CN115450592B - 一种有缆波码二元控制式智能分注系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有缆波码二元控制式智能分注系统及方法，涉及油田智能分层注水领域，用于石油提取分层注水工艺。本发明通过将其中一个分注仪器上的控制机构设置另一个分注仪器的控制机构上形成组合式控制机构，组合式控制机构包括有线控制机构和无线控制机构，并在有线分注仪器控制机构的电机控制模块上设置转换电路，并在转换电路上设置波码通信控制模式，实现在电缆进水或者电缆载波编解码硬件出现电路故障后，自动切换至波码通信控制模式，波码通信模式采用电池供电，通过压力波和流量波与井下配水器通信控制水嘴开关调节，使得该层位能够继续正常注水和调配，解决现有技术中存在的使用成本高和不方便的问题。
Description
技术领域
本发明涉及油田智能分层注水领域，用于石油提取分层注水工艺，具体为一种有缆波码二元控制式智能分注系统及方法。
背景技术
油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层压力不断下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减小，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油无法开采，为了弥补原油开采出后所造成的地下亏空，保持和提高油层压力，实现油田高产、稳产，并获得较高的采收率，必须对油层进行注水，利用注水井将水注入油层，补充和保持油层压力，达到驱油的目的。现阶段井下智能配水器主要的两大类为，有缆式智能配水器和无缆式智能配水器，如现有技术中一种可实时监测的有缆智能分注系统及其使用方法，专利号为(CN113818850A)、一种波码通信智能分注地面控制装置，专利号为(CN216406789U)，有缆智能配水器通过电缆对井下配水器进行供电和通讯，无缆智能配水器采用电池供电，由压力波或流量波进行通讯和控制，配水器通过电机带动水嘴动作，实现水嘴的开关和百分比调节，进而实现达到驱油的目的。在实际使用的过程中，一旦电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障，电机无法动作时将彻底失去对该层位注水量的控制，此时如果水嘴刚好处于关闭测试的状态则更会导致该层位彻底停注，只有通过重新起下管柱并更换仪器的方式来进行维护，不但占用大量的人力物力资源，同时对正常的注水制度也造成较大影响，造成使用成本高和不方便的问题存在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有缆波码二元控制式智能分注系统及方法，以解决现有技术存在的使用成本高和不方便的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种有缆波码二元控制式智能分注系统，包括有线分注仪器和无线分注仪器，将其中一个分注仪器上的控制机构设置另一个分注仪器的控制机构上形成组合式控制机构，所述组合式控制机构包括有线控制机构和无线控制机构，所述有线控制机构包括电机电源、主控电源、电机控制模块、电机控制电路和编码电路且分别电连接，所述无线控制机构包括电机电池组、主控电池组、主控电源控制模块和数据采集电路且分别电连接，所述主控电源与所述主控电源控制模块电连接，所述电机电池组与所述电机控制模块电连接，所述电机控制模块上设置有转换电路。
所述转换电路包含外接24V直流电源供电，即处于有线控制机构模式，在该模式下电压纹波过大，外加一个瞬态抑制二极管D3，用于保护接口电路的器件，再通过一个整流桥ZLQ，使电源纹波尽可能小，再通过VR1将输出电压调整为5V，再分别接两个二极管D1、D2和稳压管Z1，使输出点TP7电压为3.9V，比电池供电电压高0.3V，则二极管D8反向截止，电池不供电；其中有线控制机构出现故障，需要转换至波码模式，即在没有外接24V直流电源供电时，只有电池供电为3.6V，经过一个二极管D8降压0.6V，可使测试点TP7处电压达到3.0V，实现有缆控制模式和波码通信控制模式之间的切换。
所述转换电路包括波码通信控制结构，用于能够在有线控制机构电路出现故障后，自动切换至波码通信控制模式，所述波码通信控制模式包括波码控制算法，所述波码控制算法用于实现有缆载波与波码通信双功能。
所述波码控制算法包括以下步骤：
步骤一，硬件初始化，用于进行硬件初始化，转换电路实时自检判断仪器当前工作状态，其中仪器正常时采用电缆载波方式与地面进行通信，进行数据的获取、解析，完成相应的动作指令；
步骤二，载波方式标志判断，当转换电路检测到通信异常时，仪器立马切换到波码载波方式；
步骤三，电路检测和转换，启用自身电池供电，地面与井下采用无线压力波码或流量波码的方式建立通信连接，通过事先双方约定的通信协议进行数据的解析，从而完成相应的动作指令以及数据的回传。
所述载波方式标志判断包括波码载波方式和电缆载波方式，所述波码载波方式包括波码解析、数据帧是否有效、协议解析、写操作、读操作和数据载波上传；所述电缆载波方式包括数据解析、数据帧是否有效、协议解析、写操作、读操作命令成功上传。
一种有缆波码二元控制式智能分注方法，该方法包括以下步骤：
步骤a，安装分注仪器，将多只分注仪器与油管进行连接，串接下入采油管柱内，并用电缆串联下井；
步骤b，安装注水井口，架设地面控制系统连接井下多支仪器和远传传输设备；
步骤c，智能控制，通过地面控制系统下发控制命令控制各个层位的井下智能配水器关闭或者打开电控水嘴，进行验封、测调作业。
步骤d，地面监控，当电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障后，利用井口地面控制系统通过周期性的开、关注水流量调节阀门产生压力和流量的变化，将这种变化进行编码，以此来与井下智能分注仪进行通信，进行分层注水的流量调节控制。
所述智能控制，由地面设备控制各层位水嘴动作，分注仪器的电控阀芯将在水嘴组件内部驱动电机和传动丝杠的作用下调整水嘴开度，同时通过孔板流量计算当前层位的流量，地面控制器将流量与预设流量进行对比后再次动作水嘴，直到各个层位的实际注水量等于预设配注量。
所述智能控制包括有线智能控制和无线智能控制，所述有线智能控制和无线智能控制均通过转换电路控制，能够在有线控制机构电路出现故障后，自动切换至波码通信控制模式，用于实现有缆载波与波码通信双功能。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明通过将其中一个分注仪器上的控制机构设置另一个分注仪器的控制机构上形成组合式控制机构，组合式控制机构包括有线控制机构和无线控制机构，并在有线分注仪器控制机构的电机控制模块上设置转换电路，并在转换电路上设置波码通信控制模式，实现在电缆进水或者电缆载波编解码硬件出现电路故障后，自动切换至波码通信控制模式，波码通信模式采用电池供电，通过压力波和流量波与井下配水器通信控制水嘴开关调节，使得该层位能够继续正常注水和调配，解决现有技术中存在的使用成本高和不方便的问题。
附图说明
图1为本发明的有线分注仪器和无线分注仪器结构示意图；
图2为本发明的水嘴组件示意图；
图3为本发明的下接头与水嘴组件示意图；
图4为本发明的控制机构系统结构框图；
图5为本发明的转换电路板电源管理模块示意图；
图6为本发明的有缆、波码智能算法流程图；
图7为本发明的方法流程框图。
图中:1电缆头、2下接头、3验封短节、4电池筒、5上接头、6转换电路板、7中心过流管、8外护筒、9水嘴组件、9-1电机、9-2丝杆、9-3拉力杆、9-4电控阀、9-5孔板、9-6进水口、9-7水嘴出水口、9-8限位开关。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1和图4所示，一种有缆波码二元控制式智能分注系统，包括有线分注仪器和无线分注仪器，将其中一个分注仪器上的控制机构设置另一个分注仪器的控制机构上形成组合式控制机构，所述组合式控制机构包括有线控制机构和无线控制机构，所述有线控制机构包括电机电源、主控电源、电机控制模块、电机控制电路和编码电路且分别电连接，所述无线控制机构包括电机电池组、主控电池组、主控电源控制模块和数据采集电路且分别电连接，所述主控电源与所述主控电源控制模块电连接，所述电机电池组与所述电机控制模块电连接，所述电机控制模块上设置有转换电路；通过在转换电路上设置波码通信控制模式；实现在电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障后，自动切换至波码通信控制模式，波码通信模式采用电池供电，通过压力波和流量波与井下配水器通信控制水嘴开关调节，使得该层位能够继续正常注水和调配，解决现有技术中的使用成本高和不方便的问题。
如图1-图6所示，本实施例中，有线分注仪器和无线分注仪器分别包括外护筒8，外防筒8的上下两端分别设置有上接头5和下接头2，上接头5和下接头2分别与外护筒8螺纹连接，下接头2上设置有出水孔，上接头5和下接头2上分别设置有电缆头1，用于通过电缆与上层仪器连接和下层仪器连接；外防筒8内设置有水嘴组件9、电池筒4、验封短节3和中心过流管7，中心过流管7的两端分别与下接头2和上接头5连接，水嘴组件9的下端伸入下接头2内并连接，用于控制下接头2上出水孔的流量并进行检测；电池筒4和验封短节3的下端分别与下接头2连接，电缆头1的一端分别与验封短节3电连接；验封短节3内部安装有转换电路板6，能够完成以下功能控制电机动作实现水嘴出水口9-7调节，检测水嘴转动圈数和位置，采集温度、压力、流量数据并进行编码发送，接受外部指令并控制整个仪器的动作逻辑；水嘴组件包括电机9-1、丝杠9-2、限位开关9-8、拉力杆9-3、电控阀9-4、孔板9-5、进水口9-6、水嘴出水口9-7组成，下接头2内液体通过孔板9-5进行流量测量，经过电控阀9-4控制流量后流入水嘴出水口9-7，并通过出水孔排出；其中有线分注仪器和无线分注仪器上分别设置有线控制和无线控制，上述的有线分注仪器和无线分注仪器均为现有技术，此处简单描述；实际安装时，将无线分注仪器上的控制机构设置在有线分注仪器上形成组合式控制机构，用于实现有缆控制模式和波码通信控制模式之间的切换，将电机电池组和主控电池组设置在有线分注仪器的电池筒内，并将主控电源控制模块和数据采集电路通过壳体设置在有线分注仪器上位于上接头的下方设置；参考图4所示，组合式控制机构包括有线控制机构和无线控制机构，所述有线控制机构包括电机电源、主控电源、电机控制模块、电机控制电路和编码电路且分别电连接，无线控制机构包括电机电池组、主控电池组、主控电源控制模块和数据采集电路且分别电连接，主控电源与所述主控电源控制模块电连接，电机电池组与电机控制模块电连接；其中验封短节与主控电源控制模块电连接，主控电源控制模块上设置有转换电路，转换电路包含外接24V直流电源供电，即处于有线控制机构模式，在该模式下电压纹波过大，外加一个瞬态抑制二极管D3，用于保护接口电路的器件，再通过一个整流桥ZLQ，使电源纹波尽可能小，再通过VR1将输出电压调整为5V，再分别接两个二极管D1、D2和稳压管Z1，使输出点TP7电压为3.9V，比电池供电电压高0.3V，则二极管D8反向截止，电池不供电；其中有线控制机构出现故障，需要转换至波码模式，即在没有外接24V直流电源供电时，只有电池供电为3.6V，经过一个二极管D8降压0.6V，可使测试点TP7处电压达到3.0V，实现有缆控制模式和波码通信控制模式之间的切换；参考图5所示，有缆控制模式和波码通信控制模式之间的切换通过转换电路板6电源管理模块来实现，电源管理模块能够兼容外接电源和电池自动切换供电，即有外接电源时，电池不工作，没有外接电源时，电池工作；整个切换过程在硬件上自动完成，其具体工作原理是：当有外接24V直流电源供电时，即处于有缆控制模式，在该模式下，如果电压纹波过大，外加一个瞬态抑制二极管D3，可以更好保护接口电路的器件，再通过一个整流桥ZLQ，使电源纹波尽可能小，再通过VR1将输出电压调整为5V，再分别接两个二极管D1、D2和稳压管Z1，使输出点TP7电压为3.9V，比电池供电电压高0.3V，则二极管D8反向截止，电池不供电；当电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障后，需要转换至波码模式，即在没有外接24V直流电源供电时，只有电池供电为3.6V，经过一个二极管D8降压0.6V，可使测试点TP7处电压达到3.0V，通过该原理实现有缆控制模式和波码通信控制模式之间的切换；参考图6所示，转换电路包括波码通信控制结构，用于能够在有线控制机构电路出现故障后，自动切换至波码通信控制模式，所述波码通信控制模式包括波码控制算法，波码控制算法用于实现有缆载波与波码通信双功能；波码控制算法包括以下步骤：步骤一，硬件初始化，用于进行硬件初始化，转换电路实时自检判断仪器当前工作状态，其中仪器正常时采用电缆载波方式与地面进行通信，进行数据的获取、解析，完成相应的动作指令；步骤二，载波方式标志判断，当转换电路检测到通信异常时，仪器立马切换到波码载波方式；步骤三，电路检测和转换，启用自身电池供电，地面与井下采用无线压力波码或流量波码的方式建立通信连接，通过事先双方约定的通信协议进行数据的解析，从而完成相应的动作指令以及数据的回传；其中载波方式标志判断包括波码载波方式和电缆载波方式，所述波码载波方式包括波码解析、数据帧是否有效、协议解析、写操作、读操作和数据载波上传；所述电缆载波方式包括数据解析、数据帧是否有效、协议解析、写操作、读操作命令成功上传；在有缆智能分注的基础上，增加波码控制算法，实现有缆载波与波码通信双功能；组合式控制机构上电后进行硬件初始化，主要包含系统时钟初始化、I/O端口初始化、通信端口初始化、定时器初始化、AD采样电路、看门狗初始化等。起着承上启下关键作用的转换电路实时自检对系统的运行状态进行检测，主要是监测仪器的工作电压、电流是否超出阈值，通讯总线上的数据是否正常，对当前仪器工作状态进行合理的判断；当仪器正常工作时，采用电缆载波方式与井下智能注水仪进行通信，地面控制系统将控制命令通过电缆传输给井下智能注水仪，注水仪接收到数据后对数据进行解析、计算和判断，将错误的命令进行丢弃，完成正确指令的相应动作，最后将数据进行打包封装处理，回传至地面控制系统；当仪器监测到状态异常时，转换电路将仪器工作模式切换到波码载波方式，同时启用自身电池供电，地面控制系统与井下智能注水仪采用无线压力波码或流量波码的方式建立通信连接。地面通过周期性的改变井口的注水压力和流量产生压力波和流量波，安装在井下智能注水仪上的传感器接收到压力波和流量波的变化信号，通过事先双方约定的通信协议进行波码数据的解析，对错误的命令静默处理，正确的命令进行响应，完成相对应的动作指令，同时通过开、关自身水嘴产生压力波和流量波进行数据的回传；该仪器具备有缆智能分注仪的功能，能够实时监测井下压力、温度、流量等数据并进行上传存储；该仪器具备有无缆(波码通信)智能分注仪的功能，能够监测井下压力、温度、流量等数据并进行上传存储；仪器具备46mm直径的中心测试通道，能够顺利通过测调仪、压力计、流量计等常规测试仪器；该仪器提供了一种有缆波码二元控制式智能分注系统全新方法，在电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障后，转换电路板立即切换电池供电模式，启用波码通信控制模式，能够利用无线波码通信手段继续进行分层注水的流量调节控制，避免智能分注系统失效造成的生产延误、起下管柱、设备维护的巨大成本；该仪器转换电路板位于上接头下方，实时监测外部供电状态，当检测到外部供电故障后，立即切换为电池供电模式，仪器与地面转换为无线通信状态，保证仪器的正常使用，并通过将有线分注仪器上的控制机构设置无线分注仪器控制机构上，无线分注仪器控制机构上集成有线控制机构和无线控制机构，并在无线分注仪器控制机构的电机控制模块上设置转换电路，并在转换电路上设置波码通信控制模式；实现在电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障后，自动切换至波码通信控制模式，波码通信模式采用电池供电，通过压力波和流量波与井下配水器通信控制水嘴开关调节，使得该层位能够继续正常注水和调配，解决现有技术中的使用成本高和不方便的问题。
如图7所示，一种有缆波码二元控制式智能分注方法，该方法包括以下步骤：步骤a，安装分注仪器，将多只分注仪器与油管进行连接，串接下入采油管柱内，并用电缆串联下井；步骤b，安装注水井口，架设地面控制系统连接井下多支仪器和远传传输设备；步骤c，智能控制，通过地面控制系统下发控制命令控制各个层位的井下智能配水器关闭或者打开电控水嘴，进行验封、测调作业。步骤d，地面监控，当电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障后，利用井口地面控制系统通过周期性的开、关注水流量调节阀门产生压力和流量的变化，将这种变化进行编码，以此来与井下智能分注仪进行通信，进行分层注水的流量调节控制；所述智能控制，由地面设备控制各层位水嘴动作，分注仪器的电控阀芯将在水嘴组件内部驱动电机和传动丝杠的作用下调整水嘴开度，同时通过孔板流量计算当前层位的流量，地面控制器将流量与预设流量进行对比后再次动作水嘴，直到各个层位的实际注水量等于预设配注量所述智能控制包括有线智能控制和无线智能控制，所述有线智能控制和无线智能控制均通过转换电路控制，能够在有线控制机构电路出现故障后，自动切换至波码通信控制模式，用于实现有缆载波与波码通信双功能；将多只该仪器与有油管进行连接，串接下入采油管柱内，并用电缆串联下井；管柱作业完毕，安装注水井口，并架设地面控制系统连接井下多支仪器和远传传输设备；通过地面控制系统下发控制命令控制各个层位的井下智能配水器关闭或者打开电控水嘴，进行验封、测调等作业；根据配注要求，由地面设备控制各层位水嘴动作，仪器的电控阀芯将在水嘴组件内部驱动电机和传动丝杠的作用下调整水嘴开度，同时通过204孔板流量计算当前层位的流量，地面控制器将流量与预设流量进行对比后再次动作水嘴，直到各个层位的实际注水量等于预设配注量；当电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障后，可利用井口地面控制系统通过周期性的开、关注水流量调节阀门产生压力和流量的变化，将这种变化进行编码(波码)，以此来与井下智能分注仪进行通信，进行分层注水的流量调节控制；通过上述作业，解决了有缆智能注水电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障失效时无法控制配注和开关水嘴的问题，避免了起井作业，降低了经济损失。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种有缆波码二元控制式智能分注系统，包括有线分注仪器和无线分注仪器，其特征在于，将其中一个分注仪器上的控制机构设置另一个分注仪器的控制机构上形成组合式控制机构，所述组合式控制机构包括有线控制机构和无线控制机构，所述有线控制机构包括电机电源、主控电源、电机控制模块、电机控制电路和编码电路且分别电连接，所述无线控制机构包括电机电池组、主控电池组、主控电源控制模块和数据采集电路且分别电连接，所述主控电源与所述主控电源控制模块电连接，所述电机电池组与所述电机控制模块电连接，所述电机控制模块上设置有转换电路；通过在转换电路上设置波码通信控制模式，实现在电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障后，自动切换至波码通信控制模式。
2.根据权利要求1所述的一种有缆波码二元控制式智能分注系统，其特征在于：所述转换电路包含外接24V直流电源供电，即处于有线控制机构模式，在该模式下电压纹波过大，外加一个瞬态抑制二极管D3，用于保护接口电路的器件，再通过一个整流桥ZLQ，使电源纹波尽可能小，再通过VR1将输出电压调整为5V，再分别接两个二极管D1、D2和稳压管Z1，使输出点TP7电压为3.9V，比电池供电电压高0.3V，则二极管D8反向截止，电池不供电；其中有线控制机构出现故障，需要转换至波码模式，即在没有外接24V直流电源供电时，只有电池供电为3.6V，经过一个二极管D8降压0.6V，可使测试点TP7处电压达到3.0V，实现有缆控制模式和波码通信控制模式之间的切换。
3.根据权利要求1或2所述的一种有缆波码二元控制式智能分注系统，其特征在于：所述转换电路包括波码通信控制结构，用于能够在有线控制机构电路出现故障后，自动切换至波码通信控制模式，所述波码通信控制模式包括波码控制算法，所述波码控制算法用于实现有缆载波与波码通信双功能。
4.根据权利要求3所述的一种有缆波码二元控制式智能分注系统，其特征在于：所述波码控制算法包括以下步骤：
步骤一，硬件初始化，用于进行硬件初始化，转换电路实时自检判断仪器当前工作状态，其中仪器正常时采用电缆载波方式与地面进行通信，进行数据的获取、解析，完成相应的动作指令；
步骤二，载波方式标志判断，当转换电路检测到通信异常时，仪器立马切换到波码载波方式；
步骤三，电路检测和转换，启用自身电池供电，地面与井下采用无线压力波码或流量波码的方式建立通信连接，通过事先双方约定的通信协议进行数据的解析，从而完成相应的动作指令以及数据的回传。
5.根据权利要求4所述的一种有缆波码二元控制式智能分注系统，其特征在于：所述载波方式标志判断包括波码载波方式和电缆载波方式，所述波码载波方式包括波码解析、数据帧是否有效、协议解析、写操作、读操作和数据载波上传；所述电缆载波方式包括数据解析、数据帧是否有效、协议解析、写操作、读操作命令成功上传。
6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的有缆波码二元控制式智能分注系统的分注方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤a，安装分注仪器，将多只分注仪器与油管进行连接，串接下入采油管柱内，并用电缆串联下井；
步骤b，安装注水井口，架设地面控制系统连接井下多支仪器和远传传输设备；
步骤c，智能控制，通过地面控制系统下发控制命令控制各个层位的井下智能配水器关闭或者打开电控水嘴，进行验封、测调作业；
步骤d，地面监控，当电缆进水或者电缆载波编解码硬件电路故障后，利用井口地面控制系统通过周期性的开、关注水流量调节阀门产生压力和流量的变化，将这种变化进行编码，以此来与井下智能分注仪进行通信，进行分层注水的流量调节控制。
7.根据权利要求6所述的一种有缆波码二元控制式智能分注系统的分注方法，其特征在于：所述智能控制，由地面设备控制各层位水嘴动作，分注仪器的电控阀芯将在水嘴组件内部驱动电机和传动丝杠的作用下调整水嘴开度，同时通过孔板流量计算当前层位的流量，地面控制器将流量与预设流量进行对比后再次动作水嘴，直到各个层位的实际注水量等于预设配注量。
8.根据权利要求7所述的一种有缆波码二元控制式智能分注系统的分注方法，其特征在于：所述智能控制包括有线智能控制和无线智能控制，所述有线智能控制和无线智能控制均通过转换电路控制，能够在有线控制机构电路出现故障后，自动切换至波码通信控制模式，用于实现有缆载波与波码通信双功能。
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