一种井下低功耗分层注水控制方法及系统与流程

1.本发明属于油井监测系统领域，具体涉及一种井下低功耗分层注水控制方法及系统。


背景技术：

2.随着油气田的不断开发，油层的压力和含油量的不断下降，油井的产量不断的减小，甚至会停产，导致部分地层大量原油无法开采出来。为了弥补由于原油开采而导致的地层亏空，实现油田高产稳产，所以必须给油层进行注水，保证油层压力。而由于油层压力或孔隙度等因素的影响，油层产出不一致，各油层注水也不一致，所以需要对油层和注水的采液量和注水量进行精细控制，从而提高采油率。
3.目前石油领域常用的配水器主要分为传统的投捞水嘴式配水器、边测边调配水器、有缆式智能配水器、无缆式智能配水器(无线通信短接传输和压力波传输)等几种。目前地面设备与井下仪器采用的通信方式主要有：安装电缆通信、下通信短接通信、压力波通信。安装电缆通信方式施工成本较大，下通信短接通信方式后期的维护成本较大。压力波通信方式虽然无需下放通信短节可采用压力波进行数据传输，但在压力变化不明显时，井下配水器(20)有可能无法接收到压力波，导致地面和井下通信失败，地面和井下通信效率低下，进而影响注水井的工作效率。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种井下低功耗分层注水控制方法及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明实施例的第一方面提供一种井下低功耗分层注水控制方法，包括以下步骤：
6.地面编码器对控制指令进行编码，生成下行编码并发送至地面控制器；
7.地面控制器根据所述下行编码时序控制注水阀门的开启幅度，形成下行流量波和下行压力波；
8.所述下行流量波和所述下行所述压力波随注水液柱传输至井下配水器中；
9.所述井下配水器的压力温度流量短节检测所述下行流量波和/或所述下行压力波的变化，并发送对应的下行检测数据至所述井下配水器的井下控制器；
10.所述井下控制器对所述下行流量波的下行检测数据或所述下行压力波的下行检测数据进行解析，得到所述控制指令；
11.所述井下控制器根据所述控制指令控制水嘴短节调节水嘴的开度；
12.所述井下配水器的井下编码器对所述压力温度流量短节检测的实时监测数据进行编码，生成上行编码并发送至井下控制器；
13.所述井下控制器根据所述上行编码时序控制所述水嘴的启闭，形成上行压力波和上行流量波；
14.所述上行压力波和所述上行流量波随注水液柱变化传输至地面传感器组件的安装部位；
15.所述地面传感器组件检测所述上行压力波和/或所述上行流量波的变化，并发送对应的上行检测数据至所述地面控制器；
16.所述地面控制器对所述上行压力波的上行检测数据或所述上行流量波的上行检测数据进行解析，得到所述实时监测数据。
17.在本发明的一个实施例中，还包括：
18.所述地面控制器根据所述实时监测数据生成调节指令；
19.所述地面控制器根据所述调节指令控制所述注水阀门的开启幅度。
20.在本发明的一个实施例中，所述下行编码，包括第一起始位、第一数据位和第一结束位；
21.所述第一起始位和所述第一结束位均为高电平；
22.所述第一数据位采用二进制高低电平编码形式，包括m个t2，m为大于或等1的整数；
23.所述第一起始位包括n个t1的高电平，n为大于或等1的整数；
24.所述上行编码，包括第二起始位、第二数据位和第二结束位；
25.所述第二起始位为低电平，所述第二结束位为高电平；
26.所述第二数据位采用二进制高低电平编码形式，包括l个t3的高电平，l为大于或等1的整数
27.所述第二起始位为预设长度的低电平；
28.其中，t1、t2和t3均为高电平持续的单位时间。
29.本发明实施例的第二方面还提供一种井下低功耗分层注水控制系统，应用于上述本发明实施例的第一方面所述的一种井下低功耗分层注水控制方法，包括：地面子系统和井下配水器；多个所述井下配水器间隔设置在油管上，相邻的两个井下配水器之间设置有封隔器；
30.所述地面子系统包括：地面控制器、地面编码器、注水阀门和地面传感器组件；
31.所述地面控制器与所述地面编码器、所述注水阀门和所述地面传感器组件电连接；
32.所述地面传感器组件，设置在所述注水阀门后端，包括地面流量传感器和地面压力传感器；
33.所述地面编码器用于对控制指令进行编码，生成下行编码并发送至地面控制器；
34.所述地面控制器用于根据所述下行编码时序控制所述注水阀门的开启幅度，形成下行流量波和下行压力波；还用与对所述上行压力波的上行检测数据或所述上行流量波的上行检测数据进行解析，得到实时监测数据。
35.所述地面传感器组件用于检测所述上行压力波和/或所述上行流量波的变化，并发送对应的上行检测数据至所述地面控制器；
36.所述井下配水器，包括：井下编码器、井下控制器、压力温度流量短节和水嘴短节；
37.所述井下编码器、所述井下控制器、所述压力温度流量短节、所述水嘴短节均设置在所述井下配水器的下接头上；
38.所述井下控制器与所述井下编码器、所述压力温度流量短节和所述水嘴短节的电机电连接；
39.所述井下编码器用于对所述压力温度流量短节检测的实时监测数据进行编码，生成上行编码并发送至井下控制器；
40.所述井下控制器用于对所述下行流量波的下行检测数据或所述下行压力波的下行检测数据进行解析，得到所述控制指令；还用于根据所述控制指令控制水嘴短节调节水嘴的开度，还用于根据所述上行编码时序控制所述水嘴的启闭；
41.所述压力温度流量短节用于检测所述下行流量波和/或所述下行压力波的变化，并发送对应的下行检测数据至井下控制器，还用于检测所述井下配水器的实时监测数据。
42.在本发明的一个实施例中，所述井下配水器，还包括：上接头、外护管、所述下接头、电池短节和中心过流管；
43.所述外护管，上端与所述上接头固定连接，下端与所述下接头固定连接；
44.所述中心过流管，位于所述外护管内，上端与所述上接头连通，下端与所述下接头连通且与所述水嘴短节的水嘴连通；
45.所述井下编码器、所述井下控制器、所述压力温度流量短节、所述水嘴短节均设置在所述外护管内；
46.所述电池短节，位于所述外护管内，固设在所述上接头上；
47.所述电池短节与所述井下控制器电连接，用于给所述井下编码器、所述井下控制器、所述压力温度流量短节和所述水嘴短节的电机供电。
48.在本发明的一个实施例中，所述水嘴短节的水嘴包括结构相同的动阀片和静阀片；所述静阀片设置在所述中心过流管的出水孔上，所述动阀片与所述静阀片平行且与所述静阀片转动连接；
49.所述水嘴短节的电机与所述动阀片传动连接；
50.所述动阀片上开设有两个第一出水口；
51.所述静阀片上开设有两个与所述第一出水口分别对应的第二出水口；
52.所述第一出水口关于所述静阀片的中心呈中心对称。
53.本发明的有益效果：
54.本发明通过地面控制器控制注水阀门的开启幅度可以形成压力波和流量波两种通信方式进行地面向井下的通信，通过井下配水器控制水嘴的开度也可以形成压力波和流量波进行井下向地面通信，在压力波变化不明显的情况下，仍然可以使用流量波完成通信，在流量波变化不明显的情况下，仍然可以使用压力波完成通信，极大地提高了波码通信的成功率，提高了波码通信效率，进而提高了注水井的工作效率。
55.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
56.图1是本发明实施例提供的一种井下低功耗分层注水控制系统的结构示意图；
57.图2是本发明实施例提供的一种井下低功耗分层注水控制系统井下配水器的结构示意图；
58.图3是本发明实施例提供的下行编码的编码图；
59.图4是本发明实施例提供的上行编码的编码图；
60.图5是本发明实施例提供的井下配水器的外部结构示意图；
61.图6是本发明实施例提供的井下配水器的内部结构示意图；
62.图7是本发明实施例提供的静阀片的结构示意图；
63.图8是本发明实施例提供的动阀片的结构示意图；
64.图9是本发明实施例提供的水嘴的结构示意图。
65.附图标记说明：
66.10
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地面子系统；20
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井下配水器；21
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压力温度流量短节；22
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井下控制器；23
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水嘴短节；231
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动阀片；232
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静阀片；233
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第一出水口；234
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第二出水口；24
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井下编码器；25
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上接头；26
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外护管；27
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下接头；28
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电池短节；29
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中心过流管；30
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电路短节；31
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封隔器。
具体实施方式
67.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
68.实施例一
69.本发明实施例的第一方面提供一种井下低功耗分层注水控制方法，包括以下步骤：
70.1、地面向井下传输数据：
71.步骤11，地面编码器对控制指令进行编码，生成下行编码并发送至地面控制器。控制指令指示井下配水器20的层位号和对应的命令数据，以控制相应地层的井下配水器20执行对应的命令。
72.步骤12，地面控制器根据下行编码时序控制注水阀门的开启幅度，形成下行流量波和下行压力波。波码通信是通过增大、减小阀门开度产生相应的流量波、压力波。例如注水阀门开启，则压力升高，下行压力波对应下行编码的高电平；注水阀门关闭，则压力降低，下行压力波对应下行编码的低电平。注水阀门开启则流量变大即下行流量波对应为高电平，关闭则流量变小即下行流量波对应为低电平。压力和流量的高电平和低电平根据预设的压力阈值和流量阈值进行判断，大于阈值则为高电平，小于阈值则为低电平。
73.步骤13，下行流量波和下行压力波随注水液柱传输至井下配水器20中。如图1和图2所示，多个井下配水器20间隔设置在油管上，相邻的两个井下配水器20之间设置有封隔器31。
74.步骤14，井下配水器20的压力温度流量短节21检测下行流量波和/或下行压力波的变化，并发送对应的下行检测数据至井下配水器20的井下控制器22。压力温度流量短节21可以检测到流量波和/或压力波的变化，也即是流量大小和/或压力大小。
75.其中，压力温度流量短节21包括井下配水器20的流量短节和内压外压检测短节。流量短节检测流量大小，内压外压检测短节通过压力传感器检测内压和外压的压力大小。
76.步骤15，井下控制器22对下行流量波的下行检测数据或下行压力波的下行检测数据进行解析，得到控制指令。
77.步骤16，井下控制器22根据控制指令控制水嘴短节23调节水嘴的开度。
78.本实施例中，形成的下行流量波和下行压力波由于变化幅度可能不同，因此，压力
温度流量短节21可能仅能检测到变化幅度较为明显的。例如压力温度流量短节21检测到变化较为明显的下行流量波的变化，而未检测到变化不明显的下行压力波的变化，则以下行流量波的数据作为下行检测数据，井下控制器22将下行流量波的下行检测数据进行解析得到下行流量波的码形，根据该码形可以得到对应的控制指令，井下控制器22判断控制指令中层位号与当前井下配水器20的预先设置层位号是否相同，若相同，则当前井下配水器20执行控制指令中的命令，井下控制器22控制当前井下配水器20的水嘴短节23工作，调节水嘴的开度大小或保持开度不变，从而控制当前层的注水量大小。控制指令中层位号与当前井下配水器20的预先设置层位号不相同，则当前井下配水器20不执行控制指令。
79.其中，若下行流量波和下行压力波的变化均可以检测到，则选择其中之一的数据即可。
80.2、井下向地面传输数据：
81.步骤21，井下配水器20的井下编码器24对压力温度流量短节21检测的实时监测数据进行编码，生成上行编码并发送至井下控制器22。其中，压力温度流量短节21还对井下工作状态进行实时监测。压力温度流量短节21用于测量井下配水器20的流量、温度以及内压和外压等实时监测数据。实时监测数据返回地面，可以对井下注水工况进行实时监测。
82.步骤22，井下控制器22根据上行编码时序控制水嘴的启闭，形成上行压力波和上行流量波。水嘴完全开启，则压力降低，上行压力波对应上行编码的低电平；水嘴完全关闭，则压力升高，上行压力波对应下行编码的高电平。水嘴开启幅度增大则流量变大即上行流量波对应为高电平，开启幅度减小则流量变小即上行流量波对应为低电平。压力和流量的高电平和低电平根据预设的压力阈值和流量阈值进行判断，大于阈值则为高电平，小于阈值则为低电平。
83.步骤23，上行压力波和上行流量波随注水液柱变化传输至地面传感器组件的安装部位。
84.步骤24，地面传感器组件检测上行压力波和/或上行流量波的变化，并发送对应的上行检测数据至地面控制器。
85.步骤25，地面控制器对上行压力波的上行检测数据或上行流量波的上行检测数据进行解析，得到实时监测数据。
86.本实施例中，形成的上行流量波和上行压力波由于变化幅度可能不同，相应地，地面传感器组件可能仅能检测到变化幅度较为明显的。例如地面传感器组件检测到变化较为明显的上行流量波的变化，而未检测到变化不明显的上行压力波的变化，则以上行流量波的数据作为上行检测数据，地面控制器将上行流量波的上行检测数据进行解析得到上行流量波的码形，根据该码形可以得到对应的实时监测数据。实时监测数据包括流量大小以及压力大小的数据。
87.其中，若上行流量波和上行压力波的变化均可以检测到，则选择其中之一的数据即可。
88.步骤26，地面控制器根据实时监测数据生成调节指令。根据实时监测数据可以对注水量进行控制，以实现及时调整注水量。
89.步骤27，地面控制器根据调节指令控制注水阀门的开启幅度。
90.本实施例中，通过地面控制器控制注水阀门的开启幅度可以形成压力波和流量波
两种通信方式进行地面向井下的通信，通过井下配水器20控制水嘴的开度也可以形成压力波和流量波进行井下向地面通信，在压力波变化不明显的情况下，仍然可以使用流量波完成通信，或在流量波变化不明显的情况下，仍然可以使用压力波完成通信，极大地提高了波码通信的成功率，提高了波码通信效率，降低功耗，进而提高了注水井的工作效率。
91.进一步地，如图3和图4所示，下行编码，包括第一起始位、第一数据位和第一结束位。第一起始位和第一结束位均为高电平。第一数据位采用二进制高低电平编码形式，包括m个t2的高电平，m为大于或等1的整数。第一起始位包括n个t1的高电平，n为大于或等1的整数。t为高电平持续的单位时间。下行编码中，第一数据位包括多位，第一数据位中包含有层位号和命令数据。第一数据位中有几个t，就表示有几个高电平。第一起始位为预设个数的高电平，因此，第一起始位还包括n
‑
2个低电平。
92.上行编码，包括第二起始位、第二数据位和第二结束位。第二起始位为预设长度的低电平，第二结束位为高电平。第二数据位采用二进制高低电平编码形式，包括l个t3的高电平，l为大于或等1的整数。t1、t2和t3为高电平持续的单位时间。t1、t2和t3可以相等也可以不相等。
93.本实施例中，采用高低电平的二进制编码方式进行编码，增加了编码的种类以及缩短了编码的时间，降低了传输数据的时间，因此提高了通信效率，降低了功耗。
94.实施例二
95.如图1和图2所示，本发明实施例的第二方面提供一种井下低功耗分层注水控制系统，应用于上述实施例一的一种井下低功耗分层注水控制方法，该系统包括：地面子系统10和井下配水器20。多个井下配水器20间隔设置在油管上，相邻的两个井下配水器20之间设置有封隔器31。
96.地面子系统10包括：地面控制器、地面编码器、注水阀门和地面传感器组件。地面控制器与地面编码器、注水阀门和地面传感器组件电连接。地面传感器组件包括地面流量传感器和地面压力传感器，设置在注水阀门后端。
97.本实施例中，地面编码器用于对控制指令进行编码，生成下行编码并发送至地面控制器。地面控制器用于根据下行编码时序控制注水阀门的开启幅度，形成下行流量波和下行压力波；还用于对上行压力波的上行检测数据或上行流量波的上行检测数据进行解析，得到实时监测数据。地面传感器组件用于检测上行压力波和/或上行流量波的变化，并发送对应的上行检测数据至地面控制器。
98.井下配水器20，包括：井下编码器24、井下控制器22、压力温度流量短节21和水嘴短节23。井下编码器24、井下控制器22、压力温度流量短节21、水嘴短节23均设置在井下配水器20的下接头27上。井下控制器22与井下编码器24、压力温度流量短节21和水嘴短节23的电机电连接。
99.本实施例中，井下编码器24用于对压力温度流量短节21检测的实时监测数据进行编码，生成上行编码并发送至井下控制器22。井下控制器22用于对下行流量波的下行检测数据或下行压力波的下行检测数据进行解析，得到控制指令；还用于根据控制指令控制水嘴短节23调节水嘴的开度，还用于根据上行编码时序控制水嘴的启闭。压力温度流量短节21用于检测下行流量波和/或下行压力波的变化，并发送对应的下行检测数据至井下控制器22，压力温度流量短节21还用于测量井下配水器20的流量、温度以及内压和外压等实时
监测数据
100.进一步地，如图5和图6所示，井下配水器20，还包括：上接头25、外护管26、下接头27、电池短节28和中心过流管29。外护管26的上端与上接头25固定连接，外护管26的下端与下接头27固定连接。外护管26内形成密封空间，用于容纳各个元器件。中心过流管29位于外护管26内，中心过流管29的上端与上接头25连通，中心过流管29的下端与下接头27连通且与水嘴短节23的水嘴连通。如需向本层注水层注水，水嘴短节23调节水嘴打开，中心过流管29中的水可以经过水嘴进入本层注水层中。注水经过上接头25进入中心过流管29，然后经过下接头27进入油管继续进入相邻的下层的注水层的配水器的上接头25中。
101.井下编码器24、井下控制器22、压力温度流量短节21、水嘴短节23均设置在外护管26内。井下编码器24和井下控制器22集成在电路短节30中。
102.电池短节28位于外护管26内，电池短节28固设在上接头25上。电池短节28与井下控制器22电连接，用于给井下编码器24、井下控制器22、压力温度流量短节21和水嘴短节23的电机供电。压力温度流量短节21用于测量井下配水器20的流量、温度数据、内压和外压。压力温度流量短节21中设置有压力传感器组件、温度传感器组件等。
103.进一步地，如图7、图8和图9所示，水嘴短节23的水嘴包括动阀片231和静阀片232。水嘴为阀片水嘴结构。静阀片232和动阀片231的结构相同，静阀片232设置在中心过流管29的出水孔上，动阀片231与静阀片232平行且与静阀片232转动连接，且静阀片232和动阀片231之间形成密封。水嘴短节23的电机与动阀片231传动连接。动阀片231上开设有两个第一出水口233。静阀片232上开设有两个与第一出水口233分别对应的第二出水口234。
104.本实施例中，当水嘴短节23的电机带动动阀片231转动至第一出水口233和第二出水口234重合时，此时水嘴完全开启，当水嘴短节23的电机带动动阀片231转动90度后，此时第二出水口234和第一出水口233相互错开，水嘴完全关闭。在井下控制器22根据上行编码时序控制水嘴的启闭时，水嘴完全开启至完全关闭，再由完全关闭至完全开启时可以产生上行压力波和上行流量波，缩短了水嘴开关时间，也即是缩短了高电平到低电平或低电平到高电平的变化的时间，因此高电平和低电平变化时的过渡越快，因此，在进行上行编码时，可以极大地缩短编码的时间。
105.其中，两个第一出水口233关于静阀片232的中心呈中心对称。两个第二出水口234关于动阀片231的中心呈中心对称。静阀片232和动阀片231可以为圆形。
106.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。
107.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
108.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。
109.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
110.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
111.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。