CN105239974B - 物联网太阳能终端配注方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油井技术领域，尤其涉及物联网太阳能终端配注方法。随时采集分水总管和分水分管的瞬时流量、累计流量以及瞬时压力；如果需要对单井进行注水，则关闭其他分水分管的闸阀；如果需要对多口井进行注水以增压，则打开所需要注水的井的分水分管的闸阀的阀门和分水阀门，当某井的注水量即累计流量接近目标流量的90％时，逐渐关闭该单井所对应的分水阀门；将采集到的瞬时流量、累计流量以及瞬时压力数据通过物联网终端即天线发射。本发明采用高性能的智能精控集成仪表，有效实现高精度的压力、瞬时流量、累计流量等参数的测量和注水仪精确地控制。

Description

物联网太阳能终端配注方法

技术领域

本发明涉及油井技术领域，尤其涉及物联网太阳能终端配注方法。

背景技术

油田注水技术是当今在采油过程中普遍采用的一种工艺手段，其目的在于通过向油井内注入一定量的水或其他介质，增加地下油压以实现持续高效采油的目的。目前，广泛采用的设备有注水站、泵、阀组等，采用阀组注水的因其具有撬装式特点，较为适合采油现场的实际情况，因此受到注水站的欢迎。然而，这种设备因体积相对较大，墙板多采用泡沫彩钢板强度较差，使用寿命受到影响。

发明内容

发明的目的：为了提供一种功能强大的物联网太阳能终端配注方法，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。

为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：

物联网太阳能终端配注方法，其特征在于，包含分水总管和分水分管，所述分水总管一端密封，另一端连接水源，所述分水总管上分出一个以上的分水分管，所述分水分管上安装有分水阀门和内螺纹闸阀，所述分水阀门均伸入油井，所述分水总管和分水分管上各自有压力测定装置和流量测定装置，分水总管和分水分管之间有分水器，所述分水器的支路上伸出多个分水分管，所述分水总管上安装有数字压力变送器；以上装备安装于保温箱内，所述保温箱上方安装有太阳能板，太阳能板连接位于保温箱内部的蓄电池，采用如上设备，实现如下操作；

步骤一：随时采集分水总管和分水分管的瞬时流量、累计流量以及瞬时压力；

步骤二：如果需要对单井进行注水，则关闭其他分水分管的闸阀；如果需要对多口井进行注水以增压，则打开所需要注水的井的的分水分管的闸阀的阀门和分水阀门，当某井的注水量即累计流量接近目标流量的％时，逐渐关闭该单井所对应的分水阀门；

步骤三：将采集到的瞬时流量、累计流量以及瞬时压力数据通过物联网终端即天线发射。

本发明进一步技术方案在于，所述分水阀门包含阀体，阀体上分别有进水口和出水口，所述进水口和出水口之间的阀体内部包含竖直布置的放水调整腔部分，所述放水调整腔部分包含放置于竖直腔体部分的紧密贴合的旋转合金片和开口合金片两部分，其中旋转合金片位于上方，开口合金片位于下方，旋转合金片上方连接减速机的动力输出轴，开口合金片本体有开口，旋转合金片的旋转能调整开口合金片上口的开关情况，所述开口合金片的两侧包含凹槽，凹槽紧密嵌合腔体内壁上突起并被固定，突起和凹槽的内壁之间包含防水圈，所述开口合金片本体的开口有一个以上且在开口合金片本体上对称分布，所述开口合金片本体的开口为斜向布置的孔或者孔壁为曲面的孔，所述旋转合金片和开口合金片的接触面光滑。

本发明进一步技术方案在于，所述分水分管有两个，分别为一号管和二号管，二者同时注水，其调整方法如下：

步骤A，根据计算管道开量 偏差；

步骤B，根据上式计算的偏差修正偏差为零，以达到最优配置。

本发明进一步技术方案在于，所述保温箱的外壁上均为太阳能板。

本发明进一步技术方案在于，所述分水阀门的减速机的动力输入轴连接着电机，所述电机为正反转电机，还包含能设置目标压力和流量的触摸屏。

本发明进一步技术方案在于，所述分水分管位于分水总管的两侧，当一侧单井压力过大，另一侧单井压力过小，开放两个单井所对应的分水分管上的分水阀门使得压力进行自动均衡。

本发明进一步技术方案在于，所述分水总管封闭的一端包含可拆开的管头，密封的方法为卡箍或者法兰密封，还包含一个圆筒形的过滤网，所述过滤网伸入分水总管并可从可拆开的管头拉出来。

采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：本发明有效解决了目前被广泛使用的撬装式注水阀组体积大(至少8m³以上的缺点，而实现同样甚至更优的注水效果，本发明的体积不足1m³，大大改善了油田井场平地紧张、运输不便、施工难度大的情况。

本发明采用高性能的智能精控集成仪表，有效实现高精度的压力、瞬时流量、累计流量等参数的测量和注水仪精确地控制。集成仪表的另一个特点是改变了原来一台注水仪上单设一组仪表的状况，而是将分水器后段的多组分路上的所有仪表高度集成在一起，并采用触摸屏来操作仪表，具有友好的人机界面。

本专利采用精确的算法控制，智能化程度高，水压均衡，使用寿命长，体积小，大大节约制作成本和管理成本。

附图说明

为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：

图1为本专利新型阀门的结构示意图；

图2为本专利开口合金片的结构示意图；

图3为图2的侧剖结构示意图；

图4为图2放平后厚度面剖开后的结构示意图；

图5为旋转合金片的结构示意图；

图6为旋转合金片厚度面剖开后的结构示意图；

图7为装置安装后的机构示意图；

图8为保温箱中部件安装的结构示意图；

图9为分水部分结构俯视示意图；

图10为分水部分结构主视示意图；

图11为分水部分结构侧视示意图；

图12为保温箱的优选实施结构示意图；

图13为本专利的优点对比表格；其中：1.手轮；2.电机；3.减速机；4.连接轴；5.开口合金片；6.旋转合金片；7.出水口；8.进水口；9.连接轴安装孔；10.太阳能板；11.保温箱；12.连接头；13.支架：14.电池盒；15.蓄电池；16.水管；17内螺纹闸阀；18由壬；20分水器；21表头；22取样阀；23数字压力变送器；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行说明，实施例不构成对本发明的限制：

结合图1-图12；

物联网太阳能终端配注方法，其特征在于，包含分水总管和分水分管，所述分水总管一端密封，另一端连接水源，所述分水总管上分出一个以上的分水分管19，所述分水分管19上安装有分水阀门和内螺纹闸阀，所述分水阀门均伸入油井，所述分水总管和分水分管上各自有压力测定装置和流量测定装置，分水总管和分水分管之间有分水器，所述分水器的支路上伸出多个分水分管，所述分水总管上安装有数字压力变送器；以上装备安装于保温箱内，所述保温箱上方安装有太阳能板，太阳能板连接位于保温箱内部的蓄电池，采用如上设备，实现如下操作；

步骤一：随时采集分水总管和分水分管的瞬时流量、累计流量以及瞬时压力；

步骤二：如果需要对单井进行注水，则关闭其他分水分管的闸阀；如果需要对多口井进行注水以增压，则打开所需要注水的井的的分水分管的闸阀的阀门和分水阀门，当某井的注水量即累计流量接近目标流量的90％时，逐渐关闭该单井所对应的分水阀门；

步骤三：将采集到的瞬时流量、累计流量以及瞬时压力数据通过物联网终端即天线发射。

以上技术方案能够使得能量损失最小化，实现多井联控，远程操作。

优选的结构是，所述多个出水管上设置有一个控制集成仪表，所述控制集成仪表与所述分水器和出水管分别连接，其中，所述集成仪表包括：测量所述分水器压力的压力传感器和测量各个出水管的瞬时流量、累计流量及压力的流量传感器和压力传感器，其中，所述控制集成仪表还连接并控制每台注水仪的运行。

所述分水器，以便将来水分为多路，注入多口油井；并且，在分水器上还设有数字压力变送器和针型阀，能够能准确获得本装置分水器前段的来水压力，并通过关闭针型阀方便的检修和标定数字压力变送器；并且在分水器后段的每个支路上分别设的注水仪、内螺纹闸阀、出水管，注水仪可以自动以设定的流量通过出水管向油井实现精确稳定的注水，内螺纹闸阀的目的在于能方便的切断某个井口的注水。

其中，所述智能精控的集成仪表，其目的在于精确地测量分水器前段的压力，分水器后段各支路的瞬时流量、累计流量及压力，并精准的控制每台注水仪的运行。

其中，所述保温箱外壳。其能有效解决井场冬季恶劣的低温环境使管路和仪表设备等结冰以致冻坏。

本发明采用高性能的智能精控集成仪表，有效实现高精度的压力、瞬时流量、累计流量等参数的测量和注水仪精确地控制。集成仪表的另一个特点是改变了原来一台注水仪上单设一组仪表的状况，而是将分水器后段的多组分路上的所有仪表高度集成在一起，并采用触摸屏来操作仪表，具有有好的人机界面。

本发明进一步技术方案在于，所述分水阀门包含阀体，阀体上分别有进水口8和出水口7，所述进水口和出水口之间的阀体内部包含竖直布置的放水调整腔部分，所述放水调整腔部分包含放置于竖直腔体部分的紧密贴合的旋转合金片6和开口合金片5两部分，其中旋转合金片6位于上方，开口合金片5位于下方，旋转合金片6上方连接减速机的动力输出轴，开口合金片5本体有开口，旋转合金片6的旋转能调整开口合金片5上口的开关情况，所述开口合金片5的两侧包含凹槽，凹槽紧密嵌合腔体内壁上突起并被固定，突起和凹槽的内壁之间包含防水圈，所述开口合金片5本体的开口有一个以上且在开口合金片5本体上对称分布，所述开口合金片5本体的开口为斜向布置的孔或者孔壁为曲面的孔，所述旋转合金片6和开口合金片5的接触面光滑。本处的技术方案所起到的技术效果如下：1.既可以关死阀门，因为旋转合金片6转动能将开口合金片5上的孔关死，又可以进行渐变调节，因为孔被打开的状态可以通过旋转合金片6的旋转情况来控制；2.开口合金片5上的孔还具有均压和缓流的作用，使得水流震动减少，降低噪音，提高设备的使用寿命；3.旋转合金片6和开口合金片5的每一次接触都会有一定的自动清理功能。

本发明进一步技术方案在于，所述分水分管有两个，分别为一号管和二号管，二者同时注水，其调整方法如下：

步骤A，根据计算管道开量 偏差；

步骤B，根据上式计算的偏差修正偏差为零，以达到最优配置。

以上公式的推算过程如下：

一.伯努利原理

丹尼尔·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”。这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前，水力学所采用的基本原理，其实质是流体的机械能守恒。即：动能+重力势能+压力势能＝常数。

伯努利原理往往被表述为：

这个式子被称为伯努利方程。式中p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，z为该点所在高度，C是一个常量。

这里，我们使用其最为著名的推论：等高流动时，流速大，压力就小。图1所示的系统中，加大某个阀门出水量的同时，会使主管道内水的流速增加，根据伯努利原理，导致主管道管壁所受的压力减小，在其他阀门处，由于管壁压力的减小，造成出水量减少，流速下降的现象。在高精度注水系统中，这样的现象严重影响了注水精度，必须增加受影响的阀门开度，增加流量，来消除注水误差。

二.流量

对于有压管流，其流量的计算公式如下：

Q＝(H/sL)^(1/2) (2)

其中，s为管道比阻，如果是旧铸铁管或旧钢管，可用舍维列夫公式计算管道比阻或用计算，或查有关表格；H为管道两端的作用水头差，如果有水平落差h(指管道起端比末端高出h)，则H以m为单位；P为管道两端的压强差(不是某一断面的压强)，P以Pa为单位；带入公式(2)可得，流量Q、管道口径D，水压(差)P的三者关系为：

Q＝(H/SL)^1/2＝[(PD^5.33)/(10.3n²pgL)]^1/2 (3)

式中，H：压力水头，S：管道比阻，n：管内壁糙率，P：管道首尾的压力差，ρ：水的密度；g：重力加速度，D：管内径，L：管长。从上式可知：流量与压力差的平方根成正比，与管径的5.33方成正比。由此可以看出，管内流量不是由管内压力决定，而是由管内沿途压力下降坡度决定的。

三.动能定理

在恒压供水系统中的阀门来说，同一水平高度的压强恒定，增加阀门开度即增加了阀门处所受的压力。根据动量定理：

f×t＝m×Δv (4)

其中f可以表述为增大阀门开度后，阀门处所受的压力，在该压力的作用下，水流速度从v₁变成了v₂。其中m＝V×ρ，V表示水的体积，V＝s×L，s表示阀门处管的横截面积，L表示水流过的长度，f＝P×s，D为管内径。带入(4)式得：P₂×s×t＝s×L×ρ×(v₂-v₁)化简可得：

P₂＝ρv₂(v₂-v₁) (5)

P₂为阀门开度增大后，阀门处的压强，v₁和v₂压分别为阀门开度增大前后管道中的水流流速。

在了解了以上内容之后，我们以系统中仅包含2个阀门为例，详细说明在给其中一个阀门设定目标流量之后，两个阀门各自应如何调节，调节多少，才能使主动阀门达到设定的目标流量，从动阀门维持原有流量。

四.修正算法

假设1号管的阀门开度为S₁₁，流量需要从Q₁₁增加为Q₁₂，此时需要调节阀门开度到S₁₂。根据Q＝vs可以计算出此时的1号管处的流速为V₁₂.

v₁₂＝Q₁₂/S₁₂

根据(5)式可以计算出由于1号管增大流量后的管压P1。

但是，2号管的阀门开度并没有改变，管压的减小，造成2号管的流量减小，此时需要调整2号管的阀门开度，使其维持原有流量。根据(3)式，式中P取管压P₁，Q取2号管的原有流量Q₂₁，可以计算得出S，S为调整后2号管的阀门开度，记为S₂₂。

这里虽然得到了由于1号管流量的改变，对2号管流量的影响，并求出了2号管应调节的阀门开度。但是，由于2号管的调节，逆向也对1号管的流量造成了影响，所以开始时，1号管所调节的阀门开度S₁₂只是预调节值，实际调节量是未知数，最终的阀门开度应该考虑2号管对1号管流量的影响，加以修正后，才能得出准确的阀门开度。

根据Q＝vs，可以计算出此时2号管的流速V₂₂。

由于2号管流速的变化，再次引起管压的变化，导致1号管流量的减小。根据(5)式，可以计算出此时的管压P₂。

P₂＝ρv₂₂(v₂₂-v₂₁)

根据(3)式，算出此时1号管的实际流量Q₁。

由于调节2号管对1号管造成的误差，使得Q₁与1号管的目标流量Q₁₂存在偏差，偏差等于Q₁-Q₁₂，记为ΔQ。

ΔQ＝Q₁-Q₁₂

由于此时的管压为P₂，则根据(3)式，可以计算出阀门开度的偏差Δs₂₁。

V₂₂可以通过(7)式得出，带入(8)中就可以算出ΔS₂₁。最终，要使1号管的流量从Q₁₁变成Q₁₂，而2号管的流量不便，维持Q₂₁，就需要将1号管的阀门开度调节为S₁₂-S₁₁+Δs₂₁，Δs₂₁为2号管对1号管逆向影响的修正值，而2号管阀门开度的调节量为S₂₂-S₂₁，S₂₂通过(6)式计算得出。

同理，在系统中包含3个阀门时，1号管调节后，会对2号3号管同时造成影响。使其阀门开度变为S₂₂和S₃₂.首先预调节2号管的阀门开度为S₂₂使其流量维持不变，由于调节2号阀门再次引起管压的变化，会影响1号和3号水管的流量。通过上面的计算可以得出，1号管的调节量为S₁₂-S₁₁+Δs₂₁+Δs₃₁，2号管的调节量为S_22-S₂₁+Δs₃₂，3号管的调节量为S₃₂-S₃₁。

同理，在系统中包含4个阀门时，调节量应分别为1号管的调节量为S₁₂-S₁₁+Δs₂₁+Δs₃₁+Δs₄₁，2号管的调节量为S₂₂-S₂₁+Δs₃₂+Δs₄₂，3号管的调节量为S₃₂-S₃₁+Δs₄₃，4号管的调节量为S₄₂-S₄₁。

以上算法的核心思想是，调节某阀门的开合度来达到目标流量时，必须提前加入其他阀门调节开合度后，对该阀门即其他阀门流量之间的影响，这就需要提前计算好修正量，在调节时控制电机转到修正后的位置，才能有效的减小注水误差。阀门的开合度实质上就是改变管口内径的截面积，从而控制水的流量。那么就可以利用上面计算得到的截面面积变化量推导出阀门开合度的变化量，这样就可以对流量误差加以控制，提高注水的精度。

综合以上：

微型注水机与当今在油田注水工艺中普遍采用的撬装式注水阀组或单台及多台注水仪组成的注水站点相比有以下明显优势，在油田注水领域广泛采用后将显著提升注水的效率，降低设备成本，提高数字化水平，具体特点如下：

1.模糊控制技术在注水领域的应用，在高压、多井不同流量、不同底层压力和压力可变、单井压力流量相互影响的情况下，对流量的控制采用单井闭环模糊控制技术，使得系统始终处于动态平衡，单井流量保持稳定，因此达到稳压恒流的目的。

2.体积小、重量轻、外形美观。微型数字化注水机与撬装式注水阀组相比，其体积约为0.21M³，为撬装式阀组的1/10，总重量为50-75kg，约是“大阀组”的1/20，外形设计简洁明快，表面经烤漆喷涂处理耐候性和抗冲击性能较好。

3.便于安装运输，适合不同工作环境下长期户外使用，无需经常维护保养。

4.保温性能优越温度适应性强，本产品选用聚氨酯发泡材料或轻质岩棉作为内衬保温材料，保温效果优越，部分型号产品内设电加热设施可在极低温环境下自动加热，以保证箱体内的仪表正常工作。

5.优越的安全性。本设计本着以人为本的理念，内部高压管路采用整块45#钢板镗孔高压焊接而成，或采用高压流通管焊接，同时箱体内部采用5mm钢板制成，在发生高压事故时可以确保注水机外的人员安全。

6.多接口通讯技术的应用。

此外，本产品集成的RTU(Remote Terminal Unit远程终端控制系统)具有丰富的接口和通讯协议，适用各种网络环境下的组网。RS232\RS485\RJ45\433M传感器网络、230M电台网、GPRS网络、3G网等。

7.产品在技术上可与物联网接口，实现无线数据传输，现场数据采集记录，可在无人监守的情况下正常工作，这是以往产品不具备的卓越优势。

结合图12，所述保温箱的外壁上均为太阳能板。本处的技术方案所起到的实质的技术效果是不论日照情况怎样均可以接收太阳能。

所述分水阀门的减速机的动力输入轴连接着电机，所述电机为正反转电机，还包含能设置目标压力和流量的触摸屏。

所述分水分管位于分水总管的两侧，当一侧单井压力过大，另一侧单井压力过小，开放两个单井所对应的分水分管上的分水阀门使得压力进行自动均衡。本处的技术方案所起到的实质的技术效果是实现单井之间的彼此调节和相互调节。

所述分水总管封闭的一端包含可拆开的管头，密封的方法为卡箍或者法兰密封，还包含一个圆筒形的过滤网，所述过滤网伸入分水总管并可从可拆开的管头拉出来。本处的技术方案所起到的实质的技术效果是还能够起到过滤的作用，能够有效防止阀门阻塞。

总的来说，本专利可以具有如下功能：

微型数字化智能配水阀组，集成流量测量、压力测量、仪表控制，主要能实现以下功能。监测及采集分水器压力；监测及采集单井流量、压力，单井注水量自动调控等；对参数变化进行智能诊断，自动调整运行工况；自动巡检；对超压、过流过载等报警；远程人工干预。采用标准接口与上位机数据共享。上位机可远程对系统压力、流量、阀门开关信号进行监测和指令控制。

在高压力、多井不同流量、不同压力和压力变化，单井压力、流量变化相互影响的情况下，流量控制采用单井闭环、模糊控制技术，使系统动态保持压力平衡，单井流量保持稳定，从而达到稳压、恒流的目的。

设备供电由太阳能电池板提供。通讯、电控部分采用超低功耗设计；执行机构采用分布式运行，整套机构节能、环保。在尚未通电的山区油田，能实现无人值守、远程数据采集和设备控制。

微型数字化智能配水阀组、标准化配水间、撬装配水间对比表参见图13，可知本专利的技术方案有实质的特点，有实质性技术效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (5)

1.物联网太阳能终端配注方法，其特征在于，包含分水总管和分水分管，所述分水总管一端密封，另一端连接水源，所述分水总管上分出一个以上的分水分管(19)，所述分水分管(19)上安装有分水阀门和内螺纹闸阀，所述分水阀门均伸入油井，所述分水总管和分水分管上各自有压力测定装置和流量测定装置，分水总管和分水分管之间有分水器，所述分水器的支路上伸出多个分水分管，所述分水总管上安装有数字压力变送器；分水总管和分水分管安装于保温箱内，所述保温箱上方安装有太阳能板，太阳能板连接位于保温箱内部的蓄电池，实现如下操作；

步骤一：随时采集分水总管和分水分管的瞬时流量、累计流量以及瞬时压力；

步骤二：如果需要对单井进行注水，则关闭其他分水分管的闸阀；如果需要对多口井进行注水以增压，则打开所需要注水的井的分水分管的闸阀的阀门和分水阀门，当某井的注水量即累计流量接近目标流量的90％时，逐渐关闭该单井所对应的分水阀门；

步骤三：将采集到的瞬时流量、累计流量以及瞬时压力数据通过物联网终端即天线发射；

所述分水分管位于分水总管的两侧，当一侧单井压力过大，另一侧单井压力过小，开放两个单井所对应的分水分管上的分水阀门使得压力进行自动均衡。

2.如权利要求1所述的物联网太阳能终端配注方法，其特征在于，所述分水阀门包含阀体，阀体上分别有进水口(8)和出水口(7)，所述进水口和出水口之间的阀体内部包含竖直布置的放水调整腔部分，所述放水调整腔部分包含放置于竖直腔体部分的紧密贴合的旋转合金片(6)和开口合金片(5)两部分，其中旋转合金片(6)位于上方，开口合金片(5)位于下方，旋转合金片(6)上方连接减速机的动力输出轴，开口合金片(5)本体有开口，旋转合金片(6)的旋转能调整开口合金片(5)上口的开关情况，所述开口合金片(5)的两侧包含凹槽，凹槽紧密嵌合腔体内壁上突起并被固定，突起和凹槽的内壁之间包含防水圈，所述开口合金片(5)本体的开口有两个以上且在开口合金片(5)本体上对称分布，所述开口合金片(5)本体的开口为斜向布置的孔或者孔壁为曲面的孔，所述旋转合金片(6)和开口合金片(5)的接触面光滑。

3.如权利要求1所述的物联网太阳能终端配注方法，其特征在于，所述保温箱的外壁上均为太阳能板。

4.如权利要求1所述的物联网太阳能终端配注方法，其特征在于，所述分水阀门的减速机的动力输入轴连接着电机，所述电机为正反转电机，还包含能设置目标压力和流量的触摸屏。

5.如权利要求1所述的物联网太阳能终端配注方法，其特征在于，所述分水总管封闭的一端包含可拆开的管头，密封的方法为卡箍或者法兰密封，还包含一个圆筒形的过滤网，所述过滤网伸入分水总管并可从可拆开的管头拉出来。