CN211851800U

CN211851800U - 一种用于油田注水井的智能数据调控系统

Info

Publication number: CN211851800U
Application number: CN202020277858.3U
Authority: CN
Inventors: 刘永才
Original assignee: Shenzhen Jiayuntong Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Jiayuntong Electronics Co Ltd
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2030-03-09

Abstract

本实用新型公开了一种用于油田注水井的智能数据调控系统。该系统包括：设于井下的调控装置，设于井上的通信模块，连接调控装置和通信模块的铠缆；调控装置包括采集存储与控制模块、电机驱动模块、电源模块和多种传感器；多种传感器包括流量计、温度计、水嘴开度传感器和压力传感器；采集存储与控制模块分别与多种传感器、电机驱动模块和通信模块通信连接，通信模块与上位机通信连接；电源模块为采集存储与控制模块、通信模块、电机驱动模块和流量计供电。本实用新型的智能数据调控系统可实现注水量的智能调配，可配合上位机形成提高注水井管理的自动化、智能化水平。

Description

一种用于油田注水井的智能数据调控系统

技术领域

本实用新型涉及油田注水井技术领域，具体涉及一种用于油田注水井的智能数据调控系统。

背景技术

注水井在石油开采过程中起着至关重要的作用。随着开采程度的增加，导致油层能量逐渐消耗，油层压力下降，地下原油大量脱气、粘度增加，采油量下降。合理的注水方式将水注入油藏，可以解决地层亏空问题，较好的保持油层压力，提高油藏的驱动力，以提高石油的开采质量和采收率等。

注水井系统作为油田生产的重要组成部分，如何“注够水、注好水、精细注水”已经成为油田增产上产的重中之重。随着油田开发的不断深入，使注水井所占比例越来越大，但大部分注水井安装在空旷地区，在传统生产管理模式下，注水井的各种设施工作状态监测、主要参数采集、注水量调配都是采用人工定时巡查、测量统计和调整，对生产现场各项参数采集多采用仪表设备，并且注水井、注水间属于高压环境，且普通闸阀寿命短、易腐蚀、易泄漏，这些不仅增加了工人劳动强度，也严重影响了设备监测与采集数据的实时性及准确性，容易造成资源和资金的浪费，同时造成一定的环境污染问题。

随着数字油田建设进程的加快，注水井监控信息化势在必行，针对以上油田注水工艺存在的问题，构建一个智能调控系统具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于油田注水井的智能数据调控系统，以有助于实现注水量的智能调配，提高注水井管理的自动化、智能化水平。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种用于油田注水井的智能数据调控系统，该系统包括：设于井下的调控装置，设于井上的通信模块，连接所述调控装置和所述通信模块的铠缆；所述调控装置包括采集存储与控制模块、电机驱动模块、电源模块和多种传感器；所述多种传感器包括流量计、温度计、水嘴开度传感器和压力传感器；所述采集存储与控制模块分别与所述多种传感器、所述电机驱动模块和所述通信模块通信连接，所述通信模块与上位机通信连接；所述电源模块为所述采集存储与控制模块、所述通信模块、所述电机驱动模块和所述流量计供电。

其中，所述通信模块，用于将所述采集存储与控制模块发送的数据传送给上位机，将上位机发送的指令传送给所述采集存储与控制模块；所述采集存储与控制模块，用于按照设定周期采集传感器数据，通过所述通信模块上传数据给上位机和接收上位机发送的指令，根据指令控制所述电机驱动模块以驱动电机调整水嘴开度。

一种可能的实现方式中，所述油田注水井内设有注水管柱和配水装置，所述配水装置包括连接于注水管柱的管柱连接底座和安装于管柱连接底座的配水器，所述配水器包括注水嘴和用于控制注水嘴的水嘴开度的电机；所述调控装置安装在所述管柱连接底座内，所述电机驱动模块用于驱动和控制所述电机，所述流量计用于检测通过注水嘴的流量，所述温度计用于检测井内的温度，两个所述压力传感器分别用于检测油田注水井的油压和套压，所述水嘴开度传感器采用限位开关以检测注水嘴的水嘴开度。

一种可能的实现方式中，所述采集存储与控制模块包括单片机，所述单片机通过运行程序，从相应的传感器进行套压、油压、温度、流量和水嘴开度数据的采集，对采集的数据进行A/D转换和实时上传。

一种可能的实现方式中，所述采集存储与控制模块，还用于在断电时自动存储断电时刻采集到的传感器数据，待恢复通电后自动上传存储的数据到上位机。

一种可能的实现方式中，所述采集存储与控制模块，还用于在不工作时自动进入休眠状态。

一种可能的实现方式中，所述电源模块，用于将110V直流电源转换成24V 直流电源并进一步转换成3.3V直流电源，输出24V直流电源给所述电机驱动模块和所述流量计，输出3.3V直流电源给所述采集存储与控制模块和所述通信模块。

一种可能的实现方式中，所述电源模块包括：用于将输入的110V直流电源转换成24V直流电源的V110C24T100BG芯片，用于将24V直流电源转换成3.3V直流电源的WRF_S-3WR2芯片。

一种可能的实现方式中，所述采集存储与控制模块还包括电流检测电路，该电流检测电路用于实时检测24V直流电源的电流，当电流超过设定的阈值时，指示所述电机驱动模块停止电机转动来保护电路，并上传电流过大的信息给上位机。

一种可能的实现方式中，所述电机驱动模块用于根据指令，控制电机执行正转、反转、停止、点动运作，以调整注水嘴开度，实现流量调节。

一种可能的实现方式中，所述单片机采用STM32F1系列单片机，所述电机驱动模块采用L6205芯片。

从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：

本实用新型的智能数据调控系统通过传感器采集各个监测点的数据并提供给上位机如PC端监控管理，可实现压力、流量、温度、水嘴开度等数据传送以及水嘴开度的有效控制，从而实现注水量的智能调配功能，可配合上位机满足石油开采和管理相结合的要求，形成生产信息的采集、传输、分析、管理和应用于一体，提高注水井管理的自动化、智能化水平的现代管理一体化应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本实用新型实施例提供的一种用于油田注水井的智能数据调控系统的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例中智能数据调控系统的硬件结构图；

图3是本实用新型一个实施例中智能数据调控系统的电子部分框图；

图4是本实用新型一个实施例中电源模块的示意图；

图5是本实用新型一个实施例中电机驱动模块的示意图；

图6是本实用新型一个实施例中采集存储与控制模块的示意图；

图7是本实用新型一个实施例中通信主程序流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面通过具体实施例，进行详细的说明。

油田注水是一项复杂的系统工程。油田注水系统包括水源和供水系统，地面注水加压系统，注水井井下系统，地面管理系统等。注水井井下系统可包括位于油田注水井内的注水管柱和连接于注水管柱的配水装置等。其中，注水管柱可采用不锈钢管柱。配水装置可具有一个或多个，分别对应于一个或多个油层(注水层)。配水装置可包括连接于注水管柱的管柱连接底座和安装于管柱连接底座的配水器，配水器可包括注水嘴和用于控制注水嘴的水嘴开度的电机。地面管理系统可包括上位机例如PC端等。

本实用新型实施例的目的在于提供一种用于油田注水井的智能数据调控系统，该系统用于对注水井井下系统进行数据检测并配合上位机进行调控管理，以实现对油田注水井各个监测点的数据采集，所采集数据的传送，注水嘴的水嘴开度的有效控制，注水量的智能调配等。

请参考图1，本实用新型一个实施例中，提供一种用于油田注水井的智能数据调控系统，该系统包括：设于井下的调控装置10，设于井上的通信模块11，连接所述调控装置10和所述通信模块11的铠缆12；所述调控装置10包括采集存储与控制模块13、电机驱动模块14、电源模块15和多种传感器16；所述多种传感器16可包括流量计、温度计、水嘴开度传感器和压力传感器。

所述采集存储与控制模块13分别与所述多种传感器16、所述电机驱动模块 14和所述通信模块12通信连接，所述通信模块12与油田注水井系统的上位机通信连接；所述电源模块15为所述采集存储与控制模块13、所述通信模块12、所述电机驱动模块14和所述流量计供电。

其中，所述电源模块15，用于为所述采集存储与控制模块13和所述通信模块12供电，并为所述电机驱动模块14和所述流量计供电。

所述通信模块12，用于将所述采集存储与控制模块13发送的数据传送给上位机，将上位机发送的指令传送给所述采集存储与控制模块13。

所述采集存储与控制模块13，用于按照设定周期采集传感器数据，通过所述通信模块12上传数据给上位机和接收上位机发送的指令，根据指令控制所述电机驱动模块14以驱动电机调整水嘴开度。

其中，所述调控装置可安装在配水装置的管柱连接底座内。所述电机驱动模块用于驱动和控制所述电机。所述流量计用于检测通过注水嘴的流量。所述温度计用于检测井内的温度。两个所述压力传感器分别用于检测油田注水井的油压和套压。所述水嘴开度传感器采用限位开关以检测注水嘴的水嘴开度。

其中，所述采集存储与控制模块包括单片机，所述单片机通过运行程序，从相应的传感器进行套压、油压、温度、流量和水嘴开度数据的采集，对采集的数据进行A/D转换，和通过通信模块实时上传上位机。单片机与通信模块可采用串口方式通信。

其中，所述采集存储与控制模块，还用于在断电时自动存储断电时刻采集到的传感器数据，待恢复通电后自动上传存储的数据到上位机；以及，在不工作时自动进入休眠状态。可选的，单片机内部有EEPROM(Electrically Erasable Programmable read onlymemory，带电可擦可编程只读存储器)，可通过定时存储数据到EEPROM，实现自动存储断电时的数据。

下面对本实用新型系统的主要硬件组成部分进行进一步说明。

请参考图2，一些实施例中，本实用新型的智能数据调控系统的硬件结构可包括：通信模块11、铠缆12、两块线路板和多种传感器16。两块线路板可包括用于承载电源模块15的第一线路板21，用于承载采集存储与控制模块13和电机驱动模块14的第二线路板22。两个线路板和传感器16安装于管柱连接底座20，一起安放在井下，通过铠缆12连接到井上的通信模块11，最后有线或无线传输数据到上位机例如PC端进行监测控制。其中，采集存储与控制模块13包括设置在第二线路板上的单片机，单片机可运行软件程序，软件程序可采用C语言编程，完成单片机内A/D转换、数据采集、串口通信(与通信模块采用串口通信)等功能。本文中，第二线路板又可称为单片机控制线路板，第一线路板又可称为电源转换线路板。

本实用新型实施例中，采集存储与控制模块可实现以下功能：按设定周期例如每1S采集一次传感器数据，实时上传采集的数据到上位机；非作业断电时采集存储与控制模块可自动存储断电时刻采集的数据到单片机内，待恢复通电后自动上传到上位机；作业油层较多时，不工作或者说不采集数据的采集存储与控制模块(或者第二线路板)可以自动进入休眠状态，降低功耗。

本实用新型实施例中，电源模块可选择蓄点池(盒)或者电源转换线路板。油田注水井的外部环境比较恶劣，必须提高有效的供电措施。考虑到蓄点池(盒) 需要更换且续航能力不佳，且空间占用比较高，优选的，本实用新型中电源模块采用电源转换线路板，将外部输入的110V直流电压转换成24V并进一步转换成 3.3V。输出24V直流电源给所述电机驱动模块和所述流量计，输出3.3V直流电源给所述采集存储与控制模块和所述通信模块。

本实用新型实施例中，管柱连接底座连接于作为注水管柱的不锈钢管柱的下端，是用于安装两个线路板和传感器于一体的机械结构，与注水管柱连接便于拆卸重复使用。管柱连接底座的侧面可设有一个向油层注水的注水口，内部的开度可调的注水嘴与注水口匹配，通过控制注水嘴开度可控制注水量。管柱连接底座上还可设有多个安装孔，其中两个孔用于安装两个压力传感器，分别测量油压和套压；其中一个孔安装限位开关，测量水嘴开度。可选的，根据注水井不同的油层深度，可以在注水管柱下端增加管柱连接底座，每个管柱连接底座内设置配水器构成一个配水装置，来完成分层注水。优选的，多个管柱连接底座内的调控装置都通过同一铠缆相连。且不同油层深度的调控装置相互独立。

本实用新型实施例中，铠缆是用于整个系统供电、通信和衔接不同油层的机械结构，是铠装电缆的简称。

本实用新型实施例中，通信模块的作用在于：使采集存储与控制模块采集到的数据可通过通信模块传输到上位机，并且上位机也可通过通信模块发送指令给采集存储与控制模块的单片机，进而控制电机驱动模块驱动电机，逐步控制流量大小。

可选的，本实用新型的智能数据调控系统，其压力适用范围是0～35MPa；温度适用范围是-55℃～+125℃。

下面，进一步对本实用新型系统的电子结构部分进行进一步说明。

图3所示为本实用新型智能数据调控系统电子部分整体结构和原理框图，包括：电源模块、采集传感器数据的采集存储与控制模块、控制电机正转或反转的电机驱动模块以及和上位机通信的通信模块。采集存储与控制模块包括单片机，该单片机一方面与传感器连接用来采集数据，一方面与电机驱动电路连接用来控制电机。该单片机通过运行程序控制A/D转换、数据采集以及和上位机通信等。

图4所示为本实用新型智能数据调控系统的电源模块的示意图，从地面经过变压器得到110V直流电源作为电源模块的输入。电源模块可包括：芯片 V110C24T100BG，芯片WRF_S-3WR2，以及高低电容组合电路。芯片 V110C24T100BG，用于利用110V直流电源生成24V直流电源给流量计、电机驱动模块供电；高低电容组合电路，用于对24V直流电源进行滤波，初次滤波后输出给芯片WRF_S-3WR2；芯片WRF_S-3WR2，用于利用24V直流电源生成3.3V直流电源；3.3V直流电源经高低电容组合电路再次滤波后，输出给采集存储与控制模块和通信模块供电。

图5所示为本实用新型智能数据调控系统的电机驱动模块的示意图，电机驱动模块可采用芯片L6205实现。上位机发送指令到单片机，将指令转换成芯片 L6205所能识别的信号后发给芯片L6205，控制电机执行正转、反转、停止、点动运作等命令，电机执行命令后，会带动注水嘴转动。可选的，电机驱动模块中可设置保护指令，即正转到水嘴开临界点，反转到水嘴关临界点，自动控制电机停止转动。注水嘴的开度通过限位开关检测，开度不同，限位开关检测到的电压不同，其满足线性关系。可选的，为了保证作业正常运作，可设置一个备用电机，在主电机故障时可以替换以维持正常工作，同时在电压输入的地方可设计一个下拉电阻保护电路。

图6所示为本实用新型智能数据调控系统的采集存储与控制模块的示意图，主要由STM32F1系列的单片机实现功能，本实用新型可选用型号为 STM32F103C8T6的单片机。单片机可与流量计串口连接，可与温度计和限位开关直接连接，可通过运算放大器例如LM358与压力传感器连接。温度计可采用 DS18B20数字温度传感器。套压、油压、温度、流量、水嘴开度五种数据都通过相应的传感器采集信号，由单片机进行A/D转换，通过通信模块实时上传数据至上位机PC端保存，实现历史数据查询。可选的，采集存储与控制模块设计有电流检测电路，实时检测24V直流电源的电流，当电流超过设定的阈值时，停止电机转动来保护电路，并同时上传电流过大的信息给上位机。采集存储与控制模块具备存储功能，主要是保存断电时采集到的数据，在恢复通电后自动上传。

图7所示为本实用新型智能数据调控系统的通信主程序流程图，本模块不仅可以实现下位机(调控装置)数据、相关信息的上传，还可以实现上位机对下位机的控制。当上位机发送控制指令，收到命令的调控装置(板卡)先判断是否属于自己，再执行相应的指令，包括流量自动调节、电机正反转、电机停止、电机点动调节等，可选的，每一个指令完成情况都有相应的代码表示，并及时反馈给上位机进行监测。为保证通信准确性和避免计算时间过长，与通信模块的串口通信可选择CRC16校验算法，方法是0-255这些数与多项式x¹⁶+x¹⁵+x²+1 进行二进制除法运算得到一个256个数的数组，数据以二进制的方式被采集，每八个数作为一组数据，与这256个数进行比对，能够对应上则说明数据是正确的，可以上传。

如上，本实用新型实施例提供了一种用于用于油田注水井的智能数据调控系统。该系统将单片机技术和传感器技术相结合，可实现压力、温度、流量、水嘴数据的采集、存储、传送以及注水量智能调控。

本实用新型的智能数据调控系统通过传感器采集各个监测点的数据并提供给上位机如PC端监控管理，可实现传感器数据传送以及水嘴开度的有效控制，从而实现注水量的智能调配功能，可配合上位机满足石油开采和管理相结合的要求，形成生产信息的采集、传输、分析、管理和应用于一体，提高注水井管理的自动化、智能化水平的现代管理一体化应用。

本实用新型的智能数据调控系统的优点还在于：

1、该智能数据调控系统设计了电流检测电路以及相应状态程代码的编写，保护电路的同时也指出相应问题，方便工作人员及时发现问题并作出调整；

2、该智能数据调控系统在MCU部分采用STM32F1系列单片机，其稳定性高，响应速度快，不需要外部连接存储器和A/D转换模块，节省空间；

3、该智能数据调控系统软件部分采用C语言编写程序，避免了汇编语言的繁琐和不可移植性；

4、该智能数据调控系统不仅完成了下位机的功能设计，还完善了与上位机通信的搭建，现场设置更方便；

5、该智能数据调控系统可以实现远距离传输，效果好，性能更加稳定。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

上述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种用于油田注水井的智能数据调控系统，其特征在于，

所述智能数据调控系统包括：设于井下的调控装置，设于井上的通信模块，连接所述调控装置和所述通信模块的铠缆；所述调控装置包括采集存储与控制模块、电机驱动模块、电源模块和多种传感器；所述多种传感器包括流量计、温度计、水嘴开度传感器和压力传感器；

所述采集存储与控制模块分别与所述多种传感器、所述电机驱动模块和所述通信模块通信连接，所述通信模块与上位机通信连接；所述电源模块为所述采集存储与控制模块、所述通信模块、所述电机驱动模块和所述流量计供电。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述通信模块，用于将所述采集存储与控制模块发送的数据传送给上位机，将上位机发送的指令传送给所述采集存储与控制模块；

所述采集存储与控制模块，用于按照设定周期采集传感器数据，通过所述通信模块上传数据给上位机和接收上位机发送的指令，根据指令控制所述电机驱动模块以驱动电机调整水嘴开度。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述油田注水井内设有注水管柱和配水装置，所述配水装置包括连接于注水管柱的管柱连接底座和安装于管柱连接底座的配水器，所述配水器包括注水嘴和用于控制注水嘴的水嘴开度的电机；

所述调控装置安装在所述管柱连接底座内，所述电机驱动模块用于驱动和控制所述电机，所述流量计用于检测通过注水嘴的流量，所述温度计用于检测井内的温度，两个所述压力传感器分别用于检测油田注水井的油压和套压，所述水嘴开度传感器采用限位开关以检测注水嘴的水嘴开度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述采集存储与控制模块包括单片机。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述电源模块包括：用于将输入的110V直流电源转换成24V直流电源的V110C24T100BG芯片，用于将24V直流电源转换成3.3V直流电源的WRF_S-3WR2芯片；

所述电源模块输出24V直流电源给所述电机驱动模块和所述流量计，输出3.3V直流电源给所述采集存储与控制模块和所述通信模块。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述采集存储与控制模块还包括电流检测电路，该电流检测电路用于实时检测24V直流电源的电流，当电流超过设定的阈值时，指示所述电机驱动模块停止电机转动来保护电路，并上传电流过大的信息给上位机。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述单片机采用STM32F1系列单片机，所述电机驱动模块采用L6205芯片。