低滲透油田分注井井下無線通訊技術研究與試驗

巨美歆 ，楊玲智 ，王子建 ，劉延青

（1.中國石油大學（北京），北京 102249；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710021）

近年來，低滲透油藏精細水驅開發(fā)不斷推進，油藏精細認識需求日趨迫切，推動油藏動態(tài)信息監(jiān)測及傳輸技術快速發(fā)展。隨著通訊技術的不斷升級，井下動態(tài)數(shù)據傳輸方式沿著井下存儲到電纜傳輸、光纖傳輸，再到無線傳輸?shù)募夹g發(fā)展路徑。目前油田開發(fā)過程廣泛使用的井下存儲和電纜傳輸技術基本成熟，光柵傳輸和無線傳輸技術處于應用研發(fā)階段，而國內的注水井井下流量、溫度和壓力信息的獲取是靠井口下入儀器進行測試作業(yè)，存在測試成本高、無法實時監(jiān)測的缺點[1-4]，因此研發(fā)智能井下配水器及井下無線通訊儀，滿足實時監(jiān)測信息無線傳輸要求，提高分層注水合格率，減少現(xiàn)場工作量，降低作業(yè)成本。

1 分注井井下通訊技術難點

長慶油田分注井井下通訊具有空間小、礦化度高及井下長期使用的特點。分注井井下無線通訊環(huán)境為直徑62 mm油管，油管對無線通訊信號屏蔽吸收能力較強，井下配水器最大外徑114 mm，最小內徑46 mm，可利用環(huán)形空間不足30 mm，天線安裝難度大。同時長慶油田注入水礦化度較高，制約無線通訊效果。另外，與其他井下短時間測試不同，按照油田管理規(guī)定要求，分注井工具井下使用時間不低于三年，要求工具井下長期使用穩(wěn)定可靠。

2 井下通訊技術現(xiàn)狀

井下數(shù)據傳輸方式主要包括有線通訊、無線通訊、有線+無線通訊等三類。

2.1 有線通訊技術

有線通訊包括電纜、光纜和濕接頭對接電纜通訊。電纜傳輸是目前傳輸速度快、穩(wěn)定、技術最為成熟的傳輸方式，主要用于井下監(jiān)測。20世紀70年代以來，國內外油田先后開展了電纜、光纜及濕接頭井下通訊技術研究，并取得成功，但該技術系統(tǒng)復雜，費用較高[5，7]。

2.2 無線通訊技術

無線通訊包括壓力脈沖、聲波和電磁波等方式，壓力脈沖方式主要用于隨鉆測試中，通過泥漿脈沖傳輸信號；低頻電磁波主要用于定向鉆井及水平井的隨鉆測試，1987年，國內勝利等油田開展了現(xiàn)場試驗；聲波傳輸技術研究較早，1948年，國外已開展相關研究，但國內尚無采用聲波方式錄取井下數(shù)據[6]。

2.3 有線+無線通訊技術

有線+無線通訊是指電纜傳輸與互感傳輸相結合，應用于智能鉆桿技術（見表1）。2000年美國率先研發(fā)成功，2006年實現(xiàn)數(shù)據實時高速傳輸[6-9]。

表1 井下與地面信息傳輸技術對比

結合低滲透油田注水開發(fā)特點，井下通訊技術需滿足雙向通訊、實時錄取、長期使用（3 a以上）及低成本的技術要求，現(xiàn)有三類技術尚無法直接應用，因此，借鑒現(xiàn)有技術的基礎上，研發(fā)適合低滲透油田注水井的信息傳輸新技術。

3 低滲透油田井下無線通訊技術研究

結合注水井井下空間及實際井況，借鑒現(xiàn)有的數(shù)據通訊技術，采用目前較為成熟的無線射頻技術實現(xiàn)井下無線通訊。

3.1 關鍵技術方案

井下無線通訊技術主要包括兩部分：（1）安裝在數(shù)字式配水器內部的無線通訊模塊；（2）電纜攜帶數(shù)字式井下控制器。數(shù)字式配水器實時采集井下溫度、壓力和流量數(shù)據并進行存儲，根據下入電纜攜帶數(shù)字式井下控制器至井下配水器的一定范圍之內，建立無線通訊，通訊過程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，也可以向井下發(fā)送控制指令（見圖 1）。

圖1 井下無線通訊模式

3.2 無線通訊可行性分析

注水井油管直徑62 mm，傳輸介質礦化度1 000 mg/L～100 000 mg/L，通過室內試驗的方式研究注水井井下無線傳輸?shù)目尚行浴?/p>

3.2.1 實驗設計 實驗環(huán)境：室溫條件下，采用內徑為62 mm、壁厚為5 mm的鋼管模擬注水井筒，定量分析在注水井油管內無線傳輸?shù)木嚯x和水的礦化度關系。

實驗介質：采用天平稱量食用鹽來調配不同礦化度的溶液、自來水。

實驗裝置：電池組，無線接收模塊，無線發(fā)射模塊，單片機，LCD顯示器。

實驗過程：將無線通訊發(fā)射系統(tǒng)密封后，固定于模擬井筒底部，同時將采用帶刻度的導線拉著無線通訊模塊接收系統(tǒng)，上下移動接收信號，測量不同礦化度條件下，發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)建立通訊的距離。經過多次的重復實驗，可以測得不同礦化度情況下的通訊距離。

3.2.2 實驗結果分析 在水溫15℃情況下可以測得不同礦化度的通訊距離（見圖2），礦化度在0 mg/L～5 000 mg/L范圍內電磁波穿透距離變化幅度較大，因此實驗進行加密測試。

圖2 礦化度與通訊距離關系曲線

對于智能井井下數(shù)據傳輸，長慶低滲透油田主力區(qū)塊礦化度一般不高于50 000 mg/L，在井下進行無線通訊時，需要將發(fā)射端和接收端的距離控制在400 mm范圍內就可以實現(xiàn)數(shù)據的有效傳輸。

3.3 天線結構優(yōu)化設計

受井筒空間限制，配水器及井下通訊儀天線設計成為制約通訊效果的關鍵?？紤]常用天線類型，主要可采用棒狀天線及纏繞式天線。

3.3.1 棒狀天線 其發(fā)射增益和接收增益具有相似的天線圖。因此，當兩天線按圖3排布時，具有較好的發(fā)射接收增益。

圖3 棒狀天線通訊的最佳位置

當天線頂頭放置，則為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，從而導致發(fā)送接收傳遞能量最?。ㄒ妶D4）。

圖4 棒狀天線安裝的不利布局

為了使收發(fā)天線通訊距離盡量增大，將兩天線稍微側放，使避開天線的最小增益方向（見圖5），即使不能直接達到最大，也可以二次或三次反射波最大方向到達接收方。

圖5 棒狀天線傾斜安裝

3.3.2 纏繞式天線 數(shù)字式配水器采用纏繞式高增益天線，沿天線軸向方向輻射最強，且輻射圓極化波，保證了足夠的有效通訊距離，以此增加天線覆蓋面積、提高信號穿透能力，保證井下控制器與數(shù)字式配注器無線通訊的可靠性（見圖6）。

圖6 纏繞式天線安裝方式

3.4 井下無線通訊仿真分析

受制于空間結構及介質影響，在井下裝置中采用無線傳輸數(shù)據，其用于發(fā)射和接收信息的天線與傳統(tǒng)地面設置有很多不同。天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力，這就是天線的方向性。衡量天線方向性通常使用方向圖，在水平面上，輻射與接收無最大方向的天線稱為全向天線，即纏繞式天線，有一個或多個最大方向的天線稱為定向天線，即棒狀天線。全向天線由于其無方向性，所以多用在點對多點通訊的中心臺。

與棒狀天線的差別，纏繞式天線在于輻射的范圍在360°，其增益方向就像一個蘋果（見圖7、圖8）。

圖7 棒狀天線增益方向示意圖

圖8 纏繞式天線增益方向示意圖

圖9 室內試驗模塊發(fā)射功率曲線

使用433 MHz通訊頻段進行測試，纏繞式天線在通訊頻段內顯著增強了發(fā)射和接收增益，能夠實現(xiàn)更好的穿透性。同時借鑒海上燈塔導航原理，設計瞬時大功率通訊脈沖，集成激發(fā)裝置，數(shù)據傳輸時，建立瞬時大功率信號沖擊，最大功率達到200 mW：通訊成功后10 mW，數(shù)據傳輸時40 mW，提升無線通訊的可靠性（見圖9）。

4 井下無線通訊試驗效果分析

2015年，長慶低滲透油田開展了6口井井下無線通訊現(xiàn)場試驗，初步實現(xiàn)了井下分層壓力、溫度和流量等生產動態(tài)信息的實時監(jiān)測以及井下和地面數(shù)據和指令的無線雙向通訊等功能，通訊成功率85%，建立通訊所需時間1 min，平均單井無線傳輸數(shù)據量3.5萬組，分層注水合格率達95%以上。

以姬塬油田胡X井為例，該井基本情況為：井深2 756 m，井斜39.5°，注入介質清水，礦化度15 000 mg/L，上層配注10 m3/d，下層配注5 m3/d。該井試驗時間2015年9月1日，兩層配水器累計錄取數(shù)據5.24萬組，2015年9月-2016年3月的動態(tài)數(shù)據錄取情況（見圖10）。胡X井實測流量范圍2 m3/d～25 m3/d，當?shù)阶詣訙y調時間，若流量不滿足配注要求，配水器自動調節(jié)至10%誤差范圍內，部分數(shù)據超出誤差范圍原因為地面壓力波動。

5 結論

（1）井下無線通訊技術為低滲透油藏井下分層注水動態(tài)錄取提供了手段，實現(xiàn)油藏壓力、溫度、瞬時流量、累計流量等關鍵參數(shù)的長期監(jiān)測及傳輸，為油藏動態(tài)調整提供技術支撐；

（2）采用室內試驗及模擬分析，與棒狀天線相比，纏繞式天線通訊效果大幅提升，433 MHz通訊頻段發(fā)射和接收增益增強，實現(xiàn)更好的穿透性；

圖10 胡X井上下層6個月歷史數(shù)據

（3）智能井井下無線通訊技術實現(xiàn)注水井井下狹窄空間穩(wěn)定通訊，建立通訊所需時間1 min，單井錄取數(shù)據3.5萬組；

（4）井下無線通訊技術滿足實時監(jiān)測信息無線傳輸要求，正常注水情況下分層注水合格率95%以上，減少現(xiàn)場工作量，降低作業(yè)成本。

［1］逢啟壽，劉本輝，馮羽生，楊杰.基于步進數(shù)字式閉環(huán)控制的流量控制系統(tǒng)［J］.機械工程與自動化，2008，（3）：132-134.

［2］劉永勝.注水井分層智能聯(lián)動調配系統(tǒng)［J］.石油儀器，2007，21（1）：62-64.

［3］A.Jack，王金旗，孟金煥.智能井系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.國外油田工程，2004，20（2）：23-25.

［4］李林.隨鉆測量數(shù)據的井下短距離無線傳輸技術研究［J］.石油鉆探技術，2007，25（1）：45-48.

［5］陳巍，楚栓成.短距無線通信頻率共存研究［J］.通信技術，2011，65（5）：65-67.

［6］曹育紅，田子鍵.特殊環(huán)境下無線通信系統(tǒng)的頻率選擇［J］.電子工程師，2004，30（5）：12-14.

［7］趙明鑫.注水井智能控制技術研究［D］.大慶：東北石油大學，2011.

［8］文盛樂，李澤軍，楊江河，等.導電介質內傳播電磁波特性研究［J］.湖南文理學院學報，2006，18（1）：19.

［9］張瑜斌，鄧愛英，莊鐵誠，等.潮間帶土壤鹽度與電導率的關系［J］.生態(tài)環(huán)境，2003，12（2）：164.