井下过套管超声波无线能量传输系统研究

王婷婷,魏勇,余厚全,陈强,刘国权

(1.长江大学电子信息学院,湖北荆州434023;2.中国石油集团测井有限公司生产测井中心,陕西西安710077)

0 引 言

在油气田开发中,对井下温度、压力、流量等信息的定期监测,可提供开发过程中的井况变化特性,能够帮助工程师及时了解油井井况,进而及时调整开采策略,制定最优开采方案。因此,井下信息定期检测对油气田的高产稳产至关重要。通常情况下为了获取井下的温度、压力等信息,油田开发工程师多采用实时测井的方法。通过电缆测井的方式实时为井下各种传感器网络和测量电路提供电能,并且实时地记录相应的传感器的信息[1-2]。这一方法虽然实现了井下信息的实时获取,但为了关注井下信息的持续变化,需要定期地进行测井,极大增加了生产成本[3]。针对以上问题,一些测井工程师提出,如果能够将这些用于井下温度、压力、岩石物理等各项参数监测的传感器随套管一起埋入井下,在电池供电的条件下持续工作,并记录井下信息,可以在提供连续测井数据的同时节省测井成本[4-6]。该方案的关键是井下套管外电池的充电问题。因此,设计井下过套管无线能量传输系统具有重要意义。

国内外研究团队相继开展了井下永久传感器的研究。张果等[4]在2010年提出了永置井下压力温度监测系统,解决了伊朗Y油田储层埋藏深、油藏压力和温度高时对井底压力温度的实时监测的问题,但对于井下永久传感器的供电问题没有解决;任利华等[6]在2019年提出了超深高温油气井永久式光纤监测新技术,解决了超深高温油气井动态资料录取困难的问题,可满足生产井和水平注气井等不同类型的监测需求,但存在将温度监测光纤和压力监测电缆一体化封装的弊端;在隔金属介质的超声波无线能量传输方面,闫孝姮等[7]研究了超声波穿过铝、铁和铜等3种金属介质时的传输效率,并且得出了在铝介质中能量传输效率最大的结论。

综上所述,目前还未见到将超声波无线能量传输用于井下为电池充电的文献。因此,本文开展井下过套管无线能量传输系统研究,并针对超声波无线能量传输中存在换能器频率的选择和能量传输效率这2个关键问题进行深入探讨。

1 井下过套管超声波无线能量传输系统概述

井下过套管超声波无线能量传输系统由套管外的数据采集装置和套管内的传输充电装置2个部分组成(见图1)。数据采集装置主要由密封耐压壳、储电设备、监测单元、传感器接口以及超声波接收换能器组成,它随套管埋设于井下,由电池为传感器供电,实现井下数据长期采集。

图1 井下过套管无线能量传输系统示意图

传输充电装置的外形类似测井仪器,其结构包括传输充电装置外壳、超声波发射换能器、电子伸缩臂和连接安装板。在使用时经电缆悬吊进入到套管内,并与套管外数据采集装置保持同一深度,通过超声波对数据采集装置内的储能电池进行无线充电,并通过无线数据交互的方式获取数据采集装置中储存的测井数据。由于1次下井作业能够同时完成电池充电和历史数据读取2项任务,解决了传统电缆测井因多次下井而带来的成本问题。

本文重点讨论超声波过套管无线能量传输问题。由于超声波的声阻抗与金属介质的声阻抗相似[8-9],可以通过良好的阻抗匹配减少声波在传输过程中反射和衍射的能量损失。选择合适的超声波入射角和激发频率是获得较高传输效率的关键。

2 井下过套管超声波无线能量传输系统基本原理

超声波发射换能器和接收换能器分别位于套管的内侧和外侧,实际工作时,超声波换能器与钢板之间有一层厚度较薄的油水介质。超声波以频率f,垂直入射到厚度为d的钢板时,声波信号发生反射和透射。其中声压透射率T为

(1)

式中,d为钢板的厚度,m;λ为波长,m;r为2种介质的声阻抗之比。

由于超声波通过钢板时会在钢板内发生共振,其能量透射率会随钢板厚度的变化而发生飞跃。参考文献[9]和[10]研究表明,当超声波垂直入射到钢板(θ=0),且满足式(2)时,声压透射率接近于1。

(2)

假设v为钢板中传播的纵波声速[11],有

v=fλ

(3)

将式(3)代入式(1)得

(4)

由式(4)可见,如果钢板两侧的介质特性保持不变,则声阻抗之比为恒定值;假设钢板的材质一致,那么声波在钢板中传播的声速v恒定。因此,声压透射率直接与超声波的频率和钢板的厚度有关。若希望透射率接近100%,那么超声波的激发频率必须随钢板的厚度改变而改变。通过数值模拟,当T=100%时,钢板的厚度与频率呈现反比例关系。工程应用中,常用的套管外径有5.5 in(1)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同和7 in这2种类型,其平均厚度大约为9.17 mm,该厚度所对应的最佳频率为321.7 kHz。

上述分析表明,对于厚度为9.17 mm的钢质套管,超声波的最佳激发频率为321.7 kHz。然而,在工程应用中,很难找到中心频率与之完全一致的超声波换能器。基于此,不得不选择另一种容易获得且中心频率为其他值的超声波换能器。

在常见的超声波换能器中,中心频率为40 kHz和80 kHz的超声波换能器常用于超声波清洗设备中,具有较大的发射功率;250 kHz的超声波换能器常用于超声波成像测井中,其特点是声斑较为集中,纵向分辨率较高[12]。图2给出了3种不同激发频率下钢板厚度与能量透射率对应关系。曲线表明:①3种频率在式(2)的条件下都能满足声压透射率的最大化,这与式(2)的结论一致;②当钢板的厚度为9.17 mm时,3种频率所对应的透射率依次为-17.6、-23.7、-22.8 dB。这表明,尽管在该厚度条件下,3种频率所对应的透射率都不能接近100%,但是40 kHz对应的透射率最高。综合考虑发射功率和透射率因素,选择40 kHz的传感器。

图2 不同频率时钢板厚度与能量透射率对应关系

3 系统方案设计

基于超声波的井下过套管无线能量传输系统的理论研究,提出了在实验室环境下可实现无线能量传输的方案(见图3),该方案可作为实现井下过套管无线能量传输系统的基础研究,系统主要由分布在钢板两侧的能量发射模块和能量接收模块组成。

图3 系统整体方案图

3.1 能量发射模块

能量发射模块由FPGA主控电路、驱动电路、阻抗匹配电路、电源辅助电路和发射换能器组成。FPGA主控电路控制D/A转换器产生40 kHz的超声波信号,并监测能量发射模块中的电流,防止发射电路板电流过大,烧毁整个电路板。驱动电路是将D/A转换器输出的模拟信号进行功率放大,使功率放大的信号足以驱动发射换能器稳定工作,因此,系统选择OPA564-Q1作为超声波信号的功率放大器。阻抗匹配电路是使发射端电路呈纯阻性,减少无功损耗。电源辅助电路为FPGA主控电路和驱动电路提供稳定电压确保这两个模块正常工作。发射换能器正常工作时,将电信号转化为声信号用于在金属介质中传输能量。通过各模块相互协作,保证将电信号转化为声信号时能量转换效率最高。

3.2 能量接收模块

能量接收模块由接收换能器、整流滤波电阻、阻抗匹配电路、测试电路和充电电路组成。接收换能器利用压电效应将声信号转化为电信号,但接收到的电信号为交流信号,需要做进一步处理,才能为后续电路所应用。整流滤波电路将交流电信号整流为直流信号,再通过电容将高次谐波去除。阻抗匹配电路使接收端电路呈纯阻性,减少接收端电路的无功损耗。测试电路是为了测试能量传输系统的能量大小,方便对整体系统性能进行分析。充电电路起到稳压、限流的作用,并对接收端能量进行储存。通过上述模块相互配合,可使能量在接收端储存和利用。

4 实验结果与讨论

根据以上理论分析与系统方案,设计如图4所示实验装置,包括显示控制板、驱动发射板、整流电路板、负载和6芯航空插头。其中,6芯航空插头分别与220 V电源、发射端、接收端相连。在室温(25 ℃)条件下,使用环氧树脂将超声波发射和接收换能器分别粘贴在钢板两侧。

图4 电路实际连接图

为更好地验证能量传递效率与钢板厚度之间的关系,设计了厚度分别为1、3、9 mm和10 mm的4组钢板。在实验时将发射换能器和接收换能器分别置于钢板的左右两侧。实验过程中,通过调整发射端的功率因子来获得由小到大的激励功率,记录下接收端的电压、电流和1 W大功率LED灯的工作状态。

图5给出了接收端的电压曲线,曲线表明:①发射端功率因子由小到大发生改变时,接收端的电压呈现先增加,后趋于平稳的趋势;②对于1、3、9 mm和10 mm这4种不同厚度钢板,接收端电压的极大值分别为9.18、8.55、8.14 V和7.89 V,这表明,接收端的电压随钢板厚度增加而减小;③4种不同厚度钢板条件下,通过对能量收集,5个1 W大功率LED灯均能被点亮,当钢板厚度为1 mm时,负载端获得的最大瞬时功率为0.984 W。

图5 发射端功率因子与接收端电压的关系

5 结 论

(1)超声波传播理论表明,当钢板的厚度是超声波半波长的整数倍时,声压透射率接近100%。对于特定厚度的钢板,若无法找到频率与之匹配的超声波换能器,则可以通过选用大功率超声振子,采用提高激发能量的方法来弥补因频率不匹配引起的能量损失。

(2)4组不同厚度钢板的能量传输实验表明,在激发频率为40 kHz的条件下,超声波能量传输系统的接收端所获得的能量随钢板厚度增加而减小,为研究不同钢板厚度的能量传递提供了参考。

(3)在不同厚度钢板条件下,能量传输系统的接收端均可点亮5个1 W大功率LED灯,且获得的最大瞬时功率为0.984 W,为将本系统应用于井下无线能量传输打下了基础。

(4)本文作为井下过套管无线能量传输系统的基础研究,仅研究了能量最大化传输时声波信号垂直入射钢板的理论,且能量传输实验均在实验室常温下完成。若后续要将此研究应用于井下,还需考虑声波在套管中传输时,声波入射角对声压透射率的影响和井下温度对声速的影响。