姜 浩 李大偉 王 斌 孟令志 張立軍

(1.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院 2.中國石油大學(xué)(華東)控制科學(xué)與工程學(xué)院)

0 引 言

我國大多數(shù)油田已經(jīng)進入開發(fā)中后期，油氣開采難度增加，對開采開發(fā)技術(shù)的要求也越來越高[1-3]。其中，分層注水技術(shù)對保持油層壓力、提高油田采收率、實現(xiàn)油田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和改善油田開發(fā)效果具有重要意義[4-6]。分層注水管柱在井下工作過程中受活塞效應(yīng)、膨脹效應(yīng)、彎曲效應(yīng)和溫度效應(yīng)的綜合影響，受力狀況十分復(fù)雜，同時井下壓力和溫度的變化，也會引起注水管柱的應(yīng)力變化與軸向變形，造成封隔器蠕動失效[7-10]。針對現(xiàn)階段油藏細分需求及提高油田作業(yè)安全可靠性的要求，需要準確掌握井下管柱的受力及蠕動情況，以減少管柱設(shè)計的盲目性，提高管柱的使用效果，延長管柱的使用壽命。

目前，國內(nèi)外油田普遍采用井下數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)溫度和壓力等參數(shù)的實時測量。通過井下電纜將井下溫度和壓力等信號傳送至地面，經(jīng)由地面數(shù)字采集儀器對信號進行處理、顯示和存儲，實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的直讀，但由于電纜有線傳輸?shù)木窒?，使得該系統(tǒng)在井下關(guān)井條件下無法使用，不滿足油田試油作業(yè)的需求。針對井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了一系列研究。Halliburton 公司研制出一種通過聲波遙測方式進行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)(Ats)，該系統(tǒng)在關(guān)井和生產(chǎn)兩種條件下均可進行聲波信號的傳輸[11]。Expro公司研制出以超低頻率電磁信號進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)(Ca TSTM)，該系統(tǒng)可對產(chǎn)油層參數(shù)進行連續(xù)或間斷測量，傳輸距離達3 000 m以上，但傳輸速率較低[12-13]。國內(nèi)華北測試公司和清華大學(xué)合作，開發(fā)了適用于?127 mm LPR-N測試閥的JJ-1非接觸式無線直讀系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實際傳輸距離有限，接收設(shè)備須處于發(fā)射線圈內(nèi)才能檢測到信號[14]。華中理工大學(xué)研發(fā)了SYW1系統(tǒng)，通過采用脈沖信號的傳輸方式實現(xiàn)對井下參數(shù)的檢測，該系統(tǒng)克服了長距離遙測傳輸中的信號衰減和易受干擾等困難，信號傳輸?shù)木雀撸到y(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性好[15]。上述國內(nèi)外企業(yè)或高校主要針對井下數(shù)據(jù)傳輸方式進行了相關(guān)研究，給出了相應(yīng)的研究方案，基本能夠?qū)崿F(xiàn)2 000 m以內(nèi)的長距離數(shù)據(jù)無線傳輸，可靠性較高，但是給出的無線傳輸方案基本都采用聲波、脈沖信號和低頻電磁波作為數(shù)據(jù)傳輸信道，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，最高只能達到20 b/s，不利于實現(xiàn)井下管道大量數(shù)據(jù)的傳輸。

針對井下數(shù)據(jù)傳輸效率低，難以傳輸大量數(shù)據(jù)以及關(guān)井狀態(tài)下無法進行數(shù)據(jù)上傳等問題，本文設(shè)計了一種利用提取天線進行大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)木聼o線短傳裝置。該裝置通過433 MHz的電磁信道在井下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線短傳，傳輸效率可觀，并基于波導(dǎo)理論和單極子天線理論研制了三角形單極子天線，利用CST軟件對三角形單極子天線無線傳輸模型進行電磁學(xué)仿真，研究不同因素對天線信號傳輸性能的影響，并結(jié)合仿真結(jié)果搭建試驗臺，以驗證方案的可行性。

1 技術(shù)分析

在注水井下無線短傳裝置中，數(shù)據(jù)無線發(fā)射模塊將井下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為射頻信號，通過饋線輸送到天線，并以電磁波的形式輻射出去，電磁波由接收天線接收，并通過饋線發(fā)送到數(shù)據(jù)無線接收模塊，然后上傳至地面。由于天線是實現(xiàn)信號無線收發(fā)及提高信號收發(fā)能力的必要組成部分，且其設(shè)計也是無線傳輸裝置設(shè)計的重點和難點，所以本文重點對井下數(shù)據(jù)無線短傳裝置天線的設(shè)計和傳輸機理進行研究。

1.1 井下數(shù)據(jù)無線短傳裝置

1.1.1 結(jié)構(gòu)

注水管道內(nèi)數(shù)據(jù)無線短傳裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要由控制裝置、數(shù)據(jù)提取短節(jié)及井下檢測短節(jié)等3部分組成。

圖1 井下數(shù)據(jù)無線短傳裝置結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 工作原理

管道天線及檢測裝置安裝在井下檢測短節(jié)中，提取天線安裝在數(shù)據(jù)提取短節(jié)中，井下檢測短節(jié)隨注水管道下入井下，主要用于在注水井內(nèi)進行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)射處理，數(shù)據(jù)提取短節(jié)通過電纜下放到注水管道中，接收井下檢測短節(jié)采集存儲的數(shù)據(jù)，最終上傳至地面，由地面控制裝置對數(shù)據(jù)信號進行讀取、處理及顯示。

1.1.3 試驗條件

井下檢測短節(jié)一般安裝在井下3 000 m左右的位置，最高溫度為80 ℃，最高壓力為30 MPa。測試短節(jié)與注水管的內(nèi)外徑一致，分別為62和110 mm。數(shù)據(jù)提取短節(jié)的外徑為46 mm，井內(nèi)注水液的電導(dǎo)率約為89 mS/cm。根據(jù)上述現(xiàn)場注水管道工作環(huán)境搭建試驗臺，以研究天線在井下的信號傳輸特性。

1.2 天線的選擇

作為信號收發(fā)的重要無線設(shè)備，天線是無線短傳裝置設(shè)計的重要部分。天線的種類、形狀很多，目前應(yīng)用最多的種類是單極子天線、偶極子天線和微帶天線，形狀多為環(huán)形、纏繞型天線。其中偶極子天線受金屬的影響較大，在金屬管道環(huán)境中其信號傳輸性能受到極大限制，不予考慮。單極子天線和微帶天線都具有體積小、質(zhì)量輕、易于加工、易于集成化以及制作成本低等優(yōu)點，但是單極子天線能夠更為靈敏地感應(yīng)介質(zhì)層介電常數(shù)的變化，并且可以獲得比微帶天線更寬的頻帶[16-18]。天線安裝于注水管道內(nèi)側(cè)凹槽內(nèi)，故重點考慮天線的共型性，可以更好地安裝以及避免妨礙其他井下設(shè)備的下放。另外，采用對數(shù)周期天線可以獲取更寬的頻帶，以增加天線的可擴展性。三角形天線可滿足所述要求，即具有很好的共型性及寬頻帶特點。因此，選用單極子天線作為井下信號傳輸天線，形狀擬定為三角形。三角形單極子天線模型的三視圖如圖2所示，其中天線設(shè)計參數(shù)為厚度t、內(nèi)徑r、寬度w、頂角θ以及圓心角Φ。

圖2 三角形單極子天線結(jié)構(gòu)示意圖

2 天線參數(shù)化模型建立及分析

2.1 天線尺寸初步確定

L=c/(4f)

(1)

式中：L為天線長度，m；c為光速，m/s，常數(shù)；f為頻率，Hz，取值在0.2～1.0 GHz之間。

本文在0.2～1.0 GHz頻率范圍內(nèi)對天線進行研究，取最大頻率1.0 GHz計算天線長度。根據(jù)式(1)，天線長度和圓心角初值分別取為75 mm和140°，初步確定天線的寬度w、厚度t、頂角θ以及安裝深度s等基本參數(shù)，如表1所示。

表1 提取天線與管道天線初始尺寸

2.2 參數(shù)化模型建立

采用基于時域有限積分法的電磁場數(shù)值分析軟件(CST)進行仿真分析，結(jié)合實際工況下天線和管道的尺寸及注水礦化度等參數(shù)，在CST中建立如圖3所示的天線在井下進行數(shù)據(jù)短傳的參數(shù)化模型，并對0.2～1.0 GHz頻率范圍內(nèi)的天線數(shù)據(jù)傳輸性能進行仿真。參數(shù)化的天線指標包括提取天線角度與管道天線的寬度、厚度、安裝深度。

圖3 參數(shù)化模型

2.3 天線尺寸參數(shù)的仿真分析

將管道天線和提取天線的角度、寬度、厚度和深度四個尺寸參數(shù)分別作為單一變量，控制其他參數(shù)不變，對天線的尺寸參數(shù)進行仿真分析，結(jié)合天線S21參數(shù)曲線，選出天線尺寸參數(shù)最優(yōu)方案，使天線具有良好的數(shù)據(jù)傳輸特性。其中：S21參數(shù)表示增益，定義為接收端信號與發(fā)射端信號強度之比，增益越大越好，其理想值為1，S21越大，表示信號接收端信號越強。

選取管道天線厚度為0.3～1.2 mm、頂角為6°～15°、寬度為5～8 mm、深度為0.2～0.8 mm進行電磁仿真，圖4～圖7為管道天線尺寸參數(shù)的仿真結(jié)果。

圖4 管道天線厚度仿真結(jié)果

圖5 管道天線頂角仿真結(jié)果

圖6 管道天線寬度仿真結(jié)果

圖7 管道天線深度仿真結(jié)果

由圖4～圖7對比發(fā)現(xiàn)：管道天線的厚度對天線信號傳輸性能影響很??；當管道天線角度為15°、寬度為8 mm、深度為0.8 mm時，S21曲線在各頻段上的幅值接近0，天線性能更好。因此，管道天線厚度維持0.6 mm不變，寬度取8 mm，角度取15°，深度取0.8 mm。

選取提取天線厚度為0.3～0.6 mm、頂角為3°～6°、寬度為12～15 mm、深度為0.1～0.4 mm進行電磁仿真，圖8～圖11為提取天線尺寸參數(shù)的仿真結(jié)果。

圖8 提取天線厚度仿真結(jié)果

圖9 提取天線頂角仿真結(jié)果

圖10 提取天線寬度仿真結(jié)果

圖11 提取天線深度仿真結(jié)果

對比圖8～圖11發(fā)現(xiàn)，提取天線的厚度對天線性能影響可以忽略，當提取天線角度為6°、寬度為14 mm、深度為0.3 mm時，天線在各頻段上的增益接近0。因此，提取天線的厚度維持0.4 mm不變，寬度取14 mm，角度取6°，深度取0.3 mm。表2為天線的最佳尺寸參數(shù)。

表2 提取天線與管道天線尺寸

2.4 結(jié)果對比分析

圖12為最優(yōu)參數(shù)天線與原型天線在各個頻段上的增益曲線。從圖12可見：原型天線增益的諧振點在450 MHz左右，且在該頻段上的增益低于-15 dB；最優(yōu)參數(shù)天線增益的諧振點在433 MHz上，天線在該頻段的增益大于-5 dB。結(jié)合最優(yōu)參數(shù)天線在0.2～1.0 GHz的增益曲線，選取天線增益最高頻率433 MHz作為工作頻率。

圖12 最優(yōu)參數(shù)天線與原型天線的增益對比

3 不同因素對天線信號傳輸性能的影響分析

3.1 注水礦化度的影響

3.1.1 影響理論

電磁波在有耗介質(zhì)中傳播時，其振幅隨著穿透深度的增加而不斷衰減，根據(jù)電磁場理論[19]，電磁波的穿透深度是指在振幅衰減為1/e(e為自然常數(shù)，e=2.718 28)時電磁波的穿透距離。如果電磁波在各向同性且均質(zhì)的介質(zhì)中傳播，則滿足齊次亥姆霍茲方程[20]：

(2)

式中：Es為復(fù)電場強度，k為波數(shù)。

傳輸介質(zhì)對電磁場的影響為：

ε′=ε-ε″i

(3)

復(fù)傳播常數(shù)γ是電磁波在介質(zhì)中傳播的重要特征，其計算式為：

(4)

γ=α+βi

(5)

齊次亥姆霍茲方程的一個解為：

Ex=Exe-αzcos(ωt-βz)=0

(6)

將式(3)代入式(4)可以得到：

(7)

由此確定衰減系數(shù)α、β為：

(8)

(9)

把電磁波近似地看作只沿垂直于界面的方向傳播，電磁波在介質(zhì)中的穿透深度δ為：

(10)

式中：Ex為x方向電場強度，V/m；z為z方向上的距離，m；δ為穿透深度，m；σ為電導(dǎo)率，S/m；ω為電磁波角頻率，rad/s；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；ε′為復(fù)介電常數(shù)；ε″為復(fù)數(shù)的虛部；μ為磁導(dǎo)率，H/m，對于非鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率近似為真空磁導(dǎo)率。

根據(jù)式(10)，電磁波在介質(zhì)中的穿透深度δ與介質(zhì)的電磁波頻率和電導(dǎo)率有關(guān)。工作頻率為433 MHz時，穿透深度與電導(dǎo)率的關(guān)系圖如圖13所示。從圖13可知，電導(dǎo)率越高，穿透深度越淺，通信效果越差。

圖13 433 MHz時穿透深度與電導(dǎo)率的關(guān)系曲線

3.1.2 不同礦化度的影響

不同油田注水礦化度有所差別，為了提高本方案的適用性，使其在不同的油田同樣適用，需研究不同注水礦化度對天線水下通信性能的影響。由于礦化度不方便在參數(shù)化模型中設(shè)置，故用注水電導(dǎo)率代替礦化度來研究。礦化度與電導(dǎo)率的轉(zhuǎn)換關(guān)系[21]由式(11)和式(12)確定。

KT=Ks[1+A(T-25)]

(11)

Ks=0.866M-7.79

(12)

式中：KT為溫度T時的電導(dǎo)率，μS/cm；Ks為溫度25°時的電導(dǎo)率，μS/cm；T為測定溫度，℃；A為各種離子電導(dǎo)率平均溫度系數(shù)，取值0.022；M為礦化度，mg/L。

油田中注水礦化度一般在50～500 mg/L之間，根據(jù)礦化度與電導(dǎo)率的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到對應(yīng)電導(dǎo)率在90～1 000 mS/cm之間。

在參數(shù)化模型中，注水電導(dǎo)率在90～1 000 mS/cm范圍內(nèi)，按100 mS/cm步長進行參數(shù)掃描，得到在433 MHz頻段的增益變化曲線，總結(jié)不同注水電導(dǎo)率對信號傳輸性能的影響，電導(dǎo)率對天線增益的影響如圖14所示。

圖14 433 MHz時電導(dǎo)率對天線增益的影響

從圖14可見：井下注水的電導(dǎo)率越小，天線在433 MHz頻段的增益越大；當電導(dǎo)率小于500 mS/cm時，增益大于-25 dB，此時天線的信號傳輸性能良好。

3.2 天線方位變化的影響

在實際工況中，提取天線與管道天線之間的位置關(guān)系不可避免地會發(fā)生變化，從而對天線的信號傳輸性能造成一定影響。因此，本節(jié)將提取天線的縱向位移、橫向位移和旋轉(zhuǎn)角度作為研究對象，在電導(dǎo)率為90 mS/cm的注水管道液體環(huán)境中進行電磁仿真，研究在433 MHz頻段下天線方位參數(shù)變化對其信號傳輸性能的影響。

3.2.1 提取天線縱向位移的影響

在關(guān)井條件下，收發(fā)天線工作時必然存在縱向位移，這是影響天線正常通信的關(guān)鍵因素，因此，有必要研究縱向位移對天線信號傳輸性能的影響。圖15為提取天線縱向移動示意圖。在參數(shù)化模型中，提取天線縱向位移在0～100 cm時，按10 cm步長進行參數(shù)掃描，得到提取天線在不同縱向位移時S21參數(shù)幅值曲線，如圖16所示。

圖15 提取天線縱向移動示意圖

圖16 天線縱向位置對天線性能的影響

從圖16可知：S21曲線在433 MHz頻段的幅值隨提取天線縱向位移增大而減??；當縱向位移小于60 cm時，S21的幅值波動明顯，在433 MHz頻段上的幅值均大于-30 dB；當縱向位移大于60 cm時，S21的幅值近似為直線，且增益遠遠小于0。

3.2.2 提取天線橫向位移的影響

由于數(shù)據(jù)提取短節(jié)與管道內(nèi)壁之間存在間隙，提取天線與管道天線在工作過程中經(jīng)常會出現(xiàn)不重合的狀況，需要進一步研究橫向位移對天線在水下通信的影響。圖17為提取天線橫向位移示意圖。在參數(shù)化模型中，對提取天線橫向位移在0～0.6 cm時，按0.1 cm步長進行參數(shù)掃描，得到提取天線在不同橫向位移時S21參數(shù)曲線，如圖18所示。

圖17 提取天線橫向位移示意圖

對比圖11與圖18的S21幅值曲線，提取天線與管道天線圓心不重合對S21的影響較大，隨著平移距離的增大，S21的幅值波動明顯，在433 MHz頻段的幅值隨著提取天線偏離中心變得越來越小，但總體來講，天線在433 MHz頻段上的增益始終大于-25 dB。

圖18 天線橫向位置對天線性能的影響

3.2.3 提取天線旋轉(zhuǎn)角度的影響

提取天線在下放的過程中不可避免地會發(fā)生角度的旋轉(zhuǎn)，且三角形單極子天線的形狀也不對稱，所以當旋轉(zhuǎn)角度不同時，天線的信號傳輸性能也不同。為此，需研究提取天線旋轉(zhuǎn)角度對其在水下信號傳輸性能的影響。圖19為提取天線旋轉(zhuǎn)角度示意圖。在參數(shù)化模型中，對提取天線旋轉(zhuǎn)角度在0°～360°時，按30°為步長進行參數(shù)掃描，得到天線在433 MHz頻段的S21參數(shù)幅值曲線，如圖20所示。

圖19 提取天線旋轉(zhuǎn)角度示意圖

從圖20可見：隨提取天線方向的改變，天線的S21幅值都有不同程度的響應(yīng)；從0°旋轉(zhuǎn)到180°時，S21的幅值越來越小；從180°旋轉(zhuǎn)到360°時，S21的幅值越來越大。在提取天線旋轉(zhuǎn)180°時，天線的信號傳輸性能最差，主要是因為旋轉(zhuǎn)至180°時，提取天線位于管道天線背面，一部分電磁波被提取電纜反射，傳輸?shù)教崛√炀€的無線電磁波比其他情況下少，所以S21幅值較小，此時天線的信號傳輸性能較差。

圖20 天線旋轉(zhuǎn)角度對天線性能的影響

4 井場試驗測試效果

為了驗證井下數(shù)據(jù)采集裝置的可靠性和信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在勝利油田采油院試驗井內(nèi)進行了數(shù)據(jù)短傳測試。測試井井深325 m，井下檢測短節(jié)內(nèi)徑62 mm，壁厚5 mm，天線采用最優(yōu)參數(shù)。由于井場試驗在水下環(huán)境中進行，故需采用耐高溫高壓的環(huán)氧樹脂材料對天線做防水密封處理。圖21為現(xiàn)場試驗裝置。井下無線傳輸系統(tǒng)安裝在井下檢測短節(jié)的隔層中，隨注水管道下放到注水井深200 m處。

圖21 現(xiàn)場試驗裝置

試驗通過電磁波頻率為433 MHz，發(fā)射功率為50 mW的lora無線收發(fā)模塊進行信號的收發(fā)，利用上位機進行數(shù)據(jù)的收發(fā)及顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件界面如圖22所示。界面下方顯示數(shù)據(jù)傳輸進度，提取天線下放工作時，操作軟件點擊相應(yīng)通信按鍵，數(shù)據(jù)交互成功時，管道天線與提取天線建立連接，立即停止提取天線下放，然后點擊開始傳輸按鍵，將井下檢測的數(shù)據(jù)上傳。在勝利油田試驗井中進行數(shù)據(jù)無線短傳測試試驗，將檢測短節(jié)分別安裝在井內(nèi)距離地面300、500及800 m處進行試驗。試驗結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)井下無線短傳裝置能夠?qū)崿F(xiàn)井下大量數(shù)據(jù)的快速提取，數(shù)據(jù)提取速率可達12 kb/s。

圖22 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件界面

5 結(jié) 論

(1)針對注水井下數(shù)據(jù)傳輸困難以及效率低等問題，提出了一種三角形單極子天線在433 MHz頻段進行數(shù)據(jù)短傳的方法并設(shè)計了相應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由控制裝置、提取天線和管道天線等三部分組成，通過下放提取天線進行數(shù)據(jù)短傳。對天線進行仿真及試驗驗證，驗證結(jié)果表明，該方法在注水井井下環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸速率可達12 kb/s。

(2)以增益為研究目標，對天線的不同參數(shù)進行仿真分析，分析結(jié)果表明：管道天線與提取天線的厚度對天線傳輸性能的影響不大，而角度、寬度和深度對天線的傳輸性能影響較大；相比于原型天線，最佳參數(shù)天線的性能明顯提高，在433 MHz頻段的增益從-15 dB增加到-5 dB。

(3)注水礦化度對天線傳輸性能影響較大。當電導(dǎo)率在60～500 mS/cm時，433 MHz頻段的增益基本在-5～0 dB；當電導(dǎo)率大于500 mS/cm時，增益基本保持在-35 dB，天線通信性能降低。

(4)對比提取天線方位參數(shù)不同時天線傳輸性能，結(jié)果顯示提取天線與管道天線沒有相對旋轉(zhuǎn)，橫向與縱向中心重合時，數(shù)據(jù)傳輸性能最好。