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(chǎn)能的一項重要的增產(chǎn)技術，對多層系開發(fā)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(fā)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(nèi)置電子發(fā)射裝置的投球，通過發(fā)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(xiàn)場作業(yè)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(fā)射無線信號打開電磁閥的投球，要求發(fā)射裝置內(nèi)置于?外MAX85mm投球中，傳播介質(zhì)為壓裂液，管道內(nèi)的壓力70MPa,投球速度8～10m/s；接收板內(nèi)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(zhì)對信號有衰減作用，因而采用短距離低頻通信方式來實現(xiàn)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(jù)電磁場和電磁波理論，電磁波的衰減常數(shù)會隨頻率、傳導媒質(zhì)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(xiàn)較大的衰減。假定是導電介質(zhì)，由磁基本振子的輻射場公式得到圓形發(fā)射線圈在空間任一點產(chǎn)生的感應電場強度為[3]：

(1)

圖1 發(fā)射、接收線圈示意圖

式中，ST、NT分別是發(fā)射線圈的面積和匝數(shù)；α是衰減常數(shù)；β是相位常數(shù)；R1是發(fā)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(fā)射線圈的電流。

接收線圈與發(fā)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(shù)。

在導電介質(zhì)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(zhì)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(shù)模型，計算衰減常數(shù)α(假設以平面波傳播，發(fā)射頻率f=125kHz)：

(3)

傳播距離公式如下[3]：

(4)

式中，AM是發(fā)射信號的幅值；A是傳播一定距離時發(fā)射信號的幅值。

由以上分析可知，要在較高電導率介質(zhì)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(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1硬件設計

該裝置的硬件結構主要包括發(fā)射機和接收機，其系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結構

發(fā)射機主要由電源、微控制器MCU、功率放大電路和串聯(lián)諧振天線組成。由于發(fā)射機內(nèi)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(shù)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(chǎn)生基帶信號并傳送到ASK調(diào)制電路進行載波調(diào)制，再將已調(diào)信號送到功率放大，最后通過串聯(lián)諧振天線諧振形成幅值為80V的發(fā)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(lián)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(lián)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(diào)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(fā)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(fā)射信號如圖4所示，接收信號如圖5所示。

圖4 發(fā)射信號

圖5 接收信號

2.2軟件設計

發(fā)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(jù)時間段來啟動或停止PWM，產(chǎn)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(fā)射信號的到來，其程序流程圖如圖7所示。

圖6 發(fā)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(shù)有限，特別是在水平井中，層數(shù)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(yè)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(yè)，工程師，碩士生，現(xiàn)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(yè)，碩士，副教授，現(xiàn)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。