基于RFID技术的井下控制系统主要由RFID通讯系统和读取控制系统组成。RFID通讯系统包括RFID标签和井下天线两部分，读取控制系统由井下控制电路和高温电池组成，两个系统通过连接器实现通讯和控制信号的传输。总体结构见图 1。

图  1  基于RFID技术的井下控制系统总体结构

Figure 1.  The overall structure of RFID downhole control system

如图 1所示，在地面将预先写入控制命令的RFID标签通过井口投放，标签随钻井液向下流动。在通过井下天线内部时，获取天线发出的射频能量后，将所携带的控制命令以电磁波的形式发送给读取控制系统，井下控制电路中的微型处理器根据特定的通讯协议对获取的信息进行解码，获得控制命令，即可控制相应的井下执行机构动作。

基于RFID技术的井下控制系统采用无线传输方式，因此，确保井下控制系统接收并正确解析控制命令是关键。但在实际使用中，井下工况恶劣，电磁环境复杂，极大地影响了其工作的可靠性和稳定性。如何保证控制命令既能“读的到”，又能“读的准”，这就需要根据实际应用环境对系统进行优化设计。基于RFID技术的井下控制系统的主要影响因素包括：（1）RFID通讯系统工作时，井下天线产生电磁场，磁力线穿过周围金属环境，产生涡流，其伴生的磁场削弱了原有井下天线内部磁场，严重时直接导致RFID系统无法正常工作，标签信息读取失败是影响RFID系统工作稳定性的重要因素。（2）不同应用井况下钻井液成分不同，其电磁特性存在差异，井下天线内通径是钻井液过流通道，因此，天线内部的磁场受到的影响也不同，从而造成不同井况下RFID系统电磁性能差异，影响系统工作稳定性。（3）相比常规的井下电路，RFID电路对系统电气参数变化更加敏感，因此，井下温度变化造成电路元器件电器参数的波动以及元器件自身的噪声，使接收的控制信号产生异变或毛刺，造成命令解析错误或失败，影响RFID系统的工作可靠性。

要想克服或减小这些因素对基于RFID技术的井下控制系统的影响，就要从RFID通讯系统结构和读取控制系统软硬件两方面进行优化设计。

井下天线通交流电后，在天线内部及周围产生电磁场，如图 2所示，携带控制命令的RFID标签随钻井液高速流过井下天线内通径时，在天线内部有效磁场范围内获得磁场能量，将控制命令以电磁载波的形式传递给井下控制电路。因此，井下天线所产生的磁场强弱和有效磁场范围直接影响了标签读取成功率，决定了控制命令传输的成败。因此，需要根据其影响因素进行分析，对RFID井下天线及所在的通讯短节结构进行优化改进。

图  2  井下天线电磁场磁力线分布

Figure 2.  Magnetic flux distribution of electromagnetic field of downhole antenna

根据涡流的定义可知，部分磁力线穿过工具金属外壳，这是产生涡流的主要原因。当磁力线分布范围一定时，井下天线与工具外壳内壁间距越大，磁力线穿过壳体越少，产生的涡流影响就越小。但在实际结构设计中，受到钻井液通量、工具壳体强度要求等限制，间距不能无限加大，如何在实际应用中设计合理的间距，使其尽量减少对井下天线电磁场的影响，保证RFID通讯系统的正常工作，是设计的关键。通过对不同间距的通讯短节进行磁场影响测试试验，获得了不同间距对井下天线内部电磁影响变化曲线，如图 3所示。

图  3  不同间距对天线内部磁场强度的影响

Figure 3.  Effect of spacing on the magnetic field intensity inside the antenna

变化曲线拟合公式为：

公式拟合度0.996 5，能够比较准确地表征井下天线与工具外壳内壁间距对井下天线内部磁场的影响，可作为基于RFID技术的井下控制系统通讯短节的结构设计参考。在测试中发现，当井下天线内部磁场强度削弱小于30%，RFID通讯系统依然能正常工作，因此，井下天线与金属外壳内壁间距30 mm是一个可以接受的最小设计间距。

从图 2可以看出，天线内部磁场的有效范围长度略小于线圈缠绕长度，因此，需要设计足够的线圈缠绕长度，以保证标签随钻井液高速通过天线内部时，标签有足够的时间将所携带的数据发送出去，实现RFID控制命令的传输。线圈缠绕长度设计公式为

式中，L为线圈缠绕长度，m；v为标签通过速度，m/s；t为数据传输时间，s；a为冗余安全系数。

本文设计的基于RFID技术的随钻扩眼控制系统选取工作频率为125 kHz的飞利浦hitag标签，根据其数据手册，数据储存在一个page中，传输时间为10 ms；考虑到命令传输过程中可能出现错误中断，以及冗余安全考虑，设定冗余安全系数为3；标签随钻井液流动，钻井液速度等同于标签速度，因此，通过钻井液排量和天线内通径算出标签通过天线内部时的速度为10 m/s。则此次设计的井下天线线圈缠绕有效长度应不小于300 mm。

在实际应用中，RFID读取控制系统置于井底，所处工况恶劣，电磁环境复杂，这就对其软硬件设计提出了很高的要求，既要保证读取控制电路在高温振动下长时间稳定工作，又要保证能够适应不同的井下电磁环境，实现较高的RFID通讯成功率。

在RFID读取控制电路设计中，加入了自适应优化模块、信号处理模块和数据记录模块来提高系统工作的可靠性和稳定性。其设计方案如图 4所示。

图  4  RFID读取控制电路设计方案

Figure 4.  Electric circuit design of RFID reading control system

（1）自适应优化模块。RFID井下控制系统相当于一个LC振荡电路，当系统实际输出频率与系统固有频率相等时，系统达到谐振状态，此时井下天线产生的磁场最强，标签读取成功率最高。井下电磁干扰对RFID系统的影响表现为系统等效电感C的变化，造成系统工作频率偏移而失谐，天线磁场变弱，RFID标签无法获得足够的能量而通讯失败。因此，针对不同钻井液和井下温度变化等不可预知的电磁干扰，设计了一个自适应优化模块，通过监控电路实时监控系统工作频率，当井下电磁影响使系统工作频率超出正常范围（120~130 kHz）时，自适应优化模块开始工作，井下微处理器根据电容阵列中不同电容值进行计算比较，选择合适的电容值对系统等效电容进行补偿修正，使系统频率重新回到正常工作范围。并通过相位反馈监控频率相位，利用锁相环跟踪保持相位差，使系统一直保持在最佳工作状态。

（2）信号处理模块。控制命令以电磁载波的方式进行传输，极易受到井下电磁环境以及控制电路自身噪声的干扰，出现异变或毛刺等情况，影响控制命令的正确解析。因此，设计了信号处理模块，通过对接收信号进行放大、滤波、整流和跟随处理，整形出一个信噪比较高的耦合信号进入解调芯片，保证解调出的控制命令的准确性。其中滤波电路采用有源带通滤波器，消除井下以及电路自身的白噪声干扰。

（3）数据记录模块。基于RFID技术的井下控制系统在使用过程中，无法保证时刻正常工作，当系统出现异常状况时，为了便于事后分析研究，增加了数据记录模块，作为控制系统的“黑匣子”。通过温度传感器记录环境温度；通过记录井下天线工作电压、输出频率等参数，反映RFID通讯系统工作状态；记录读到标签的信息，用以统计标签读取成功率。这些信息都将保存在数据记录模块中，掉电后不会丢失，便于后续进行回读分析。

为了提高控制命令译码的正确性，防止控制信息在译码过程中被误译、错译和漏译，设计控制命令解析软件时，通过采用添加数据同步头的方法保证捕获到正确的控制信息，排除因干扰造成信号线上异常跳变而出现误译操作；再通过边沿触发和延时判断相结合的方式对捕获的信息进行解析，保证译码信息的准确性，避免信号错译情况的发生；最后通过对整个控制命令数据采用CRC校验的方式，保证接收控制命令的完整性，消除信号部分漏译的可能性。通过软件优化，保证RFID通讯数据解析的正确性和完整性。其优化解析流程图如图 5所示。

图  5  软件优化解析流程

Figure 5.  Analytical process of software optimization

试验井安顺89井为二开斜井，垂深2 180 m，造斜点1 200 m。钻井液密度1.35 g/cm3。扩眼井段为868~968 m，处于直井段。准备扩眼时，投放一组3个“开始扩眼”命令标签，控制扩眼器刀翼打开，进行扩眼作业，并在扩眼期间投入一组3个测试标签，完成目标井段扩眼后，投入一组3个“结束扩眼”命令标签，控制扩眼刀翼收回，完成扩眼作业，工具顺利取出。

基于RFID技术的随钻扩眼器回收后，取出井下控制电路，读取“黑匣子”记录数据，此次共投放9个试验标签，实际读取成功9个，读取成功率100%。整个系统井下工作状态数据如图 6所示。

图  6  RFID系统井下工作状态

Figure 6.  Downhole operating state of RFID system

从红色测温曲线可以看出，入井前测温与地面气温一致，在下井过程中，随着井深的增加，井下温度逐渐提高，工具下到预定井深后，开始循环钻井液，在循环作用下测温略有下降，然后保持不变，工具扩眼完成，开始从井底提出，测温随井深减小而下降，最终趋于地面温度。整个试验过程测温曲线变化符合井深温度变化规律，说明井下监控记录系统工作正常，数据真实有效。

从蓝色系统频率变化曲线可以看出，RFID扩眼器入井前，系统工作频率为123 kHz，处于正常工作范围。开始入井，系统频率降低到120 kHz，这是由于工具内部从空气变为灌满钻井液，使系统等效电容升高，系统频率被拉低到120 kHz，尚在120~130 kHz范围内，因此自适应优化模块没有立即工作。随着入井深度增加，环境温度升高，使系统等效电容进一步升高，系统频率降至120 kHz以下，触发自适应优化模块工作，通过电容阵列优化匹配，将系统频率调整到130 kHz，回到120~130 kHz的正常范围内。此后系统工作频率一直稳定，表明系统正常工作，在工具提出井口后，工具内部钻井液清空，系统等效电容减小，系统频率被升高超过正常工作范围，再次触发自适应优化模块工作，将系统频率调整到126 kHz正常范围。整个过程自适应优化模块克服了井下电磁干扰，保证了系统最佳工作状态。

（1）对RFID通讯短节及井下天线结构进行了电磁性能优化，选取最优天线与短节外壳内壁间距，减小了金属涡流的电磁干扰，保证了系统稳定工作；同时设计了天线绕线长度，保证标签随钻井液高速流过井下天线内部时被准确读取。

（2）对RFID读取控制系统进行了优化设计。硬件方面，增加了自适应优化模块和信号处理模块，能够根据井下电磁环境的影响，自动调节系统工作频率，使系统工作在最佳状态，提高了标签的读取成功率；软件方面，通过优化算法、增加校验等方式，提高了控制信号解析的正确性。从而在软硬件两方面保证了控制命令被读取并正确识别。

（3）在江苏淮安顺89井成功进行了基于RFID技术的井下控制系统下井试验，验证了基于RFID技术的井下控制系统的工作性能。整个试验过程RFID控制命令均被正确识别并执行，标签读取成功率100%，电路中的自适应优化模块发挥了重要作用，保证了系统的稳定工作。

（4）本文设计的基于RFID技术的井下控制系统可作为一个独立控制短节，与多种井下工具相结合，开发系列井下控制工具，发挥其控制优势。