唐 軍(四機(jī)賽瓦鉆采設(shè)備有限公司,湖北 荊州 434024)

肖紅翼(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 荊州 434023)

低頻電磁場(chǎng)通訊在分層壓裂中的應(yīng)用

唐 軍(四機(jī)賽瓦鉆采設(shè)備有限公司,湖北 荊州 434024)

肖紅翼(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 荊州 434023)

酸化及酸化壓裂過(guò)程中原有機(jī)械式投球、坐封的方式已不能適應(yīng)水平井多層壓裂的要求。提出了一種新的分層壓裂方法，即通過(guò)內(nèi)置發(fā)射裝置的投球，發(fā)射帶有低頻ID編碼的信號(hào)，在井下管柱節(jié)流器處安裝低頻接收裝置和電磁閥，當(dāng)投球經(jīng)過(guò)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ID編碼的識(shí)別，從而控制相應(yīng)的電磁閥，進(jìn)而完成對(duì)壓裂液和支撐劑的導(dǎo)引。

酸化壓裂；趨膚深度；低頻磁發(fā)射；模擬前端器件

分層酸化壓裂對(duì)提高油氣產(chǎn)量，特別是后期油田產(chǎn)能的提高起到重要作用。傳統(tǒng)分層壓裂采用的是機(jī)械式的投球、坐封、憋壓分層的方式，其原理是利用投球直徑的大小不同，從而達(dá)到對(duì)相應(yīng)的措施層完成坐封、壓裂的任務(wù)[1]。由于受到投球及座封滑套精度的限制，一般分層壓裂的層數(shù)不可能大于十層，而現(xiàn)代壓裂過(guò)程中，特別是在水平井壓裂過(guò)程中，超多層的壓裂已變的越來(lái)越普遍，而傳統(tǒng)的機(jī)械式方法顯然對(duì)此已不能勝任。為此，筆者提出了一種新的分層壓裂的方法，即在分層壓裂過(guò)程中通過(guò)信號(hào)傳輸，從而完成對(duì)新型電磁閥的控制，并通過(guò)電磁閥來(lái)控制節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂液和支撐劑的導(dǎo)引，用以替代傳統(tǒng)的分層壓裂方式。

1 短傳通信信道分析

圖1 投球在管道示意圖 圖2 等效模型

設(shè)計(jì)一種能在壓裂液中發(fā)射信號(hào)的投球，流體速度為34m/s,外部壓力70MPa，投球最大直徑?85mm，信號(hào)接收板內(nèi)置在管道中，整體高度lt;10mm,接收范圍2m，管道直徑?90～100mm。投球、接收板在管道中如圖1所示；其信道等效模型如圖2所示。由圖2可以看出，發(fā)射信號(hào)經(jīng)管道和壓裂液，到達(dá)接收端。由于管道的高磁導(dǎo)率使信號(hào)被束縛在管壁內(nèi)，不可能跑到管道外的地層中，又由于管中壓裂液的高導(dǎo)電率，使發(fā)射信號(hào)衰減的很快，以致于電磁波傳播很短一段距離就衰減完了。壓裂液主要是一些混合酸及添加劑，具有較高的電導(dǎo)率，但相對(duì)管道的電導(dǎo)率又小的多。

由于發(fā)射天線放置在投球中，采用環(huán)形發(fā)射天線，可用磁基本振子等效分析，空間任意點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為[2-4]：

則接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

式中，NR是接收天線的匝數(shù)；a接收天線的半徑。

從以上的分析可知，當(dāng)電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，在接近波長(zhǎng)的距離時(shí)，可以看成是空間傳播中的遠(yuǎn)場(chǎng)，主要是因?yàn)殡妼?dǎo)率造成電磁波波長(zhǎng)縮短所致，因此低磁電磁場(chǎng)在壓裂液中的傳輸性能較佳，傳輸距離較遠(yuǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1) 短距離通信硬件原理框圖 硬件主要有投球(發(fā)射機(jī))和接收機(jī)組成，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 短距離通信硬件系統(tǒng)框圖

2)發(fā)射機(jī)(投球) 由于發(fā)射電路是內(nèi)置在能耐壓70MPa，最大外徑?85mm的投球中，在電路中對(duì)電源消耗最大的是發(fā)射線圈，用一個(gè)電感線圈和電容組成的串聯(lián)諧振電路作為發(fā)射線圈，計(jì)算線圈時(shí)要以投球在井下的工作時(shí)間為基準(zhǔn)(要求工作時(shí)間120min)，在滿(mǎn)足工作時(shí)間的前提下盡可能取較大的電流，以克服信號(hào)的衰減(通過(guò)減小電阻)。筆者用了3節(jié)能量密度較高的鋰/亞硫酰氯電池(ER14250)串聯(lián)，ER14250標(biāo)準(zhǔn)電壓3.6V，標(biāo)準(zhǔn)容量1200mA/h，最大連續(xù)放電電流15mA，最大脈沖放電電流50mA，直徑14.5mm，高度25.4mm。

微控器MCU采用Microchip的dspic30f4013，其PWM模塊可以產(chǎn)生用作低頻載波的125kHz的方波，由單片機(jī)調(diào)制PWM方波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)大電流的MOSFET驅(qū)動(dòng)器(TC4422)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)諧振電路，諧振電路能產(chǎn)生一個(gè)電壓峰-峰值達(dá)80V的磁場(chǎng)(線圈Q值為8，供電電壓為10.8V)。發(fā)射信號(hào)調(diào)制方式為ASK,ID編碼格式采用PWM編碼，PWM編碼能減少誤比特率，如圖4所示；投球結(jié)構(gòu)如圖5所示；發(fā)送端電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖4 PWM編碼格式

圖5 投球結(jié)構(gòu)圖

圖6 發(fā)射端電路圖

圖7 發(fā)射編碼格式

3) 接收機(jī) 接收電路采用Microchip的3通道模擬前端器件MCP2030(MCP2030激勵(lì)編碼格式如圖7所示),其內(nèi)部集成了調(diào)諧、低通濾波、ASK解調(diào)和包絡(luò)檢波，可檢測(cè)幅值低至1mV的輸入信號(hào)，典型輸入靈敏度為3mV；其內(nèi)部還帶有可編程的內(nèi)部調(diào)諧電容，并且可根據(jù)內(nèi)部配置寄存器的狀態(tài)輸出解調(diào)數(shù)據(jù)、載波時(shí)鐘或RSSI電流。通過(guò)dspic30f4013進(jìn)行定時(shí)抽樣判定。

外部接收天線由一個(gè)空芯電感線圈和電容、2個(gè)鐵氧體線圈和電容組成并聯(lián)諧振電路。2個(gè)鐵氧體線圈和電容組成的并聯(lián)諧振電路構(gòu)成X、Y、Z軸3方向接收天線,用來(lái)避免天線方性問(wèn)題。接收機(jī)具體電路如圖8所示。

3 試驗(yàn)及應(yīng)用結(jié)論

通過(guò)模擬裝置試驗(yàn)及在江漢油田、勝利油田的分層壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，基于低頻電磁通訊原理設(shè)計(jì)的發(fā)送、接收裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠，功能完善，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及目的。以下為實(shí)際壓裂過(guò)程中發(fā)送、接收信號(hào)的數(shù)據(jù)及波形，發(fā)送編碼0X55，根據(jù)圖7編碼格式，在發(fā)射端測(cè)到的波形如圖9所示；在接收端測(cè)到的波形如圖10所示。

圖8 接收電路

圖9 發(fā)射信號(hào)波形

圖10 接收信號(hào)波形

4 結(jié) 語(yǔ)

在分層壓裂作業(yè)過(guò)程中，傳統(tǒng)方式施工打開(kāi)的層數(shù)有限，特別是在水平井中，層數(shù)多，管線距離長(zhǎng)，投球分層壓裂工藝的應(yīng)用受到限制。實(shí)際應(yīng)用表明，通過(guò)在投放安置有發(fā)射ID編碼的低頻電磁發(fā)射裝置，在節(jié)流閥端安裝帶ID識(shí)別的接收裝置，通過(guò)ID編碼可以打開(kāi)更多的壓裂層，從而提高油井和氣井產(chǎn)量。

[1]羅英俊，萬(wàn)仁濤.采油技術(shù)手冊(cè)[M].第3版. 北京：石油工業(yè)出版社，2005.

[2]謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波[M].第4版.北京：高等教育出版社，2005.

[3]Guru B S，Hiziroɡluzgu H R.電磁場(chǎng)與電磁波[M].周克定 譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4]徐立勤，曹偉.電磁場(chǎng)與電磁波理論[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[編輯] 易國(guó)華

TN929.4; P634.6

A

1673-1409(2012)05-N150-04

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.050

2012-02-17

唐軍(1962-)，男，1984年大學(xué)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事鉆采設(shè)備及其自動(dòng)化方面的研究工作。