數(shù)字式智能分層注水無線數(shù)據(jù)傳輸仿真計(jì)算與分析

胡改星，王俊濤，申曉莉，何汝賢，沈延偉

（1.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710021；3.中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西榆林718600）

數(shù)字式智能分層注水無線數(shù)據(jù)傳輸仿真計(jì)算與分析

胡改星1，2，王俊濤1，2，申曉莉1，2，何汝賢1，2，沈延偉3

（1.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710021；3.中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西榆林718600）

為進(jìn)一步提高分注合格率，降低井下作業(yè)風(fēng)險和操作成本，實(shí)時監(jiān)測和調(diào)節(jié)井下各層注入量，提出了數(shù)字式分層注水技術(shù)。該技術(shù)成功設(shè)計(jì)了一種井下控制器，它可以和數(shù)字式配水器之間實(shí)現(xiàn)非接觸式無線通信、指令發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸和磁定位。通過無線數(shù)據(jù)傳輸模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同溫度下，鹽度與電導(dǎo)率近似的呈線性比例關(guān)系、穿透深度與通信距離在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了加大發(fā)射功率有利提高井下無線通訊距離及井下無線數(shù)據(jù)傳輸可行性；同時利用FEKO軟件對數(shù)字式無線數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了有限元仿真分析，得出了優(yōu)化天線的安裝方向。

數(shù)字式；分層注水；無線傳輸；仿真

遠(yuǎn)程無線傳輸井下測試數(shù)據(jù)是目前研究熱點(diǎn)，也是井下測試數(shù)據(jù)傳輸較為理想的途徑。通過調(diào)研分析，井下遠(yuǎn)程無線傳輸可行的技術(shù)途徑有利于低頻電磁波經(jīng)地層、低頻聲波沿油管以及智能鉆桿等實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的無線傳輸，具有實(shí)時、無需電纜、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[1]。

無線電磁波通信在地面大氣中的應(yīng)用非常廣泛，頻率范圍從幾赫茲到幾十億赫茲之間都有，其傳輸技術(shù)理論也較為成熟。電磁波在海水中主要應(yīng)用于地面與潛艇之間的數(shù)據(jù)傳輸，在極低頻率下大功率傳輸。而注水井井下無線傳輸?shù)沫h(huán)境是在直徑只有60 mm左右的金屬管中，傳輸介質(zhì)的礦化度有的超過了100 000 mg/L，這種條件下無線傳輸?shù)睦碚摵蛿?shù)據(jù)還沒有可供參考的資料。為可靠實(shí)現(xiàn)井下無線通訊，有必要研究電磁波在水中的傳輸距離并驗(yàn)證無線通訊方案的可行性，需要從理論和實(shí)驗(yàn)兩種途徑來進(jìn)行計(jì)算分析，并對天線安裝方向進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 數(shù)字式智能分層注水無線數(shù)據(jù)傳輸方式

通過持續(xù)攻關(guān)和配套完善，近幾年來形成了以機(jī)電一體化測調(diào)為核心的橋式同心和橋式偏心分注技術(shù)系列[2，3]，解決了油田開發(fā)層間矛盾，但還面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步提高測調(diào)成功率和效率，降低井下作業(yè)風(fēng)險和操作成本，長期監(jiān)測注水效果[4，5]，實(shí)時調(diào)節(jié)井下各層注入量，提高油藏開發(fā)效果，提出了數(shù)字式智能分層注水技術(shù)。該技術(shù)成功設(shè)計(jì)了一種井下控制器，它可以和數(shù)字式配水器之間實(shí)現(xiàn)非接觸式無線通信、指令發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸和磁定位[6-9]。同時研發(fā)集成了數(shù)字式智能配水器，它是將控制器與水嘴控制電機(jī)、電池、流量計(jì)、壓力傳感器等元器件在保護(hù)腔內(nèi)合理連接，智能配水器的控制核心是控制器，它可以通過天線與電纜操作工具進(jìn)行無線對接、實(shí)時命令的傳輸和數(shù)據(jù)的上傳（見圖1）。

圖1 安裝控制器、天線和電池的智能配水器示意圖

綜上，數(shù)字式智能分層注水?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要包括兩部分，一是安裝在井下配水器內(nèi)部的無線通信模塊，另一部分為電纜攜帶的井下控制器。井下傳感系統(tǒng)實(shí)時采集井下溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲，不進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[10-12]。根據(jù)需要下入電纜攜帶井下控制器至井下智能配水器的一定范圍之內(nèi)，與之進(jìn)行無線信息的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸采用成熟的無線射頻發(fā)射與接收模塊，不僅可以接收井下存儲的數(shù)據(jù)，也可以向井下發(fā)送控制指令（見圖2）。

圖2 井下數(shù)據(jù)無線傳輸圖

2 無線數(shù)據(jù)傳輸研究

測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的數(shù)據(jù)繪制曲線（見圖3），對比理論計(jì)算穿透深度與實(shí)驗(yàn)通訊距離的關(guān)系。

圖3 鹽度與通訊距離和穿透深度的關(guān)系曲線

從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)測得的通訊距離與理論計(jì)算的穿透深度具有相似的變化趨勢，但通訊距離遠(yuǎn)大于穿透深度。當(dāng)鹽度大于0.3‰時，通訊距離L和電導(dǎo)率的關(guān)系可近似為：

式中：a、b是基于實(shí)驗(yàn)得到的線性擬合系數(shù)。對于不同直徑和材料特性的油管，a、b的值不同。本實(shí)驗(yàn)中a=2.1，b=0.449。鹽度0.3‰～0.8‰范圍內(nèi)，相對誤差隨著鹽度的增加而減少，最大為7%；鹽度在0.8‰～50‰范圍內(nèi)，相對誤差最大為2%。

對于智能測調(diào)注水井井下數(shù)據(jù)傳輸，通過測量其鹽度來確定其礦化度，然后利用公式（1）計(jì)算有效的通訊距離。對于大部分注水井，其鹽度一般不高于50‰，在井下進(jìn)行無線通訊時，需要將發(fā)射端和接收端的距離控制在450 mm范圍內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

針對長慶油田分層注水井注水水質(zhì)特點(diǎn)，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M，研究注水井油管內(nèi)采用無線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行浴?shí)驗(yàn)測試了不同礦化度情況下無線信號傳輸?shù)木嚯x，得到了智能注水井管柱內(nèi)鹽度與電導(dǎo)率、穿透深度、通信距離的關(guān)系，在相同溫度下，鹽度與電導(dǎo)率近似為線性比例關(guān)系，穿透深度與通信距離在一定范圍內(nèi)呈線性，給出了在62 mm管徑內(nèi)無線通訊距離與水的礦化度之間的實(shí)驗(yàn)公式，為智能注水井井下無線通訊提供參考。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸有限元仿真分析

受制于空間結(jié)構(gòu)及介質(zhì)影響，在井下裝置中采用無線傳輸數(shù)據(jù)，其用于發(fā)射和接收信息的天線與傳統(tǒng)地面設(shè)置有很多不同。天線方向圖是衡量天線性能的重要圖形，可以從天線方向圖中觀察到天線的各項(xiàng)參數(shù)。

FEKO是一款用于3D結(jié)構(gòu)電磁場分析的仿真工具。它提供多種核心算法，矩量法（MoM）、多層快速多極子方法（MLFMM）、物理光學(xué)法（PO）、一致性繞射理論（UTD）、有限元（FEM）、平面多層介質(zhì)的格林函數(shù)，以及它們的混合算法來高效處理各類不同的問題。

首先在cadfeko中建立天線的實(shí)體模型，天線模型建立：定義頻率變量freq=433 MHz，設(shè)置波長lambda= c0/freq，沿z軸建立一個長為lambda/4的線段，在線端口上加上電壓源激勵。

設(shè)置求解項(xiàng)：建立一個垂直面內(nèi)的遠(yuǎn)場（-180°～180°）。建立之后沿z軸方向有一條淺灰色的實(shí)線即天線模型，坐標(biāo)中的紅色圓柱體為電壓源激勵，橙色的平面為坐標(biāo)平面，圍繞整個模型的圓圈為設(shè)定的遠(yuǎn)場范圍，垂直于坐標(biāo)平面。

結(jié)合模型本身的特點(diǎn)，模型體積較小，頻率不高，所以使用高精度的MLFMM方法來解決這個問題，它有精度高，占用內(nèi)存較小，計(jì)算速度快的特點(diǎn)。計(jì)算后，在postfeko下得到計(jì)算結(jié)果，可以看到整個天線的增益方向（見圖4）。

圖4 FEKO軟件計(jì)算天線增益方向圖

圖4中，灰色線段代表天線模型，增益成8字狀分布，顏色從綠到紅表示增益數(shù)值的變化，越往外值越大。數(shù)值變化可以從二維極坐標(biāo)遠(yuǎn)場增益方向圖中明顯看出（見圖5）。

4 無線數(shù)據(jù)傳輸天線的優(yōu)化布局

對天線方向圖仿真的結(jié)果表明：常見棒狀天線（單極天線）其發(fā)射增益和接收增益具有相似的天線圖。因此，當(dāng)兩天線如圖6所示排布時，具有較好的發(fā)射接收增益。

但當(dāng)天線頂頭放置，則由于正好避開了天線的最大增益方向；也正好對到天線的最小增益方向，則發(fā)送出來的電磁波在該方向上能量最小、接收方也對該方向傳來的電磁波最不敏感，從而導(dǎo)致發(fā)送接收傳遞能量最?。ㄒ妶D7）。

為了使收發(fā)天線通信距離盡量增大，建議將兩天線稍微側(cè)放，使避開天線的最小增益方向（見圖8）。這樣，即使不能在一次波達(dá)到最大，也可以使二次或三次反射波最大方向上到達(dá)接收方。

圖5 FEKO軟件計(jì)算天線增益極坐標(biāo)圖

圖6 棒狀天線通訊的最佳位置

圖7 棒狀天線安裝的不利布局

圖8 棒狀天線傾斜安裝

5 結(jié)論

（1）通過無線數(shù)據(jù)傳輸模擬實(shí)驗(yàn)，在相同溫度下，研究出了鹽度與電導(dǎo)率、穿透深度與通信距離的線性關(guān)系，驗(yàn)證了加大發(fā)射功率有利提高井下無線通訊距離及井下無線數(shù)據(jù)傳輸可行性。

（2）通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算出了在62 mm管徑內(nèi)無線通訊距離與水的礦化度之間的經(jīng)驗(yàn)公式。

（3）利用FEKO軟件對數(shù)字式無線數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了有限元仿真分析，優(yōu)化出了天線的最佳安裝方向，即建議將兩天線稍微側(cè)放，避開天線的最小增益方向，可增大收發(fā)天線通信距離。

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Calculation and analysis of digital intelligent layered waterinjection wireless data transmission simulation

HU Gaixing1，2，WANG Juntao1，2，SHEN Xiaoli1，2，HE Ruxian1，2，SHEN Yanwei3
（1.Oil and Gas Technology Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710018，China；2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil and Gas Fields，Xi'an Shanxi 710021，China；3.Oil Production Plant 5 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yulin Shanxi 718600，China）

In order to further improve separated layer water-flooding qualified rate,reduce the risk of underground work and operation cost,real-time monitor and regulate underground injection of each layer,digital layered water injection technology is put forward.This technique successfully designed a downhole controller.It can realize non-contact wireless communication,instructions to send,data transmission and magnetic positioning between the digital water distributor.Through wireless data transmission simulation experiment,it's found in the same temperature,salinity and conductivity approximate linearly proportional relationship,and penetration depth and communication distance is a linear relationship within a certain range.To further verify the feasibility that increasing the transmission power favorable can improve underground wireless communication distance and underground wireless data transmission.At the same time using FEKO software the finite element simulation analysis was carried out on the digital wireless data transmission.Optimizing the antenna installation direction is obtained.

digital；separated layer water-flooding；wireless transmission；simulation

TP274.1

A

1673-5285（2016）01-0080-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.01.021

2015－11-19

中國石油集團(tuán)公司科技專項(xiàng)“長慶油田精細(xì)分層注水工藝技術(shù)重大工程試驗(yàn)”，項(xiàng)目編號：2010F-0401。

胡改星（1987-），2012年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，助理工程師，主要從事低滲透油田注水開發(fā)工藝技術(shù)研究工作，郵箱：hgaix_cq@petrochina.com.cn。