CN201738908U - 超声波测控配水装置 - Google Patents

Abstract

一种超声波测控配水装置，它解决了现有技术存在的调配操作复杂、效率低、应用受限等难题，包括套管，扶正器、堵水封隔器、超声波测调配水器、球座、筛管和丝堵，其技术要点是：套管内的超声波测调配水器内设置与测调控制单元连接的井下超声波通信单元，测调控制单元分别与超声波流量传感器、压力传感器、温度传感器和微电机驱动的调节水嘴连接，每个井下超声波通信单元分别与地面超声波通信单元相互间采用超声波编码通信，实现井下与地面的超声波通信单元间的数据信息传输，自动完成每个注水层的注水量的调节。其结构设计合理，具有利用超声波通信技术实现无线控制直接测量配水流量，配水量精确，配注精度不受注水层增加的影响，拓宽适用范围。

Description

超声波测控配水装置

技术领域

本实用新型涉及一种油田注水井分层注水用的配水、监测装置，特别是一种基于超声波通信技术实现无线控制、监测注水井分层配水的超声波测控配水装置，广泛应用于油田的深井、超深井和斜井中注水井的分层配水、监测。

背景技术

目前，由于分层注水具有驱油替水、补充地层能量的双重作用，所以越来越受到各个油田的重视。但是，油田分层注水面临的技术难题是不能有效地根据生产要求和各注水层的地质特性实现最佳配注，以达到提高分层注水井的注水效果，降低油田综合含水率，提高油田采收率，保证油田长期稳产高产的目的。

现有的配水装置主要有：

1、偏心配水装置。其原理是在井下注水层装有一可更换水嘴的配水器，在需要改变注水量时，从地面往注水井中投入一个专用更换水嘴的投捞工具，取出配水装置一侧的水嘴，再投入更换的水嘴，然后投入流量计测量注水量。如果注水量没有达到要求，则要重新更换水嘴。其缺点是需要重复投入、取出投捞工具，频繁更换水嘴来调节注水量，调配操作效率低，测试周期长，工作强度大。另外，该装置应用受限，无法在深井、超深井和斜井中应用。

2、同心配水装置。其原理是井下注水层的配水装置带有可调节的水嘴，配水时投入带有流量计的测量调节装置，边测量边调节。其优点是改善了偏心调配技术需要重复更换水嘴的问题，在注水层，井下测量调节装置监测实时流量，根据事前设定好的配注流量调节水嘴，完成配注工作要求，配水精度比偏心配水装置高，效率有所提高。其缺点为：(1)需要电缆或钢丝取出井下测量调节装置，作业强度较高；(2)由于可调水嘴是能够更换和转动的，容易出现可调水嘴脱落，堵塞水井的事故。(3)由于下注水层的配水装置中心通径要比上注水层的配水装置中心通径要小(有助于更换可调水嘴)，而测量调节装置的直径大小是固定的，所以同心配水装置对注水井层数有限制；(4)测量调节装置在进行调节时要求定位在配水装置中心才能有效调节，因为重力影响，对于斜井，测量调节装置会偏向一侧，给调节配水工作带来不便，所以同心配水装置应用也有局限性，不适用于斜井。

3、井下配水装置。该类型装置包括测量系统和调节系统。测量系统能够测量流量，调节系统可以带动水嘴改变注水量。其缺点是目标注水量需要在地面预先设置，随注水管下井后自动调节，但是在需要改变注水量时必须把配水装置取出注水井，在地面进行修改设置，作业成本大大提高，操作不灵活，也不方便。

在专利公开号为CN101498211A的“一种用声波遥控分层配水的方法”中，提出了采用与套管、注水管、水井锚、堵水封隔器、球座、筛管、丝堵配套组装的智能配水器的声波发生器遥控，进行井下配水的方法，与此同时，还申请了和其配套的智能配水器的技术内容完全相同的实用新型专利CN201437719的“注水井智能配水器”。这种采用智能配水器的声波发生器的声波遥控分层配水方法的优点是克服了现有技术来回起下钢丝悬挂的投捞器更换水嘴或井下仪器存在的的效率低、操作复杂、成本高的不足，在地面通过声波控制井下可调水嘴的开关，完成分层注水调配任务，有效地解决分注井的配注问题。其工作原理是：根据达西定理，在实现分层配注时，需要每一个注水层单独开启，同时地面调整注水闸门大小，使该层注水量等于目标注水量，此时，从地面发送指令，井下微处理器记录下在目标注水量下对应的流压值，重复以上操作，记录下每层分别单独开启时的流压值，再将各层同时打开，根据记录的流压值调节可调水嘴达到目标注水量。但是，该方法随着注水层的增加，无形中增加了工作量，不仅需要通过地面技术人员对每一个注水层进行逐项操作，记录下相应的流压值，对施工人员的技术要求很高，操作比较麻烦，而且不能够将井下的压力数据等返回到地面供工作人员参考，无法根据实际需要及时精确地完成修改操作。由于该装置是依靠测量压力间接测量调节注水量，而井下环境复杂、工况特殊，各层注水压力还受到地面及其他注水层的干扰，所以存在难以保证配水精确度的问题，随着注水层的增加，层间的影响越大，配注精度误差就越大。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种超声波测控配水装置，它解决了现有技术存在的调配操作复杂、效率低、配注精度误差大、作业成本高、应用受限等难题，其结构设计合理，除保留现有声波遥控分层配水方法的安装方便，操作简单，完成分层配水的优点外，还具有利用超声波通信技术实现无线控制直接测量配水流量，实时监测井下环境并读取监测结果，设定灵活的通信编码将控制指令传输给执行元件自动完成各层注水量的调节，使配水流量更加精确、配注稳定，且配注精度不受注水层增加的影响，显著拓宽其适用范围。

本实用新型采用的技术方案是：该超声波测控配水装置包括设置有多个注水层的套管，组装在所述套管内的通过金属注水管顺序连接在一起的扶正器、利用堵水封隔器封装在每个所述注水层的超声波测调配水器以及球座、筛管和丝堵，其技术要点是：通过所述金属注水管连接封装在所述套管内的所述超声波测调配水器本体密封腔内设置与测调控制单元连接的井下超声波通信单元，所述测调控制单元分别与超声波流量传感器、压力传感器、温度传感器和微电机驱动的调节水嘴连接，每个所述井下超声波通信单元利用所述金属注水管分别与设置在地面上的超声波通信单元相互间采用超声波编码通信，实现所述井下超声波通信单元与地面超声波通信单元间的数据信息传输，通过所述测调控制单元控制所述超声波测调配水器内的所述微电机驱动所述调节水嘴，自动完成每个所述注水层的注水量的调节。

所述测调控制单元主要由单片机、计时电路、模拟信号处理电路、驱动电路组成的控制回路。

每个所述井下超声波通信单元和地面超声波通信单元主要是由超声波换能器、驱动单元、信号放大单元、滤波单元、编码处理单元和数据总线接口组成的控制回路，采用半双工工作模式进行通信，每个所述超声波通信单元都可以发送、接收数据信息，而在同一时间只能有一个所述超声波通信单元执行发送任务。工作人员在地面通过地面超声波通信单元无线遥控井下超声波测调配水器进行操作，即自动完成分层配水及测量工作，并可以将结果返回地面，供技术人员参考。

本实用新型具有的优点和积极效果如下：由于本实用新型是在现有分层配水方法的基础上改进的，只需将超声波测调配水器跟随金属注水管投入注水井中，利用其本体密封腔内的井下超声波通信单元并通过分别与超声波流量传感器、压力传感器、温度传感器和微电机驱动的调节水嘴连接的测调控制单元，使每个井下超声波通信单元通过金属注水管分别与设置在地面上的超声波通信单元之间采用超声波编码通信，所以无需其它操作，即可实现二者间的数据信息传输。当需要修改注水量时，操作人员使用地面超声波通信单元把要修改的目标注水量传送到井下超声波测调配水器，通过超声波测调配水器内的测调控制单元控制微电机驱动调节水嘴，自动完成每个注水层的注水量的调节，与现有用声波遥控分层配水装置只能从地面向井下发送指令，无法双向通信相比，它可将井下各注水层的环境参数(如流量、压力、温度等)及调节注水量的结果传输回地面，供技术人员参考。因此，该装置不仅结构设计合理，可以保留现有声波遥控分层配水方法的安装方便，操作简单的优点，有效地解决了现有配水装置存在的效率低、重复投入、取出的调配操作复杂、配注精度误差大、作业成本高、应用受限等难题，而且充分利用声波可以在金属介质中传播的特点，实现在同一金属介质上多个超声波通信单元之间传递指令和数据。也正因为利用了超声波通信技术，从而实现无线控制直接以超声波流量传感器来精确测量配水流量，且受干扰小，故能实时监测井下环境并读取监测结果。另外，采用设定灵活的通信编码可将控制指令迅速传输给执行元件控制微电机驱动调节水嘴，自动完成各层注水量的调节，使配水流量更加精确、配注稳定，且配注精度不受注水层增加的影响。同时，由于利用堵水封隔器封装在每个注水层的超声波测调配水器是通过金属注水管顺序连接在一起的，安装在金属注水管上相互之间进行通信的超声波通信单元在数量上没有限制，从而对超声波测调配水器和注水层的数量也没有任何限制。所以对注水井的深度、斜度没有任何限制，适用于所有类型的注水井，显著拓宽其适用范围。

超声波通信单元是双向接收发送的通信设备，属于半双工工作模式。在金属介质上的超声波通信单元都可以发送和接收数据信息，但同一时间只能有一个超声波通信单元进行发送操作。

通信编码的设定灵活，它设定的数据信息内容是与超声波发送、接收的个数(即发送时间)相对应的。其设定方法为：1、可以将不同的超声波发送、接收个数对应不同的数字，通信设备之间可以传送数据信息，如温度、压力、流量等；2、可以将不同的超声波发送、接收个数对应不同的控制命令或状态字，超声波通信单元将控制命令传送到终端执行设备，完成不同的操作控制，当执行完成后超声波通信单元返回状态字，显示操作执行情况。

附图说明

以下结合附图对本实用新型作进一步描述。

图1为本实用新型的超声波测调配水器的一种结构示意图。

图2为本实用新型的一种现场安装应用状态示意图。

图3为图1中的超声波通信单元通信原理示意图。

图4为超声波通信单元的发射、接收波形示意图。

图5为图1中的超声波通信单元的一种结构示意图。

图中序号说明：1本体、2电池、3调节水嘴、4微电机、5超声波流量传感器、6测调控制单元、7压力传感器、8温度传感器、9井下超声波通信单元、10地面超声波通信单元、11套管、12金属注水管、13扶正器、14堵水封隔器、15超声波测调配水器、16球座、17筛管、18丝堵、19注水层、20超声波通信单元的发射波形、21超声波通信单元的接收波形、22超声波换能器、23驱动单元、24编码处理单元、25数据总线接口、26滤波单元、27信号放大单元。

具体实施方式

根据图1～5详细说明本实用新型的具体结构。该超声波测控配水装置是在现有分层配水方法的基础上改进的，从根本上解决了其存在的配水装置只能从地面向井下发送指令，无法双向通信等问题。其可以如图2所示在现场安装应用有多个注水层19的注水井。注水层19的数量应根据实际使用需要选择。该装置包括设置有多个注水层19的套管11，组装在套管11内的通过金属注水管12顺序连接在一起的扶正器13、利用堵水封隔器14封装在每个注水层19的超声波测调配水器15以及球座16、筛管17和丝堵18等部件。其中通过金属注水管12连接封装在套管11内的超声波测调配水器15(采用如图1的结构)主要包括：两端设置接头的密封腔本体，封装在本体密封腔内的电池2、井下超声波通信单元9、测调控制单元6、超声波流量传感器5、压力传感器7、温度传感器8和微电机4以及调整注水量的调节水嘴3等部件。所有电气部件均密封在本体1密封腔内，微电机4通过密封装置与调节水嘴3连接。每个设置在本体1密封腔内的与测调控制单元6连接的井下超声波通信单元9，利用金属注水管12分别与设置在地面上的超声波通信单元10相互间采用技术成熟的超声波编码通信，以实现井下超声波通信单元9与地面超声波通信单元10相互间的数据信息传输。井下超声波通信单元9通过测调控制单元6控制超声波测调配水器15内的微电机4驱动调节水嘴3，自动完成每个注水层19的注水量的调节。测调控制单元6分别与超声波流量传感器5、压力传感器7、温度传感器8和微电机4驱动的调节水嘴3连接。测调控制单元6采用常用电路，它主要由单片机、计时电路、模拟信号处理电路、驱动电路组成的控制回路。每个井下超声波通信单元9和地面超声波通信单元10主要是由超声波换能器22、驱动单元23、信号放大单元27、滤波单元26、编码处理单元24和数据总线接口25组成的控制回路，采用半双工工作模式进行通信，每个超声波通信单元都可以发送、接收数据信息，而在同一时间只能有一个超声波通信单元执行发送任务。

以下结合实施方式进一步描述本实用新型分层配水的步骤：

1、如图1所示，将利用堵水封隔器14封装在每个注水层19的超声波测调配水器15用金属注水管12连接好，组装在套管11中。

2、配注准备，打开注水闸门，往金属注水管12注水。利用堵水封隔器14将各注水层隔开，井口打压使堵水封隔器14坐封。

3、用地面超声波通信单元10向井下注水层19的超声波测调配水器15传送注水指令及目标注水量。超声波测调配水器15内的井下超声波通信单元9接收到注水指令和目标注水量，并传送给测调控制单元6。测调控制单元6向一对相向分布的超声波流量传感器5分别发送脉冲信号，测量顺流逆流的时间差，根据超声波时差法测量流量的原理公式得到实时注水量。测调控制单元6读取温度传感器8的温度值对注水流量进行修正，与目标注水量对比后，控制微电机4带动调节水嘴3调节注水量。当注水量与目标注水量相等时，停止调节。测调控制单元6将调节后的状态信息通过井下超声波通信单元9传送到地面超声波通信单元10，工作人员查看配水情况。按上述方法，依次对各注水层进行配水调节，直到将所需要配注的注水层配水调节完毕。

测调控制单元6读取压力传感器7和温度传感器8的数值，测量压力、温度，并将结果通过井下超声波通信单元9传送到地面超声波通信单元10，供工作人员读取、记录。按上述方法，可以对每个注水层分别进行测量操作。

超声波测调配水器15内的测调控制单元6从超声波流量传感器5、压力传感器7和温度传感器8读取模拟信号，经处理后得到相应的流量、压力、温度等信息。测调控制单元6与井下超声波通信单元9相互之间传输数据，井下超声波通信单元9向测调控制单元6传输指令及目标注水量，测调控制单元6向井下超声波通信单元9传输执行结果。测调控制单元6还可以驱动微电机4，带动调节水嘴3调节注水量。测调控制单元6主要由单片机、计时电路、模拟信号处理电路、驱动电路等组成的控制回路。单片机可以采用C8051F系列的多功能单片机，如C8051F410，该单片机内部集成了ADC、DAC、比较器和IIC总线等功能。计时电路可以采用TDC-GP2通用时间到数字转换器，该芯片的分辨率高达50ps，有效提高了计时精度，减小测量误差。模拟信号处理电路可以是由运算放大器组成的放大电路，对弱小信号进行放大处理。驱动电路可以用来驱动微电机4或向超声波流量传感器5发送脉冲信号。

超声波通信单元的工作原理如图3、图4所示。在金属注水管12的表面上装有地面、井下超声波通信单元10、9。在金属注水管12上的任何一个超声波通信单元10、9，例如地面超声波通信单元10发送一个经过编码后的超声波波形，通过金属注水管12到达井下超声波通信单元9，井下超声波通信单元9接收到超声波波形，经相同的编码识别后读取信息内容。根据信息内容执行完操作后将完成结果以上述方法返回给地面超声波通信单元10。超声波通信单元是半双工工作模式，每个超声波通信单元都可以发送、接收数据信息，但同一时间只能有一个超声波通信单元执行发送任务。

在超声波通信单元发送数据信息之前，首先检测金属注水管12上有无其他超声波通信单元在占用金属注水管12传送数据，如果金属注水管12被占用则暂停发送。如果没被占用，则将数据信息转换为声波信号通过金属注水管12传送到其他超声波通信单元。超声波通信单元传送的信息顺序：先传送地址码，再传送信息内容。地址码唯一标识超声波通信单元，通过地址码查找通信目标。信息内容可以是指令或数据。地址码和信息内容都是经过编码的。

编码的设定方法是，将不同个数的超声波波形(即不同持续时间的超声波)对应不同的数据信息。例如将超声波通信单元的发射波形20代表数字“0”，而超声波通信单元的接收波形21通过相同的编码处理后，识别出超声波通信单元发送的内容为“0”。

超声波通信单元的超声波换能器22的作用是将电信号转换为声波信号和将声波信号转换为电信号。当处在发送过程，编码处理单元24将地址码或信息内容对应的编码以脉冲的形式传送给驱动单元23，驱动单元23将低电平脉冲信号转换为高电平脉冲信号，驱动超声波换能器22向金属注水管12中传播超声波信号。当处在接收过程，超声波换能器22从金属注水管12中感应出超声波信号并转换为微弱的脉冲电信号，信号放大单元27将此微弱的脉冲电信号放大送往滤波单元26，滤波单元26滤除干扰噪声，得到超声波换能器中心频率的有效脉冲信号，编码处理单元24对滤波单元26输出的有效脉冲信号进行比较计数识别，并将识别出来的编码转换为对应的地址码或信息内容，通过数据总线接口25传输到外部设备。

在井下超声波测调配水器15中，井下超声波通信单元9与测调控制单元6相互连接，井下超声波通信单元9向测调控制单元6传输指令及目标注水量，测调控制单元6向井下超声波通信单元9传输执行结果。在地面，地面超声波通信单元10通过数据总线接口25与计算机相互连接，计算机将要执行的指令及目标注水量通过数据总线接口25传输到地面超声波通信单元10，地面超声波通信单元10再将信息传送到井下超声波测调配水器15，当执行完毕，地面超声波通信单元10接收到执行结果并将结果通过数据总线接口25传送给计算机进行读取。

超声波测调配水器15精确配水的原理是：本体1的密封腔内装有超声波流量传感器5，利用超声波时差法测量流量。时差法原理是利用一对超声波流量传感器5相向交替收发超声波，通过观测超声波在介质中顺流和逆流的传播时间差来算出介质的流速，当管径一定时，继而得出流量(即注水量)。测量顺流、逆流的时间差采用TDC-GP2通用时间到数字转换器，TDC-GP2的分辨率高达50ps，提高了测量精度，减小误差。因为声波在水中传播时，不同温度下的声速是不一样，所以需要使用温度传感器8测量温度以修正流量值。当使用超声波流量传感器5测量出精确流量后，测调控制单元6将测量值与目标注水量比较，两者不同时，测调控制单元6驱动微电机4微调调节水嘴3，微调后测调控制单元6再使用超声波流量传感器5测量流量。如此循环，直到测调控制单元6使用超声波流量传感器5测量出的流量值与目标注水量相同，停止测量调节。使用一段时间后，由于压力、污垢等原因引起注水量改变，测调控制单元6会定期测量注水量，发现注水量改变后执行调节过程，使注水量精确稳定在目标注水量上。

Claims (3)

1.一种超声波测控配水装置，包括设置有多个注水层的套管，组装在所述套管内的通过金属注水管顺序连接在一起的扶正器、利用堵水封隔器封装在每个所述注水层的超声波测调配水器以及球座、筛管和丝堵，其特征在于：通过所述金属注水管连接封装在所述套管内的所述超声波测调配水器本体密封腔内设置与测调控制单元连接的井下超声波通信单元，所述测调控制单元分别与超声波流量传感器、压力传感器、温度传感器和微电机驱动的调节水嘴连接，每个所述井下超声波通信单元利用所述金属注水管分别与设置在地面上的超声波通信单元相互间采用超声波编码通信，实现所述井下超声波通信单元与地面超声波通信单元间的数据信息传输，通过所述测调控制单元控制所述超声波测调配水器内的所述微电机驱动所述调节水嘴，自动完成每个所述注水层的注水量的调节。

2.根据权利要求1所述的超声波测控配水装置，其特征在于：所述测调控制单元主要由单片机、计时电路、模拟信号处理电路、驱动电路组成的控制回路。

3.根据权利要求1所述的超声波测控配水装置，其特征在于：每个所述井下超声波通信单元和地面超声波通信单元主要是由超声波换能器、驱动单元、信号放大单元、滤波单元、编码处理单元和数据总线接口组成的控制回路，采用半双工工作模式进行通信，每个所述超声波通信单元都可以发送、接收数据信息，而在同一时间只能有一个所述超声波通信单元执行发送任务。

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