三角形单极子天线注水管内数据传输机理研究*

姜 浩 李大伟 王 斌 孟令志 张立军

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院 2.中国石油大学(华东)控制科学与工程学院)

0 引 言

我国大多数油田已经进入开发中后期，油气开采难度增加，对开采开发技术的要求也越来越高[1-3]。其中，分层注水技术对保持油层压力、提高油田采收率、实现油田增产稳产和改善油田开发效果具有重要意义[4-6]。分层注水管柱在井下工作过程中受活塞效应、膨胀效应、弯曲效应和温度效应的综合影响，受力状况十分复杂，同时井下压力和温度的变化，也会引起注水管柱的应力变化与轴向变形，造成封隔器蠕动失效[7-10]。针对现阶段油藏细分需求及提高油田作业安全可靠性的要求，需要准确掌握井下管柱的受力及蠕动情况，以减少管柱设计的盲目性，提高管柱的使用效果，延长管柱的使用寿命。

目前，国内外油田普遍采用井下数据监测系统来实现温度和压力等参数的实时测量。通过井下电缆将井下温度和压力等信号传送至地面，经由地面数字采集仪器对信号进行处理、显示和存储，实现井下数据的直读，但由于电缆有线传输的局限，使得该系统在井下关井条件下无法使用，不满足油田试油作业的需求。针对井下数据传输的相关问题，国内外学者进行了一系列研究。Halliburton 公司研制出一种通过声波遥测方式进行数据采集的系统(Ats)，该系统在关井和生产两种条件下均可进行声波信号的传输[11]。Expro公司研制出以超低频率电磁信号进行数据传输的监测系统(Ca TSTM)，该系统可对产油层参数进行连续或间断测量，传输距离达3 000 m以上，但传输速率较低[12-13]。国内华北测试公司和清华大学合作，开发了适用于ø127 mm LPR-N测试阀的JJ-1非接触式无线直读系统，该系统的实际传输距离有限，接收设备须处于发射线圈内才能检测到信号[14]。华中理工大学研发了SYW1系统，通过采用脉冲信号的传输方式实现对井下参数的检测，该系统克服了长距离遥测传输中的信号衰减和易受干扰等困难，信号传输的精度高，系统的传输稳定性好[15]。上述国内外企业或高校主要针对井下数据传输方式进行了相关研究，给出了相应的研究方案，基本能够实现2 000 m以内的长距离数据无线传输，可靠性较高，但是给出的无线传输方案基本都采用声波、脉冲信号和低频电磁波作为数据传输信道，数据传输速率较低，最高只能达到20 b/s，不利于实现井下管道大量数据的传输。

针对井下数据传输效率低，难以传输大量数据以及关井状态下无法进行数据上传等问题，本文设计了一种利用提取天线进行大量数据传输的井下无线短传装置。该装置通过433 MHz的电磁信道在井下实现数据的无线短传，传输效率可观，并基于波导理论和单极子天线理论研制了三角形单极子天线，利用CST软件对三角形单极子天线无线传输模型进行电磁学仿真，研究不同因素对天线信号传输性能的影响，并结合仿真结果搭建试验台，以验证方案的可行性。

1 技术分析

在注水井下无线短传装置中，数据无线发射模块将井下数据转化为射频信号，通过馈线输送到天线，并以电磁波的形式辐射出去，电磁波由接收天线接收，并通过馈线发送到数据无线接收模块，然后上传至地面。由于天线是实现信号无线收发及提高信号收发能力的必要组成部分，且其设计也是无线传输装置设计的重点和难点，所以本文重点对井下数据无线短传装置天线的设计和传输机理进行研究。

1.1 井下数据无线短传装置

1.1.1 结构

注水管道内数据无线短传装置结构如图1所示。该装置主要由控制装置、数据提取短节及井下检测短节等3部分组成。

图1 井下数据无线短传装置结构图

1.1.2 工作原理

管道天线及检测装置安装在井下检测短节中，提取天线安装在数据提取短节中，井下检测短节随注水管道下入井下，主要用于在注水井内进行数据的采集和发射处理，数据提取短节通过电缆下放到注水管道中，接收井下检测短节采集存储的数据，最终上传至地面，由地面控制装置对数据信号进行读取、处理及显示。

1.1.3 试验条件

井下检测短节一般安装在井下3 000 m左右的位置，最高温度为80 ℃，最高压力为30 MPa。测试短节与注水管的内外径一致，分别为62和110 mm。数据提取短节的外径为46 mm，井内注水液的电导率约为89 mS/cm。根据上述现场注水管道工作环境搭建试验台，以研究天线在井下的信号传输特性。

1.2 天线的选择

作为信号收发的重要无线设备，天线是无线短传装置设计的重要部分。天线的种类、形状很多，目前应用最多的种类是单极子天线、偶极子天线和微带天线，形状多为环形、缠绕型天线。其中偶极子天线受金属的影响较大，在金属管道环境中其信号传输性能受到极大限制，不予考虑。单极子天线和微带天线都具有体积小、质量轻、易于加工、易于集成化以及制作成本低等优点，但是单极子天线能够更为灵敏地感应介质层介电常数的变化，并且可以获得比微带天线更宽的频带[16-18]。天线安装于注水管道内侧凹槽内，故重点考虑天线的共型性，可以更好地安装以及避免妨碍其他井下设备的下放。另外，采用对数周期天线可以获取更宽的频带，以增加天线的可扩展性。三角形天线可满足所述要求，即具有很好的共型性及宽频带特点。因此，选用单极子天线作为井下信号传输天线，形状拟定为三角形。三角形单极子天线模型的三视图如图2所示，其中天线设计参数为厚度t、内径r、宽度w、顶角θ以及圆心角Φ。

图2 三角形单极子天线结构示意图

2 天线参数化模型建立及分析

2.1 天线尺寸初步确定

L=c/(4f)

(1)

式中：L为天线长度，m；c为光速，m/s，常数；f为频率，Hz，取值在0.2～1.0 GHz之间。

本文在0.2～1.0 GHz频率范围内对天线进行研究，取最大频率1.0 GHz计算天线长度。根据式(1)，天线长度和圆心角初值分别取为75 mm和140°，初步确定天线的宽度w、厚度t、顶角θ以及安装深度s等基本参数，如表1所示。

表1 提取天线与管道天线初始尺寸

2.2 参数化模型建立

采用基于时域有限积分法的电磁场数值分析软件(CST)进行仿真分析，结合实际工况下天线和管道的尺寸及注水矿化度等参数，在CST中建立如图3所示的天线在井下进行数据短传的参数化模型，并对0.2～1.0 GHz频率范围内的天线数据传输性能进行仿真。参数化的天线指标包括提取天线角度与管道天线的宽度、厚度、安装深度。

图3 参数化模型

2.3 天线尺寸参数的仿真分析

将管道天线和提取天线的角度、宽度、厚度和深度四个尺寸参数分别作为单一变量，控制其他参数不变，对天线的尺寸参数进行仿真分析，结合天线S21参数曲线，选出天线尺寸参数最优方案，使天线具有良好的数据传输特性。其中：S21参数表示增益，定义为接收端信号与发射端信号强度之比，增益越大越好，其理想值为1，S21越大，表示信号接收端信号越强。

选取管道天线厚度为0.3～1.2 mm、顶角为6°～15°、宽度为5～8 mm、深度为0.2～0.8 mm进行电磁仿真，图4～图7为管道天线尺寸参数的仿真结果。

图4 管道天线厚度仿真结果

图5 管道天线顶角仿真结果

图6 管道天线宽度仿真结果

图7 管道天线深度仿真结果

由图4～图7对比发现：管道天线的厚度对天线信号传输性能影响很小；当管道天线角度为15°、宽度为8 mm、深度为0.8 mm时，S21曲线在各频段上的幅值接近0，天线性能更好。因此，管道天线厚度维持0.6 mm不变，宽度取8 mm，角度取15°，深度取0.8 mm。

选取提取天线厚度为0.3～0.6 mm、顶角为3°～6°、宽度为12～15 mm、深度为0.1～0.4 mm进行电磁仿真，图8～图11为提取天线尺寸参数的仿真结果。

图8 提取天线厚度仿真结果

图9 提取天线顶角仿真结果

图10 提取天线宽度仿真结果

图11 提取天线深度仿真结果

对比图8～图11发现，提取天线的厚度对天线性能影响可以忽略，当提取天线角度为6°、宽度为14 mm、深度为0.3 mm时，天线在各频段上的增益接近0。因此，提取天线的厚度维持0.4 mm不变，宽度取14 mm，角度取6°，深度取0.3 mm。表2为天线的最佳尺寸参数。

表2 提取天线与管道天线尺寸

2.4 结果对比分析

图12为最优参数天线与原型天线在各个频段上的增益曲线。从图12可见：原型天线增益的谐振点在450 MHz左右，且在该频段上的增益低于-15 dB；最优参数天线增益的谐振点在433 MHz上，天线在该频段的增益大于-5 dB。结合最优参数天线在0.2～1.0 GHz的增益曲线，选取天线增益最高频率433 MHz作为工作频率。

图12 最优参数天线与原型天线的增益对比

3 不同因素对天线信号传输性能的影响分析

3.1 注水矿化度的影响

3.1.1 影响理论

电磁波在有耗介质中传播时，其振幅随着穿透深度的增加而不断衰减，根据电磁场理论[19]，电磁波的穿透深度是指在振幅衰减为1/e(e为自然常数，e=2.718 28)时电磁波的穿透距离。如果电磁波在各向同性且均质的介质中传播，则满足齐次亥姆霍兹方程[20]：

(2)

式中：Es为复电场强度，k为波数。

传输介质对电磁场的影响为：

ε′=ε-ε″i

(3)

复传播常数γ是电磁波在介质中传播的重要特征，其计算式为：

(4)

γ=α+βi

(5)

齐次亥姆霍兹方程的一个解为：

Ex=Exe-αzcos(ωt-βz)=0

(6)

将式(3)代入式(4)可以得到：

(7)

由此确定衰减系数α、β为：

(8)

(9)

把电磁波近似地看作只沿垂直于界面的方向传播，电磁波在介质中的穿透深度δ为：

(10)

式中：Ex为x方向电场强度，V/m；z为z方向上的距离，m；δ为穿透深度，m；σ为电导率，S/m；ω为电磁波角频率，rad/s；ε为介质的介电常数；ε′为复介电常数；ε″为复数的虚部；μ为磁导率，H/m，对于非铁磁物质的磁导率近似为真空磁导率。

根据式(10)，电磁波在介质中的穿透深度δ与介质的电磁波频率和电导率有关。工作频率为433 MHz时，穿透深度与电导率的关系图如图13所示。从图13可知，电导率越高，穿透深度越浅，通信效果越差。

图13 433 MHz时穿透深度与电导率的关系曲线

3.1.2 不同矿化度的影响

不同油田注水矿化度有所差别，为了提高本方案的适用性，使其在不同的油田同样适用，需研究不同注水矿化度对天线水下通信性能的影响。由于矿化度不方便在参数化模型中设置，故用注水电导率代替矿化度来研究。矿化度与电导率的转换关系[21]由式(11)和式(12)确定。

KT=Ks[1+A(T-25)]

(11)

Ks=0.866M-7.79

(12)

式中：KT为温度T时的电导率，μS/cm；Ks为温度25°时的电导率，μS/cm；T为测定温度，℃；A为各种离子电导率平均温度系数，取值0.022；M为矿化度，mg/L。

油田中注水矿化度一般在50～500 mg/L之间，根据矿化度与电导率的转换关系，得到对应电导率在90～1 000 mS/cm之间。

在参数化模型中，注水电导率在90～1 000 mS/cm范围内，按100 mS/cm步长进行参数扫描，得到在433 MHz频段的增益变化曲线，总结不同注水电导率对信号传输性能的影响，电导率对天线增益的影响如图14所示。

图14 433 MHz时电导率对天线增益的影响

从图14可见：井下注水的电导率越小，天线在433 MHz频段的增益越大；当电导率小于500 mS/cm时，增益大于-25 dB，此时天线的信号传输性能良好。

3.2 天线方位变化的影响

在实际工况中，提取天线与管道天线之间的位置关系不可避免地会发生变化，从而对天线的信号传输性能造成一定影响。因此，本节将提取天线的纵向位移、横向位移和旋转角度作为研究对象，在电导率为90 mS/cm的注水管道液体环境中进行电磁仿真，研究在433 MHz频段下天线方位参数变化对其信号传输性能的影响。

3.2.1 提取天线纵向位移的影响

在关井条件下，收发天线工作时必然存在纵向位移，这是影响天线正常通信的关键因素，因此，有必要研究纵向位移对天线信号传输性能的影响。图15为提取天线纵向移动示意图。在参数化模型中，提取天线纵向位移在0～100 cm时，按10 cm步长进行参数扫描，得到提取天线在不同纵向位移时S21参数幅值曲线，如图16所示。

图15 提取天线纵向移动示意图

图16 天线纵向位置对天线性能的影响

从图16可知：S21曲线在433 MHz频段的幅值随提取天线纵向位移增大而减小；当纵向位移小于60 cm时，S21的幅值波动明显，在433 MHz频段上的幅值均大于-30 dB；当纵向位移大于60 cm时，S21的幅值近似为直线，且增益远远小于0。

3.2.2 提取天线横向位移的影响

由于数据提取短节与管道内壁之间存在间隙，提取天线与管道天线在工作过程中经常会出现不重合的状况，需要进一步研究横向位移对天线在水下通信的影响。图17为提取天线横向位移示意图。在参数化模型中，对提取天线横向位移在0～0.6 cm时，按0.1 cm步长进行参数扫描，得到提取天线在不同横向位移时S21参数曲线，如图18所示。

图17 提取天线横向位移示意图

对比图11与图18的S21幅值曲线，提取天线与管道天线圆心不重合对S21的影响较大，随着平移距离的增大，S21的幅值波动明显，在433 MHz频段的幅值随着提取天线偏离中心变得越来越小，但总体来讲，天线在433 MHz频段上的增益始终大于-25 dB。

图18 天线横向位置对天线性能的影响

3.2.3 提取天线旋转角度的影响

提取天线在下放的过程中不可避免地会发生角度的旋转，且三角形单极子天线的形状也不对称，所以当旋转角度不同时，天线的信号传输性能也不同。为此，需研究提取天线旋转角度对其在水下信号传输性能的影响。图19为提取天线旋转角度示意图。在参数化模型中，对提取天线旋转角度在0°～360°时，按30°为步长进行参数扫描，得到天线在433 MHz频段的S21参数幅值曲线，如图20所示。

图19 提取天线旋转角度示意图

从图20可见：随提取天线方向的改变，天线的S21幅值都有不同程度的响应；从0°旋转到180°时，S21的幅值越来越小；从180°旋转到360°时，S21的幅值越来越大。在提取天线旋转180°时，天线的信号传输性能最差，主要是因为旋转至180°时，提取天线位于管道天线背面，一部分电磁波被提取电缆反射，传输到提取天线的无线电磁波比其他情况下少，所以S21幅值较小，此时天线的信号传输性能较差。

图20 天线旋转角度对天线性能的影响

4 井场试验测试效果

为了验证井下数据采集装置的可靠性和信号传输的稳定性，在胜利油田采油院试验井内进行了数据短传测试。测试井井深325 m，井下检测短节内径62 mm，壁厚5 mm，天线采用最优参数。由于井场试验在水下环境中进行，故需采用耐高温高压的环氧树脂材料对天线做防水密封处理。图21为现场试验装置。井下无线传输系统安装在井下检测短节的隔层中，随注水管道下放到注水井深200 m处。

图21 现场试验装置

试验通过电磁波频率为433 MHz，发射功率为50 mW的lora无线收发模块进行信号的收发，利用上位机进行数据的收发及显示。数据采集系统软件界面如图22所示。界面下方显示数据传输进度，提取天线下放工作时，操作软件点击相应通信按键，数据交互成功时，管道天线与提取天线建立连接，立即停止提取天线下放，然后点击开始传输按键，将井下检测的数据上传。在胜利油田试验井中进行数据无线短传测试试验，将检测短节分别安装在井内距离地面300、500及800 m处进行试验。试验结果显示，数据井下无线短传装置能够实现井下大量数据的快速提取，数据提取速率可达12 kb/s。

图22 数据采集系统软件界面

5 结 论

(1)针对注水井下数据传输困难以及效率低等问题，提出了一种三角形单极子天线在433 MHz频段进行数据短传的方法并设计了相应系统。该系统主要由控制装置、提取天线和管道天线等三部分组成，通过下放提取天线进行数据短传。对天线进行仿真及试验验证，验证结果表明，该方法在注水井井下环境中能够实现大量数据的传输，传输速率可达12 kb/s。

(2)以增益为研究目标，对天线的不同参数进行仿真分析，分析结果表明：管道天线与提取天线的厚度对天线传输性能的影响不大，而角度、宽度和深度对天线的传输性能影响较大；相比于原型天线，最佳参数天线的性能明显提高，在433 MHz频段的增益从-15 dB增加到-5 dB。

(3)注水矿化度对天线传输性能影响较大。当电导率在60～500 mS/cm时，433 MHz频段的增益基本在-5～0 dB；当电导率大于500 mS/cm时，增益基本保持在-35 dB，天线通信性能降低。

(4)对比提取天线方位参数不同时天线传输性能，结果显示提取天线与管道天线没有相对旋转，横向与纵向中心重合时，数据传输性能最好。