分層壓裂中短距離低頻通信裝置的研究

方 輝，吳凌云，肖紅翼 (長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

分層壓裂中短距離低頻通信裝置的研究

方 輝，吳凌云，肖紅翼 (長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

壓裂是提高低滲透油氣田產能的一項重要的增產技術，對多層系開發的低滲透油(井)田，多采用分層壓裂。近年來，分層壓裂技術越來越多地應用在水平井油藏開發中。針對不動管柱分層壓裂時，投不同直徑的鋼球進行分層，設計一種內置電子發射裝置的投球，通過發射ID編碼信號，對安裝在不同壓裂層段的電磁閥進行識別。現場作業表明，使用該裝置可以達到簡化壓裂管柱、降低施工難度的目的。

短距離低頻通信；模擬前端器件；分層壓裂；投球

在以往的不動管柱分層壓裂工藝中，通過投不同直徑的鋼球進行封堵分層，其缺點是壓裂管柱機構復雜，對管柱及部件加工精度要求高，加工工序復雜[1]。針對上述情況，設計一種在壓裂液中通過發射無線信號打開電磁閥的投球，要求發射裝置內置于?外MAX85mm投球中，傳播介質為壓裂液，管道內的壓力70MPa,投球速度8～10m/s；接收板內置在管道中(管徑?90mm～?100mm)，高度lt;10mm,接收距離≥1m。由于壓裂液及管道中其他介質對信號有衰減作用，因而采用短距離低頻通信方式來實現信號傳遞。為此，筆者對短距離低頻通信裝置在分層壓裂中的應用進行了研究。

1 設計原理

根據電磁場和電磁波理論，電磁波的衰減常數會隨頻率、傳導媒質的磁導率和電導率的增加而增大[2]。由于壓裂液是聚合物組成，會使信號幅值出現較大的衰減。假定是導電介質，由磁基本振子的輻射場公式得到圓形發射線圈在空間任一點產生的感應電場強度為[3]：

(1)

圖1 發射、接收線圈示意圖

式中，ST、NT分別是發射線圈的面積和匝數；α是衰減常數；β是相位常數；R1是發射線圈中心到空間任一點的距離；θ是在球坐標系中空間任一點與Z軸的夾角；IT是流過發射線圈的電流。

接收線圈與發射線圈的位置如圖1所示，則接收線圈的感應電動勢為[3]：

(2)

式中，SR、NR分別是接收線圈的面積和匝數。

在導電介質中，由于傳導電流的存在，電磁波能量會隨距離增加而衰減。考慮到壓裂液及管道中其他介質對信號有衰減作用，取電導率σ=60S/m(高于壓裂液的電導率),磁導率μ=4π×10-7H/m作為壓裂液的參數模型，計算衰減常數α(假設以平面波傳播，發射頻率f=125kHz)：

(3)

傳播距離公式如下[3]：

(4)

式中，AM是發射信號的幅值；A是傳播一定距離時發射信號的幅值。

由以上分析可知，要在較高電導率介質中傳播較遠的距離，可以采取提高AM、減小A(即提高接收的靈敏度)的措施。

2 系統設計與實現

2.1硬件設計

該裝置的硬件結構主要包括發射機和接收機，其系統結構如圖2所示。

圖2 硬件系統結構

發射機主要由電源、微控制器MCU、功率放大電路和串聯諧振天線組成。由于發射機內置在能耐壓70MPa、最大外徑?85mm的投球中，安裝空間較小且工作在井下，因此要求電源體積小、器件功耗低。采用能量密度比較高的電池供電。微控制器MCU采用Microchip公司的高性能數字信號控制器dsPIC30F4013，該器件功耗低、電壓范圍寬、運行速度快。通過微控制器MCU產生基帶信號并傳送到ASK調制電路進行載波調制，再將已調信號送到功率放大，最后通過串聯諧振天線諧振形成幅值為80V的發射信號。其碼元格式為PWM編碼(見圖3)。

圖3 PWM編碼碼元格式

接收機由并聯諧振天線、模擬前端器件MCP2030、微控制器MCU(dsPIC30F4013)和電磁閥控制電路組成。其工作原理如下：并聯諧振天線接收到信號后，由模擬前端器件MCP2030對小信號進行放大、濾波、解調并傳送到微控制器MCU(dsPIC30F4013)，若接收的ID碼正確，則電磁閥打開。

將發射機安裝到壓裂管柱中進行模擬試驗。試驗表明，接收機能接收到正確的ID編碼信號并打開電磁閥。發射信號如圖4所示，接收信號如圖5所示。

圖4 發射信號

圖5 接收信號

2.2軟件設計

發射機微控制器MCU上電初始化后，在定時器中寫入各段時間，根據時間段來啟動或停止PWM，產生125kHz的載波，其程序流程圖如圖6所示。接收機微控制器MCU上電復位初始化后，將模擬前端器件MCP2030設置成相應的工作模式并等待發射信號的到來，其程序流程圖如圖7所示。

圖6 發射信號程序流程圖

圖7 接收信號程序流程圖

3 結 語

在不動管柱分層壓裂工藝中，以前通過投不同直徑的球進行分層，施工中打開的層數有限，特別是在水平井中，層數多，管線距離長，分層有一定局限性。通過筆者設計的裝置，不僅可以通過ID編碼打開更多的閥門，而且簡化壓裂管柱，降低施工難度。

[1]羅英俊,萬仁濤. 采油技術手冊[M].北京：石油工業出版社，2005.

[2]徐立勤，曹偉.電磁場與電磁波理論[M].北京：科學出版社，2006.

[3]龐巨豐，李長星，施振飛，等.測井原理及儀器[M].北京：科學出版社，2008.

[4]謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2005.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.034

TN915

A

1673-1409(2012)03-N102-03

2012-01-24

方輝 (1971-)，男，1993年大學畢業，工程師，碩士生，現主要從事自動檢測與控制方面的研究工作。

吳凌云(1963-)，女，1986年大學畢業，碩士，副教授，現主要從事信號處理、智能控制及自動化技術應用等方面的教學與研究工作。