油气井中电磁波无线传输技术研究及应用

邓 虎

中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

0 引言

钻井作业中井下随钻工程参数的实时测量、传输技术取得了较快发展，尤其是测量功能、精度、适应性等方面已基本满足钻井作业对工程参数的需求，但在油气井中，获取井下动态数据的技术手段还处于落后状态，多数井仍然采用传统技术，通过监测井口生产动态人工判断井下生产动态、分析产出水的类型判断地层出水状况等，缺乏直观性和时效性，即使在一些高产井或者重点井中，也是采用有线监测技术来监测井下生产动态，存在生产成本高、分析工作量大、风险高、监测工具不易维护等[1- 5]，不适合大范围推广应用。

随着油气行业自动化、智能化发展的进程，传统的油气井井下生产动态监测方式势必被科学的、直观的、实时的动态数据监测方式所取代。胥洪俊等[5]引进永置式光学压力温度监测系统在DB20X井现场试验中获得成功，录取到了连续的井下压力资料，为高压气井全程压力监测及分析奠定了基础；江同文等[6]利用分布式光纤声波传感系统分析气田断层的活动性与水侵的关系，查明了气田水侵运移通道；法国地质服务公司(Geoservices)[7]研制的低频电磁波远程无线传输Demeter系统采用电耦极子发射模式，在套管外壁和地层之间组成泄漏电流回路，可以在浅井测试中应用；韩雄等[8- 12]，初步建立了一套试油测试井下数据无线传输的技术架构，实现在试油测试期间把井下数据(温度、压力等)无线实时上传到地面；李枝林等[13]利用电磁波传输方式研制了页岩气井生产动态井下无线监测系统，将井下数据无线采集工具随油管一起送到储层中，采集并无线传输井筒中流体温度、压力、流量及含水率等生产动态数据。

脉冲、声波、电磁波等信号传输方式是建立井下—地面信息通道的常用方式，但在油气测试或生产井中由于缺乏钻井液循环介质，脉冲信息通道难以建立；相比声波，电磁波信号具有适应性强、实现便捷、可靠性高等优点，却又受金属套管的屏蔽影响，无线传输距离短，衰减严重，影响了电磁波无线传输技术在测试生产井中的推广应用[14]。针对金属套管对电磁波无线传输技术的影响，本文在探讨油气井环境下的电磁波传输机理的基础上，探索利用磁流环在油套管之间形成电磁能流回路，以解决套管对电磁波的屏蔽作用，为电磁波无线传输技术在油气井中推广应用奠定基础。

1 油气井中电磁波传输机理

在有油管和生产套管的油气井中，考虑载波频率、井筒—大地介质对传输的影响，提出一种基于似稳恒电磁场的方法进行分析。

1.1 油气井中电磁波传输原理

从静态角度，似稳恒电磁波传输基于电位差的通信原理，如图1所示。井下发射系统经过驱动模块将恒定的电压施加在绝缘外套所处的油管上，使油管、套管、环空介质(水、油气等)、地层等广域范围内存在着电流流动。若将无穷远点视为零电位点，使油管、套管、环空介质、地层中的任意一个点均存在一定大小的电位，选取其中两个点，检测其电位差，该电位差与井下发射系统发射的信号在频率上是几乎相同的，但在幅值上有一定衰减，采用数值算法对此电位差信号进行处理，即可获得井下系统传输信息。

图1 油气井筒信号传输架构原理示意图

1.2 模型仿真计算

采用节点运算法定量计算油气井模型信号衰落的基本规律，其思路如图1中的红色虚线所示，在纵向上分为三部分：上部油管、下部油管、金属套管，每部份被分成若干等份，每一等份上的金属被视为等势体，每个等势体由一个节点表示。节点与节点之间的电流回路由相应的阻抗和电感值表示。假设油气井模型中的三部分被分别分割成了N等份，加上功放驱动天线的两个节点，一共是N+2个节点，如图2所示。根据基尔霍夫定律可以得到如式(1)中N+2个方程构成的非齐次方程组，解出N+2个节点的电势。

图2 节点法井下信号仿真计算模型

(1)

式中：Vai—电势，V；Rai—油管分段节点电阻，Ω；Lbi—油套分段电感，H；Rci—套管分段节点电阻，Ω；Ldi—套管与地层间的分段电感，H；j—虚数单位量，无量纲；k—虚数单位量，无量纲,f—信号频率，Hz。

同时，利用有限元方法通过建立大纵横比井筒—大地模型，研究动态传输过程中电磁波的能量分布[13]，其基本参数和边界条件如表1所示，模型中油、套管壁厚、钻杆内径与油、套管长度相差多个数量级，用以模井筒的大纵横比特征。

表1 油气井传输模型主要参数设定

模型采用映射网格划分和自由网格划分相结合逐级划分的方式对油、套管柱按长度进行分段，然后进行映射网格，所划分四边形长宽比为1∶10。将地层分为两个部分进行自由网格划分，单元为三角形，第一部分为距离套管50 m以内的地层，此部分为网格由密到疏过渡部分；第二部分为距离套管50 m到模型边界之间的地层，此部分地层网格因远离套管故较稀。同时考虑电磁波二次畸变对电磁波能量分布的影响，对模型进行仿真计算[6]。

仿真计算过程中,地层电阻率、相对磁导率、地层电阻率均取假设值，初始计算结果与实际有一定差异。为了消除这些差异，通过实测数据对参数进行迭代修正，最终得到接近真实的电磁波能量分布，如图3所示。

图3 油气井电磁波能量分布

将静态电压计算和动态电磁波能量分布进行加权平均，得到如图4所示的“信号频率—传输距离—信号强度”传输规律模板，为系统的研制奠定技术基础。

图4 传输频率—传输距离—信号强度技术模板

2 油气井电磁波无线传输关键技术

油气井电磁波无线传输的技术关键是信号“发得出、传输远、收得到”，其信号传输通道涉及天线、导通绝缘辅助工具和地面信号采集系统，构建“井下—地面”高效、稳定的传输通道，为油气井井下数据无线传输奠定硬件基础。

2.1 井下发射天线参数设计

2.1.1 激励方式

井下发射天线在各个方向上辐射,当辐射的最大方向与地面的方向相互垂直时，垂直电激励的效率比垂直磁激励的效率高出很多，使井下发射天线在地面的方向上辐射最强，也是目前应用最为广泛的方式。

三种主要垂直电激励方式：绝缘短接式、磁流环方式和直接驱动式。通过分析电磁波在地层中的传输效率，直接驱动式是最为有效的，但受工艺限制，直接驱动式的激励源只能安装在油管上，电磁波在穿越套管时产生极化现象，大部分能量损耗在套管上，传输距离短，地面无法接收到信号或信号不完整，不适合于套管内的电磁波发射。

本文采用磁流环方式激励技术，通过油、套管接触控制在油、套管之间形成电磁能流回路，等于在套管上实现直接驱动，避免电磁波穿越套管产生极化现象，有效解决套管对电磁波的屏蔽问题。其基本物理模型如图5所示。

图5 井下天线设置示意图

2.1.2 发射天线参数

分析套管与油管厚度、电阻率以及发射天线长度等发射天线参数对不同频率信号发射强度的影响规律，形成阻抗匹配的计算经验公式[14]，如式(2)。

(2)

基于阻抗匹配公式，建立井筒偶极子天线设计方法，设计发射天线的结构尺寸等参数，并动态变化驱动功率。发射天线单级有效传输距离超过4 000 m，如图6为设计发射天线在MX- 23井的现场使用效果图。

图6 MX- 23井发射器入井深度与地面信号强度变化试验

2.2 油套绝缘导通工具

构建井下天线的关键在通过油管和套管的接触形成电磁能流回路，从而把信号发射出去，因此,接触电阻就会间接影响井下精细电磁场的分布。当套管和油管的接触点有电流流过时，由收缩效应产生收缩电阻，与表面膜电阻一起组成接触电阻[15]。根据赫兹弹性接触理论，接触电阻大小主要由接触应力决定。在实际工况中，油、套管均属于细长结构，接触应力与接触电阻之间可用以下模型表示：

假设有n个接触点，且接触点半径都相同，可以得到n个接触点的接触电阻

(3)

式中：Rc—接触电阻，Ω；ρ1、ρ2—分别为两个接触面材料电阻率，Ω·m；α—接触点半径，m。

接触面半径α与接触压力F之间的关系一般情况下可采用赫兹公式计算[15]，但赫兹公式仅考虑了泊松比、弹性模量等参数，当井下油管与套管接触压力非常大时，将赫兹公式计算出的接触面半径α代入式(3)中所获得的接触电阻收缩为0，与实际情况不符。因此，需要在赫兹公式的基础上添加一个修正系数C，式(4)为改进后的赫兹公式，其中修正系数C可通过室内标定获得。

(4)

式中:ξ—赫兹修正系数，无量纲;F—接触压力,N；γ1和γ—接触斑点泊松比，无量纲；E—接触斑点弹性模量，N/m2；r—接触点半径,m；C—非零点修正系数，无量纲，通过室内模拟标定获得。

基于以上接触应力电阻计算方法开发了井下高温橡胶封隔装置和井下动力输出工具，通过调节接触应力实现阻抗调节，精确构建井下电磁场分布，实现了信号稳定传输。

2.3 地面信号采集系统

井场背景噪声大(一般在0.01～0.1 V级)、来源成分复杂(主要能量频谱范围0.1～1 kHz)，而井下上传数据信号小(10 μV～1 mV级)，信噪比达到1∶1 000以上，电磁干扰大，准确的提取有用信号面临巨大挑战。如图7所示，采用实测和计算相结合的方式分析了井场电磁特性，建立了基于井场电磁特性的参数估计干扰过滤方法，对干扰源进行了分级滤波，滤波后信噪比1∶1 000提高到3∶1，井下信号识别能力达到μV级。

图7 高电磁背景噪声下滤波效果图

3 油气井电磁波无线传输技术现场应用

油气井电磁波无线传输技术已应用于油气井井下数据的获取及实时传输，原理框图如图8所示。井下传感器采集到井筒中的动态数据后，通过电磁波发射器发射信号并上传到地面，地面天线接收后解析还原，支撑工程师进行油气开发方案和井筒工程作业决策。传输系统技术参数如表2所示。

表2 系统技术参数表

图8 油气井中电磁波无线传输技术原理框图

3.1 页岩气井井下生产动态的实时无线传输

四川威远地区W-X井是一口以龙马溪为储层的页岩气井，井深4 343 m，垂深2 603 m，水平段长1 910 m，生产套管外径139.7 mm，内径114 mm，油管外径60.32 mm，油管管柱组合为：油管+1号油套绝缘导通工具+井下传感器+井下无线传输信号发射器(2 250 m)+2号油套绝缘导通工具+油管柱。本井在通过电磁波无线传输系统成功建立了井下与地面的信息通道后，实现了井下温度、压力、含水率等数据实时获取与传输，传输频率设置为4组/d，地面接受到的信号稳定、清晰、可靠，如图9所示。

图9 W-X井井下生产动态数据无线传输

截至2022年5月，该系统除2021年8月和10月因维修场地暂停工作外，已持续传输井下生产动态数据一年零一个月，数据传输误码率仅0.82%，支撑本井3次生产制度的调整，降低了井下地层能量的递减速度；实现现场压窜和井底积液预警分别17次和32次，为提高气田采收率及井筒安全生产提供技术支撑。

3.2 深层天然气井试采动态井下实时无线传输

MG- 1井是四川地区一口深层天然气井，该井完钻层位栖霞组，完钻井深5 639 m，垂深5 025 m，生产套管外径177.8 mm，内径152 mm，油管外径88.9 mm。油管管柱组合为：试采工具+油管+1号油套绝缘导通工具+井下传感器+井下无线传输信号发射器(5 210 m)+2号油套绝缘导通工具+油管+3号油套管绝缘导通工具+中继器(2 920 m)+4油套管绝缘导通工具+油管。本井井眼较深，为保障信号传输效果，在中部井段增加一套中继器，中继器传输距离控制在3 000 m左右，中继器与发射器间距控制在2 500 m以内。

电磁波无线传输工具随管柱入井后，快速建立井下与地面的信息通道，及时将井下温度、压力等参数实时传输至地面，在连续工作的20.5d里协助作业单位进行动态预警井下管柱受力风险、酸化期间地层是否压开的判断、试气期间的储层产能评估及井筒残余液量的计算等，支撑了试采作业全过程的井下安全，同时提升了储层产能评估效率。传输效果如图10所示。

图10 MG- 1井试采井下动态无线传输

4 结论

(1)在油气井中利用磁流环激励技术在油、套管之间形成的电流回路，可有效规避电磁波在穿越套管时产生的极化现象，有效解决井下套管对电磁波的屏蔽问题，延长电磁波在油气井中的传输距离。

(2)建立了适合川渝地区电磁波无线传输技术的模板，在此基础上基于阻抗匹配，建立井筒偶极子天线设计方法，确定发射天线的结构尺寸等参数，并可动态变化驱动功率，现场发射天线单级有效传输距离超过4 000 m。

(3)形成的井筒电磁波无线传输技术在页岩气和深层天然气的井下数据监测作业中进行了成功应用，误码率小于1%，表明该技术在套管井筒环境下具有良好的传输性能，支撑了现场作业对井下数据的监测需求。

(4)该技术提供了一个地面和井下信息有效沟通的平台，未来还可广泛应用到钻井、完井、井下作业等多个存在金属套管屏蔽信号传输困难的场所，为这些领域的井下智能工具的研制奠定坚实的基础。