利用次声波的调控分层注水系统的制作方法

1.本实用新型属于油田开发技术领域，具体涉及一种利用次声波的调控分层注水系统。


背景技术：

2.频率小于20hz(赫兹)的声波叫做次声波。次声波不容易衰减，不易被水和空气吸收，而次声波的波长很长，传播距离也很远，在大于0hz和小于20hz 的次声波范围内通过实验找到适合注水井下传输的次声波频率，并充分利用次声波的隐蔽性、穿透性、距离远、能耗低等特点，将其应用到注水井控制分层注水系统上，将十分有益。
3.目前常用的调控分层注水系统为有缆智能分注系统和波码通信智能分注系统。有缆智能分注系统采用有线电缆进行地面控制器和井下配水器的传输通信，优点是传输速率快、数据实时性强，然而其工艺复杂、成本高、施工难、设备维护难、不能带压作业；而波码通信智能分注系统采用压力波和流量波进行地面控制器和井下配水器无线双向通信，实现了油气生产现场各类数据的上传和分析及地面对井下控制指令的传达。优点是施工简单、无线通信、能带压作业；但受地层特性影响大，传输效率低(1个数据点的采集需要平均2个小时)，能耗高，数据实时性差，调配操作工艺复杂，通信过程种会影响正常注水，造成地层压力波动。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种利用次声波的调控分层注水系统。
5.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
6.本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统，该系统包括地面控制装置、井下智能配水器、封隔器、注水井口、注水管柱、套管、筛网及球座，所述地面控制装置与井下智能配水器连接，所述井下智能配水器与井下的注水管柱连接，所述套管设置在井下内壁，所述注水管柱上间隔设置若干个封隔器，任意两个封隔器之间的注水管柱上设置井下智能配水器，所述注水管柱的末端设置筛网及球座。
7.上述方案中，所述地面控制装置和井下智能配水器均包括次声波编码器、次声波解码器、数据处理控制端、流量控制单元、数据采集单元、供电系统；所述数据处理控制端通过内部总线分别与所述次声波编码器、次声波解码器、流量控制单元、数据采集单元连接，所述供电系统与数据处理控制端连接用于提供电源。
8.上述方案中，所述地面控制装置还包括远程通信单元、显示模块，所述供电系统分别与远程通信单元、显示模块连接用于提供电源。
9.上述方案中，所述次声波编码器包括次声波发生模块、第一电源模块、第一电/声转换模块和第一通信模块；所述第一通信模块依次连接第一电/声转换模块、次声波发生模块，所述第一电源模块与第一通信模块连接，所述第一通信模块与数据处理控制端连接。
10.上述方案中，所述次声波解码器包括次声波采集模块、滤波模块、信号放大模块、第二声/电转换模块、第二电源模块和第二通信模块；所述次声波采集模块依次连接第二声/电转换模块、滤波模块、信号放大模块第二通信模块，所述第二通信模块分别与第二通信模块、数据处理控制端连接。
11.上述方案中，所述数据处理控制端包括处理器、数据处理模块、数据存储模块、第三通信模块和第三电源模块；所述处理器分别与数据处理模块、数据存储模块、第三通信模块和第三电源模块连接，所述第三电源模块还分别与数据存储模块、第三通信模块连接。
12.上述方案中，所述流量控制单元包括数模转换器u4、第十二电容c12至第第十八电容c18、第一可调电阻rk1、第二可调电阻rk2、第四电阻r4至第八电阻r8、接口p3，所述数模转换器u4的第2、5端共接并联的第十二电容c12 和第十三电容c13并且接地，第4、11端依次共接第二可调电阻rk2后接于第 14端，第7、8、9、10端分别经第八电阻r8、第七电阻r7、第六电阻r6、第五电阻r5接入+3.3v，第15端经第一可调电阻rk1接于第1端和第二可调电阻 rk2之间，第16端接于第二可调电阻rk2，第18端接于接口p3的第1端,第 19端经第四电阻r4和并联的第十四电容c14和第十五电容15后接地，第20 端经第十七电容c17接于第四电阻r4侧，第21端经第十六电容c16接于第四电阻r4侧，第23端接于第四电阻r4侧，所述接口p3的第2端接地，并且第 1、2端之间并联第十八电容c18。
13.上述方案中，所述数据采集单元105包括第一比较器u2a、第二比较器u2b、第六电阻r6、第九电阻r9、第七电容c7、第十四电容c14、第十六电容c16、高精度a/d转换芯片u4、第一压力传感器ny、第二压力传感器wy，所述高精度a/d转换芯片u4的第9、10端分别与第一压力传感器ny的第3、4端连接，并且两端之间并联第七电容c7，第11、12端分别与第二压力传感器wy的第3、 4端连接，并且两端之间并联第十四电容c14，第2端经第十六电容c16接模拟地，所述第一压力传感器ny的第1端与第一比较器u2a的第1端连接，第2 端经过第六电阻r6接模拟地，所述第二压力传感器wy的第1端接第二比较器 u2b的第7端，第2端经第九电阻r9接模拟地，所述第一比较器u2a的第2端接于第六电阻r6侧，第3端接于第二比较器u2b的第5端，所述第二比较器 u2b的第6端接于第九电阻r9侧。
14.上述方案中，所述井下智能配水器的数据处理控制端203将注水流量、地层压力、管内压力、注水温度和水嘴开度数据处理，发送给井下智能配水器的次声波编码器，通过次声波编码器进行编码，向地面控制装置发送次声波信号。
15.与现有技术相比，本实用新型采用次声波通信技术，实现地面控制装置与井下智能配水器的实时无线双向快速通信，传输速率远远高于目前普遍使用的流量波和压力波通信方式，传输稳定可靠，传输距离远，系统功耗低，寿命长，数据实时性强，本实用新型施工简便，操作简单，无污染，成本低，能够支持实时在线一键式验封和一键式远程调配。
附图说明
16.此处所说明的附图用来公开对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
17.图1为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统的结构示意图；
18.图2为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统中地面控制装置和井下智能配水器的结构框图；
19.图3为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统中井下智能配水器的结构示意图；
20.图4为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统中地面控制装置和井下智能配水器的次声波编码器模块示意图；
21.图5为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统中地面控制装置和井下智能配水器的次声波解码器模块示意图；
22.图6为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统中数据处理控制端的示意图；
23.图7为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统中流量控制单元的结构示意图；
24.图8为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统中数据采集单元的结构示意图；
25.图9为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统中地面控制装置和井下智能配水器中的地面至井下次声波编码示例；
26.图10为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统中地面控制装置和井下智能配水器中的井下至地面次声波编码示例；
27.图11为本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统的流程图。
28.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
29.1、地面控制装置；101-次声波编码器；102-次声波解码器；103-数据处理控制端；104-流量控制单元；105-数据采集单元；106-远程通信单元；107-供电系统；108-显示模块；2、井下智能配水器，3、封隔器；4、注水井口；5、注水管柱；6、套管；7、筛网及球座。
具体实施方式
30.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
32.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
33.本实用新型实施例提供一种利用次声波的调控分层注水系统，如图1-9 所示，该系统包括地面控制装置1、井下智能配水器2、封隔器3、注水井口4、注水管柱5、套管6、筛网及球座7，所述地面控制装置1与井下智能配水器2 连接，所述井下智能配水器2与井下的注水管柱5连接，所述套管6设置在井下内壁，所述注水管柱5上间隔设置若干个封隔器3，任意两个封隔器3之间的注水管柱5上设置井下智能配水器2，所述注水管柱5的末端设置筛网及球座7。
34.将地面控制装置1安装在注水井的注水井口4上，进水口通过注水管线与注水泵相连，出水口通过注水管线与采油树的注水管线相连。将井下智能配水器2与管柱5相连，并使其放置于对应的注水层，各个注水层之间安装封隔器 3进行隔断。
35.所述地面控制装置1和井下智能配水器2均包括次声波编码器101、次声波解码器102、数据处理控制端103、流量控制单元104、数据采集单元105、供电系统107；所述数据处理控制端103通过内部总线分别与所述次声波编码器101、次声波解码器102、流量控制单元104、数据采集单元105连接，所述供电系统107与数据处理控制端103连接用于提供电源。
36.所述流量控制单元104包括数模转换器u4、第十二电容c12至第第十八电容c18、第一可调电阻rk1、第二可调电阻rk2、第四电阻r4至第八电阻r8、接口p3，所述数模转换器u4的第2、5端共接并联的第十二电容c12和第十三电容c13并且接地，第4、11端依次共接第二可调电阻rk2后接于第14端，第 7、8、9、10端分别经第八电阻r8、第七电阻r7、第六电阻r6、第五电阻r5 接入+3.3v，第15端经第一可调电阻rk1接于第1端和第二可调电阻rk2之间，第16端接于第二可调电阻rk2，第18端接于接口p3的第1端,第19端经第四电阻r4和并联的第十四电容c14和第十五电容15后接地，第20端经第十七电容c17接于第四电阻r4侧，第21端经第十六电容c16接于第四电阻r4侧，第 23端接于第四电阻r4侧，所述接口p3的第2端接地，并且第1、2端之间并联第十八电容c18。
37.所述数据采集单元105包括第一比较器u2a、第二比较器u2b、第六电阻 r6、第九电阻r9、第七电容c7、第十四电容c14、第十六电容c16、高精度a/d 转换芯片u4、第一压力传感器ny、第二压力传感器wy，所述高精度a/d转换芯片u4的第9、10端分别与第一压力传感器ny的第3、4端连接，并且两端之间并联第七电容c7，第11、12端分别与第二压力传感器wy的第3、4端连接，并且两端之间并联第十四电容c14，第2端经第十六电容c16接模拟地，所述第一压力传感器ny的第1端与第一比较器u2a的第1端连接，第2端经过第六电阻r6接模拟地，所述第二压力传感器wy的第1端接第二比较器u2b的第7 端，第2端经第九电阻r9接模拟地，所述第一比较器u2a的第2端接于第六电阻r6侧，第3端接于第二比较器u2b的第5端，所述第二比较器u2b的第6 端接于第九电阻r9侧。
38.所述第一压力传感器ny用于测量内压，所述第二压力传感器wy用于测量外压，压力传感器采用恒流供电技术，相比现有的恒压供电，压力传感器输出信号更稳定，抗干扰强，高精度a/d转换芯片u4选用ad7794芯片，24位adc， 6通道同时采集，相比常用的16位adc数据采集芯片分辨率提高了很多，可以有效的准确解析次声波信号，提高了产品可靠性。
39.数据处理控制端通过spi总线与流量控制单元通信，数据处理控制端向流量控制单元发送调节阀开度控制指令，流量控制单元接收到指令之后，将其转换成对应的电流信号，输出到电动执行器，从而控制调节阀开度的调节。
40.所述地面控制装置1还包括远程通信单元106、显示模块108，所述供电系统107分
别与远程通信单元106、显示模块108连接用于提供电源。
41.所述次声波编码器101包括次声波发生模块、第一电源模块、第一电/声转换模块和第一通信模块；所述第一通信模块依次连接第一电/声转换模块、次声波发生模块，所述第一电源模块与第一通信模块连接，所述第一通信模块与数据处理控制端103连接。
42.所述次声波解码器102包括次声波采集模块、滤波模块、信号放大模块、第二声/电转换模块、第二电源模块和第二通信模块；所述次声波采集模块依次连接第二声/电转换模块、滤波模块、信号放大模块第二通信模块，所述第二通信模块分别与第二通信模块、数据处理控制端103连接。
43.所述数据处理控制端103包括处理器、数据处理模块、数据存储模块、第三通信模块和第三电源模块；所述处理器分别与数据处理模块、数据存储模块、第三通信模块和第三电源模块连接，所述第三电源模块还分别与数据存储模块、第三通信模块连接。
44.所述数据采集单元105用于采集注水压力、注水流量、注水温度和流量调节阀开度。
45.还用于采集地层压力、注水流量、注水温度、水嘴开度和管内压力。
46.所述井下智能配水器2的数据处理控制端103将注水流量、地层压力、管内压力、注水温度和水嘴开度数据处理，发送给井下智能配水器2的次声波编码器101，通过次声波编码器101进行编码，向地面控制装置1发送次声波信号。
47.本实用新型的工作过程：
48.本系统以注水井管柱5里的水为传输介质，以次声波为载体进行信号传输。所述地面控制装置1的数据处理控制端103通过远程通信单元106接收指令，解析并发送指令到次声波编码器101，次声波编码器101对发往井下智能配水器2的指令进行编码，然后向井下智能配水器2发射数字次声波信号。远程通信单元106和数据处理控制端103通过rs485总线连接；次声波编码器101和数据处理控制端103通过spi总线连接。
49.所述井下智能配水器2通过次声波解码器102监测地面控制装置1发来的数字次声波信号，然后通过数据处理控制端103解析接收到的数字次声波信号，最后发送指令给流量控制单元104，调节井下智能配水器2的水嘴开度大小，实现井下分层注水流量调节。
50.所述井下智能配水器2的数据处理控制端103接收到地面控制装置1读取井下数据指令，数据处理控制端103将数据采集单元105采集到的井下注水流量、地层压力、管内压力、水嘴开度和注水温度等数据进行处理，然后将数据发送给次声波编码器101，通过次声波编码器101进行编码，发送次声波信号给地面控制装置1。
51.所述地面控制装置1的次声波解码器102实时监测井下智能配水器2发上来的次声波信号，通过数据处理控制端103解析次声波信号，然后通过远程通信单元106和显示模块108向工作人员显示出井下分层流量值、地层压力值、管内压力值、分层井下配水器水嘴开度值和井下温度值。
52.所述次声波信号是由次声波固定发射时间t,代表高状态表示“1”，和次声波固定停止时间t,代表低状态表示“0”组合，设置为方波信号。次声波解码器采用非相干解调技术解调次声波信号。
53.地面控制装置1向井下智能配水器2的编码见图9所示，包括唤醒码、设备地址码、数据码和校验码；唤醒码为s,代表次声波信号持续时间长度，大于井下智能配水器2的休眠
间隔，当井下智能配水器2监测到次声波信号，井下智能配水器2就被唤醒进入实时动态监测模式，唤醒码和设备地址码中间有一个等待时间n,确保井下智能配水器能正确、完整的接收地面控制装置1的指令；设备地址码由3位二进制码组成，总共有23＝8种，分别表示第一层到第八层配水器的设备地址；数据码由8位二进制码组成，总共有28＝256种，根据数字的不同传递不同的指令；校验码采用二进制偶检验；参见图9，设备地址码是100，表示是4，数据码是10001011，表示是139，因此，地面控制装置1向井下智能配水器2传递的信息是第四层井下智能配水器执行139指令。
54.所述井下智能配水器2向地面控制装置1的编码见图10所示，包括起始码、设备地址码、数据码和校验码，起始码采用2高1低表示；设备地址码由3位二进制码组成，总共有23＝8种，分别表示第一层到第八层配水器的设备地址；数据码由10位二进制码组成，总共有2
10
＝1024个数，井下数据传输3位有效数，分别是十位、个位和小数位；校验码采用二进制偶检验；参见图10，设备地址码是100，表示是4，数据码是1000101101，表示是557，因此，井下智能配水器2向地面控制装置1传递的信息是第四层井下智能配水器的分层流量是55.7 方/天。
55.本实用新型的控制流程，如图11所示：
56.步骤101：地面控制装置1向井下智能配水器2发送编码后的次声波信号指令，所述井下智能配水器2接收该次声波信号指令；
57.具体地，所述地面控制装置1的数据处理控制端103将井下智能配水器2 的唤醒指令发送给次声波编码器101，次声波编码器进行编码，向井下智能配水器2发送次声波信号指令。井下智能配水器2的次声波解码器202定时监测次声波信号，如果接收到唤醒指令，则井下智能配水器2的次声波解码器202 变为实时监测。
58.所述地面控制装置1的数据处理控制端103将数据指令发送给地面控制装置1的次声波编码器101，次声波编码器101进行编码，向井下智能配水器2 发送次声波信号指令，井下智能配水器2的次声波解码器202接收次声波信号。
59.次声波信号是由次声波固定发射时间t,代表高状态表示“1”，和次声波固定静默时间t,代表低状态表示“0”组合。
60.步骤102：所述井下智能配水器2对该次声波信号指令进行解析，获得设备地址；
61.步骤103：将所述设备地址与自身进行比对，如果相同，所述井下智能配水器2执行地面控制装置1发送的控制指令，如果不相同，不进行任何操作，进入休眠状态。
62.具体地，判断井下智能配水器2接收到是控制水嘴开度的指令，则井下智能配水器2的数据处理控制端103向流量控制单元104发送指令，控制井下水嘴开关大小，进而控制对应注水层的流量。
63.判断井下智能配水器2接收到是读取井下动态数据的指令，则井下智能配水器2的数据处理控制端103向数据采集单元105发送指令，获取井下地层压力、管内压力、注水流量、注水温度和水嘴开度的数据，通过井下智能配水器 2的次声波编码器101向地面控制装置1发送次声波信号。
64.所述地面控制装置1的次声波解码器101实时监测并接收次声波信号，地面控制装置1的数据处理控制端103解析次声波信号，获取井下的地层压力、分层注水流量、管内压力、注水温度和水嘴开度数据，并通过显示模块108展示给工作人员。
65.最后，所述井下智能配水器2执行完指令，进入休眠状态。
66.以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。