井下過套管超聲波無線能量傳輸系統研究

王婷婷,魏勇,余厚全,陳強,劉國權

(1.長江大學電子信息學院,湖北荊州434023;2.中國石油集團測井有限公司生產測井中心,陜西西安710077)

0 引 言

在油氣田開發中,對井下溫度、壓力、流量等信息的定期監測,可提供開發過程中的井況變化特性,能夠幫助工程師及時了解油井井況,進而及時調整開采策略,制定最優開采方案。因此,井下信息定期檢測對油氣田的高產穩產至關重要。通常情況下為了獲取井下的溫度、壓力等信息,油田開發工程師多采用實時測井的方法。通過電纜測井的方式實時為井下各種傳感器網絡和測量電路提供電能,并且實時地記錄相應的傳感器的信息[1-2]。這一方法雖然實現了井下信息的實時獲取,但為了關注井下信息的持續變化,需要定期地進行測井,極大增加了生產成本[3]。針對以上問題,一些測井工程師提出,如果能夠將這些用于井下溫度、壓力、巖石物理等各項參數監測的傳感器隨套管一起埋入井下,在電池供電的條件下持續工作,并記錄井下信息,可以在提供連續測井數據的同時節省測井成本[4-6]。該方案的關鍵是井下套管外電池的充電問題。因此,設計井下過套管無線能量傳輸系統具有重要意義。

國內外研究團隊相繼開展了井下永久傳感器的研究。張果等[4]在2010年提出了永置井下壓力溫度監測系統,解決了伊朗Y油田儲層埋藏深、油藏壓力和溫度高時對井底壓力溫度的實時監測的問題,但對于井下永久傳感器的供電問題沒有解決;任利華等[6]在2019年提出了超深高溫油氣井永久式光纖監測新技術,解決了超深高溫油氣井動態資料錄取困難的問題,可滿足生產井和水平注氣井等不同類型的監測需求,但存在將溫度監測光纖和壓力監測電纜一體化封裝的弊端;在隔金屬介質的超聲波無線能量傳輸方面,閆孝姮等[7]研究了超聲波穿過鋁、鐵和銅等3種金屬介質時的傳輸效率,并且得出了在鋁介質中能量傳輸效率最大的結論。

綜上所述,目前還未見到將超聲波無線能量傳輸用于井下為電池充電的文獻。因此,本文開展井下過套管無線能量傳輸系統研究,并針對超聲波無線能量傳輸中存在換能器頻率的選擇和能量傳輸效率這2個關鍵問題進行深入探討。

1 井下過套管超聲波無線能量傳輸系統概述

井下過套管超聲波無線能量傳輸系統由套管外的數據采集裝置和套管內的傳輸充電裝置2個部分組成(見圖1)。數據采集裝置主要由密封耐壓殼、儲電設備、監測單元、傳感器接口以及超聲波接收換能器組成,它隨套管埋設于井下,由電池為傳感器供電,實現井下數據長期采集。

圖1 井下過套管無線能量傳輸系統示意圖

傳輸充電裝置的外形類似測井儀器,其結構包括傳輸充電裝置外殼、超聲波發射換能器、電子伸縮臂和連接安裝板。在使用時經電纜懸吊進入到套管內,并與套管外數據采集裝置保持同一深度,通過超聲波對數據采集裝置內的儲能電池進行無線充電,并通過無線數據交互的方式獲取數據采集裝置中儲存的測井數據。由于1次下井作業能夠同時完成電池充電和歷史數據讀取2項任務,解決了傳統電纜測井因多次下井而帶來的成本問題。

本文重點討論超聲波過套管無線能量傳輸問題。由于超聲波的聲阻抗與金屬介質的聲阻抗相似[8-9],可以通過良好的阻抗匹配減少聲波在傳輸過程中反射和衍射的能量損失。選擇合適的超聲波入射角和激發頻率是獲得較高傳輸效率的關鍵。

2 井下過套管超聲波無線能量傳輸系統基本原理

超聲波發射換能器和接收換能器分別位于套管的內側和外側,實際工作時,超聲波換能器與鋼板之間有一層厚度較薄的油水介質。超聲波以頻率f,垂直入射到厚度為d的鋼板時,聲波信號發生反射和透射。其中聲壓透射率T為

(1)

式中,d為鋼板的厚度,m;λ為波長,m;r為2種介質的聲阻抗之比。

由于超聲波通過鋼板時會在鋼板內發生共振,其能量透射率會隨鋼板厚度的變化而發生飛躍。參考文獻[9]和[10]研究表明,當超聲波垂直入射到鋼板(θ=0),且滿足式(2)時,聲壓透射率接近于1。

(2)

假設v為鋼板中傳播的縱波聲速[11],有

v=fλ

(3)

將式(3)代入式(1)得

(4)

由式(4)可見,如果鋼板兩側的介質特性保持不變,則聲阻抗之比為恒定值;假設鋼板的材質一致,那么聲波在鋼板中傳播的聲速v恒定。因此,聲壓透射率直接與超聲波的頻率和鋼板的厚度有關。若希望透射率接近100%,那么超聲波的激發頻率必須隨鋼板的厚度改變而改變。通過數值模擬,當T=100%時,鋼板的厚度與頻率呈現反比例關系。工程應用中,常用的套管外徑有5.5 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同和7 in這2種類型,其平均厚度大約為9.17 mm,該厚度所對應的最佳頻率為321.7 kHz。

上述分析表明,對于厚度為9.17 mm的鋼質套管,超聲波的最佳激發頻率為321.7 kHz。然而,在工程應用中,很難找到中心頻率與之完全一致的超聲波換能器。基于此,不得不選擇另一種容易獲得且中心頻率為其他值的超聲波換能器。

在常見的超聲波換能器中,中心頻率為40 kHz和80 kHz的超聲波換能器常用于超聲波清洗設備中,具有較大的發射功率;250 kHz的超聲波換能器常用于超聲波成像測井中,其特點是聲斑較為集中,縱向分辨率較高[12]。圖2給出了3種不同激發頻率下鋼板厚度與能量透射率對應關系。曲線表明:①3種頻率在式(2)的條件下都能滿足聲壓透射率的最大化,這與式(2)的結論一致;②當鋼板的厚度為9.17 mm時,3種頻率所對應的透射率依次為-17.6、-23.7、-22.8 dB。這表明,盡管在該厚度條件下,3種頻率所對應的透射率都不能接近100%,但是40 kHz對應的透射率最高。綜合考慮發射功率和透射率因素,選擇40 kHz的傳感器。

圖2 不同頻率時鋼板厚度與能量透射率對應關系

3 系統方案設計

基于超聲波的井下過套管無線能量傳輸系統的理論研究,提出了在實驗室環境下可實現無線能量傳輸的方案(見圖3),該方案可作為實現井下過套管無線能量傳輸系統的基礎研究,系統主要由分布在鋼板兩側的能量發射模塊和能量接收模塊組成。

圖3 系統整體方案圖

3.1 能量發射模塊

能量發射模塊由FPGA主控電路、驅動電路、阻抗匹配電路、電源輔助電路和發射換能器組成。FPGA主控電路控制D/A轉換器產生40 kHz的超聲波信號,并監測能量發射模塊中的電流,防止發射電路板電流過大,燒毀整個電路板。驅動電路是將D/A轉換器輸出的模擬信號進行功率放大,使功率放大的信號足以驅動發射換能器穩定工作,因此,系統選擇OPA564-Q1作為超聲波信號的功率放大器。阻抗匹配電路是使發射端電路呈純阻性,減少無功損耗。電源輔助電路為FPGA主控電路和驅動電路提供穩定電壓確保這兩個模塊正常工作。發射換能器正常工作時,將電信號轉化為聲信號用于在金屬介質中傳輸能量。通過各模塊相互協作,保證將電信號轉化為聲信號時能量轉換效率最高。

3.2 能量接收模塊

能量接收模塊由接收換能器、整流濾波電阻、阻抗匹配電路、測試電路和充電電路組成。接收換能器利用壓電效應將聲信號轉化為電信號,但接收到的電信號為交流信號,需要做進一步處理,才能為后續電路所應用。整流濾波電路將交流電信號整流為直流信號,再通過電容將高次諧波去除。阻抗匹配電路使接收端電路呈純阻性,減少接收端電路的無功損耗。測試電路是為了測試能量傳輸系統的能量大小,方便對整體系統性能進行分析。充電電路起到穩壓、限流的作用,并對接收端能量進行儲存。通過上述模塊相互配合,可使能量在接收端儲存和利用。

4 實驗結果與討論

根據以上理論分析與系統方案,設計如圖4所示實驗裝置,包括顯示控制板、驅動發射板、整流電路板、負載和6芯航空插頭。其中,6芯航空插頭分別與220 V電源、發射端、接收端相連。在室溫(25 ℃)條件下,使用環氧樹脂將超聲波發射和接收換能器分別粘貼在鋼板兩側。

圖4 電路實際連接圖

為更好地驗證能量傳遞效率與鋼板厚度之間的關系,設計了厚度分別為1、3、9 mm和10 mm的4組鋼板。在實驗時將發射換能器和接收換能器分別置于鋼板的左右兩側。實驗過程中,通過調整發射端的功率因子來獲得由小到大的激勵功率,記錄下接收端的電壓、電流和1 W大功率LED燈的工作狀態。

圖5給出了接收端的電壓曲線,曲線表明:①發射端功率因子由小到大發生改變時,接收端的電壓呈現先增加,后趨于平穩的趨勢;②對于1、3、9 mm和10 mm這4種不同厚度鋼板,接收端電壓的極大值分別為9.18、8.55、8.14 V和7.89 V,這表明,接收端的電壓隨鋼板厚度增加而減小;③4種不同厚度鋼板條件下,通過對能量收集,5個1 W大功率LED燈均能被點亮,當鋼板厚度為1 mm時,負載端獲得的最大瞬時功率為0.984 W。

圖5 發射端功率因子與接收端電壓的關系

5 結 論

(1)超聲波傳播理論表明,當鋼板的厚度是超聲波半波長的整數倍時,聲壓透射率接近100%。對于特定厚度的鋼板,若無法找到頻率與之匹配的超聲波換能器,則可以通過選用大功率超聲振子,采用提高激發能量的方法來彌補因頻率不匹配引起的能量損失。

(2)4組不同厚度鋼板的能量傳輸實驗表明,在激發頻率為40 kHz的條件下,超聲波能量傳輸系統的接收端所獲得的能量隨鋼板厚度增加而減小,為研究不同鋼板厚度的能量傳遞提供了參考。

(3)在不同厚度鋼板條件下,能量傳輸系統的接收端均可點亮5個1 W大功率LED燈,且獲得的最大瞬時功率為0.984 W,為將本系統應用于井下無線能量傳輸打下了基礎。

(4)本文作為井下過套管無線能量傳輸系統的基礎研究,僅研究了能量最大化傳輸時聲波信號垂直入射鋼板的理論,且能量傳輸實驗均在實驗室常溫下完成。若后續要將此研究應用于井下,還需考慮聲波在套管中傳輸時,聲波入射角對聲壓透射率的影響和井下溫度對聲速的影響。