CN104818968A - 注水井调控系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种注水井调控系统，包括位于井上的便携式计算机，井上的工控机，位于井下的多个注水开关器以及连接工控机和注水开关器的单芯电缆，所述的注水开关器包括电控注水机构，电控注水机构包括设置在注水开关器壳体内的电机、螺纹套、阀芯、阀座、压力传感器、流量传感器、温度传感器以及控制电机动作和压力流量温度信号采集传输的控制电路板。本发明的注水井调控系统能够实现实时检测井下参数，实时检测电机过载情况，电源电路性能稳定，并根据井下参数对注水开关器和水井阀门实时控制，能确保系统长期可靠运行。还提供了一种注水井调控系统的控制方法。

Description

注水井调控系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及到油层注水技术，尤其涉及到一种注水井调控系统及其控制方法。

背景技术

“向油层中注水，以水驱油”，是我国油田采油工程中普遍采用的驱油工艺，为了降低产出液的含水率，提高产油量，需要实时监控并适时控制各油层中水的注入量。

传统注水工具安装完毕之后，需要通过作业更换水嘴的方式来调整注入量，每调整一次，至少需要作业一次，而每次作业的成本少则数万元，多则几十万元，使得调整注入量的工艺的实施成本一直居高不下。

另外，传统的注水工艺中，通常是通过地面计量站中的计量仪表的数据来掌握注水量，这种方式虽然也可以掌握注入量，但是对于单井来讲，所得的数据不够准确，数据读取也极为不便。

为解决这个问题，技术人员研发了电控注水工艺技术，例如“李光前《电控机械找注水工艺技术研究》”和申请号为“200820219556.X”中公开的《一种可控分层注水、采油、堵水多功能装置》，基本原理是：用电缆将控制装置下入井中与井下的注水开关器(注水装置，或注水工具)对接，在地面通过电缆向注水开关器发出控制指令，控制注水开关器中的阀的开关。每调整一次，便需要下入一次控制装置。

现有的电控注水技术通常存在如下缺点：

1.控制装置与安装在井下的注水开关器的对接成功率较低，且对接处的零件经过几次使用后便容易损坏，可靠性差较差；

2、调整时，便需要停产进行施工，影响生产；

3、每调整一次，需要下入一次控制装置，调整时，需要打开井口，因此需要吊车、压井泵车、水车等设备及相关设备操作人员，下入控制装置时需要动用电缆绞车及相关设备操作人员，人力物力成本较高，作业时间也比较长。

4、不能测量注水量、井下压力和温度状态，如需测量需要通过电缆下入其它测量仪器，并且这种测量方式同样耗费较多的人力物力，且不能实现实时测量。

鉴于现有技术存在的上述多种缺陷，本发明人设计了本发明。

发明内容

为了解决上述技术问题中的一项或多项，本发明采用了如下技术方案：

一种注水井调控系统，包括位于井上的便携式计算机，井上的工控机，位于井下的多个注水开关器以及连接工控机和注水开关器的单芯电缆，

所述的注水开关器包括电控注水机构，其中注水开关器的电控注水机构包括设置在注水开关器壳体内的电机、螺纹套、阀芯、阀座、压力传感器、流量传感器、温度传感器以及控制电机动作和压力流量温度信号采集传输的控制电路板，

所述控制电路板包括微控制器，A/D转换器，电机控制器，霍尔传感器，其中压力传感器、流量传感器、温度传感器与A/D转换器通讯，将感测结果发送至A/D转换器，经由A/D转换器感测结果信号发送至微控制器，微控制器对该信号进行进一步处理之后通过单芯电缆传输至便携计算机，

所述工控机包括微处理器，一人机接口模块和一通信接口模块，本地电源，人机接口模块和通信接口模块分别与微处理器相互通信，本地电源与微处理器连接以为微处理器提供电源，上述工控机还包括与微处理器连接的一信号驱动模块、一高压电源模块以及一接收信号预处理模块。

一种注水井调控系统的控制方法，包括

步骤1、读取预设参数并校验；

步骤2、通过设置在井下的传感器采集井下参数；

步骤3、等待指令，若收到指令，则执行下一步，若未收到指令，则返回步骤2；

步骤4、校验指令，若校验成功则执行下一步，若校验不成功，则返回步骤2；

步骤5，执行指令；

步骤6，向便携式计算机返回指令处理状态；

重复执行步骤2至步骤6。

通过上述技术方案，控制装置与注水开关器结合在一起，在安装注水开关器时，同时下入联通注水开关器内控制电路与地面工控机之间的单芯电缆。完井后，通过便携式计算机和工控机来控制注水开关器中的电机动作，以实现对阀开关的控制，井下控制电路板采用专用电源电路，耐高温性能佳，而且，本发明的便携式计算机和工控机可对油井阀门进行控制，并实时检测电机是否过载，本发明至少可解决如下技术问题中的一项或多项：

1、安装完成后，技术人员使用计算机和工控机，在地面调整井下任意层位的阀开关，动作可靠，成功率高；

2、生产过程中即可调整，不影响生产；

3、调整时只需要将工控机连接在固定在井口上的单芯电缆出线头，便可以进行开关调整，全程只需一个人便可完成，无需动用其它设备和人员，可大大降低生产成本。

4、调整迅速，每层的调整时间只需几分钟，一个工作人员，每天可以同时调整几十口井，节约人员和提高工作效率方面的效益十分可观；

5、通过设置在注水开关器壳体内的流量传感器、压力传感器和设置在电路板上的温度感应元件(温度传感器)，可以随时通过便携式计算机和工控机采集井下的流量、压力和温度数据；

6、实时检测电机过载情况，电源电路性能稳定，采用的电缆接线密封结构密封效果非常好，能确保系统长期可靠运行。

附图说明

图1是示出本发明实施例的注水井调控系统的结构示意图。

图2是示出本发明注水开关器结构的示意图。

图3是示出本发明实施例的控制电路板的示意图。

图4是示出根据本发明实施例的稳压电源电路的示意图。

图5是示出根据本发明实施方式的井下组件的操作流程图。

图6是示出根据本发明实施例的工控机原理示意图。

图7是示出根据本发明优选实施例的水井阀门控制流程图。

图8是示出本发明的电路板护罩采用电缆接线密封结构的结构示意图。

具体实施方式

下文将参考附图详细描述本发明的优选实施方式，应注意，本发明的保护范围不受此处的具体实施方式的限制，而是由权利要求及其等价物具体限定。

下文将参考说明书附图对本发明的优选实施例进行具体描述。

图1是示出本发明实施例的注水井调控系统的结构示意图。

图1中，本发明的注水井调控系统包括位于井上的便携式计算机1，井上的工控机2，该便携式计算机1与工控机2之间优选通过USB连接；位于井下的多个注水开关器3以及连接工控机和注水开关器的单芯电缆4。便携式计算机1用于接收、显示、存储数据，并可执行数据运算以及相关控制，工控机2用于为井下各模块供电以及通信，注水开关器3用于控制注水阀的开关。

图2是本发明注水开关器结构的示意图。所述的注水开关器3主要包括电控注水机构，其中注水开关器3的电控注水机构优选可包括设置在注水开关器3的壳体内的电机31、螺纹套32、阀芯33、阀座34、丝杠35、压力传感器36、流量传感器、温度传感器以及控制电机动作和压力流量温度信号采集传输的控制电路板。其中，优选地，压力传感器36可包括正压传感器和负压传感器。其中，电机通过螺纹套32和丝杠35组成的传动机构推动阀芯33运动，完成开关阀动作。具体为，阀芯33在一定范围内移动，移动到第一位置时，阀芯33与阀座34中心的孔相配合以关闭过液孔，阀芯33离开第一位置时，阀座34中心的孔打开进而打开过液孔。

优选地，在本发明的实施例中，上述壳体内包括密封塞组件、电路板护罩、电机护罩。

优选地，本发明的所有连接处均采用螺纹连接的设有O型密封圈的防水密封结构。

通常单芯电缆外部设有无缝钢制铠甲层，简称为钢铠，单芯电缆内部为带有绝缘层的导线，为使电缆进入电路板护罩处能承受高压防水密封，并满足装配时不绞线的要求，本发明优选将铜球密封和密封塞密封组合使用，通过压紧螺钉将铜球挤压变形，达到高压密封的目的，一旦水从钢铠或密封圈处进入橡胶套外侧空间，橡胶套承压后会与电缆的绝缘层外皮紧密贴合，压力越大，贴合越紧密，从而实现橡胶套与绝缘层外皮接触处的可靠密封。具体结构可参见图8。图8是本发明的电路板护罩所采用的电缆接线密封结构的示意图。具体地，电缆接线密封结构包括密封塞护罩91，密封塞塞体92安装在密封塞塞体安装座93上，并通过密封塞塞体安装座与密封塞护罩的第一端(对应图8中密封塞护罩的右端)紧密地固定连接。电缆接线密封结构还包括位于密封塞护罩第二端(对应图8中密封塞护罩的左端)的压紧螺钉94，和压紧螺钉与密封塞护罩相接处的铜球95，设有钢铠96的单芯电缆穿过压紧螺钉和铜球，通过该压紧螺钉和该铜球实现对控制电路板的第一级密封。电缆接线密封结构还包括位于密封塞护罩和控制电路板之间的橡胶套97，该橡胶套具有容置控制电路板的容置空间。未设有钢铠、仅带有绝缘线皮98的单芯电缆从铜球95处伸入橡胶套97中以连接至控制电路板，橡胶套与单芯电缆紧密相接以实现对控制电路板的第二级密封。优选地，本发明的电机护罩也可使用图8中所示的上述密封结构。

图3是示出本发明实施例的控制电路板的示意图。下文将参考图3描述本发明的控制电路板的结构和原理。本发明的控制电路板包括微控制器41，A/D转换器42，电机控制器43，霍尔传感器44。其中A/D转换器42与微控制器41通讯，微控制器41与电机控制器43通讯，电机控制器43控制电机49执行操作，霍尔传感器44连接在电机49与微控制器41之间，用于在电机正转时监测流量。

其中，压力传感器45、流量传感器46、温度传感器(未示出)与A/D转换器通讯，将感测结果发送至A/D转换器，经由A/D转换器感测结果信号发送至微控制器，微控制器对该信号进行进一步处理之后通过单芯电缆传输至便携计算机1。

优选地，控制电路板还包括稳压电源电路47或电池组。

更优选地，控制电路板采用稳压电源电路。该稳压电源电路可通过通信编解码电路48与微控制器连接，用于为控制电路板和电机等井下组件供电，根据各组件的需要为相应组件提供5V,12V和/或24V的电压。该优选方式中，可在稳压电源电路和便携式计算机之间也设置通信编解码电路，或者工控机自身可实现通信编解码电路的功能。

图4是描述本发明优选实施方式中稳压电源电路的示意图。在本发明的该优选实施方式中，参见附图4，稳压电源电路主要包括J型场效应管J，第一和第二可变电阻R1,R2，第一BJT管T1，第二BJT管T2，第一和第二电容C1和C2，温敏电阻RS，其中，J型场效应管的漏极与输入VI和T1的集电极连接，J型场效应管的源极与第一可变电阻R1的第二端连接，J型场效应管的栅极与第一可变电阻R1的第一端、第一电容C1的第一端、T2的集电极以及T1的基极连接，T1的发射极与输出VO、第二电容C2的第一端连接，T2的发射极与温敏电阻RS的第一端连接，T2的基极与第二电容C2的第二端和第二可变电阻R2的第一端连接，第一电容C1的第二端、温敏电阻RS的第二端和第二可变电阻R2的第二端共同接地。其中第一BJT管T1和第二BJT管T2优选为NPN型硅管。并且，其中，C2可用电阻替换。

此外，本发明的稳压电源电路还可包括分压电路(附图中未示出)，用于根据需求为不同组件提供不同电压。

本发明优选采用的上述电源电路耐高温性能好，稳定性高，尤其适合在极端环境下使用，而且，通过采用温敏电阻可实现电源电路的温度补偿，同时实现自动稳压。

优选地，本发明的井下控制电路板的操作方式为：压力传感器、流量传感器、温度传感器将感测结果发送至微控制器，微控制器将感测结果发送至便携式计算机，便携式计算机1对接收到的信息进行综合、分析、计算和判断，根据感测结果发出指令，并通过工控机2传送至控制电路板，控制电路板根据便携式计算机1发出的指令产生控制信号，通过电机控制器控制电机正转或者反转，正转的情况下，电机带动阀芯退后，注水开关器3打开过液孔，反转的情况下，电机带动阀芯前进，注水开关器3关闭过液孔。由此，本发明的注水调控系统可以在井上同时对多个层位进行控制，达到分层控制的目的。

参考图5描述在本发明的优选实施方式中，井下各组件的操作包括如下步骤：

始于步骤S1，开始；

步骤S2，初始化；

步骤S3，读取预设参数并校验；

步骤S4，采集井下参数，优选通过设置在井下的各传感器实施检测并将检测结果发送至微控制器，并进一步传送至便携式计算机；

步骤S5，等待指令，该指令优选由便携式计算机发出，若收到指令，则向下执行步骤S6，若未收到指令，则返回至步骤S4，继续采集井下参数；

步骤S6，校验指令，若校验成功，则向下执行步骤S7，若校验不成功，则返回至步骤S4，采集井下参数；

步骤S7，执行指令；

步骤S8，向便携式计算机返回指令处理状态；

步骤S9，返回至步骤S4，采集井下参数。

图6示出了本发明的工控机原理示意图。下文将参考图6描述本发明工控机的结构和原理。工控机包括微处理器71，一人机接口模块72和一通信接口模块73分别与微处理器71相互通信，一本地电源74与微处理器71连接以为微处理器71提供电源，微处理器连接至一信号驱动模块75及一高压电源模块76，信号驱动模块75根据自微处理器传送的信号产生相应的驱动信号，并将该驱动信号施加至高压电源模块76，高压电源模块根据微处理器传送的信号以及上述驱动信号执行升压操作，并将升高的电压输出至单芯电缆77。在单芯电缆和微处理器之间连接有接收信号预处理模块78，通过该接收信号预处理模块，将自单芯电缆传输的信号经预处理之后传送至微处理器。

图7是示出根据本发明优选实施例的便携式计算机对水井阀门控制的流程图。

若便携式计算机根据采集的井下参数进行分析后，需要向工控机发送指令以控制水井阀门操作，则优选具体操作流程如下：

步骤S101，工控机收到开关阀指令；

步骤S102，工控机读取阀门状态；

步骤S103，判断阀门是否处于终点位置，若判断为是，向下执行步骤S109，若判断为否，则执行下一步骤S104；

步骤S104，启动阀门电机；

步骤S105，阀门位置传感器实施检测；

步骤S106，判断阀门位置是否到位，若判断为是，则向下执行步骤S108，若判断为否，则执行下一步S107；

步骤S107，判断电机是否过载，若判断结果为是，则执行下一步S108，若判断结果为否，则返回上一步S106；

步骤S108，阀门电机停止运行；

步骤S109，将阀门状态返回至便携式计算机；

步骤S110，结束。

通过本发明上述的注水井调控系统及其控制方法，能够实现实时检测井下参数，实时检测电机过载情况，电源电路性能稳定，并根据井下参数对注水开关器和水井阀门实时控制，能确保系统长期可靠运行。

虽然上文详细描述了本发明的多种优选实施方式，但是应当理解，本发明的保护范围不限于此。本领域技术人员可以想到可通过其他替换手段实施本发明。对本发明的实施例进行各种修改和变化都是允许的，也将落入本公开、附图和所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种注水井调控系统，其特征在于，包括位于井上的便携式计算机，井上的工控机，位于井下的多个注水开关器以及连接工控机和注水开关器的单芯电缆，

所述的注水开关器包括电控注水机构，其中注水开关器的电控注水机构包括设置在注水开关器壳体内的电机、螺纹套、阀芯、阀座、压力传感器、流量传感器、温度传感器以及控制电机动作和压力流量温度信号采集传输的控制电路板，

所述控制电路板包括微控制器，A/D转换器，电机控制器，霍尔传感器，其中压力传感器、流量传感器、温度传感器与A/D转换器通讯，将感测结果发送至A/D转换器，经由A/D转换器感测结果信号发送至微控制器，微控制器对该信号进行进一步处理之后通过单芯电缆传输至便携计算机，

所述工控机包括微处理器，一人机接口模块和一通信接口模块，本地电源，人机接口模块和通信接口模块分别与微处理器相互通信，本地电源与微处理器连接以为微处理器提供电源，上述工控机还包括与微处理器连接的一信号驱动模块、一高压电源模块以及一接收信号预处理模块。

2.如权利要求1所述的注水井调控系统，其特征在于，其中控制电路板还包括稳压电源电路或者电池组。

3.如权利要求1所述的注水井调控系统，其特征在于，其中控制电路板采用稳压电源电路，该稳压电源电路通过通信编解码电路与微控制器连接，用于为控制电路板和电机等井下组件供电。

4.如权利要求3所述的注水井调控系统，其特征在于，其中在稳压电源电路和便携式计算机之间也设置通信编解码电路，或者工控机自身可实现通信编解码电路的功能。

5.如权利要求3所述的注水井调控系统，其特征在于，所述稳压电源电路包括J型场效应管，第一和第二可变电阻R1,R2，第一BJT管T1，第二BJT管T2，第一和第二电容C1和C2，温敏电阻RS。

6.如权利要求5所述的注水井调控系统，其特征在于，J型场效应管的漏极与输入VI和T1的集电极连接，J型场效应管的源极与第一可变电阻R1的第二端连接，J型场效应管的栅极与第一可变电阻R1的第一端、第一电容C1的第一端、T2的集电极以及T1的基极连接，T1的发射极与输出VO、第二电容C2的第一端连接，T2的发射极与温敏电阻RS的第一端连接，T2的基极与第二电容C2的第二端和第二可变电阻R2的第一端连接，第一电容C1的第二端、温敏电阻RS的第二端和第二可变电阻R2的第二端共同接地。

7.如权利要求1所述的注水井调控系统，其特征在于，其中注水开关器包括电路板护罩，该电路板护罩采用电缆接线密封结构，该电缆接线密封结构包括密封塞护罩，安装在密封塞塞体安装座上的密封塞塞体，密封塞塞体通过密封塞塞体安装座与密封塞护罩的第一端紧密地固定连接，

电缆接线密封结构还包括位于密封塞护罩第二端的压紧螺钉和压紧螺钉与密封塞护罩相接处的铜球，设有钢铠的单芯电缆穿过压紧螺钉和铜球，通过该压紧螺钉和该铜球实现对控制电路板的第一级密封，

电缆接线密封结构还包括位于密封塞护罩和控制电路板之间的橡胶套，该橡胶套具有容置控制电路板的容置空间，未设有钢铠、仅带有绝缘层外皮的单芯电缆从铜球处伸入橡胶套中以连接至控制电路板，橡胶套与单芯电缆紧密相接以实现对控制电路板的第二级密封。

8.如权利要求1所述的注水井调控系统，其特征在于，其中，所述信号驱动模块根据自微处理器传送的信号产生相应的驱动信号，并将该驱动信号施加至高压电源模块，高压电源模块根据微处理器传送的信号以及上述驱动信号执行升压操作，并将升高的电压输出至上述单芯电缆，上述接收信号预处理模块连接在单芯电缆和微处理器之间，通过该接收信号预处理模块，将自单芯电缆传输的信号经预处理之后传送至微处理器。

9.一种注水井调控系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1、读取预设参数并校验；

步骤2、通过设置在井下的传感器采集井下参数；

步骤3、等待指令，若收到指令，则执行下一步，若未收到指令，则返回步骤2；

步骤4、校验指令，若校验成功则执行下一步，若校验不成功，则返回步骤2；

步骤5，执行指令；

步骤6，向便携式计算机返回指令处理状态；

重复执行步骤2至步骤6。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，还包括实时控制水井阀门，具体包括：

步骤S101，工控机收到开关阀指令；

步骤S102，工控机读取阀门状态；

步骤S103，判断阀门是否处于终点位置，若判断为是，向下执行步骤S109，若判断为否，则执行下一步骤S104；

步骤S104，启动阀门电机；

步骤S105，阀门位置传感器实施检测；

步骤S106，判断阀门位置是否到位，若判断为是，则向下执行步骤S108，若判断为否，则执行下一步S107；

步骤S107，判断电机是否过载，若判断结果为是，则执行下一步S108，若判断结果为否，则返回上一步S106；

步骤S108，阀门电机停止运行；

步骤S109，将阀门状态返回至便携式计算机；

步骤S110，结束。