数字式智能分层注水无线数据传输仿真计算与分析

胡改星，王俊涛，申晓莉，何汝贤，沈延伟

（1.中国石油长庆油田公司油气工艺研究院，陕西西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安710021；3.中国石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西榆林718600）

数字式智能分层注水无线数据传输仿真计算与分析

胡改星1，2，王俊涛1，2，申晓莉1，2，何汝贤1，2，沈延伟3

（1.中国石油长庆油田公司油气工艺研究院，陕西西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安710021；3.中国石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西榆林718600）

为进一步提高分注合格率，降低井下作业风险和操作成本，实时监测和调节井下各层注入量，提出了数字式分层注水技术。该技术成功设计了一种井下控制器，它可以和数字式配水器之间实现非接触式无线通信、指令发送、数据传输和磁定位。通过无线数据传输模拟实验，发现在相同温度下，盐度与电导率近似的呈线性比例关系、穿透深度与通信距离在一定范围内呈线性关系，进一步验证了加大发射功率有利提高井下无线通讯距离及井下无线数据传输可行性；同时利用FEKO软件对数字式无线数据传输进行了有限元仿真分析，得出了优化天线的安装方向。

数字式；分层注水；无线传输；仿真

远程无线传输井下测试数据是目前研究热点，也是井下测试数据传输较为理想的途径。通过调研分析，井下远程无线传输可行的技术途径有利于低频电磁波经地层、低频声波沿油管以及智能钻杆等实现井下数据的无线传输，具有实时、无需电缆、操作简单等优点[1]。

无线电磁波通信在地面大气中的应用非常广泛，频率范围从几赫兹到几十亿赫兹之间都有，其传输技术理论也较为成熟。电磁波在海水中主要应用于地面与潜艇之间的数据传输，在极低频率下大功率传输。而注水井井下无线传输的环境是在直径只有60 mm左右的金属管中，传输介质的矿化度有的超过了100 000 mg/L，这种条件下无线传输的理论和数据还没有可供参考的资料。为可靠实现井下无线通讯，有必要研究电磁波在水中的传输距离并验证无线通讯方案的可行性，需要从理论和实验两种途径来进行计算分析，并对天线安装方向进行设计优化。

1 数字式智能分层注水无线数据传输方式

通过持续攻关和配套完善，近几年来形成了以机电一体化测调为核心的桥式同心和桥式偏心分注技术系列[2，3]，解决了油田开发层间矛盾，但还面临诸多问题和挑战。为了进一步提高测调成功率和效率，降低井下作业风险和操作成本，长期监测注水效果[4，5]，实时调节井下各层注入量，提高油藏开发效果，提出了数字式智能分层注水技术。该技术成功设计了一种井下控制器，它可以和数字式配水器之间实现非接触式无线通信、指令发送、数据传输和磁定位[6-9]。同时研发集成了数字式智能配水器，它是将控制器与水嘴控制电机、电池、流量计、压力传感器等元器件在保护腔内合理连接，智能配水器的控制核心是控制器，它可以通过天线与电缆操作工具进行无线对接、实时命令的传输和数据的上传（见图1）。

图1 安装控制器、天线和电池的智能配水器示意图

综上，数字式智能分层注水数据传输系统主要包括两部分，一是安装在井下配水器内部的无线通信模块，另一部分为电缆携带的井下控制器。井下传感系统实时采集井下温度、压力和流量数据并进行存储，不进行数据通讯[10-12]。根据需要下入电缆携带井下控制器至井下智能配水器的一定范围之内，与之进行无线信息的传输。数据传输采用成熟的无线射频发射与接收模块，不仅可以接收井下存储的数据，也可以向井下发送控制指令（见图2）。

图2 井下数据无线传输图

2 无线数据传输研究

测试数据与理论计算的数据绘制曲线（见图3），对比理论计算穿透深度与实验通讯距离的关系。

图3 盐度与通讯距离和穿透深度的关系曲线

从图3可以看出，实验测得的通讯距离与理论计算的穿透深度具有相似的变化趋势，但通讯距离远大于穿透深度。当盐度大于0.3‰时，通讯距离L和电导率的关系可近似为：

式中：a、b是基于实验得到的线性拟合系数。对于不同直径和材料特性的油管，a、b的值不同。本实验中a=2.1，b=0.449。盐度0.3‰～0.8‰范围内，相对误差随着盐度的增加而减少，最大为7%；盐度在0.8‰～50‰范围内，相对误差最大为2%。

对于智能测调注水井井下数据传输，通过测量其盐度来确定其矿化度，然后利用公式（1）计算有效的通讯距离。对于大部分注水井，其盐度一般不高于50‰，在井下进行无线通讯时，需要将发射端和接收端的距离控制在450 mm范围内就可以实现数据的有效传输。

针对长庆油田分层注水井注水水质特点，通过理论分析和实验模拟，研究注水井油管内采用无线电数据传输的可行性。实验测试了不同矿化度情况下无线信号传输的距离，得到了智能注水井管柱内盐度与电导率、穿透深度、通信距离的关系，在相同温度下，盐度与电导率近似为线性比例关系，穿透深度与通信距离在一定范围内呈线性，给出了在62 mm管径内无线通讯距离与水的矿化度之间的实验公式，为智能注水井井下无线通讯提供参考。

3 无线数据传输有限元仿真分析

受制于空间结构及介质影响，在井下装置中采用无线传输数据，其用于发射和接收信息的天线与传统地面设置有很多不同。天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数。

FEKO是一款用于3D结构电磁场分析的仿真工具。它提供多种核心算法，矩量法（MoM）、多层快速多极子方法（MLFMM）、物理光学法（PO）、一致性绕射理论（UTD）、有限元（FEM）、平面多层介质的格林函数，以及它们的混合算法来高效处理各类不同的问题。

首先在cadfeko中建立天线的实体模型，天线模型建立：定义频率变量freq=433 MHz，设置波长lambda= c0/freq，沿z轴建立一个长为lambda/4的线段，在线端口上加上电压源激励。

设置求解项：建立一个垂直面内的远场（-180°～180°）。建立之后沿z轴方向有一条浅灰色的实线即天线模型，坐标中的红色圆柱体为电压源激励，橙色的平面为坐标平面，围绕整个模型的圆圈为设定的远场范围，垂直于坐标平面。

结合模型本身的特点，模型体积较小，频率不高，所以使用高精度的MLFMM方法来解决这个问题，它有精度高，占用内存较小，计算速度快的特点。计算后，在postfeko下得到计算结果，可以看到整个天线的增益方向（见图4）。

图4 FEKO软件计算天线增益方向图

图4中，灰色线段代表天线模型，增益成8字状分布，颜色从绿到红表示增益数值的变化，越往外值越大。数值变化可以从二维极坐标远场增益方向图中明显看出（见图5）。

4 无线数据传输天线的优化布局

对天线方向图仿真的结果表明：常见棒状天线（单极天线）其发射增益和接收增益具有相似的天线图。因此，当两天线如图6所示排布时，具有较好的发射接收增益。

但当天线顶头放置，则由于正好避开了天线的最大增益方向；也正好对到天线的最小增益方向，则发送出来的电磁波在该方向上能量最小、接收方也对该方向传来的电磁波最不敏感，从而导致发送接收传递能量最小（见图7）。

为了使收发天线通信距离尽量增大，建议将两天线稍微侧放，使避开天线的最小增益方向（见图8）。这样，即使不能在一次波达到最大，也可以使二次或三次反射波最大方向上到达接收方。

图5 FEKO软件计算天线增益极坐标图

图6 棒状天线通讯的最佳位置

图7 棒状天线安装的不利布局

图8 棒状天线倾斜安装

5 结论

（1）通过无线数据传输模拟实验，在相同温度下，研究出了盐度与电导率、穿透深度与通信距离的线性关系，验证了加大发射功率有利提高井下无线通讯距离及井下无线数据传输可行性。

（2）通过实验计算出了在62 mm管径内无线通讯距离与水的矿化度之间的经验公式。

（3）利用FEKO软件对数字式无线数据传输进行了有限元仿真分析，优化出了天线的最佳安装方向，即建议将两天线稍微侧放，避开天线的最小增益方向，可增大收发天线通信距离。

［1］杨建军，林兴春，郝秀权，等.测井电缆通信系统综述［J］.石油仪器，2007，（3）：1-4.

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［4］申晓莉，于九政，王子健.新型小流量水嘴的设计与数值模拟［J］.石油钻采工艺，2013，35（1）：83-86.

［5］高照敏，程时清，郭方元，等.分注工艺技术在长庆油田的应用与发展趋势［J］.石油石化节能，2011，（3）：18-21.

［6］游彦辉.井下自动测调式配水器的研究与实现［D］.北京：北京工业大学，2010.

［7］白振瑞，郑水吉.智能井系统-发展现状与趋势［J］.石油地质科技动态，2003，（4）：1-5.

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［9］何能欣，谢富刚，石博士.自动控制测调分注工艺技术研究与应用［J］.化学工程与装备，2013，（7）：39-41.

［10］张玉荣，闫建文，杨海英，等.国内分层注水技术新进展及发展趋势［J］.石油钻采工艺，2011，33（2）：102-107.

［11］路张林，等.测井光缆数据传输系统的设计与分析［J］.石油仪器，1999，（2）：7-15.

［12］杨永青.国内智能井井下传感系统应用进展及展望［J］.航海工程，2009，（2）：30-31.

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

中国石油集团公司科技专项“长庆油田精细分层注水工艺技术重大工程试验”，项目编号：2010F-0401。

胡改星（1987-），2012年毕业于西安石油大学油气井工程专业，助理工程师，主要从事低渗透油田注水开发工艺技术研究工作，邮箱：hgaix_cq@petrochina.com.cn。