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(yè)中井下隨鉆工程參數(shù)的實時測量、傳輸技術取得了較快發(fā)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(yè)對工程參數(shù)的需求，但在油氣井中，獲取井下動態(tài)數(shù)據(jù)的技術手段還處于落后狀態(tài)，多數(shù)井仍然采用傳統(tǒng)技術，通過監(jiān)測井口生產(chǎn)動態(tài)人工判斷井下生產(chǎn)動態(tài)、分析產(chǎn)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(chǎn)井或者重點井中，也是采用有線監(jiān)測技術來監(jiān)測井下生產(chǎn)動態(tài)，存在生產(chǎn)成本高、分析工作量大、風險高、監(jiān)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(yè)自動化、智能化發(fā)展的進程，傳統(tǒng)的油氣井井下生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測方式勢必被科學的、直觀的、實時的動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測方式所取代。胥洪俊等[5]引進永置式光學壓力溫度監(jiān)測系統(tǒng)在DB20X井現(xiàn)場試驗中獲得成功，錄取到了連續(xù)的井下壓力資料，為高壓氣井全程壓力監(jiān)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(tǒng)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(zhì)服務公司(Geoservices)[7]研制的低頻電磁波遠程無線傳輸Demeter系統(tǒng)采用電耦極子發(fā)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(shù)據(jù)無線傳輸?shù)募夹g架構，實現(xiàn)在試油測試期間把井下數(shù)據(jù)(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(chǎn)動態(tài)井下無線監(jiān)測系統(tǒng)，將井下數(shù)據(jù)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(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)。

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(chǎn)井中由于缺乏鉆井液循環(huán)介質(zhì)，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(xiàn)便捷、可靠性高等優(yōu)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(chǎn)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(huán)境下的電磁波傳輸機理的基礎上，探索利用磁流環(huán)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(chǎn)套管的油氣井中，考慮載波頻率、井筒—大地介質(zhì)對傳輸?shù)挠绊?，提出一種基于似穩(wěn)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(tài)角度，似穩(wěn)恒電磁波傳輸基于電位差的通信原理，如圖1所示。井下發(fā)射系統(tǒng)經(jīng)過驅(qū)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(huán)空介質(zhì)(水、油氣等)、地層等廣域范圍內(nèi)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(huán)空介質(zhì)、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(fā)射系統(tǒng)發(fā)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(shù)值算法對此電位差信號進行處理，即可獲得井下系統(tǒng)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(jié)點運算法定量計算油氣井模型信號衰落的基本規(guī)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(jié)點表示。節(jié)點與節(jié)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(qū)動天線的兩個節(jié)點，一共是N+2個節(jié)點，如圖2所示。根據(jù)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(jié)點的電勢。

圖2 節(jié)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(jié)點電阻，Ω；Lbi—油套分段電感，H；Rci—套管分段節(jié)點電阻，Ω；Ldi—套管與地層間的分段電感，H；j—虛數(shù)單位量，無量綱；k—虛數(shù)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(tài)傳輸過程中電磁波的能量分布[13]，其基本參數(shù)和邊界條件如表1所示，模型中油、套管壁厚、鉆桿內(nèi)徑與油、套管長度相差多個數(shù)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(shù)設定

模型采用映射網(wǎng)格劃分和自由網(wǎng)格劃分相結(jié)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(wǎng)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(wǎng)格劃分，單元為三角形，第一部分為距離套管50 m以內(nèi)的地層，此部分為網(wǎng)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(wǎng)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(jié)果與實際有一定差異。為了消除這些差異，通過實測數(shù)據(jù)對參數(shù)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(tài)電壓計算和動態(tài)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(guī)律模板，為系統(tǒng)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?shù)募夹g關鍵是信號“發(fā)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(tǒng)，構建“井下—地面”高效、穩(wěn)定的傳輸通道，為油氣井井下數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)於ㄓ布A。

2.1 井下發(fā)射天線參數(shù)設計

2.1.1 激勵方式

井下發(fā)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(fā)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(huán)方式和直接驅(qū)動式。通過分析電磁波在地層中的傳輸效率，直接驅(qū)動式是最為有效的，但受工藝限制，直接驅(qū)動式的激勵源只能安裝在油管上，電磁波在穿越套管時產(chǎn)生極化現(xiàn)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(nèi)的電磁波發(fā)射。

本文采用磁流環(huán)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(xiàn)直接驅(qū)動，避免電磁波穿越套管產(chǎn)生極化現(xiàn)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(fā)射天線參數(shù)

分析套管與油管厚度、電阻率以及發(fā)射天線長度等發(fā)射天線參數(shù)對不同頻率信號發(fā)射強度的影響規(guī)律，形成阻抗匹配的計算經(jīng)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(fā)射天線的結(jié)構尺寸等參數(shù)，并動態(tài)變化驅(qū)動功率。發(fā)射天線單級有效傳輸距離超過4 000 m，如圖6為設計發(fā)射天線在MX- 23井的現(xiàn)場使用效果圖。

圖6 MX- 23井發(fā)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(fā)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(chǎn)生收縮電阻，與表面膜電阻一起組成接觸電阻[15]。根據(jù)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(jié)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(shù)，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(shù)C，式(4)為改進后的赫茲公式，其中修正系數(shù)C可通過室內(nèi)標定獲得。

(4)

式中:ξ—赫茲修正系數(shù)，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(shù)，無量綱，通過室內(nèi)模擬標定獲得。

基于以上接觸應力電阻計算方法開發(fā)了井下高溫橡膠封隔裝置和井下動力輸出工具，通過調(diào)節(jié)接觸應力實現(xiàn)阻抗調(diào)節(jié)，精確構建井下電磁場分布，實現(xiàn)了信號穩(wěn)定傳輸。

2.3 地面信號采集系統(tǒng)

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(shù)據(jù)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(zhàn)。如圖7所示，采用實測和計算相結(jié)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(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(tài)數(shù)據(jù)后，通過電磁波發(fā)射器發(fā)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(fā)方案和井筒工程作業(yè)決策。傳輸系統(tǒng)技術參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)技術參數(shù)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(chǎn)動態(tài)的實時無線傳輸

四川威遠地區(qū)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(chǎn)套管外徑139.7 mm，內(nèi)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(fā)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(tǒng)成功建立了井下與地面的信息通道后，實現(xiàn)了井下溫度、壓力、含水率等數(shù)據(jù)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(wěn)定、清晰、可靠，如圖9所示。

圖9 W-X井井下生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)無線傳輸

截至2022年5月，該系統(tǒng)除2021年8月和10月因維修場地暫停工作外，已持續(xù)傳輸井下生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)一年零一個月，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率僅0.82%，支撐本井3次生產(chǎn)制度的調(diào)整，降低了井下地層能量的遞減速度；實現(xiàn)現(xiàn)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(chǎn)提供技術支撐。

3.2 深層天然氣井試采動態(tài)井下實時無線傳輸

MG- 1井是四川地區(qū)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(chǎn)套管外徑177.8 mm，內(nèi)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(fā)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(fā)射器間距控制在2 500 m以內(nèi)。

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(shù)實時傳輸至地面，在連續(xù)工作的20.5d里協(xié)助作業(yè)單位進行動態(tài)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(chǎn)能評估及井筒殘余液量的計算等，支撐了試采作業(yè)全過程的井下安全，同時提升了儲層產(chǎn)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(tài)無線傳輸

4 結(jié)論

(1)在油氣井中利用磁流環(huán)激勵技術在油、套管之間形成的電流回路，可有效規(guī)避電磁波在穿越套管時產(chǎn)生的極化現(xiàn)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(qū)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(fā)射天線的結(jié)構尺寸等參數(shù)，并可動態(tài)變化驅(qū)動功率，現(xiàn)場發(fā)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(shù)據(jù)監(jiān)測作業(yè)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(huán)境下具有良好的傳輸性能，支撐了現(xiàn)場作業(yè)對井下數(shù)據(jù)的監(jiān)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(yè)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。