低渗透油田分注井井下无线通讯技术研究与试验

巨美歆 ，杨玲智 ，王子建 ，刘延青

（1.中国石油大学（北京），北京 102249；2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安 710021）

近年来，低渗透油藏精细水驱开发不断推进，油藏精细认识需求日趋迫切，推动油藏动态信息监测及传输技术快速发展。随着通讯技术的不断升级，井下动态数据传输方式沿着井下存储到电缆传输、光纤传输，再到无线传输的技术发展路径。目前油田开发过程广泛使用的井下存储和电缆传输技术基本成熟，光栅传输和无线传输技术处于应用研发阶段，而国内的注水井井下流量、温度和压力信息的获取是靠井口下入仪器进行测试作业，存在测试成本高、无法实时监测的缺点[1-4]，因此研发智能井下配水器及井下无线通讯仪，满足实时监测信息无线传输要求，提高分层注水合格率，减少现场工作量，降低作业成本。

1 分注井井下通讯技术难点

长庆油田分注井井下通讯具有空间小、矿化度高及井下长期使用的特点。分注井井下无线通讯环境为直径62 mm油管，油管对无线通讯信号屏蔽吸收能力较强，井下配水器最大外径114 mm，最小内径46 mm，可利用环形空间不足30 mm，天线安装难度大。同时长庆油田注入水矿化度较高，制约无线通讯效果。另外，与其他井下短时间测试不同，按照油田管理规定要求，分注井工具井下使用时间不低于三年，要求工具井下长期使用稳定可靠。

2 井下通讯技术现状

井下数据传输方式主要包括有线通讯、无线通讯、有线+无线通讯等三类。

2.1 有线通讯技术

有线通讯包括电缆、光缆和湿接头对接电缆通讯。电缆传输是目前传输速度快、稳定、技术最为成熟的传输方式，主要用于井下监测。20世纪70年代以来，国内外油田先后开展了电缆、光缆及湿接头井下通讯技术研究，并取得成功，但该技术系统复杂，费用较高[5，7]。

2.2 无线通讯技术

无线通讯包括压力脉冲、声波和电磁波等方式，压力脉冲方式主要用于随钻测试中，通过泥浆脉冲传输信号；低频电磁波主要用于定向钻井及水平井的随钻测试，1987年，国内胜利等油田开展了现场试验；声波传输技术研究较早，1948年，国外已开展相关研究，但国内尚无采用声波方式录取井下数据[6]。

2.3 有线+无线通讯技术

有线+无线通讯是指电缆传输与互感传输相结合，应用于智能钻杆技术（见表1）。2000年美国率先研发成功，2006年实现数据实时高速传输[6-9]。

表1 井下与地面信息传输技术对比

结合低渗透油田注水开发特点，井下通讯技术需满足双向通讯、实时录取、长期使用（3 a以上）及低成本的技术要求，现有三类技术尚无法直接应用，因此，借鉴现有技术的基础上，研发适合低渗透油田注水井的信息传输新技术。

3 低渗透油田井下无线通讯技术研究

结合注水井井下空间及实际井况，借鉴现有的数据通讯技术，采用目前较为成熟的无线射频技术实现井下无线通讯。

3.1 关键技术方案

井下无线通讯技术主要包括两部分：（1）安装在数字式配水器内部的无线通讯模块；（2）电缆携带数字式井下控制器。数字式配水器实时采集井下温度、压力和流量数据并进行存储，根据下入电缆携带数字式井下控制器至井下配水器的一定范围之内，建立无线通讯，通讯过程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 1）。

图1 井下无线通讯模式

3.2 无线通讯可行性分析

注水井油管直径62 mm，传输介质矿化度1 000 mg/L～100 000 mg/L，通过室内试验的方式研究注水井井下无线传输的可行性。

3.2.1 实验设计 实验环境：室温条件下，采用内径为62 mm、壁厚为5 mm的钢管模拟注水井筒，定量分析在注水井油管内无线传输的距离和水的矿化度关系。

实验介质：采用天平称量食用盐来调配不同矿化度的溶液、自来水。

实验装置：电池组，无线接收模块，无线发射模块，单片机，LCD显示器。

实验过程：将无线通讯发射系统密封后，固定于模拟井筒底部，同时将采用带刻度的导线拉着无线通讯模块接收系统，上下移动接收信号，测量不同矿化度条件下，发射系统与接收系统建立通讯的距离。经过多次的重复实验，可以测得不同矿化度情况下的通讯距离。

3.2.2 实验结果分析 在水温15℃情况下可以测得不同矿化度的通讯距离（见图2），矿化度在0 mg/L～5 000 mg/L范围内电磁波穿透距离变化幅度较大，因此实验进行加密测试。

图2 矿化度与通讯距离关系曲线

对于智能井井下数据传输，长庆低渗透油田主力区块矿化度一般不高于50 000 mg/L，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400 mm范围内就可以实现数据的有效传输。

3.3 天线结构优化设计

受井筒空间限制，配水器及井下通讯仪天线设计成为制约通讯效果的关键。考虑常用天线类型，主要可采用棒状天线及缠绕式天线。

3.3.1 棒状天线 其发射增益和接收增益具有相似的天线图。因此，当两天线按图3排布时，具有较好的发射接收增益。

图3 棒状天线通讯的最佳位置

当天线顶头放置，则为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4）。

图4 棒状天线安装的不利布局

为了使收发天线通讯距离尽量增大，将两天线稍微侧放，使避开天线的最小增益方向（见图5），即使不能直接达到最大，也可以二次或三次反射波最大方向到达接收方。

图5 棒状天线倾斜安装

3.3.2 缠绕式天线 数字式配水器采用缠绕式高增益天线，沿天线轴向方向辐射最强，且辐射圆极化波，保证了足够的有效通讯距离，以此增加天线覆盖面积、提高信号穿透能力，保证井下控制器与数字式配注器无线通讯的可靠性（见图6）。

图6 缠绕式天线安装方式

3.4 井下无线通讯仿真分析

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。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，即缠绕式天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线，即棒状天线。全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通讯的中心台。

与棒状天线的差别，缠绕式天线在于辐射的范围在360°，其增益方向就像一个苹果（见图7、图8）。

图7 棒状天线增益方向示意图

图8 缠绕式天线增益方向示意图

图9 室内试验模块发射功率曲线

使用433 MHz通讯频段进行测试，缠绕式天线在通讯频段内显著增强了发射和接收增益，能够实现更好的穿透性。同时借鉴海上灯塔导航原理，设计瞬时大功率通讯脉冲，集成激发装置，数据传输时，建立瞬时大功率信号冲击，最大功率达到200 mW：通讯成功后10 mW，数据传输时40 mW，提升无线通讯的可靠性（见图9）。

4 井下无线通讯试验效果分析

2015年，长庆低渗透油田开展了6口井井下无线通讯现场试验，初步实现了井下分层压力、温度和流量等生产动态信息的实时监测以及井下和地面数据和指令的无线双向通讯等功能，通讯成功率85%，建立通讯所需时间1 min，平均单井无线传输数据量3.5万组，分层注水合格率达95%以上。

以姬塬油田胡X井为例，该井基本情况为：井深2 756 m，井斜39.5°，注入介质清水，矿化度15 000 mg/L，上层配注10 m3/d，下层配注5 m3/d。该井试验时间2015年9月1日，两层配水器累计录取数据5.24万组，2015年9月-2016年3月的动态数据录取情况（见图10）。胡X井实测流量范围2 m3/d～25 m3/d，当到自动测调时间，若流量不满足配注要求，配水器自动调节至10%误差范围内，部分数据超出误差范围原因为地面压力波动。

5 结论

（1）井下无线通讯技术为低渗透油藏井下分层注水动态录取提供了手段，实现油藏压力、温度、瞬时流量、累计流量等关键参数的长期监测及传输，为油藏动态调整提供技术支撑；

（2）采用室内试验及模拟分析，与棒状天线相比，缠绕式天线通讯效果大幅提升，433 MHz通讯频段发射和接收增益增强，实现更好的穿透性；

图10 胡X井上下层6个月历史数据

（3）智能井井下无线通讯技术实现注水井井下狭窄空间稳定通讯，建立通讯所需时间1 min，单井录取数据3.5万组；

（4）井下无线通讯技术满足实时监测信息无线传输要求，正常注水情况下分层注水合格率95%以上，减少现场工作量，降低作业成本。

［1］逢启寿，刘本辉，冯羽生，杨杰.基于步进数字式闭环控制的流量控制系统［J］.机械工程与自动化，2008，（3）：132-134.

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