CN110984930B - 一种井下精细分层注水控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种井下精细分层注水控制装置及其方法，其中井下精细分层注水控制装置包括上位机、测调仪、井下智能配水器，上位机与测调仪通过电缆连接，上位机在地面上，井下智能配水器在深井作业环境中，测调仪则是连接上位机与配水器的纽带，当通讯开始时，三者组成一套井下精细分层注水的智能控制模式，通过测调仪对井下智能配水器的休眠唤醒、数据采集、目标流量设置、实时流量监测、注水压力显示和启动智能控制来实现分层注水同步动态测调控制，确保地层保持比较精确的储层注水量。本发明采用分层注水模式、智能控制模式控制方式，通过上位机与井下精细分层注水控制系统配合完成远程实时控制，提升注水管理可靠性。

Description

一种井下精细分层注水控制装置及其方法

技术领域：

本发明涉及的是分层注水技术领域，具体涉及的是一种井下精细分层注水控制装置及其方法。

背景技术：

现在的精细分层注水技术是在生产井内安装压力、温度、流量监控设备，并能够对监控数据进行综合分析，通过流量控制设备在地面对油层流出、流入的液流进行控制。从电能供应角度划分，现有配水分注工艺包括两种形式，一种是有缆式，井下电控设备通过电缆与地面主机连接，从地面可以随时传递信号控制井下装置的各种操作，同时将井下数据传递到地面。这种方式可实现远程遥控，但由于增加了电缆，增加了成本，且维护一次工作周期长。另一种形式是无缆式，井下配水器预置电池，给配水器的电机供电，电机带动水嘴来控制各油层的配水情况，借助压力波来进行信号传输，但是预制于井下的电池电量有限，电量使用完后，必须把整节管柱取出，工作量大，配水器工作寿命短。

发明内容：

本发明的一个目的是提供井下精细分层注水控制装置，这种井下精细分层注水控制装置用于解决井下电控设备成本高、维护周期长或电池不能充电，使用后取出工作量大的问题，本发明的另一个目的是提供井下精细分层注水控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种井下精细分层注水控制装置包括上位机、测调仪、井下智能配水器，上位机设置于地面上，上位机中安装实时监控测调系统，上位机与测调仪通过电缆连接，井下智能配水器设置在井下油管中；测调仪设置电力载波模块、测调仪无线通讯模块、测调仪核心控制电路板、卡爪电机、卡爪、原边线圈，电力载波模块与实时监控测调系统进行通讯，测调仪核心控制电路板控制卡爪电机运转，原边线圈设置于测调仪下部，测调仪下端安装磁钢；

井下智能配水器包括上接头、外壳，外壳内设置充电组、连接体、走水管、电池组、配水器核心控制电路板、涡轮流量计、磁耦合传动数控堵塞器、温度传感器、下接头，充电组设置于外壳上部，上接头与外壳密封腔相连通处装有流量控制阀；下接头中装有水嘴嘴前压力计、嘴后压力计和配水器无线通讯模块；配水器主体上部安装上压力传感器，下部安装下压力传感器和温度传感器；液流从外壳上的入口进入配水器腔体内部，从出口处流出再进入连接体内部水道，液流经入水流道进入涡轮流量计管道，对流经液流量进行测量，再进入配水器主体内部水道，通过磁耦合传动数控堵塞器入水口进入磁耦合传动数控堵塞器内部，经磁耦合传动数控堵塞器的调节，流水从磁耦合传动数控堵塞器主体上的出水口流出完成配水过程；

测调仪下放时，霍尔传感器检测到磁钢，卡爪电机控制卡爪张开卡在井下智能配水器上，固定测调仪的位置；

充电组包括副边线圈，原边线圈直径小于副边线圈直径，电池组充电时，随着测调仪的下放，原边线圈同轴套入副边线圈中，实现非接触电磁耦合充电。

上述方案中原边线圈、副边线圈均采用螺线管式。

上述方案中配水器主体上端通过连接体与外壳连接，外壳内设置耳板，连接体通过螺栓组固定在耳板上，连接体与外壳之间设置O型密封圈组，连接体中心设置流道。

上述方案中涡轮流量计上下两端均设置多组O型密封圈组。

一种井下精细分层注水控制方法：

步骤一：井下智能配水器下井

将井下智能配水器下放入井中进行固定封装；

步骤二：设定控制流量参数

设定井下智能配水器的初始化参数，按照所需要的目标流量设置流量控制阀的开度；

步骤三：设定待机唤醒周期

设定井下智能配水器休眠时间和初步唤醒周期，以节省电能；

步骤四：霍尔精准定位、唤醒模式

测调仪下放至井下智能配水器时，霍尔传感器一旦检测到磁钢，电机控制卡爪张开卡在井下智能配水器上，固定测调仪的位置，而唤醒后的井下智能配水器在测调仪唤醒后发送指令给上位机以确定测调仪的充电位置；

步骤五：通讯模式

井下智能配水器通过配水器无线通讯模块将井下采集到的数据给发送到测调仪，测调仪将收到的数据通过电力载波模块传输给上位机，上位机接受数据并将收到的流量、压力、温度、流量控制阀的开度显示在上位机界面上；

步骤六：分层注水模式

从井下智能配水器发送到上位机的数据得到配水器嘴后压力，设定新的水嘴阀门开度，通过PWM调节水嘴阀门的移动速度达到快速调节，水嘴调节开始时，磁耦合传动数控堵塞器的霍尔通过感应装在磁耦合传动数控堵塞器电机转轴上的磁钢来确定磁耦合传动数控堵塞器电机转动的圈数，从而精确测定水嘴阀门开度；水嘴调节过程中通过上位机生成对应的压力指令迅速进入分层注水模式；井下智能配水器中流量和压力是相关的，根据上位机控制算法将流量与压力拟合在一起，压力作为自变量，流量作为因变量实现了更加自动化的智能调节，当压力变化范围为5%左右时，流量的变化范围为10%左右，实现精确的自动调节。

步骤七：一体化智能控制模式

上位机在地面上，井下智能配水器在深井作业环境中，测调仪则是连接上位机与配水器的纽带，当通讯开始时，三者组成一套井下精细分层注水的智能控制模式，通过测调仪对井下智能配水器的休眠唤醒、数据采集、目标流量设置、实时流量监测、注水压力显示和启动智能控制来实现分层注水同步动态测调控制，确保地层保持比较精确的储层注水量。

上述方案中分层注水模式包括根据回传给上位机的历史数据进行人工远程干预的开环粗调节模式，注水压力是通过井下智能配水器采集到的水嘴嘴后压力决定的，如果水嘴嘴后压力比注水压力>5%，上位机生成压力指令，快速调节至注水压力与水嘴嘴后压力达到均衡；如果水嘴嘴后压力比注水压力≤5%，则保持原有的注水模式不变；待注水压力的粗调节满足要求后，发送目标流量指令给井下智能配水器；

分层注水模式还包括通过智能控制算法进行无人工干预的同步动态闭环精细调节模式，目标流量是通过注水压力粗调节后给出的流量指令，井下智能配水器的当前流量是通过涡轮流量传感器测到的，当注水压力与水嘴嘴后压力达到均衡后，根据上位机设定的目标流量和PWM调速指令，如果当配水器当前流量比目标流量>10%，则通过智能控制算法动态实时自主测调和PWM调节相结合，使当前流量快速精准的达到目标流量，如果当前流量比目标流量≤10%，则保持原有的调节模式不变。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明实现上位机与井下精细分层注水智能装置的稳定通讯和实时测调，上位机通过算法控制来实时精确的反应井下精细分层注水控制系统的状态，通讯设备用电力载波与无线模块相结合的无缆通讯，井下精细分层注水智能装置接受上位机人工干预测调与自身的无人工干预实时动态测调来以最短时间完成目标流量与当前流量精准匹配。从而来提高分层注水精度与注水效率。

2、 本发明根据环空压力、当前流量等基础数据，井下精细分层注水控制系统向上位机发送历史数据基础数据，上位机发送新的目标流量与井下精细分层注水控制系统配合完成自动控制分层注水模式，实现精准平衡注水。

3、本发明采用分层注水模式、智能控制模式控制方式，通过上位机与井下精细分层注水控制系统配合完成远程实时控制，提升注水管理可靠性。

4、本发明在井下集成流量采集校验控制、压力采集转化控制，实时监测分层注水动态，并结合压力与流量同步测调注水要求，精细分层注水控制系统，提升了精细注水开发的合理性。

四、附图说明：

图1为一种井下精细分层注水通讯系统示意图；

图2为井下智能配水器的剖视图；

图3为井下智能配水器的立体图；

图4为井下智能配水器的充电组以上部分剖视图；

图5为测调仪的结构示意图；

图6为本发明井下精细分层注水控制装置的示意图。

图中：1-上接头；2-外壳；3-充电组；4-连接体；5-螺栓组；6-耳板；7-电池组；8-电池固定架；9-走水管；10-控制板安装架；11-配水器核心控制电路板；12-下接头；13-O形圈组一；14-O形圈组二；15-霍尔传感器；16-O形圈组三；17-O形圈组四；18-涡轮流量计；19-磁耦合传动数控堵塞器；20-O形圈组五；21-O形圈组六；22-O形圈组七；23-O形圈组八；24-三芯插头；25-上压力传感器；26-温度传感器；27-下压力传感器；29-副边线圈；30-卡爪卡槽，31-电力载波模块；32-测调仪核心控制电路板；33-测调仪无线通讯模块； 34-卡爪电机；35-电机联轴器；36-卡爪；37-原边线圈；38-磁钢，39-电缆；40-测调仪；41-无线通讯探头一；42-无线通讯探头二；43-井下智能配水器；44-封隔器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，为实现井下精细分层注水一体化，本发明采用上位机、测调仪40、配水器实时通讯、动态测调的智能控制方式对配水器流量达到精准测调，提高注水效率与注水精度。

本发明提供了一种上位机、测调仪40、配水器三位一体化通讯模式，具体通讯方式为当上一次井下配水器调节完毕进入休眠状态后，上位机与测调仪40通过电力线相连，下放至配水器前端通过所携带的磁钢39使配水器中的霍尔元件感应到信号后将配水器唤醒，唤醒后的配水器将唤醒信号通过图6的无线通讯探头二42发送给无线通讯探头一41，再通过测调仪电力载波模块31用电缆39上传给上位机，以此命令显示通讯正常；上位机发送获取历史数据指令，开始数据传输。

如图6所示，这种井下精细分层注水控制装置包括上位机、测调仪40、井下智能配水器43，上位机设置于地面上，上位机中安装实时监控测调系统，上位机与测调仪40通过电缆连接，油管中从上至下依次间隔设置封隔器44和井下智能配水器43，油管下端接井下附件。

结合图2、图3所示井下智能配水器43包括上接头1、外壳2，外壳2内设置充电组3、连接体4、走水管9、电池组7、涡轮流量计18、磁耦合传动数控堵塞器19、温度传感器26、下接头12，充电组3设置于外壳2上部，上接头1与外壳密封腔相连通处装有流量控制阀；下接头12中装有水嘴嘴前压力计、嘴后压力计和配水器无线通讯模块；配水器主体上部安装上压力传感器25，下部安装下压力传感器27和温度传感器26；配水器主体上端通过连接体4与外壳2连接，外壳2内设置耳板6，连接体4通过螺栓组5固定在耳板6上。配水器主体内设置控制板安装架10和电池固定架8，配水器核心控制电路板11通过控制板安装架10安装，电池组7安装在电池固定架8上，本发明设置多组O型密封圈组，如O形圈组一13、O形圈组二14、O形圈组五20、O形圈组六21、O形圈组七22，连接体4与外壳2之间设置O型密封圈组三16，连接体4中心设置流道。涡轮流量计18上下两端均设置多组O型密封圈组，包括O形圈组四17、O形圈组八23。井下智能配水器还有三芯插头24。

液流从外壳2上的入口进入配水器腔体内部，从出口处流出再进入连接体4内部水道，液流经入水流道进入涡轮流量计18管道，对流经液流量进行测量，再进入配水器主体内部水道，通过磁耦合传动数控堵塞器19入水口进入磁耦合传动数控堵塞器19内部，经磁耦合传动数控堵塞器19的调节，流水从磁耦合传动数控堵塞器19主体上的出水口流出完成配水过程。

充电组3包括副边线圈29，原边线圈37直径小于副边线圈29直径，电池组7充电时，随着测调仪40的下放，原边线圈37同轴套入副边线圈29中，实现非接触电磁耦合充电。原边线圈37、副边线圈29均采用螺线管式。

本发明实时检测、动态测调是这样实现的：当配水器被唤醒后，上位机通过配水器上传的数据对配水器进行实时检测，当需要改变目标流量时，通过上位机给配水器目标流量指令，当指令产生后，上位机通过图6的电缆将指令发送给图5的测调仪40，测调仪40通过电力载波模块31将数据再传给无线通讯模块，然后通过无线通讯将数据传给配水器，配水器根据目标流量调节当前流量；调节时，当配水器水嘴嘴后压力>5%时，进行人工远程干预的开环粗调节模式，当配水器水嘴嘴后压力<5%时，通过智能控制算法进行无人工干预的同步自主动态调节的闭环精细调节模式。

图5所示，测调仪40设置电力载波模块31、测调仪无线通讯模块33、测调仪核心控制电路板32、卡爪电机34、电机联轴器35、卡爪36、原边线圈37，电力载波模块31与实时监控测调系统进行通讯，测调仪核心控制电路板32控制卡爪电机34运转，原边线圈37设置于测调仪40下部，测调仪40下端安装磁钢38。当配水器处于休眠状态时，通过下放测调仪40来唤醒配水器，并且通过配水器上的霍尔传感器15对测调仪40进行定位，当上位机检测到霍尔传感器15产生的定位信号时，上位机产生打开卡爪36指令，并且上拉测调仪1-2cm使卡爪36在固定位置嵌入智能配水器的卡爪卡槽30，实现定位，从而进行从上至下一体化通讯。

通过上位机检测与测调，实现有人工干预的粗调节和无人工干预的精细调节；具体方法为上位机在地面上，配水器在深井作业环境中，测调仪40则是连接上位机与配水器的纽带，当通讯开始时，三者组成一套井下精细分层注水的智能控制模式。

本发明井下精细分层注水控制方法：

步骤一：井下智能配水器下井

将井下智能配水器43下放入井中进行固定封装；

步骤二：设定控制流量参数

设定井下智能配水器43的初始化参数，按照所需要的目标流量设置流量控制阀的开度；

步骤三：设定待机唤醒周期

设定井下智能配水器43休眠时间和初步唤醒周期，以节省电能；

步骤四：霍尔精准定位、唤醒模式

测调仪40下放至井下智能配水器43时，霍尔传感器15一旦检测到磁钢38，电机控制卡爪36张开卡在井下智能配水器43上，固定测调仪40的位置，而唤醒后的井下智能配水器43在测调仪40唤醒后发送指令给上位机以确定测调仪40的充电位置；

步骤五：通讯模式

井下智能配水器43通过配水器无线通讯模块将井下采集到的数据给发送到测调仪40，测调仪40将收到的数据通过电力载波模块31传输给上位机，上位机接受数据并将收到的流量、压力、温度、流量控制阀的开度显示在上位机界面上；

步骤六：分层注水模式

从井下智能配水器43发送到上位机的数据得到配水器嘴后压力，设定新的水嘴阀门开度，通过PWM调节水嘴阀门的移动速度达到快速调节，水嘴调节开始时，磁耦合传动数控堵塞器19的霍尔通过感应装在磁耦合传动数控堵塞器电机转轴上的磁钢38来确定磁耦合传动数控堵塞器电机转动的圈数，从而精确测定水嘴阀门开度；水嘴调节过程中通过上位机生成对应的压力指令迅速进入分层注水模式；井下智能配水器43中流量和压力是相关的，根据上位机控制算法将流量与压力拟合在一起，压力作为自变量，流量作为因变量实现了更加自动化的智能调节，当压力变化范围为5%左右时，流量的变化范围为10%左右，实现精确的自动调节。

分层注水模式包括根据回传给上位机的历史数据进行人工远程干预的开环粗调节模式，注水压力是通过井下配水器采集到的水嘴嘴后压力决定的，如果配水器的水嘴嘴后压力比注水压力>5%,上位机生成的压力指令，快速调节至注水压力与配水器水嘴嘴后压力达到均衡；如果配水器水嘴嘴后压力比注水压力<=5%,则保持原有的注水模式不变；待注水压力的粗调节满足要求后，发送目标流量指令给井下配水器；分层注水模式包括通过智能控制算法进行无人工干预的同步动态闭环精细调节模式，目标流量是通过注水压力粗调节后给出的流量指令，配水器的当前流量是通过涡街流量传感器测到的，当注水压力与配水器水嘴嘴后压力达到均衡后，根据上位机设定的目标流量和PWM调速指令，如果当配水器当前流量比目标流量>10%，则通过智能控制算法动态实时自主测调和PWM调节相结合，使配水器当前流量快速精准的达到目标流量，如果配水器的当前流量比目标流量<=10%，则保持原有的调节模式不变。

步骤七：一体化智能控制模式

上位机在地面上，井下智能配水器43在深井作业环境中，测调仪40则是连接上位机与配水器的纽带，当通讯开始时，三者组成一套井下精细分层注水的智能控制模式，通过测调仪40对井下智能配水器43的休眠唤醒、数据采集、目标流量设置、实时流量监测、注水压力显示和启动智能控制来实现分层注水同步动态测调控制，确保地层保持比较精确的储层注水量。

本发明通过将测调仪40上提，还可将原边线圈37从井内提出。

Claims (6)

1.一种井下精细分层注水控制装置，其特征在于：这种井下精细分层注水控制装置包括上位机、测调仪（40）、井下智能配水器（43），上位机设置于地面上，上位机中安装实时监控测调系统，上位机与测调仪（40）通过电缆（39）连接，井下智能配水器（43）设置在井下油管中；测调仪（40）设置电力载波模块（31）、测调仪无线通讯模块（33）、测调仪核心控制电路板（32）、卡爪电机（34）、卡爪（36）、原边线圈（37），电力载波模块（31）与实时监控测调系统进行通讯，测调仪核心控制电路板（32）控制卡爪电机（34）运转，原边线圈（37）设置于测调仪（40）下部，测调仪（40）下端安装磁钢（38）；

井下智能配水器（43）包括上接头（1）、外壳（2），外壳（2）内设置充电组（3）、连接体（4）、走水管（9）、电池组（7）、配水器核心控制电路板（11）、涡轮流量计（18）、磁耦合传动数控堵塞器（19）、温度传感器（26）、下接头（12），充电组（3）设置于外壳（2）上部，上接头（1）与外壳密封腔相连通处装有流量控制阀；下接头（12）中装有水嘴嘴前压力计、嘴后压力计和配水器无线通讯模块；配水器主体上部安装上压力传感器（25），下部安装下压力传感器（27）和温度传感器（26）；液流从外壳（2）上的入口进入配水器腔体内部，从出口处流出再进入连接体（4）内部水道，液流经入水流道进入涡轮流量计（18）管道，对流经液流量进行测量，再进入配水器主体内部水道，通过磁耦合传动数控堵塞器入水口进入磁耦合传动数控堵塞器（19）内部，经磁耦合传动数控堵塞器（19）的调节，流水从磁耦合传动数控堵塞器（19）主体上的出水口流出完成配水过程；

测调仪（40）下放时，霍尔传感器（15）检测到磁钢（38），卡爪电机（34）控制卡爪（36）张开卡在井下智能配水器（43）上，固定测调仪（40）的位置，霍尔传感器（15）安装在连接体内；

充电组（3）包括副边线圈（29），原边线圈（37）直径小于副边线圈（29）直径，电池组（7 ）充电时，随着测调仪（40）的下放，原边线圈（37）同轴套入副边线圈中（29），实现非接触电磁耦合充电。

2.根据权利要求1所述的井下精细分层注水控制装置，其特征在于：所述的原边线圈（37）、副边线圈（29）均采用螺线管式。

3.根据权利要求2所述的井下精细分层注水控制装置，其特征在于：所述的配水器主体上端通过连接体（4）与外壳（2）连接，外壳（2）内设置耳板（6），连接体（4）通过螺栓组（5）固定在耳板（6）上，连接体（4）与外壳（2）之间设置O型密封圈组，连接体（4）中心设置流道。

4.根据权利要求3所述的井下精细分层注水控制装置，其特征在于：所述的涡轮流量计（18）上下两端均设置多组O型密封圈组。

5.一种权利要求1或2或3或4所述的井下精细分层注水控制装置进行井下精细分层注水控制方法，其特征在于：

步骤一：井下智能配水器下井

将井下智能配水器（43）下放入井中进行固定封装；

步骤二：设定控制流量参数

设定井下智能配水器（43）的初始化参数，按照所需要的目标流量设置流量控制阀的开度；

步骤三：设定待机唤醒周期

设定井下智能配水器（43）休眠时间和初步唤醒周期，以节省电能；

步骤四：霍尔精准定位、唤醒模式

测调仪（40）下放至井下智能配水器（43）时，霍尔传感器（15）一旦检测到磁钢（38），电机控制卡爪（36）张开卡在井下智能配水器（43）上，固定测调仪（40）的位置，而唤醒后的井下智能配水器（43）在测调仪（40）唤醒后发送指令给上位机以确定测调仪（40）的充电位置；

步骤五：通讯模式

井下智能配水器（43）通过配水器无线通讯模块将井下采集到的数据给发送到测调仪（40），测调仪（40）将收到的数据通过电力载波模块（31）传输给上位机，上位机接受数据并将收到的流量、压力、温度、流量控制阀的开度显示在上位机界面上；

步骤六：分层注水模式

从井下智能配水器（43）发送到上位机的数据得到配水器嘴后压力，设定新的水嘴阀门开度，通过PWM调节水嘴阀门的移动速度达到快速调节，水嘴调节开始时，磁耦合传动数控堵塞器（19）的霍尔通过感应装在磁耦合传动数控堵塞器电机转轴上的磁钢（38）来确定磁耦合传动数控堵塞器电机转动的圈数，从而精确测定水嘴阀门开度；水嘴调节过程中通过上位机生成对应的压力指令迅速进入分层注水模式；井下智能配水器（43）中流量和压力是相关的，根据上位机控制算法将流量与压力拟合在一起，压力作为自变量，流量作为因变量实现了更加自动化的智能调节，当压力变化范围为5%左右时，流量的变化范围为10%左右，实现精确的自动调节；

步骤七：一体化智能控制模式

上位机在地面上，井下智能配水器（43）在深井作业环境中，测调仪（40）则是连接上位机与配水器的纽带，当通讯开始时，三者组成一套井下精细分层注水的智能控制模式，通过测调仪（40）对井下智能配水器（43）的休眠唤醒、数据采集、目标流量设置、实时流量监测、注水压力显示和启动智能控制来实现分层注水同步动态测调控制，确保地层保持比较精确的储层注水量。

6.根据权利要求5所述的井下精细分层注水控制装置进行井下精细分层注水控制方法，其特征在于：分层注水模式包括根据回传给上位机的历史数据进行人工远程干预的开环粗调节模式，注水压力是通过井下智能配水器（43）采集到的水嘴嘴后压力决定的，如果水嘴嘴后压力比注水压力>5%，上位机生成压力指令，快速调节至注水压力与水嘴嘴后压力达到均衡；如果水嘴嘴后压力比注水压力≤5%，则保持原有的注水模式不变；待注水压力的粗调节满足要求后，发送目标流量指令给井下智能配水器；

分层注水模式还包括通过智能控制算法进行无人工干预的同步动态闭环精细调节模式，目标流量是通过注水压力粗调节后给出的流量指令，井下智能配水器（43）的当前流量是通过涡轮流量传感器测到的，当注水压力与水嘴嘴后压力达到均衡后，根据上位机设定的目标流量和PWM调速指令，如果当前流量比目标流量>10%，则通过智能控制算法动态实时自主测调和PWM调节相结合，使当前流量快速精准的达到目标流量，如果当前流量比目标流量≤10%，则保持原有的调节模式不变。

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