油氣井中電磁波無線傳輸技術研究及應用

鄧 虎

中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

0 引言

鉆井作業中井下隨鉆工程參數的實時測量、傳輸技術取得了較快發展，尤其是測量功能、精度、適應性等方面已基本滿足鉆井作業對工程參數的需求，但在油氣井中，獲取井下動態數據的技術手段還處于落后狀態，多數井仍然采用傳統技術，通過監測井口生產動態人工判斷井下生產動態、分析產出水的類型判斷地層出水狀況等，缺乏直觀性和時效性，即使在一些高產井或者重點井中，也是采用有線監測技術來監測井下生產動態，存在生產成本高、分析工作量大、風險高、監測工具不易維護等[1- 5]，不適合大范圍推廣應用。

隨著油氣行業自動化、智能化發展的進程，傳統的油氣井井下生產動態監測方式勢必被科學的、直觀的、實時的動態數據監測方式所取代。胥洪俊等[5]引進永置式光學壓力溫度監測系統在DB20X井現場試驗中獲得成功，錄取到了連續的井下壓力資料，為高壓氣井全程壓力監測及分析奠定了基礎；江同文等[6]利用分布式光纖聲波傳感系統分析氣田斷層的活動性與水侵的關系，查明了氣田水侵運移通道；法國地質服務公司(Geoservices)[7]研制的低頻電磁波遠程無線傳輸Demeter系統采用電耦極子發射模式，在套管外壁和地層之間組成泄漏電流回路，可以在淺井測試中應用；韓雄等[8- 12]，初步建立了一套試油測試井下數據無線傳輸的技術架構，實現在試油測試期間把井下數據(溫度、壓力等)無線實時上傳到地面；李枝林等[13]利用電磁波傳輸方式研制了頁巖氣井生產動態井下無線監測系統，將井下數據無線采集工具隨油管一起送到儲層中，采集并無線傳輸井筒中流體溫度、壓力、流量及含水率等生產動態數據。

脈沖、聲波、電磁波等信號傳輸方式是建立井下—地面信息通道的常用方式，但在油氣測試或生產井中由于缺乏鉆井液循環介質，脈沖信息通道難以建立；相比聲波，電磁波信號具有適應性強、實現便捷、可靠性高等優點，卻又受金屬套管的屏蔽影響，無線傳輸距離短，衰減嚴重，影響了電磁波無線傳輸技術在測試生產井中的推廣應用[14]。針對金屬套管對電磁波無線傳輸技術的影響，本文在探討油氣井環境下的電磁波傳輸機理的基礎上，探索利用磁流環在油套管之間形成電磁能流回路，以解決套管對電磁波的屏蔽作用，為電磁波無線傳輸技術在油氣井中推廣應用奠定基礎。

1 油氣井中電磁波傳輸機理

在有油管和生產套管的油氣井中，考慮載波頻率、井筒—大地介質對傳輸的影響，提出一種基于似穩恒電磁場的方法進行分析。

1.1 油氣井中電磁波傳輸原理

從靜態角度，似穩恒電磁波傳輸基于電位差的通信原理，如圖1所示。井下發射系統經過驅動模塊將恒定的電壓施加在絕緣外套所處的油管上，使油管、套管、環空介質(水、油氣等)、地層等廣域范圍內存在著電流流動。若將無窮遠點視為零電位點，使油管、套管、環空介質、地層中的任意一個點均存在一定大小的電位，選取其中兩個點，檢測其電位差，該電位差與井下發射系統發射的信號在頻率上是幾乎相同的，但在幅值上有一定衰減，采用數值算法對此電位差信號進行處理，即可獲得井下系統傳輸信息。

圖1 油氣井筒信號傳輸架構原理示意圖

1.2 模型仿真計算

采用節點運算法定量計算油氣井模型信號衰落的基本規律，其思路如圖1中的紅色虛線所示，在縱向上分為三部分：上部油管、下部油管、金屬套管，每部份被分成若干等份，每一等份上的金屬被視為等勢體，每個等勢體由一個節點表示。節點與節點之間的電流回路由相應的阻抗和電感值表示。假設油氣井模型中的三部分被分別分割成了N等份，加上功放驅動天線的兩個節點，一共是N+2個節點，如圖2所示。根據基爾霍夫定律可以得到如式(1)中N+2個方程構成的非齊次方程組，解出N+2個節點的電勢。

圖2 節點法井下信號仿真計算模型

(1)

式中：Vai—電勢，V；Rai—油管分段節點電阻，Ω；Lbi—油套分段電感，H；Rci—套管分段節點電阻，Ω；Ldi—套管與地層間的分段電感，H；j—虛數單位量，無量綱；k—虛數單位量，無量綱,f—信號頻率，Hz。

同時，利用有限元方法通過建立大縱橫比井筒—大地模型，研究動態傳輸過程中電磁波的能量分布[13]，其基本參數和邊界條件如表1所示，模型中油、套管壁厚、鉆桿內徑與油、套管長度相差多個數量級，用以模井筒的大縱橫比特征。

表1 油氣井傳輸模型主要參數設定

模型采用映射網格劃分和自由網格劃分相結合逐級劃分的方式對油、套管柱按長度進行分段，然后進行映射網格，所劃分四邊形長寬比為1∶10。將地層分為兩個部分進行自由網格劃分，單元為三角形，第一部分為距離套管50 m以內的地層，此部分為網格由密到疏過渡部分；第二部分為距離套管50 m到模型邊界之間的地層，此部分地層網格因遠離套管故較稀。同時考慮電磁波二次畸變對電磁波能量分布的影響，對模型進行仿真計算[6]。

仿真計算過程中,地層電阻率、相對磁導率、地層電阻率均取假設值，初始計算結果與實際有一定差異。為了消除這些差異，通過實測數據對參數進行迭代修正，最終得到接近真實的電磁波能量分布，如圖3所示。

圖3 油氣井電磁波能量分布

將靜態電壓計算和動態電磁波能量分布進行加權平均，得到如圖4所示的“信號頻率—傳輸距離—信號強度”傳輸規律模板，為系統的研制奠定技術基礎。

圖4 傳輸頻率—傳輸距離—信號強度技術模板

2 油氣井電磁波無線傳輸關鍵技術

油氣井電磁波無線傳輸的技術關鍵是信號“發得出、傳輸遠、收得到”，其信號傳輸通道涉及天線、導通絕緣輔助工具和地面信號采集系統，構建“井下—地面”高效、穩定的傳輸通道，為油氣井井下數據無線傳輸奠定硬件基礎。

2.1 井下發射天線參數設計

2.1.1 激勵方式

井下發射天線在各個方向上輻射,當輻射的最大方向與地面的方向相互垂直時，垂直電激勵的效率比垂直磁激勵的效率高出很多，使井下發射天線在地面的方向上輻射最強，也是目前應用最為廣泛的方式。

三種主要垂直電激勵方式：絕緣短接式、磁流環方式和直接驅動式。通過分析電磁波在地層中的傳輸效率，直接驅動式是最為有效的，但受工藝限制，直接驅動式的激勵源只能安裝在油管上，電磁波在穿越套管時產生極化現象，大部分能量損耗在套管上，傳輸距離短，地面無法接收到信號或信號不完整，不適合于套管內的電磁波發射。

本文采用磁流環方式激勵技術，通過油、套管接觸控制在油、套管之間形成電磁能流回路，等于在套管上實現直接驅動，避免電磁波穿越套管產生極化現象，有效解決套管對電磁波的屏蔽問題。其基本物理模型如圖5所示。

圖5 井下天線設置示意圖

2.1.2 發射天線參數

分析套管與油管厚度、電阻率以及發射天線長度等發射天線參數對不同頻率信號發射強度的影響規律，形成阻抗匹配的計算經驗公式[14]，如式(2)。

(2)

基于阻抗匹配公式，建立井筒偶極子天線設計方法，設計發射天線的結構尺寸等參數，并動態變化驅動功率。發射天線單級有效傳輸距離超過4 000 m，如圖6為設計發射天線在MX- 23井的現場使用效果圖。

圖6 MX- 23井發射器入井深度與地面信號強度變化試驗

2.2 油套絕緣導通工具

構建井下天線的關鍵在通過油管和套管的接觸形成電磁能流回路，從而把信號發射出去，因此,接觸電阻就會間接影響井下精細電磁場的分布。當套管和油管的接觸點有電流流過時，由收縮效應產生收縮電阻，與表面膜電阻一起組成接觸電阻[15]。根據赫茲彈性接觸理論，接觸電阻大小主要由接觸應力決定。在實際工況中，油、套管均屬于細長結構，接觸應力與接觸電阻之間可用以下模型表示：

假設有n個接觸點，且接觸點半徑都相同，可以得到n個接觸點的接觸電阻

(3)

式中：Rc—接觸電阻，Ω；ρ1、ρ2—分別為兩個接觸面材料電阻率，Ω·m；α—接觸點半徑，m。

接觸面半徑α與接觸壓力F之間的關系一般情況下可采用赫茲公式計算[15]，但赫茲公式僅考慮了泊松比、彈性模量等參數，當井下油管與套管接觸壓力非常大時，將赫茲公式計算出的接觸面半徑α代入式(3)中所獲得的接觸電阻收縮為0，與實際情況不符。因此，需要在赫茲公式的基礎上添加一個修正系數C，式(4)為改進后的赫茲公式，其中修正系數C可通過室內標定獲得。

(4)

式中:ξ—赫茲修正系數，無量綱;F—接觸壓力,N；γ1和γ—接觸斑點泊松比，無量綱；E—接觸斑點彈性模量，N/m2；r—接觸點半徑,m；C—非零點修正系數，無量綱，通過室內模擬標定獲得。

基于以上接觸應力電阻計算方法開發了井下高溫橡膠封隔裝置和井下動力輸出工具，通過調節接觸應力實現阻抗調節，精確構建井下電磁場分布，實現了信號穩定傳輸。

2.3 地面信號采集系統

井場背景噪聲大(一般在0.01～0.1 V級)、來源成分復雜(主要能量頻譜范圍0.1～1 kHz)，而井下上傳數據信號小(10 μV～1 mV級)，信噪比達到1∶1 000以上，電磁干擾大，準確的提取有用信號面臨巨大挑戰。如圖7所示，采用實測和計算相結合的方式分析了井場電磁特性，建立了基于井場電磁特性的參數估計干擾過濾方法，對干擾源進行了分級濾波，濾波后信噪比1∶1 000提高到3∶1，井下信號識別能力達到μV級。

圖7 高電磁背景噪聲下濾波效果圖

3 油氣井電磁波無線傳輸技術現場應用

油氣井電磁波無線傳輸技術已應用于油氣井井下數據的獲取及實時傳輸，原理框圖如圖8所示。井下傳感器采集到井筒中的動態數據后，通過電磁波發射器發射信號并上傳到地面，地面天線接收后解析還原，支撐工程師進行油氣開發方案和井筒工程作業決策。傳輸系統技術參數如表2所示。

表2 系統技術參數表

圖8 油氣井中電磁波無線傳輸技術原理框圖

3.1 頁巖氣井井下生產動態的實時無線傳輸

四川威遠地區W-X井是一口以龍馬溪為儲層的頁巖氣井，井深4 343 m，垂深2 603 m，水平段長1 910 m，生產套管外徑139.7 mm，內徑114 mm，油管外徑60.32 mm，油管管柱組合為：油管+1號油套絕緣導通工具+井下傳感器+井下無線傳輸信號發射器(2 250 m)+2號油套絕緣導通工具+油管柱。本井在通過電磁波無線傳輸系統成功建立了井下與地面的信息通道后，實現了井下溫度、壓力、含水率等數據實時獲取與傳輸，傳輸頻率設置為4組/d，地面接受到的信號穩定、清晰、可靠，如圖9所示。

圖9 W-X井井下生產動態數據無線傳輸

截至2022年5月，該系統除2021年8月和10月因維修場地暫停工作外，已持續傳輸井下生產動態數據一年零一個月，數據傳輸誤碼率僅0.82%，支撐本井3次生產制度的調整，降低了井下地層能量的遞減速度；實現現場壓竄和井底積液預警分別17次和32次，為提高氣田采收率及井筒安全生產提供技術支撐。

3.2 深層天然氣井試采動態井下實時無線傳輸

MG- 1井是四川地區一口深層天然氣井，該井完鉆層位棲霞組，完鉆井深5 639 m，垂深5 025 m，生產套管外徑177.8 mm，內徑152 mm，油管外徑88.9 mm。油管管柱組合為：試采工具+油管+1號油套絕緣導通工具+井下傳感器+井下無線傳輸信號發射器(5 210 m)+2號油套絕緣導通工具+油管+3號油套管絕緣導通工具+中繼器(2 920 m)+4油套管絕緣導通工具+油管。本井井眼較深，為保障信號傳輸效果，在中部井段增加一套中繼器，中繼器傳輸距離控制在3 000 m左右，中繼器與發射器間距控制在2 500 m以內。

電磁波無線傳輸工具隨管柱入井后，快速建立井下與地面的信息通道，及時將井下溫度、壓力等參數實時傳輸至地面，在連續工作的20.5d里協助作業單位進行動態預警井下管柱受力風險、酸化期間地層是否壓開的判斷、試氣期間的儲層產能評估及井筒殘余液量的計算等，支撐了試采作業全過程的井下安全，同時提升了儲層產能評估效率。傳輸效果如圖10所示。

圖10 MG- 1井試采井下動態無線傳輸

4 結論

(1)在油氣井中利用磁流環激勵技術在油、套管之間形成的電流回路，可有效規避電磁波在穿越套管時產生的極化現象，有效解決井下套管對電磁波的屏蔽問題，延長電磁波在油氣井中的傳輸距離。

(2)建立了適合川渝地區電磁波無線傳輸技術的模板，在此基礎上基于阻抗匹配，建立井筒偶極子天線設計方法，確定發射天線的結構尺寸等參數，并可動態變化驅動功率，現場發射天線單級有效傳輸距離超過4 000 m。

(3)形成的井筒電磁波無線傳輸技術在頁巖氣和深層天然氣的井下數據監測作業中進行了成功應用，誤碼率小于1%，表明該技術在套管井筒環境下具有良好的傳輸性能，支撐了現場作業對井下數據的監測需求。

(4)該技術提供了一個地面和井下信息有效溝通的平臺，未來還可廣泛應用到鉆井、完井、井下作業等多個存在金屬套管屏蔽信號傳輸困難的場所，為這些領域的井下智能工具的研制奠定堅實的基礎。