基于电磁波的井下压裂无线传输信道性能分析研究

刘涛,朱礼斌,杨先辉,任永宏,李拥军,蔡军,程晓东

(1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司油气井测试分公司,河北廊坊065007;2.中国石油华北油田公司勘探事业部,河北任丘062552)

0 引 言

现代油田开发中,压裂是实施开采的重要措施,是提高油气田开发能力的重要技术手段,是针对低渗油气田改造油气藏的重要方法[1-2]。在现阶段现场经济地测量和评估水力裂缝、对储层特性岩石力学参数和地应力分布的研究和认识、压裂设计[3-4]、以及压裂监测和施工质量控制等因素是影响压裂效果的关键,其中通过对井下数据的监测实时分析指导压裂改造效果是一项重要的技术,可认识和了解裂缝和地层情况,分析和评估压裂液性能和现场施工质量,减小施工风险,保证施工按设计要求顺利进行,并根据实际情况进行现场调整。现阶段多集中于微地震事件和温度数据的实时监控。在监测水力压裂施工作业产生的微地震事件时,采用有线传输技术,存在施工不便、成本高、地形环境适应能力差等缺陷;温度是压裂监测的重要参数,温度变化对压裂液流变性能产生直接的影响,也是影响压裂液破胶能力的重要因素,对压裂液的选择和调整具有重要的参考价值;现有的压裂温度监测多采用无缆传输[5],但存在实时性不足的缺点。因此,压裂监测数据的实时传输问题的研究具有重要的现实意义。

利用微存储芯片进行数据传输是井下数据无线传输的热点之一。Tulsa大学YU MJ的井筒流体示踪器、沙特A&M公司的Resbots油藏纳米机器人、Houston大学LIU C R研究的无线射频数据传输方法、Baker Huston的微存储器井下数据传输方法等都是这方面的研究,但其都还处于概念设计阶段。中国石化石油工程技术研究院的朱祖扬等利用微芯片技术开发的全井筒压力温度采集器[6],实现了随钻过程压力温度数据的实时监控[7]。该技术应用于压裂过程监测还是一个较新的研究方向,在国内外压裂过程应用的实例中,更多应用于压裂滑套的控制[8-11]。本文根据实际压裂、试井需要,设计了一种井下压裂数据实时传输系统并制作了试验样机。该系统将井下采集的数据采用无线遥测技术,以信息标签为媒介实时传输到地面,操作人员可以直接根据对采集数据的分析,对实施效果进行评价,并及时采取各种措施,调整工作程序,解决压裂操作的盲目性,可有效缩短时间及成本。

1 传输系统的设计与实现

现使用的压裂数据无线采集系统将数据采集部分随同井下设备下到指定位置并采集数据,在压裂完成后,连同油管一起提出,对监测数据进行分析,具有一定滞后性。本文设计的系统采用微芯片技术,通过将载有数据通信模块、存储装置的信息标签随管道内液体进行循环流动,与井下数据采集站进行数据通信,并在地面实现回收,以达到对井下数据进行实时监测的目的,系统结构见图1。井下数据采集站由无线通信单元、控制单元、数据采集单元组成,并配有电池组用于供电;井下数据采集站随压裂管柱下入到指定位置,开始监测数据,全程记录被测点的压力、温度、振动等变化;当地面需要获得井下某时刻的数据时,将信息标签通过投放口投入到油管内,并通过重力和油管内的钻井/压裂液的黏稠性使其流动;当接近井下数据采集站时,与其进行数据通信;随油管內液体继续流动,并由环空返回地面,地面的捕获器将信息标签捕获,并通过无线设备将其存储的数据读出并进行分析。

图1 井下压裂数据无线传输系统结构

图1中井下数据采集站的数据采集单元包括温度、压力、振动等传感器,用以采集数据,并通过总线与控制单元连接,本文采用1553b总线;无线通信单元负责与信息标签的通信,其通过总线与控制单元连接;控制单元负责各个模块之间的通信、时序控制。系统利用射频识别RFID(Radio Frequency Identification)技术[12-13],采用专用短程通信DSRC(Dedicated Short Range Communications)协议进行无线传输,井下通信系统模块见图2。传感器采集的数据通过数据通信接口由数据处理控制器进行控制,储存到存储单元。微波收发控制单元控制天线的收发状态,当侦测到标签靠近时,通知数据处理控制器,激发DSRC协议处理单元,由控制单元负责在存储单元读取对应位置的数据并进行传输。当信息标签接收到数据后,将数据储存,并将随着液体继续循环,在地面实现回收。通过地面的无线传输系统,对信息标签的数据进行读取,实现对井下数据的实时监测分析。由于信息标签在井筒内一直移动,因此,不可能将井下的数据全部的传输到地面,该系统在实际应用中,通过改进算法,将对处于变化点的数据优先传输,通过观察分析数据的变化趋势,可使得地面对于井下的情况进行分析,而监测的全部数据,可当井下数据采集站随压裂设备提起后,由数据存储单元中直接获得。

图2 井下通讯系统结构图

2 信道模型分析及均衡技术

该系统采用无线射频技术。井下无线传输受到很多因素的影响,如信道、钻井液成分、标签移动导致的多普勒效应等,通过试验分析,该系统在实际试验中其面临的主要问题为信道衰减与小尺度衰落。小尺度衰落是指信号在短时间或短距离传播后其幅度、相位或是多径时延快速变化,导致的信号衰减。标签在井中运动时,为了增强其有效的传输时间,其发射端设计的发射有效角度接近180°,尽可能保证标签在发射端上方、下方的有效传输距离内都可进行数据传输(见图3)。

图3 无线传输路径示意图

通过地面模拟实验和理论分析,对井下的井筒内的无线传输信道性能进行了分析,以便设计较优的均衡算法。由于标签的移动、井壁的反射等因素,作为信号的接收端存在多径效应,即同一信号x(t)在输出端T发射后,在接收端R会接收到多个x(t-τ),信号从不同的方向传播到达,τ为具有不同的传播时延。对于多径效应对于标签接收信号的影响,本文采用多发单收(MISO)传输模型进行信道性能模拟,即将通过不同路径传输的信号视为由不同天线发送的、具有不同时延的同一信号。信号x(t)可经路径1、2、3达到接收端T。假设第i根发射天线上发送的信号为xi,发送功率为Pi,其对应的路径衰减因子为hi令

x=[x1,x2,…,xn]h=[h1,h2,…,hn]

则接收端信号为

y=Σihixi+w

(1)

式中,w为信道的噪声。针对本文的传输信道,令τ为信号经过某条路径的延时,则多径时延模型可简化为

yi=Σmhmxi(t-τm)+wi

(2)

设发送点的信号功率为P,则根据能量守恒,在自由空间里距离发射端距离为d的点的接收功率为

(3)

令发射端功率为Pt,接收端R点的功率为PR,发射信号频率为fc,则自由空间中有

(4)

则图3中路径1的功率衰减因子可定义为

(5)

式中,δ为与钻井液相关的衰减系数;α为信号的功率衰减因子;当发送信号为x(t),功率衰减为αP。

根据井下小尺寸的情况,图3中各个路径的路径差很小,可忽略,因此对于同一信号的不同路径的衰减因子,为简化计算,可都视为相同的h1。由傅里叶变换性质可知,在时域的时间上的延迟,对应于频域信号相位的旋转,由于井下小尺寸的原因,由多径效应造成的时间长上的延迟可忽略,相位偏移较小,而由路径差造成的能量衰减也可忽略,那么该模型中影响多径效应衰减的主要因素为电磁波在空间中的发射现象,并且存在多次反射的情况,如图3中路径3所示。设Γ为反射系数,则井下小尺寸空间内的传输模型可简化为

yi=Σmhmxi(t-τm)+wi≈

(6)

式中,x(t)为d0处的电场强度;Δd为反射路径与直达路径的路径差;Γ为反射系数;wm为信道。

上述为该系统使用的信道模型,由文献[14] 可知,随着标签与发射端距离的变化,接收信号以摆动的方式衰减,该模型符合这个变化趋势。井下的信号传输,收到如泥浆介质特性、管道内杂质、管壁发射、振动及热噪声等干扰。在式(6)中,路径衰减因子h1与泥浆介质特性有关,反射Γ系数由管壁特性、泥浆介质特性相关,可由地面实验近似测量获得。对于井下噪声,通过对试验井数据分析获得其幅频特性,在接收端通过滤波达到抑制噪声的目的。

对于模型的信道容量进行了分析,发射端可经过多个路径到达终端,而每个路径的信道特征也会随着时间而变化,因此,很难确定信道容量,通过对信道的溢出容量分析反映信道的容量特性。在传输过程中,选取的路径越多,本来能达到的信道容量越大,同时也带来了码间串扰。对于给定的概率,选取的路径越多,对用的溢出容量越大。图4所示为模拟的、选取不同的路径时、对应概率为10%的溢出容量,可知当相同原始SNR时,选取的路径越多,溢出容量越大。

图4 概率为10%时的溢出容量

上述模型是建立在移动通信的多径效应基础上的理想模型,在实际情况下,不仅存在环境对于信道的干扰,还存在码间串扰(SI),其本质就是有多径效应造成的。在传输统一符号时,由于其路径的不同,使得同一符号多次接收,当其间隔较小时,使符号间发生混叠,造成串扰。也可由不同符号间发生混叠,如前一符号经过多次反射后,与后一个、通过直线路径的到达的符号发生混叠,造成对后一符号的串扰。对上述模型进行改进,可模拟码间串扰的情况,在式(6)中引入xi-1的影响。模型的各种模式在不同SNR下的BER如图5所示。在应用本文的多通道模型,不考虑码间串扰情况下,性能最好;多通道模型,考虑码间串扰的情况下,性能最差;而在单通道模型、存在码间串扰情况下,其性能居中。以10%误码率为为例,多通道码间串扰模型大约在8 dB左右,而另2种情况下在3～4 dB之间,多通道码间串扰模型更符合实际情况。

图5 各种模式下的SNR分析

根据多通道码间串扰模型可以模拟井下的多径传输情况,这样对井下信道的衰减情况进行预判;对于传输过程中的噪声干扰,在接收端可进行滤波处理以抑制噪声影响,对于多径效应、泥浆特性等因素造成的信道衰减,可对信号进行均衡。为了简化接收端即信息标签的设计,本文采取了预均衡技术,在发送端根据对于信道衰减的预判,对发送数据进行预处理(见图6)。图6中的训练序列用于预估数据传输中的噪声干扰,补偿序列是根据上述信道多通道码间串扰模型特性分析的结果,设计的均衡器,用于均衡信道的衰减。当数据进行传输时,对存储器中相应的数据进行FSK调制,并用补偿序列进行均衡处理,得到发送符号,经过DA转换后由天线发出。

图6 井下信道预均衡结构框图

3 仿真验证

根据系统设计制作了系统样机(见图7),分别为井下数据发射样机、信息标签感应线圈和信息标签实验样品,并在地面和井下分别进行了跟踪实验,其中井下的工作环境为35 MPa,工作温度120 ℃;信息标签采用聚甲基丙烯酸甲酯进行封装,核心传输芯片采用RF4432X1模块,为高度集成的无线ISM频段收发芯片,其频率范围支持433～868 MHz,灵敏度高达-121 dBm,最大输出功率20 dBm,支持的传输速率为0.123～256 kbit/s,本文采用868 MHz频率,工作速率为128 kbit/s,采用FSK调制;工作电压为1.8～3.6 V,可达到3～4 m的有效传输距离,支持定时唤醒功能;当信息标签在运动时,芯片处于休眠状态,其电流<1 μA,当接近井下数据采集站时,感应线圈产生感应电动势,唤醒传输芯片,进行数据接收,其接收电流为18.5 mA。

信息标签在井下采用非接触式、无源供电模式,通过磁场上外部线圈电感耦合产生电动势以驱动芯片根据芯片要求,感应电压应大约为3.6 V。其电源端线圈匝数N1=350,DC=5 V,工作电流I1=40 mA,线圈电感为60～78 μH,线圈大小S1=56 mm×28 mm=1 568 mm2;信息标签线圈匝数N2=100,其线圈直径为d=16 mm,则井下模块线圈产生的磁场强度为[1]

B=μ0N1I1

(7)

式中,μ0=1.25×10-6N/A-2穿过信息标签线圈的磁通匝链数为

ψ=N2μ0N1I1S1

(8)

则线圈间的互感为

(9)

信息标签的感应电动势为

(10)

由感应线圈产生的电动势可有效的驱动信息标签的通信电路。

对实验样机分别进行了地面和井下实验。在地面的试验中,对信息标签进行了10次模拟投放,共有8次获得数据,平均可获得900～1 000 Pa、温度的数据点。在井下的投放实验中,进行了8次有效投放,共有5次获得数据,平均可获得450～600个数据点。经过分析,认为数据获取失败的因素:孩实际投放中,不能保证信息标签在井筒中的匀速运动,尤其是井下实验时,当2个标签距离间隔过近时,造成其中的一个将无法接到数据,这可通过后续改进算法避免;虎由于标签在运动时会随意旋转,导致感应线圈的方向随机,不能保证与磁力线的最佳角度,导致磁感应失败,无法发起的通信,后续需要改进信息标签的形状,以使其达到较稳定的运动状态。

4 结 论

(1)该系统为井下数据的无线传输提供一个新的方法,以循环标签为载体,实现井下数据的无线传输,该技术具有较好的应用前景。

(2)该模型能够较好地反映井下无线传输信道的特征,对于系统的信号传输、均衡器设计具有指导作用。

(3)根据模型设计的样机,虽然在井下的性能较地面有着3～4 dB的差距,但也能较好地完成数据的传输,样机的试验结果基本达到设计要求,并对实验中传输失败的原因进行了分析,为后续个改进提出了方向。