结合各种压电材料在应用中的局限性，设计采用以蓝宝石为基底的氮化铝（AIN）薄膜作为SAW标签的压电基片。
SAW标签的金属电极包括叉指换能器和反射栅。高温环境对于金属层材料的三个主要的要求为：导电率高、熔点高以及在高温下有良好的抗氧化能力和化学惰性。铝是常见的用于制作叉指换能器和反射栅的金属材料，因为它的熔点是660℃，给在高温下的应用提供了可能。
SAW标签天线的设计指标主要考虑：天线类型、中心频率、工作带宽、回波损耗与驻波比、增益和阻抗匹配等几个方面的问题。为了保证标签可以贴装在金属物体表面，采用了微带贴片型天线，工作频率为922.5MHz，工作带宽为32MHz。考虑到天线的成本及小型化，选用尺寸为80*30*1.6mm的PCB板，介电常数ε=7.5，天线的轮廓材料用铜贴片。
声表面波器件必须进行严密的封装，用来防止外界的扰动，以及灰尘、污渍、潮湿等。标签的封装形式和引线也是影响SAW标签在高温环境下稳定性的一个重要因素。针对高温环境下的SAW标签，设计采用全陶瓷外壳的封装技术，结构如图2所示。
2.3钻具全生命周期管理流程
从图3所示的石油钻具管理流程图上不难看出，钻具全生命周期系统流程可分为管具公司和钻井队两部分，管具公司负责安装SAW-RFID芯片并录入相关信息，以及入库、出库的性能检测等。钻井队则负责入井队记录、井口使用记录、现场检查记录。
3结束语
本文介绍的钻具全程动态信息管理系统，可实现钻具电子信息全生命周期的动态管理。同时，通过全过程的信息化管理，可为钻具优化使用提供科学依据，提高钻具使用水平，降低因钻具超负荷使用引起的井下故障，有效提升石油钻具管理水平，为实现数字化油田、信息化油田和智慧油田的发展目标起到积极的作用。
参考文献
[1]孙鹏.石油钻具全程动态监控预警管理系统研究与应用[J].物联网技术，2011，01（10）：56-58.
[2]张一丹.高温环境下声表面波射频识别标签的研究[D].上海：上海交通大学，2013：1-5.
来源：科学与信息化 2016年30期
作者：王景
