分层压裂中短距离低频通信装置的研究

2012-11-09吴凌云肖红翼长江大学电子信息学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2012年7期

方辉，吴凌云，肖红翼 (长江大学电子信息学院，湖北荆州 434023)

分层压裂中短距离低频通信装置的研究

方辉，吴凌云，肖红翼 (长江大学电子信息学院，湖北荆州 434023)

压裂是提高低渗透油气田产能的一项重要的增产技术，对多层系开发的低渗透油(井)田，多采用分层压裂。近年来，分层压裂技术越来越多地应用在水平井油藏开发中。针对不动管柱分层压裂时，投不同直径的钢球进行分层，设计一种内置电子发射装置的投球，通过发射ID编码信号，对安装在不同压裂层段的电磁阀进行识别。现场作业表明，使用该装置可以达到简化压裂管柱、降低施工难度的目的。

短距离低频通信；模拟前端器件；分层压裂；投球

在以往的不动管柱分层压裂工艺中，通过投不同直径的钢球进行封堵分层，其缺点是压裂管柱机构复杂，对管柱及部件加工精度要求高，加工工序复杂[1]。针对上述情况，设计一种在压裂液中通过发射无线信号打开电磁阀的投球，要求发射装置内置于∅外MAX85mm投球中，传播介质为压裂液，管道内的压力70MPa,投球速度8～10m/s；接收板内置在管道中(管径∅90mm～∅100mm)，高度lt;10mm,接收距离≥1m。由于压裂液及管道中其他介质对信号有衰减作用，因而采用短距离低频通信方式来实现信号传递。为此，笔者对短距离低频通信装置在分层压裂中的应用进行了研究。

1 设计原理

根据电磁场和电磁波理论，电磁波的衰减常数会随频率、传导媒质的磁导率和电导率的增加而增大[2]。由于压裂液是聚合物组成，会使信号幅值出现较大的衰减。假定是导电介质，由磁基本振子的辐射场公式得到圆形发射线圈在空间任一点产生的感应电场强度为[3]：

(1)

图1 发射、接收线圈示意图

式中，ST、NT分别是发射线圈的面积和匝数；α是衰减常数；β是相位常数；R1是发射线圈中心到空间任一点的距离；θ是在球坐标系中空间任一点与Z轴的夹角；IT是流过发射线圈的电流。

接收线圈与发射线圈的位置如图1所示，则接收线圈的感应电动势为[3]：

(2)

式中，SR、NR分别是接收线圈的面积和匝数。

在导电介质中，由于传导电流的存在，电磁波能量会随距离增加而衰减。考虑到压裂液及管道中其他介质对信号有衰减作用，取电导率σ=60S/m(高于压裂液的电导率),磁导率μ=4π×10-7H/m作为压裂液的参数模型，计算衰减常数α(假设以平面波传播，发射频率f=125kHz)：

(3)

传播距离公式如下[3]：

(4)

式中，AM是发射信号的幅值；A是传播一定距离时发射信号的幅值。

由以上分析可知，要在较高电导率介质中传播较远的距离，可以采取提高AM、减小A(即提高接收的灵敏度)的措施。

2 系统设计与实现

2.1硬件设计

该装置的硬件结构主要包括发射机和接收机，其系统结构如图2所示。

图2 硬件系统结构

发射机主要由电源、微控制器MCU、功率放大电路和串联谐振天线组成。由于发射机内置在能耐压70MPa、最大外径∅85mm的投球中，安装空间较小且工作在井下，因此要求电源体积小、器件功耗低。采用能量密度比较高的电池供电。微控制器MCU采用Microchip公司的高性能数字信号控制器dsPIC30F4013，该器件功耗低、电压范围宽、运行速度快。通过微控制器MCU产生基带信号并传送到ASK调制电路进行载波调制，再将已调信号送到功率放大，最后通过串联谐振天线谐振形成幅值为80V的发射信号。其码元格式为PWM编码(见图3)。