基于電磁波的井下壓裂無(wú)線傳輸信道性能分析研究

劉濤,朱禮斌,楊先輝,任永宏,李擁軍,蔡軍,程曉東

(1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司油氣井測(cè)試分公司,河北廊坊065007;2.中國(guó)石油華北油田公司勘探事業(yè)部,河北任丘062552)

0 引 言

現(xiàn)代油田開(kāi)發(fā)中,壓裂是實(shí)施開(kāi)采的重要措施,是提高油氣田開(kāi)發(fā)能力的重要技術(shù)手段,是針對(duì)低滲油氣田改造油氣藏的重要方法[1-2]。在現(xiàn)階段現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)地測(cè)量和評(píng)估水力裂縫、對(duì)儲(chǔ)層特性巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力分布的研究和認(rèn)識(shí)、壓裂設(shè)計(jì)[3-4]、以及壓裂監(jiān)測(cè)和施工質(zhì)量控制等因素是影響壓裂效果的關(guān)鍵,其中通過(guò)對(duì)井下數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析指導(dǎo)壓裂改造效果是一項(xiàng)重要的技術(shù),可認(rèn)識(shí)和了解裂縫和地層情況,分析和評(píng)估壓裂液性能和現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量,減小施工風(fēng)險(xiǎn),保證施工按設(shè)計(jì)要求順利進(jìn)行,并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整?，F(xiàn)階段多集中于微地震事件和溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在監(jiān)測(cè)水力壓裂施工作業(yè)產(chǎn)生的微地震事件時(shí),采用有線傳輸技術(shù),存在施工不便、成本高、地形環(huán)境適應(yīng)能力差等缺陷;溫度是壓裂監(jiān)測(cè)的重要參數(shù),溫度變化對(duì)壓裂液流變性能產(chǎn)生直接的影響,也是影響壓裂液破膠能力的重要因素,對(duì)壓裂液的選擇和調(diào)整具有重要的參考價(jià)值;現(xiàn)有的壓裂溫度監(jiān)測(cè)多采用無(wú)纜傳輸[5],但存在實(shí)時(shí)性不足的缺點(diǎn)。因此,壓裂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

利用微存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是井下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)臒狳c(diǎn)之一。Tulsa大學(xué)YU MJ的井筒流體示蹤器、沙特A&M公司的Resbots油藏納米機(jī)器人、Houston大學(xué)LIU C R研究的無(wú)線射頻數(shù)據(jù)傳輸方法、Baker Huston的微存儲(chǔ)器井下數(shù)據(jù)傳輸方法等都是這方面的研究,但其都還處于概念設(shè)計(jì)階段。中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院的朱祖揚(yáng)等利用微芯片技術(shù)開(kāi)發(fā)的全井筒壓力溫度采集器[6],實(shí)現(xiàn)了隨鉆過(guò)程壓力溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]。該技術(shù)應(yīng)用于壓裂過(guò)程監(jiān)測(cè)還是一個(gè)較新的研究方向,在國(guó)內(nèi)外壓裂過(guò)程應(yīng)用的實(shí)例中,更多應(yīng)用于壓裂滑套的控制[8-11]。本文根據(jù)實(shí)際壓裂、試井需要,設(shè)計(jì)了一種井下壓裂數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)并制作了試驗(yàn)樣機(jī)。該系統(tǒng)將井下采集的數(shù)據(jù)采用無(wú)線遙測(cè)技術(shù),以信息標(biāo)簽為媒介實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?操作人員可以直接根據(jù)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析,對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià),并及時(shí)采取各種措施,調(diào)整工作程序,解決壓裂操作的盲目性,可有效縮短時(shí)間及成本。

1 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)使用的壓裂數(shù)據(jù)無(wú)線采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集部分隨同井下設(shè)備下到指定位置并采集數(shù)據(jù),在壓裂完成后,連同油管一起提出,對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,具有一定滯后性。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用微芯片技術(shù),通過(guò)將載有數(shù)據(jù)通信模塊、存儲(chǔ)裝置的信息標(biāo)簽隨管道內(nèi)液體進(jìn)行循環(huán)流動(dòng),與井下數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并在地面實(shí)現(xiàn)回收,以達(dá)到對(duì)井下數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。井下數(shù)據(jù)采集站由無(wú)線通信單元、控制單元、數(shù)據(jù)采集單元組成,并配有電池組用于供電;井下數(shù)據(jù)采集站隨壓裂管柱下入到指定位置,開(kāi)始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),全程記錄被測(cè)點(diǎn)的壓力、溫度、振動(dòng)等變化;當(dāng)?shù)孛嫘枰@得井下某時(shí)刻的數(shù)據(jù)時(shí),將信息標(biāo)簽通過(guò)投放口投入到油管內(nèi),并通過(guò)重力和油管內(nèi)的鉆井/壓裂液的黏稠性使其流動(dòng);當(dāng)接近井下數(shù)據(jù)采集站時(shí),與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;隨油管內(nèi)液體繼續(xù)流動(dòng),并由環(huán)空返回地面,地面的捕獲器將信息標(biāo)簽捕獲,并通過(guò)無(wú)線設(shè)備將其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行分析。

圖1 井下壓裂數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中井下數(shù)據(jù)采集站的數(shù)據(jù)采集單元包括溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器,用以采集數(shù)據(jù),并通過(guò)總線與控制單元連接,本文采用1553b總線;無(wú)線通信單元負(fù)責(zé)與信息標(biāo)簽的通信,其通過(guò)總線與控制單元連接;控制單元負(fù)責(zé)各個(gè)模塊之間的通信、時(shí)序控制。系統(tǒng)利用射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)[12-13],采用專用短程通信DSRC(Dedicated Short Range Communications)協(xié)議進(jìn)行無(wú)線傳輸,井下通信系統(tǒng)模塊見(jiàn)圖2。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口由數(shù)據(jù)處理控制器進(jìn)行控制,儲(chǔ)存到存儲(chǔ)單元。微波收發(fā)控制單元控制天線的收發(fā)狀態(tài),當(dāng)偵測(cè)到標(biāo)簽靠近時(shí),通知數(shù)據(jù)處理控制器,激發(fā)DSRC協(xié)議處理單元,由控制單元負(fù)責(zé)在存儲(chǔ)單元讀取對(duì)應(yīng)位置的數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸。當(dāng)信息標(biāo)簽接收到數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,并將隨著液體繼續(xù)循環(huán),在地面實(shí)現(xiàn)回收。通過(guò)地面的無(wú)線傳輸系統(tǒng),對(duì)信息標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,實(shí)現(xiàn)對(duì)井下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。由于信息標(biāo)簽在井筒內(nèi)一直移動(dòng),因此,不可能將井下的數(shù)據(jù)全部的傳輸?shù)降孛?該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)改進(jìn)算法,將對(duì)處于變化點(diǎn)的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸,通過(guò)觀察分析數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì),可使得地面對(duì)于井下的情況進(jìn)行分析,而監(jiān)測(cè)的全部數(shù)據(jù),可當(dāng)井下數(shù)據(jù)采集站隨壓裂設(shè)備提起后,由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中直接獲得。

圖2 井下通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 信道模型分析及均衡技術(shù)

該系統(tǒng)采用無(wú)線射頻技術(shù)。井下無(wú)線傳輸受到很多因素的影響,如信道、鉆井液成分、標(biāo)簽移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)等,通過(guò)試驗(yàn)分析,該系統(tǒng)在實(shí)際試驗(yàn)中其面臨的主要問(wèn)題為信道衰減與小尺度衰落。小尺度衰落是指信號(hào)在短時(shí)間或短距離傳播后其幅度、相位或是多徑時(shí)延快速變化,導(dǎo)致的信號(hào)衰減。標(biāo)簽在井中運(yùn)動(dòng)時(shí),為了增強(qiáng)其有效的傳輸時(shí)間,其發(fā)射端設(shè)計(jì)的發(fā)射有效角度接近180°,盡可能保證標(biāo)簽在發(fā)射端上方、下方的有效傳輸距離內(nèi)都可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(見(jiàn)圖3)。

圖3 無(wú)線傳輸路徑示意圖

通過(guò)地面模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析,對(duì)井下的井筒內(nèi)的無(wú)線傳輸信道性能進(jìn)行了分析,以便設(shè)計(jì)較優(yōu)的均衡算法。由于標(biāo)簽的移動(dòng)、井壁的反射等因素,作為信號(hào)的接收端存在多徑效應(yīng),即同一信號(hào)x(t)在輸出端T發(fā)射后,在接收端R會(huì)接收到多個(gè)x(t-τ),信號(hào)從不同的方向傳播到達(dá),τ為具有不同的傳播時(shí)延。對(duì)于多徑效應(yīng)對(duì)于標(biāo)簽接收信號(hào)的影響,本文采用多發(fā)單收(MISO)傳輸模型進(jìn)行信道性能模擬,即將通過(guò)不同路徑傳輸?shù)男盘?hào)視為由不同天線發(fā)送的、具有不同時(shí)延的同一信號(hào)。信號(hào)x(t)可經(jīng)路徑1、2、3達(dá)到接收端T。假設(shè)第i根發(fā)射天線上發(fā)送的信號(hào)為xi,發(fā)送功率為Pi,其對(duì)應(yīng)的路徑衰減因子為hi令

x=[x1,x2,…,xn]h=[h1,h2,…,hn]

則接收端信號(hào)為

y=Σihixi+w

(1)

式中,w為信道的噪聲。針對(duì)本文的傳輸信道,令τ為信號(hào)經(jīng)過(guò)某條路徑的延時(shí),則多徑時(shí)延模型可簡(jiǎn)化為

yi=Σmhmxi(t-τm)+wi

(2)

設(shè)發(fā)送點(diǎn)的信號(hào)功率為P,則根據(jù)能量守恒,在自由空間里距離發(fā)射端距離為d的點(diǎn)的接收功率為

(3)

令發(fā)射端功率為Pt,接收端R點(diǎn)的功率為PR,發(fā)射信號(hào)頻率為fc,則自由空間中有

(4)

則圖3中路徑1的功率衰減因子可定義為

(5)

式中,δ為與鉆井液相關(guān)的衰減系數(shù);α為信號(hào)的功率衰減因子;當(dāng)發(fā)送信號(hào)為x(t),功率衰減為αP。

根據(jù)井下小尺寸的情況,圖3中各個(gè)路徑的路徑差很小,可忽略,因此對(duì)于同一信號(hào)的不同路徑的衰減因子,為簡(jiǎn)化計(jì)算,可都視為相同的h1。由傅里葉變換性質(zhì)可知,在時(shí)域的時(shí)間上的延遲,對(duì)應(yīng)于頻域信號(hào)相位的旋轉(zhuǎn),由于井下小尺寸的原因,由多徑效應(yīng)造成的時(shí)間長(zhǎng)上的延遲可忽略,相位偏移較小,而由路徑差造成的能量衰減也可忽略,那么該模型中影響多徑效應(yīng)衰減的主要因素為電磁波在空間中的發(fā)射現(xiàn)象,并且存在多次反射的情況,如圖3中路徑3所示。設(shè)Γ為反射系數(shù),則井下小尺寸空間內(nèi)的傳輸模型可簡(jiǎn)化為

yi=Σmhmxi(t-τm)+wi≈

(6)

式中,x(t)為d0處的電場(chǎng)強(qiáng)度;Δd為反射路徑與直達(dá)路徑的路徑差;Γ為反射系數(shù);wm為信道。

上述為該系統(tǒng)使用的信道模型,由文獻(xiàn)[14] 可知,隨著標(biāo)簽與發(fā)射端距離的變化,接收信號(hào)以擺動(dòng)的方式衰減,該模型符合這個(gè)變化趨勢(shì)。井下的信號(hào)傳輸,收到如泥漿介質(zhì)特性、管道內(nèi)雜質(zhì)、管壁發(fā)射、振動(dòng)及熱噪聲等干擾。在式(6)中,路徑衰減因子h1與泥漿介質(zhì)特性有關(guān),反射Γ系數(shù)由管壁特性、泥漿介質(zhì)特性相關(guān),可由地面實(shí)驗(yàn)近似測(cè)量獲得。對(duì)于井下噪聲,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)分析獲得其幅頻特性,在接收端通過(guò)濾波達(dá)到抑制噪聲的目的。

對(duì)于模型的信道容量進(jìn)行了分析,發(fā)射端可經(jīng)過(guò)多個(gè)路徑到達(dá)終端,而每個(gè)路徑的信道特征也會(huì)隨著時(shí)間而變化,因此,很難確定信道容量,通過(guò)對(duì)信道的溢出容量分析反映信道的容量特性。在傳輸過(guò)程中,選取的路徑越多,本來(lái)能達(dá)到的信道容量越大,同時(shí)也帶來(lái)了碼間串?dāng)_。對(duì)于給定的概率,選取的路徑越多,對(duì)用的溢出容量越大。圖4所示為模擬的、選取不同的路徑時(shí)、對(duì)應(yīng)概率為10%的溢出容量,可知當(dāng)相同原始SNR時(shí),選取的路徑越多,溢出容量越大。

圖4 概率為10%時(shí)的溢出容量

上述模型是建立在移動(dòng)通信的多徑效應(yīng)基礎(chǔ)上的理想模型,在實(shí)際情況下,不僅存在環(huán)境對(duì)于信道的干擾,還存在碼間串?dāng)_(SI),其本質(zhì)就是有多徑效應(yīng)造成的。在傳輸統(tǒng)一符號(hào)時(shí),由于其路徑的不同,使得同一符號(hào)多次接收,當(dāng)其間隔較小時(shí),使符號(hào)間發(fā)生混疊,造成串?dāng)_。也可由不同符號(hào)間發(fā)生混疊,如前一符號(hào)經(jīng)過(guò)多次反射后,與后一個(gè)、通過(guò)直線路徑的到達(dá)的符號(hào)發(fā)生混疊,造成對(duì)后一符號(hào)的串?dāng)_。對(duì)上述模型進(jìn)行改進(jìn),可模擬碼間串?dāng)_的情況,在式(6)中引入xi-1的影響。模型的各種模式在不同SNR下的BER如圖5所示。在應(yīng)用本文的多通道模型,不考慮碼間串?dāng)_情況下,性能最好;多通道模型,考慮碼間串?dāng)_的情況下,性能最差;而在單通道模型、存在碼間串?dāng)_情況下,其性能居中。以10%誤碼率為為例,多通道碼間串?dāng)_模型大約在8 dB左右,而另2種情況下在3～4 dB之間,多通道碼間串?dāng)_模型更符合實(shí)際情況。

圖5 各種模式下的SNR分析

根據(jù)多通道碼間串?dāng)_模型可以模擬井下的多徑傳輸情況,這樣對(duì)井下信道的衰減情況進(jìn)行預(yù)判;對(duì)于傳輸過(guò)程中的噪聲干擾,在接收端可進(jìn)行濾波處理以抑制噪聲影響,對(duì)于多徑效應(yīng)、泥漿特性等因素造成的信道衰減,可對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡。為了簡(jiǎn)化接收端即信息標(biāo)簽的設(shè)計(jì),本文采取了預(yù)均衡技術(shù),在發(fā)送端根據(jù)對(duì)于信道衰減的預(yù)判,對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(見(jiàn)圖6)。圖6中的訓(xùn)練序列用于預(yù)估數(shù)據(jù)傳輸中的噪聲干擾,補(bǔ)償序列是根據(jù)上述信道多通道碼間串?dāng)_模型特性分析的結(jié)果,設(shè)計(jì)的均衡器,用于均衡信道的衰減。當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí),對(duì)存儲(chǔ)器中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行FSK調(diào)制,并用補(bǔ)償序列進(jìn)行均衡處理,得到發(fā)送符號(hào),經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換后由天線發(fā)出。

圖6 井下信道預(yù)均衡結(jié)構(gòu)框圖

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作了系統(tǒng)樣機(jī)(見(jiàn)圖7),分別為井下數(shù)據(jù)發(fā)射樣機(jī)、信息標(biāo)簽感應(yīng)線圈和信息標(biāo)簽實(shí)驗(yàn)樣品,并在地面和井下分別進(jìn)行了跟蹤實(shí)驗(yàn),其中井下的工作環(huán)境為35 MPa,工作溫度120 ℃;信息標(biāo)簽采用聚甲基丙烯酸甲酯進(jìn)行封裝,核心傳輸芯片采用RF4432X1模塊,為高度集成的無(wú)線ISM頻段收發(fā)芯片,其頻率范圍支持433～868 MHz,靈敏度高達(dá)-121 dBm,最大輸出功率20 dBm,支持的傳輸速率為0.123～256 kbit/s,本文采用868 MHz頻率,工作速率為128 kbit/s,采用FSK調(diào)制;工作電壓為1.8～3.6 V,可達(dá)到3～4 m的有效傳輸距離,支持定時(shí)喚醒功能;當(dāng)信息標(biāo)簽在運(yùn)動(dòng)時(shí),芯片處于休眠狀態(tài),其電流<1 μA,當(dāng)接近井下數(shù)據(jù)采集站時(shí),感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),喚醒傳輸芯片,進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,其接收電流為18.5 mA。

信息標(biāo)簽在井下采用非接觸式、無(wú)源供電模式,通過(guò)磁場(chǎng)上外部線圈電感耦合產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)以驅(qū)動(dòng)芯片根據(jù)芯片要求,感應(yīng)電壓應(yīng)大約為3.6 V。其電源端線圈匝數(shù)N1=350,DC=5 V,工作電流I1=40 mA,線圈電感為60～78 μH,線圈大小S1=56 mm×28 mm=1 568 mm2;信息標(biāo)簽線圈匝數(shù)N2=100,其線圈直徑為d=16 mm,則井下模塊線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為[1]

B=μ0N1I1

(7)

式中,μ0=1.25×10-6N/A-2穿過(guò)信息標(biāo)簽線圈的磁通匝鏈數(shù)為

ψ=N2μ0N1I1S1

(8)

則線圈間的互感為

(9)

信息標(biāo)簽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(10)

由感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)可有效的驅(qū)動(dòng)信息標(biāo)簽的通信電路。

對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)分別進(jìn)行了地面和井下實(shí)驗(yàn)。在地面的試驗(yàn)中,對(duì)信息標(biāo)簽進(jìn)行了10次模擬投放,共有8次獲得數(shù)據(jù),平均可獲得900～1 000 Pa、溫度的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在井下的投放實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行了8次有效投放,共有5次獲得數(shù)據(jù),平均可獲得450～600個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)分析,認(rèn)為數(shù)據(jù)獲取失敗的因素:孩實(shí)際投放中,不能保證信息標(biāo)簽在井筒中的勻速運(yùn)動(dòng),尤其是井下實(shí)驗(yàn)時(shí),當(dāng)2個(gè)標(biāo)簽距離間隔過(guò)近時(shí),造成其中的一個(gè)將無(wú)法接到數(shù)據(jù),這可通過(guò)后續(xù)改進(jìn)算法避免;虎由于標(biāo)簽在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)隨意旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致感應(yīng)線圈的方向隨機(jī),不能保證與磁力線的最佳角度,導(dǎo)致磁感應(yīng)失敗,無(wú)法發(fā)起的通信,后續(xù)需要改進(jìn)信息標(biāo)簽的形狀,以使其達(dá)到較穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1)該系統(tǒng)為井下數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸提供一個(gè)新的方法,以循環(huán)標(biāo)簽為載體,實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸,該技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。

(2)該模型能夠較好地反映井下無(wú)線傳輸信道的特征,對(duì)于系統(tǒng)的信號(hào)傳輸、均衡器設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

(3)根據(jù)模型設(shè)計(jì)的樣機(jī),雖然在井下的性能較地面有著3～4 dB的差距,但也能較好地完成數(shù)據(jù)的傳輸,樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并對(duì)實(shí)驗(yàn)中傳輸失敗的原因進(jìn)行了分析,為后續(xù)個(gè)改進(jìn)提出了方向。