1.需求分析

1.1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。

1.2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。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。將RFID電子跟蹤與識別技術，利用植人鉆具內的電子芯片，可成功實現鉆具電子標識和數字化管理。

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”，為油田鉆具數字化管理提供有效手段。并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，對RFID技術在能源行業精密資產管理中具有廣泛的應用推廣價值。

2.系統設計

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

2.1系統硬件架構

能源行業精密資產油田鉆具數字化管理硬件系統構成如下，其核心包括：鉆具電子標簽發卡器、RFID固定式讀寫器、RFID移動數據采集終端，以及配套的應用服務系統和數據服務系統。

鉆具電子標簽發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倉儲環節完成快速的出入庫管理。應用服務器和數據服務器作為業務管理和數據處理、存儲系統。應用服務層是整個鉆具管理系統的管理、控制、服務中心，這一層將底層傳輸過來的數據進行特定處理后存入主數據庫，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）對系統內所有的數據信息進行監控、查詢和分析，實現鉆具管理的自動化、網絡化、智能化。

2.2系統功能

基于RFID技術的鉆具管理系統，核心功能模塊主要有鉆具電子標識技術、固定式數據采集技術、移動數據采集系統、鉆具數據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節的變化而輕易脫落，因此，鉆具標簽的安裝最優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，且具備良好的環境耐受性。

Venus是一款專門應用于石油鉆井作業的鉆桿超高頻RFID標簽。

無論是生產環節還是從運輸到組裝，Venus都可以實現資產從出廠開始整個服役周期的自動化追蹤管理，追溯資產的產品規格、保養歷史、當前使用狀態、累積使用時間和長度等。

Venus經過油田現場的測試，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固定式數據采集技術

鉆具在生產環節即可植入電子標簽，在生產企業的倉庫，和最終用戶的接收倉庫，可部署RFID固定式數據采集系統：

鉆具在出入庫時，RFID讀寫器通過天線發射射頻信號，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送出自身的編碼等信息，讀寫器接收到信息并通過網絡上傳到鉆具管理應用系統，系統自動完成鉆具身份的識別、登記資產信息，如鉆具型號、鉆具編號、出入時間、經手人、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節點鉆具的出入庫，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，快速采集數據的同時保證不漏讀。同時，ThingMagic M6具備超強的抗干擾能力，可適應各種惡劣的工業環境，支持WIFI連接，可更簡便靈活的部署在個關鍵節點中。

2.2.3移動數據采集技術

手持式移動數據采集器采用防摔、防塵和防水設計，可滿足惡劣的工作環境，可可靠讀取鉆具上的RFID標簽信息，讀取距離可達1米以上。基于安卓操作系統開發的鉆具移動管理軟件安裝在數據采集器上，通過在各節點對鉆具RFID標簽信息的獲取，達到對鉆具本身身份信息的識別，實現鉆具的移動管理。在鉆具管理的各個環節應用該項技術，即可實時記錄或查詢鉆具全部或部分信息，覆蓋鉆具的鉆井現場信息、檢測分級、維修保養、使用時長、報廢等全生命周期各個環節。

在實際作業過程中，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。

移動數據采集器以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的可調功率，識別距離可近可遠，可方便的應用在能源行業精密資產管理中，對快速的查找、盤點和日常移動作業提供了可靠的保證。

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2.2.4鉆具數據庫軟件技術

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。

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，按照標準規范和用戶需要分列參數明細，如資產描述項目包括芯片編碼、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。

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，數據通過網絡傳輸給手持機，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。

2.2.5鉆具跟蹤評價技術

系統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，鉆具數字化管理系統能夠提供鉆具跟蹤評價的數據平臺，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，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。

通過鉆具的芯片信息還可以在系統后臺數據庫查詢到所有有關這種鉆具的信息條目，并統計得到這根鉆具的總使用次數和使用情況，幫助管理人員判斷這根鉆具是否需要更換、保養，甚至是已經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據可以統計得到每根鉆具的日使用次數，繪制出鉆具的使用頻率折線圖，可以幫助管理人員發現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，及時調整鉆具的分配情況，提升具桿使用效率，實現智能化的管理。

3.應用效益

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；

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。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。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。