CN105863584B - 一种智能无线配水系统 - Google Patents
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Abstract
一种智能无线配水系统，其特征在于：通过井筒移动悬吊式携带总流量计量的通信单元的通信控制板电路与井下固定式分层注水智能配水单元的通信控制板电路的无线传输有机配合，在井下高压高温环境下，通信单元和井下固定式分层注水智能配水单元的单片机系统控制电机控制板电路开关水嘴的大小，通过无线通信进行传输数据，对具有流量和压力采集存储，对电机的驱动和过流保护进行控制，实现对分层注水量的自如精确调控。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种智能无线配水系统，属油田开发注水领域。
背景技术
在油田采油的中后期，油层的压力逐渐下降，当油层的压力下降到低于油气的饱和压力时，就会严重影响采收原油的效率，此时常采用注水驱油的方法来提高开采效率。由于地层的非均质形，各个地层在不同时期的需注水量各不相同，笼统注水显然不行，为调整层间矛盾，控制原油含水上升，提高原油采收率，对多层油田实行分层注水。
最初采用固定式水嘴，这种调配方式需要反复投劳堵塞器和更换水嘴，平均单井更换水嘴的时间需要4～6天，劳动强度大并且费时间。随着技术的发展，可调式堵塞器代替固定式水嘴，节省了时间。这种方式是通过机械结构完成井下的堵塞器与下井仪器机械臂的对接，从而控制水嘴孔径大小实现配水的自动调节。目前这种可调配水器提高了测试效率，缩短了测试和调配时间，但依然存在着诸多缺点：
①在注水井的特殊环境中，机械结构的可靠性不高；
②长期注水伴随结垢、腐蚀等问题，造成测调过程中经常出现遇阻、遇卡、无法投拔注水芯子等情况；
③测试合格率低，测试精度误差大，对小注入量的注水层无法做到精细注水；
④各层吸水情况不能随时掌握。
目前国际上几大石油公司如油井动态公司、贝克休斯和斯伦贝谢等在智能井上有所发展，尤其贝克休斯在井下实现无线通信技术有所建树。随着我国无线通信技术的高速发展，人们逐渐着眼于对井下的无线通信技术的研究。而且我国石油开采已经到高含水量时期，各油田也越来越注重二次开采技术的改善，将无线通信技术应用到注水量的配注中，会更有效的提高注水的效率，达到稳定的注够水，注好水，从而提高原油的采收率。
基于上述情况，立项进行研制一种无线智能测调一体的配水器，通过无线通信的方式来实现可调式堵塞器和下井仪器的通信，进行数据传输，以期率先在国内研制出具有具有广阔发展前景的智能配水系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能无线配水系统，在井下高压高温环境下，实现下井仪器单片机系统与单片机控制电机系统之间通过无线通信技术进行传输数据；实现对智能测调配水器水量控制系统进行控制，流量和压力采集存储，电机驱动和过流保护，实现对注水量的调控；
本发明的技术方案是以下方式实现的：
通过井筒移动悬吊式携带总流量计量的通信单元与井下固定式分层注水智能配水单元的无线传输有机配合，在井下高压高温环境下，通信单元和井下固定式分层注水智能配水单元的单片机系统控制电机系统开关水嘴的大小，通过无线通信进行传输数据，对流量和压力采集存储，对电机的驱动和过流保护进行控制，实现对分层注水量的自如精确调控。
所述通信单元自下向上包括无线收发模块、与收发模块通过固定杆、密封组件和锁紧螺母固定的固定筒、与固定筒螺纹连接的通信管柱、与通信管柱螺纹连接的转接体、与转接体螺纹连接的电池筒、与电池筒螺纹连接的自设电磁流量计的或其它流量计的悬挂头；在电池筒内设有电池，在通信管柱内设有通信控制板。
所述井下固定式分层注水智能配水单元自上向下包括上接头、与上接头内螺纹连接的上导向体、与上接头外螺纹连接的上连接套、与上导向体内螺纹连接的偏心管、与上连接套内螺纹连接的主体、与主体外螺纹连接的下连接套、与下连接套内螺纹连接的下接头、与偏心管下端外螺纹连接的且设在下连接套内部的且与下接头内螺纹连接的下导向体；在上连接套与偏心管之间的环形空间的上部设有电池腔，中部一侧的偏心管上设有通信控制板和电机控制板，在下连接套与偏心管之间的环形空间的主体与下导向体之间的偏心管上设有出水口，在与电机控制板同侧的主体上从上向下设有电机、与电机轴相连的联轴器、通过固定体和轴承与连轴器相连的转接轴、与转接轴固定相连的丝杠、与丝杠螺纹相连的丝杠套、丝杠套通过密封件动配合相连的阀套；阀套下端与出水口相通，在阀套的上部横向上设有由弹簧和阀芯控制的水嘴，水嘴与主体上所设的出水孔相连；在下连接套与偏心管之间的环形空间内设有无线收发模块。
所述通信单元的通信控制板电路包括CPU处理电路、电源供电电路、RS232串口通信电路、超声波发送调制电路、超声波接收解调电路；CPU处理电路采用单片机ATMEGA1284P-AU作为控制运算芯片，ATMEGA1284P是一款高性能、低功耗的8位AVR单片机，设有先进的RISC结构，共32个8位通用工作寄存器，131条指令，控制运算芯片上包含128K字节的可编程闪存程序存储器，4K字节的EEPROM和16K字节的SROM；由IEEE 1149.1标准兼容的JTAG接口支持控制运算芯片调试，通过JTAG接口对Flash，EEPROM，Fuses,Lock Bits编程；ATMEGA1284P有六个PWM通道，利用PWM通道发送数据信号，数据信号经调制后由无线收发模块Ⅰ转换成超声波信号发送给井下智能配水器；ATMEGA1284P设有两个具有独立预分频器和比较模式的8位定时/计数器，两个具有独立预分频器,比较功能和捕捉功能的16位定时/计数器，利用16位定时/计数器的捕捉功能处理解调后的信号，经ATMEGA1284P单片机解算出相关数据，并对数据进行相应的处理。
所述井下固定式分层注水智能配水单元的通信控制板的电路包括CPU处理电路、电源供电电路、超声波发送调制电路、超声波接收解调电路、电机控制电路。与上述通信单元的通信控制板电路、功能及相互控制的原理相同。
所述井下固定式分层注水智能配水单元的电机控制板的电路电池正极电压、电池负极电压、正极电压与负极电压之间的调节电路、三极管、二极管、电容、电阻，其中MA、MB接直流电机的正负极，MGV+接+24V电压，当K2的电压比K3的电压高时，电机正转；反之，电机反转。
本发明具有的主要优点：
①避免下井仪器与堵塞器之间采用机械结构对接的不可靠性，提高效率，降低成本；
②非接触的通信方式使得下井仪器即使未准确达到配注层时与配水器也有良好的数据传输；
③适应性强，在不改变现有分层测试技术及工艺管柱的参数基础上进行原有技术的延伸和发展；
④精细注水，提高目前测试工艺的精度。
附图说明
图1-本发明的通信单元结构原理示意图。
图2-井下固定式分层注水智能配水单元的结构示意图
图3-井下固定式分层注水智能配水单元的局部放大示意图
图4-图3中A-A的截面示意图
图5-通信单元的通信控制板电路原理图
图6-通信单元的通信控制板的供电电路原理图
图7-通信单元的通信控制板的RS232串口通信电路原理图
图8-通信单元的通信控制板的超声波发送调制电路原理图
图9-通信单元的通信控制板的滤波器的放大电路原理图
图10-井下固定式分层注水智能配水单元的电机控制电路
图1中1-无线电收发模块I、2-固定筒、3-密封组件、4-锁紧螺母、5-通信管柱、6-通信控制板、7-转接体、8-电池筒、9-电池、10-悬挂头。
图2、3、4中11-上接头、12-上导向体、13-上连接套、14-环形空间、15-电池腔、16-偏心管、17-通信控制板、18-电机控制板、19-电机、20-电机固定件、21-连轴器、22-转接轴、23-转接轴固定件、24-轴承、25-丝杠、26-丝杠套、27-阀套、28-单向阀阀座、29-主体、30-挡块、31-单向阀阀芯、32-弹簧、33-无线收发模块II、34-水嘴、a-阀芯孔、b-出水口。
具体实施方式
为进一步公开本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明：
通过井筒移动悬吊式携带总流量计量的通信单元与井下固定式分层注水智能配水单元的无线传输有机配合，在井下高压高温环境下，通信单元和井下固定式分层注水智能配水单元的单片机系统控制电机系统开关水嘴的大小，通过无线通信进行传输数据，对具有流量和压力采集存储，对电机的驱动和过流保护进行控制，实现对分层注水量的自如精确调控。
如图1所示：所述通信单元自下向上包括无线收发模块1、与收发模块通过固定杆、密封组件3和锁紧螺母4固定的固定筒2、与固定筒2螺纹连接的通信管柱5、与通信管柱螺纹连接的转接体7、与转接体螺纹连接的电池筒8、与电池筒螺纹连接的自设电磁流量计的或其它流量计的悬挂头10；在电池筒内设有电池9，在通信管柱内设有通信控制板6。
如图2、3、4所示：所述井下固定式分层注水智能配水单元自上向下包括上接头11、与上接头内螺纹连接的上导向体12、与上接头外螺纹连接的上连接套13、与上导向体12内螺纹连接的偏心管16、与上连接套内螺纹连接的主体29、与主体外螺纹连接的下连接套36、与下连接套内螺纹连接的下接头37、与偏心管下端外螺纹连接的且设在下连接套内部的与下接头内螺纹连接的下导向体35；在上连接套与偏心管之间的环形空间14的上部设有电池腔15，中部一侧的偏心管上设有通信控制板17和电机控制板18，在下连接套与偏心管之间的环形空间的主体与下导向体之间的偏心管上设有出水口b，在与电机控制板同侧的主体上从上向下设有电机19、与电机轴相连的连轴器21、通过固定体23和轴承24与连轴器相连的转接轴22、与转接轴固定相连的丝杠25、与丝杠螺纹相连的丝杠套26、与丝杠套通过密封件动配合相连的阀套27；阀套下端与出水口b相通，在阀套的上部横向上的阀芯孔a内设有由弹簧32和阀芯31控制的水嘴34，水嘴34与主体上所设的出水口b相通；在下连接套与偏心管之间的环形空间内设有无线收发模块33。通过井筒移动悬吊式携带总流量计量的通信单元与井下固定式分层注水智能配水单元的无线传输有机配合，在井下高压高温环境下，通信单元和井下固定式分层注水智能配水单元的单片机系统控制电机系统开关水嘴的大小，通过无线通信进行传输数据，对具有流量和压力采集存储，对电机的驱动和过流保护进行控制，实现对分层注水量的自如精确调控。
如图5所示：所述通信单元的通信控制板包括CPU处理电路、电源供电电路、RS232串口通信电路、超声波发送调制电路、超声波接收解调电路；CPU处理电路采用单片机ATMEGA1284P-AU作为控制运算芯片，ATMEGA1284P是一款高性能、低功耗的8位AVR单片机，设有先进的RISC结构，共32个8位通用工作寄存器，131条指令，控制运算芯片上包含128K字节的可编程闪存程序存储器，4K字节的EEPROM和16K字节的SROM；由IEEE 1149.1标准兼容的JTAG接口支持片上调试，通过JTAG接口对Flash，EEPROM，Fuses,Lock Bits编程；ATMEGA1284P有六个PWM通道，利用PWM通道发送数据信号，数据信号经调制后由无线收发模块Ⅰ转换成超声波信号发送给井下智能配水器；ATMEGA1284P设有两个具有独立预分频器和比较模式的8位定时/计数器，两个具有独立预分频器,比较功能和捕捉功能的16位定时/计数器，利用16位定时/计数器的捕捉功能处理解调后的信号，经ATMEGA1284P单片机解算出相关数据，并对数据进行相应的处理。
所述井下固定式分层注水智能配水单元的通信控制板的电路包括CPU处理电路、电源供电电路、超声波发送调制电路、超声波接收解调电路、电机控制电路。与上述通信单元的通信控制板电路、功能及相互控制的原理相同。
如图10所示：所述井下固定式分层注水智能配水单元的电机控制板的电路电池正极电压、电池负极电压、正极电压与负极电压之间的调节电路、三极管、二极管、电容、电阻，其中MA、MB接直流电机的正负极，MGV+接+24V电压，当K2的电压比K3的电压高时，电机正转；反之，电机反转。
如图6电源供电电路利用LM2596T5.0把外部提供的+24V电源转换成+5V电源，经过一系列滤波后给单片机及其他电路供电。LM2596T5.0开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。
如图7所示：RS232串口通信电路是井上通信单元与上位机进行数据交换的主要电路，采用MAX232芯片，通信速率为115200bps，8位数据位。主要与上位机进行各层注水参数的传输。
如图8所示：超声波接收解调电路：无线收发模块Ⅰ接收到信号后经两级多路负反馈二阶有源带通滤波器得到中心频率为fc(即无线收发模块Ⅰ的频率)的波形信号。
令C66＝C67＝C，Req是R39和R38并联的值，R3＝R42
如图9所示：在实际应用中需要根据通信距离和环境来调整带通滤波器的放大倍数。放大倍数不宜过大，因为放大倍数越大时，电源干扰也被放大得越大。
把通信单元的通信控制板17通过RS232串口与上位机连接，给通信单元的通信控制板6通电，上位机发送各层注水参数给通信单元的通信控制板6。通信单元的通信控制板的单片机存储各层注水参数后断电，断开与上位机的连接，给通信单元的通信控制板通电并与流量计连接。下井到调配层，此时通信控制板6根据存储的上位机注水参数产生调制信号，通过无线收发模块I转换成超声波信号发送给通信控制板17，通信控制板17通过无线收发模块Ⅱ接收到超声波信号并转换成电信号，通信控制板17通过滤波、放大等方法把转换后的电信号解调成可处理信号，通信控制板17的CPU把可处理信号解算成各层对应的注水参数，根据解算出的注水参数控制电机19正反转实现水嘴34的调节。各层注水调节完成后通过流量计检测配水器的工作状态，并将井下各层录取数据反馈到上位机，如与所要注水量发生偏差，重新录入数据进行再次水嘴调节。
Claims (2)
1.一种智能无线配水系统，包括通信单元、井下固定式分层注水智能配水单元、通信单元的通信控制板和电机井下固定式分层注水智能配水单元的通信控制板电路，其特征在于：所述通信单元包括无线收发模块、与收发模块通过固定杆、密封组件和锁紧螺母固定的固定筒，与固定筒螺纹连接的通信管柱，与通信管柱螺纹连接的转接体，与转接体螺纹连接的电池筒，与电池筒螺纹连接的自设电磁流量计的或其它流量计的悬挂头；在电池筒内设有电池，在通信管柱内设有通信控制板；所述井下固定式分层注水智能配水单元自上向下包括上接头、与上接头内螺纹连接的上导向体、与上接头外螺纹连接的上连接套、与上导向体内螺纹连接的偏心管、与上连接套内螺纹连接的主体、与主体外螺纹连接的下连接套、与下连接套内螺纹连接的下接头、与偏心管下端外螺纹连接的且设在下连接套内部的且与下接头内螺纹连接的下导向体；在上连接套与偏心管之间的环形空间的上部设有电池腔，在偏心管中部外侧设有通信控制板和电机控制板，在下连接套与偏心管之间的环形空间的主体与下导向体之间的偏心管上设有出水口；在与电机控制板同侧的主体上从上向下设有电机、与电机轴相连的联轴器、通过固定体和轴承与连轴器相连的转接轴、与转接轴固定相连的丝杠、与丝杠螺纹相连的丝杠套、与丝杠套通过密封件动配合相连的阀套；阀套下端与出水口相通，在阀套的上部横向上设有由弹簧和阀芯控制的水嘴，水嘴与主体上所设的出水孔相连；在下连接套与偏心管之间的环形空间内设有无线收发模块；所述通信单元的通信控制板包括CPU处理电路、电源供电电路、RS232串口通信电路、超声波发送调制电路、超声波接收解调电路；CPU处理电路采用单片机ATMEGA1284P-AU作为控制运算芯片，ATMEGA1284P-AU是一款高性能、低功耗的8位AVR单片机，设有先进的RISC结构，共32个8位通用工作寄存器，131条指令，控制运算芯片上包含128K 字节的可编程闪存程序存储器，4K字节的EEPROM和16K字节的SROM；由IEEE 1149.1标准兼容的JTAG接口支持控制运算芯片调试，通过JTAG接口对Flash，EEPROM，Fuses,Lock Bits编程；ATMEGA1284P-AU有六个PWM通道，利用PWM通道发送数据信号，数据信号经调制后由无线收发模块Ⅰ转换成超声波信号发送给井下智能配水器；ATMEGA1284P-AU设有两个具有独立预分频器和比较模式的8位定时/计数器，两个具有独立预分频器,比较功能和捕捉功能的16位定时/计数器，利用16位定时/计数器的捕捉功能处理解调后的信号，经ATMEGA1284P-AU单片机解算出相关数据，并对数据进行相应的处理；通过井筒移动悬吊式携带总流量计量的通信单元的通信控制板电路与井下固定式分层注水智能配水单元的通信控制板电路的无线传输有机配合，在井下高压高温环境下，通信单元和井下固定式分层注水智能配水单元的单片机系统控制电机控制板电路开关水嘴的大小，通过无线通信进行传输数据，对流量和压力采集存储，对电机的驱动和过流保护进行控制，实现对分层注水量的自如精确调控。
2.根据权利要求1所述的一种智能无线配水系统，其特征在于：所述井下固定式分层注水智能配水单元的通信控制板电路与井筒移动悬吊式携带总流量计量的通信单元的通信控制板电路相同。
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