巨美歆 ，楊玲智 ，王子建 ，劉延青

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.中國(guó)石油長(zhǎng)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(xì)水驅(qū)開發(fā)不斷推進(jìn)，油藏精細(xì)認(rèn)識(shí)需求日趨迫切，推動(dòng)油藏動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測(cè)及傳輸技術(shù)快速發(fā)展。隨著通訊技術(shù)的不斷升級(jí)，井下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸方式沿著井下存儲(chǔ)到電纜傳輸、光纖傳輸，再到無線傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展路徑。目前油田開發(fā)過程廣泛使用的井下存儲(chǔ)和電纜傳輸技術(shù)基本成熟，光柵傳輸和無線傳輸技術(shù)處于應(yīng)用研發(fā)階段，而國(guó)內(nèi)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(jìn)行測(cè)試作業(yè)，存在測(cè)試成本高、無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)[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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息無線傳輸要求，提高分層注水合格率，減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，降低作業(yè)成本。

1 分注井井下通訊技術(shù)難點(diǎn)

長(zhǎng)慶油田分注井井下通訊具有空間小、礦化度高及井下長(zhǎng)期使用的特點(diǎn)。分注井井下無線通訊環(huán)境為直徑62 mm油管，油管對(duì)無線通訊信號(hào)屏蔽吸收能力較強(qiáng)，井下配水器最大外徑114 mm，最小內(nèi)徑46 mm，可利用環(huán)形空間不足30 mm，天線安裝難度大。同時(shí)長(zhǎng)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(shí)間測(cè)試不同，按照油田管理規(guī)定要求，分注井工具井下使用時(shí)間不低于三年，要求工具井下長(zhǎng)期使用穩(wěn)定可靠。

2 井下通訊技術(shù)現(xiàn)狀

井下數(shù)據(jù)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(shù)

有線通訊包括電纜、光纜和濕接頭對(duì)接電纜通訊。電纜傳輸是目前傳輸速度快、穩(wěn)定、技術(shù)最為成熟的傳輸方式，主要用于井下監(jiān)測(cè)。20世紀(jì)70年代以來，國(guó)內(nèi)外油田先后開展了電纜、光纜及濕接頭井下通訊技術(shù)研究，并取得成功，但該技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜，費(fèi)用較高[5，7]。

2.2 無線通訊技術(shù)

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(cè)試中，通過泥漿脈沖傳輸信號(hào)；低頻電磁波主要用于定向鉆井及水平井的隨鉆測(cè)試，1987年，國(guó)內(nèi)勝利等油田開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；聲波傳輸技術(shù)研究較早，1948年，國(guó)外已開展相關(guān)研究，但國(guó)內(nèi)尚無采用聲波方式錄取井下數(shù)據(jù)[6]。

2.3 有線+無線通訊技術(shù)

有線+無線通訊是指電纜傳輸與互感傳輸相結(jié)合，應(yīng)用于智能鉆桿技術(shù)（見表1）。2000年美國(guó)率先研發(fā)成功，2006年實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速傳輸[6-9]。

表1 井下與地面信息傳輸技術(shù)對(duì)比

結(jié)合低滲透油田注水開發(fā)特點(diǎn)，井下通訊技術(shù)需滿足雙向通訊、實(shí)時(shí)錄取、長(zhǎng)期使用（3 a以上）及低成本的技術(shù)要求，現(xiàn)有三類技術(shù)尚無法直接應(yīng)用，因此，借鑒現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)適合低滲透油田注水井的信息傳輸新技術(shù)。

3 低滲透油田井下無線通訊技術(shù)研究

結(jié)合注水井井下空間及實(shí)際井況，借鑒現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，采用目前較為成熟的無線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下無線通訊。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)方案

井下無線通訊技術(shù)主要包括兩部分：（1）安裝在數(shù)字式配水器內(nèi)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(shí)時(shí)采集井下溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，根據(jù)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(nèi)，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(chǔ)的數(shù)據(jù)，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(zhì)礦化度1 000 mg/L～100 000 mg/L，通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式研究注水井井下無線傳輸?shù)目尚行浴?/p>

3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境：室溫條件下，采用內(nèi)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(nèi)無線傳輸?shù)木嚯x和水的礦化度關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)：采用天平稱量食用鹽來調(diào)配不同礦化度的溶液、自來水。

實(shí)驗(yàn)裝置：電池組，無線接收模塊，無線發(fā)射模塊，單片機(jī)，LCD顯示器。

實(shí)驗(yàn)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(shí)將采用帶刻度的導(dǎo)線拉著無線通訊模塊接收系統(tǒng)，上下移動(dòng)接收信號(hào)，測(cè)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(jīng)過多次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)得不同礦化度情況下的通訊距離。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 在水溫15℃情況下可以測(cè)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(nèi)電磁波穿透距離變化幅度較大，因此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加密測(cè)試。

圖2 礦化度與通訊距離關(guān)系曲線

對(duì)于智能井井下數(shù)據(jù)傳輸，長(zhǎng)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(jìn)行無線通訊時(shí)，需要將發(fā)射端和接收端的距離控制在400 mm范圍內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

3.3 天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

受井筒空間限制，配水器及井下通訊儀天線設(shè)計(jì)成為制約通訊效果的關(guān)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(dāng)兩天線按圖3排布時(shí)，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(dāng)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(duì)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(cè)放，使避開天線的最小增益方向（見圖5），即使不能直接達(dá)到最大，也可以二次或三次反射波最大方向到達(dá)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(qiáng)，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(hào)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(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。天線對(duì)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(gè)或多個(gè)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊的中心臺(tái)。

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(gè)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(nèi)試驗(yàn)?zāi)K發(fā)射功率曲線

使用433 MHz通訊頻段進(jìn)行測(cè)試，纏繞式天線在通訊頻段內(nèi)顯著增強(qiáng)了發(fā)射和接收增益，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的穿透性。同時(shí)借鑒海上燈塔導(dǎo)航原理，設(shè)計(jì)瞬時(shí)大功率通訊脈沖，集成激發(fā)裝置，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，建立瞬時(shí)大功率信號(hào)沖擊，最大功率達(dá)到200 mW：通訊成功后10 mW，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)40 mW，提升無線通訊的可靠性（見圖9）。

4 井下無線通訊試驗(yàn)效果分析

2015年，長(zhǎng)慶低滲透油田開展了6口井井下無線通訊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)了井下分層壓力、溫度和流量等生產(chǎn)動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及井下和地面數(shù)據(jù)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(shí)間1 min，平均單井無線傳輸數(shù)據(jù)量3.5萬(wàn)組，分層注水合格率達(dá)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(zhì)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(yàn)時(shí)間2015年9月1日，兩層配水器累計(jì)錄取數(shù)據(jù)5.24萬(wàn)組，2015年9月-2016年3月的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)錄取情況（見圖10）。胡X井實(shí)測(cè)流量范圍2 m3/d～25 m3/d，當(dāng)?shù)阶詣?dòng)測(cè)調(diào)時(shí)間，若流量不滿足配注要求，配水器自動(dòng)調(diào)節(jié)至10%誤差范圍內(nèi)，部分?jǐn)?shù)據(jù)超出誤差范圍原因?yàn)榈孛鎵毫Σ▌?dòng)。

5 結(jié)論

（1）井下無線通訊技術(shù)為低滲透油藏井下分層注水動(dòng)態(tài)錄取提供了手段，實(shí)現(xiàn)油藏壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等關(guān)鍵參數(shù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及傳輸，為油藏動(dòng)態(tài)調(diào)整提供技術(shù)支撐；

（2）采用室內(nèi)試驗(yàn)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(qiáng)，實(shí)現(xiàn)更好的穿透性；

圖10 胡X井上下層6個(gè)月歷史數(shù)據(jù)

（3）智能井井下無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)注水井井下狹窄空間穩(wěn)定通訊，建立通訊所需時(shí)間1 min，單井錄取數(shù)據(jù)3.5萬(wàn)組；

（4）井下無線通訊技術(shù)滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(jìn)數(shù)字式閉環(huán)控制的流量控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008，（3）：132-134.

［2］劉永勝.注水井分層智能聯(lián)動(dòng)調(diào)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(shì)［J］.國(guó)外油田工程，2004，20（2）：23-25.

［4］李林.隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)的井下短距離無線傳輸技術(shù)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，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(shù)，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(shù)研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2011.

［8］文盛樂，李澤軍，楊江河，等.導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)傳播電磁波特性研究［J］.湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，18（1）：19.

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