基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統的製作方法

2023-08-22 10:59:41 1

本發明涉及一種注水井無線供電智能測控系統，具體涉及一種基於「互頻」技術的集無線供電、無線通信與控制、免更換電池的注水井無線供電智能測控系統，其可被應用於石油開採領域。

背景技術：

隨著油田的開發，地層壓力遞減，且地層結構複雜，層間壓力各不相同，為了保持地層壓力，解決層間矛盾，將注水合理地分配到各層段，多採用井下分層配注系統，對滲透性好、吸水能力強的層控制注水；對滲透性差、吸水能力弱的層加強注水，從而使高、中、低、滲透性的地層都能發揮注水的作用，實現油田長期高產穩產，提高最終採收率。

現有的井下分層配注系統，各層配水器與堵塞器配合使用，堵塞器內置一次性耐高溫電池，電池可持續供電時間短，需要頻繁投撈堵塞器來更換電池，耗時長且成本高；從測調系統上看，該技術採用投入測調儀測試井下數據後，在井上完成堵塞器定標後，由投撈器放入井下相應位置，由於井下各層壓力不同需要逐層調配，且由於地層壓力會隨時間發生變化，因此得反覆投撈堵塞器，無法連續工作；受測調系統限制，該井下分層配注系統還至少存在這些問題：調配過程和測調過程不同步，測調數據和測調結果無法在地面同時獲取，且過程繁瑣、精度低、成本高昂。

技術實現要素：

本發明的主要目的在於提供一種基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統，以克服現有技術的不足。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

本發明實施例提供了一種基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統,其包括注水管柱、存儲式一體化智能配水器、井下分層流量實時測調儀以及地面控制系統，所述存儲式一體化智能配水器設於注水管柱下端，所述存儲式一體化智能配水器和井下分層流量實時測調儀均與所述地面控制系統連接；

所述井下分層流量實時測調儀包括電能無線發射模塊和第一無線通訊模塊；

所述存儲式一體化智能配水器包括電能無線接收模塊和第二無線通訊模塊，所述電能無線接收模塊與所述第二無線通訊模塊連接，所述第一無線通訊模塊與第二無線通訊模塊之間能夠通過無線方式實現雙向數據通信；

當所述存儲式一體化智能配水器和井下分層流量實時測調儀接近時，所述電能無線發射模塊和電能無線接收模塊能以互頻方式相匹配。

進一步的，所述電能無線發射模塊包括發射諧振體，所述發射諧振體包括發射磁感組和與發射磁感組連接的諧振器，所述電能無線接收模塊包括接收諧振體，所述接收諧振體包括接收磁感組和與接收磁感組連接的諧振器，當在所述電能無線發射模塊中輸入設定頻率的交流電信號時，所述發射諧振體的固有頻率被所述接收諧振體影響而達到選定工作頻率的選定帶寬範圍內，使所述發射諧振體達到諧振狀態，同時所述接收諧振體的固有頻率被所述發射諧振體影響而達到設定頻率範圍，使所述接收諧振體與發射諧振體產生諧振，實現電能在所述電能發射模塊和電能接收模塊之間的無線傳輸，再由所述電能無線接收模塊將接收到的電能輸出給負載設備。

進一步的，所述電能無線發射模塊包括依次串聯的電源變換電路、諧振器、發射磁感組和無線電能控制電路，所述無線電能控制電路還與所述電源變換電路連接。

更進一步的，所述發射磁感組包括驅動線圈和與驅動線圈連接的磁性材料。

具體的，驅動線圈與磁性材料膠粘連接。

進一步的，所述電能無線接收模塊包括依次串聯的接收磁感組、諧振器和電源變換電路。

更進一步的，所述接收磁感組包括驅動線圈和與驅動線圈連接的磁性材料。

具體的，驅動線圈與磁性材料膠粘連接。

優選的，所述井下分層流量實時測調儀經測調電纜與所述地面控制系統連接，所述存儲式一體化智能配水器與所述地面控制系統無線連接而實現雙向數據通信，當所述地面控制系統輸入控制信號並無線傳輸給所述存儲式一體化智能配水器時，所述存儲式一體化智能配水器可於井下獨立工作。

進一步的，所述測調電纜的一端與所述地面控制系統連接，所述測調電纜的另一端經過電纜絞車和天地滑輪組後，再穿過防噴系統，之後與所述井下分層流量實時測調儀連接。

更進一步的，所述防噴系統設於所述注水管柱的上端。

優選的，所述井下分層流量實時測調儀還包括電纜接頭、測調儀主體和機械定位裝置，所述電能無線發射模塊與所述第一無線通信模塊串聯連接，且所述電能無線發射模塊和第一無線通信模塊設置於所述測調儀主體中，所述電纜接頭、測調儀主體和機械定位裝置依次連接。

優選的，所述存儲式一體化智能配水器包括工作筒主體、上接頭、連接套、扶正體、支架、導向體和下接頭，所述上接頭、工作筒主體、支架以及下接頭依次連接，所述連接套、扶正體以及導向體依次連接，且所述連接套、扶正體和導向體設置於所述工作筒主體內。

進一步的，所述工作筒主體的中心通道側邊設置有橋式通道和偏心主通道。

進一步的，所述存儲式一體化智能配水器中還包括具有測控和數據存儲功能的測控電路、可充電電池組、電機、傳感器模塊和智能水嘴，所述電機與所述智能水嘴連接，所述傳感器模塊與所述測控電路連接，所述電能無線接收模塊分別與所述測控電路、傳感器模塊、第二無線通訊模塊、電機和可充電電池組連接。

其中，所述傳感器模塊可用於換算出注水的流量，所述可充電電池組至少用於驅動所述電機運轉，所述電機控制所述智能水嘴開啟閥的開度，從而控制該層注水量。

所述的具有測控和數據存儲功能的測控電路可根據設定的程序，定時開、關機，並可根據測量到的所述智能水嘴開啟閥(即壓差調整閥)的開度，同時存所述儲傳感器模塊採集的數據。

進一步優選的，所述傳感器模塊包括溫度傳感器、流量傳感器和壓力傳感器。

其中，所述流量傳感器可採用差壓式、渦流式、電磁式、超聲波式等，但不限於此。

所述壓力傳感器採用擴散矽為測量晶體的壓電傳感器，還可採用液柱式傳感器、彈性式傳感器等，但不限於此。

進一步優選的，所述測控電路還包含電池組保護電路，所述電池組保護電路與可充電電池組連接。

其中，所述電池組保護電路用於對所述可充電電池組的過充、過放、過流等進行保護。該電池組保護電路還可具有與單片機連接的埠，所述單片機可以讀取可充電電池組的電壓和餘量以及溫度等數據。

進一步優選的，所述測控電路還包含絕對時間時鐘晶片和存儲晶片，所述絕對時間時鐘晶片用以對保存的各個數據冠以時間方便查閱和形成圖標曲線，所述存儲晶片用於保存傳感器模塊採集的數據，以保證掉電不丟失數據。

當所述發射磁感組與所述接收磁感組的位置對正時，所述發射諧振體與所述接收諧振體自動相應並達到互頻共振，所述測控電路捕捉這一變化，並通過所述無線通訊模塊傳遞信號反饋給所述地面控制系統，以使井上操作人員可以判別所述井下分層流量實時測調儀的具體位置。

進一步的，所述井下分層流量實時測調儀經由所述測調電纜與所述地面控制系統的數據傳遞方式為電力載波通信。

優選的，所述電能無線發射模塊所發射的電能為整體直流供電。

優選的，該注水井無線供電智能測控系統包括多個沿豎直方向串聯設置的存儲式一體化智能配水器，所述的多個存儲式一體化智能配水器與所述井下分層流量實時測調儀連接，從而達到分層精細注水的目的。

優選的，該注水井無線供電智能測控系統還包括封隔器，所述封隔器設於所述存儲式一體化智能配水器內，或者，所述封隔器與所述注水管柱串聯設置。

優選的，所述注水管柱的底部還設有水力循環凡爾。

優選的，所述電能無線發射模塊所在區段的測調儀主體的外殼由非金屬材料組成。

優選的，所述電能無線接收模塊所在區段的存儲式一體化智能配水器的中心通道內壁由非金屬材料組成。

在一些具體實施方案中，所述存儲式一體化智能配水器中的各個電路為低功耗、且具有休眠功能的電路，以延長所述可充電電池組的充電周期。

與現有技術相比，本發明提供的基於「互頻」技術的注水井分層配注系統將堵塞器與存儲式一體化智能配水器結合為一體，並加入無線供電、數據無線傳輸功能，形成了對接、測試、實時調控為一體化的井下連續自動調節裝置，實現了無需反覆測試、投撈，即可進行直觀地測試調配，此外，可以在井下自動智能調配，大大提高測調效率和準確性，使注水合格率得到長期保障，並節約了高額成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明結構特徵和技術要點，下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

圖1為本發明一實施例中的基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統的結構示意圖；

圖2為本發明一實施例中的存儲式一體化智能配水器與井下分層流量實時測調儀的內部電路系統位置圖；

圖3為本發明一實施例中的存儲式一體化智能配水器的結構示意圖；

圖4為本發明一實施例中的井下分層流量實時測調儀的機械位置示意圖；

圖5為本發明一實施例中的井下分層流量實時測調儀的機械定位裝置的結構示意圖；

圖6為本發明一實施例中的基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統的供電迴路示意圖；

圖7為本發明一實施例中的基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統的電能接收與輸出迴路示意圖；

圖8為本發明一實施例中的基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統的通訊迴路示意圖。

附圖標記說明：1-地面控制系統、2-電纜絞車、3-天地滑輪組、4-防噴系統、5-測調電纜、6-注水管柱、7-存儲式一體化智能配水器、8-井下分層流量實時測調儀、101-電能無線接收模塊、102-可充電電池組、103-測控電路、104-第二無線通訊模塊、105-智能水嘴、106-電機、107-上接頭、108-連接套、109-扶正體、110-工作筒主體、111-支架、112-導向體、113-下接頭、114-傳感器模塊、201-電纜接頭、202-測調儀主體、203-電能無線發射模塊、204-第一無線通訊模塊、205-機械定位裝置、206-電機及驅動器組件、207-萬向聯軸器、208-上凸輪、209-定位支架、210-下凸輪、211-導向機構。

具體實施方式

以下將結合本實施例中的附圖，對實施例中的技術方案進行具體、清楚、完整地描述。

請參閱圖1，本發明實施例公開了一種基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統，包括注水管柱6、存儲式一體化智能配水器7、井下分層流量實時測調儀8、防噴系統4、天地滑輪組3、電纜絞車2、測調電纜5以及地面控制系統1，存儲式一體化智能配水器7設於注水管柱6內，測調電纜5的一端連接地面控制系統1，測調電纜5的另一端連接井下分層流量實時測調儀8，具體的，測調電纜5的另一端經過電纜絞車2、天地滑輪組3後，再穿過設於注水管柱6上端的防噴系統4，之後與井下分層流量實時測調儀8連接，存儲式一體化智能配水器7與地面控制系統1無線連接而實現雙向數據通信，當地面控制系統1輸入控制信號並無線傳輸給存儲式一體化智能配水器7時，存儲式一體化智能配水器7可於井下獨立工作。

井下分層流量實時測調儀8與存儲式一體化智能配水器7通過「互頻」技術實現無線電能傳輸，並採用非接觸方式實現雙向數據通信，實現對所述存存儲式一體化智能配水器7的供電及注採調配。

其中，地面控制系統1終端可設置相應顯示面板、控制面板和報警系統，包括電壓表、電流表、電源開關、復位開關、輸入電源指示燈、工作電源指示燈、過載報警指示燈等。

其中，該注水井無線供電智能測控系統還包括封隔器，存儲式一體化智能配水器7中設有封隔器，或者，封隔器與注水管柱6串聯設置。

其中，所述注水管柱6底部可加入水力循環凡爾，水力循環凡爾系一個單流閥，井噴的時候水力循環凡爾可以防止地層流體通過鑽頭水眼進入鑽具內，另外在壓井的時候也能起到作用，鑽井接單根和下鑽過程中也可以防止泥漿反噴。

進一步的，請參閱圖4-5所示，井下分層流量實時測調儀8包括測調儀主體202、電纜接頭201、電能無線發射模塊203、第一無線通訊模塊204和機械定位裝置205，電能無線發射模塊203與第一無線通訊模塊204串聯連接，且電能無線發射模塊203和第一無線通訊模塊204設置於測調儀主體202中，電纜接頭201、測調儀主體202和機械定位裝置205依次連接；其中，機械定位裝置205包括電機及驅動器組件206、萬向聯軸器207、上凸輪208、定位支架209、下凸輪210以及導向機構211。

進一步的，請參閱圖6所示，電能無線發射模塊203包括依次串聯的電源變換電路、諧振器、發射磁阻和無線電能控制電路，所述無線電能控制電路還與電源變換電路相連接，具體的，所述發射磁感組包括驅動線圈和與驅動線圈連接的磁性材料，驅動線圈和磁性材料膠粘連接。

其中，電能無線發射模塊203所在區段的測調儀主體202的外殼採用非金屬材料，非金屬材料可採用耐高溫塑料、高溫陶瓷等，但不限於此。

進一步的，請參閱圖3，存儲式一體化智能配水器7包括工作筒主體110、上接頭107、連接套108、扶正體109、支架111、導向體112和下接頭113，上接頭107、工作筒主體110、支架111以及下接頭113依次連接，連接套108、扶正體109以及導向體112依次連接，且連接套108、扶正體109和導向體112設置於工作筒主體110內，工作筒主體110的中心通道側邊設置有橋式通道和偏心主通道；

其中，存儲式一體化智能配水器7可以採用不鏽鋼材質，不易腐蝕，但不限於此。

進一步的，請參閱圖2，存儲式一體化智能配水器7還中裝有電能無線接收模塊101、測控電路103、可充電電池組102(可以採用鋰電池)、電機106、傳感器模塊114、智能水嘴105和第二無線通訊模塊104，其中，電機106與智能水嘴105相連，傳感器模塊114與測控電路103相連，電能無線接收模塊101分別與測控電路103、傳感器模塊114、第二無線通訊模塊104、智能水嘴105和可充電電池組102連接，傳感器模塊114可以換算出流量，可充電電池組102用於驅動電機106運轉，電機106控制智能水嘴105開啟閥的開度，從而控制該層注水量。

其中，當智能水嘴105全關時，可用於剛作業完成的注水管柱6的封隔器打壓坐封，減少投撈次數，降低作業費用；當智能水嘴105全關，且量通徑達10mm時，基本達到常規堵塞器無水嘴狀態。

其中，測控電路103中包含對可充電電池組102進行保護的保護電路，具體能對可充電電池組102的過充、過放、過流等進行保護；該保護電路具有與單片機連接的埠，單片機可以讀取可充電電池組102的電壓和餘量以及溫度等數據。

其中，可充電電池組102充電時間為1-3小時，充滿狀態下可使用3個月。

進一步的，測控電路103同時具有測控和數據存儲功能，可根據設定的程序，定時開、關機，並根據測量到的智能水嘴開啟閥(即壓差調整閥)的開度，同時存儲傳感器模塊114採集的數據。

進一步的，請參閱圖7，所述電能無線接收模塊101包括依次串聯的接收磁感組、諧振器、電源變換電路，具體的，所述接收磁感組包括驅動線圈和與驅動線圈連接的磁性材料，驅動線圈和磁性材料膠粘連接。

其中，電能無線接收模塊101所在區段的存儲式一體化智能配水器7的中心通道內壁採用非金屬材料，非金屬材料可採用耐高溫塑料、高溫陶瓷等，但不限於此。

進一步的，所述傳感器模塊114包括溫度傳感器、流量傳感器和壓力傳感器。

其中，流量傳感器可採用差壓式、渦流式、電磁式、超聲波式等，但不限於此。

其中，壓力傳感器可採用擴散矽為測量晶體的壓電傳感器，還可採用液柱式傳感器、彈性式傳感器等，但不限於此。

進一步的，當井下分層流量實時測調儀8與存儲式一體化智能配水器7相接近時，所述發射磁感組和接收磁感組以「互頻」方式相耦合，將電能從井下分層流量實時測調儀8的電能無線發射模塊203非接觸傳輸至存儲式一體化智能配水器7中的電能無線接收模塊101，進而對存儲式一體化智能配水器7中的的可充電電池組102進行供電；當井下分層流量實時測調儀8遠離存儲式一體化智能配水器7時，可充電電池組102可獨立對存儲式一體化智能配水器7中的智能水嘴105進行供電，智能水嘴105方可獨立工作。

具體的，電能無線發射模塊203的發射磁感組與電能無線接收模塊101的接收磁感組以「互頻」方式相互匹配的原理如下：

當電能無線發射模塊203被輸入設定頻率的交流電信號時，由發射磁感組和諧振器組成的發射諧振體的固有頻率被由接收磁感組和諧振器組成的接收諧振體影響而達到該選定工作頻率的選定帶寬範圍內，使發射諧振體達到諧振狀態，同時接收諧振體的固有頻率被發射諧振體影響而達到設定頻率範圍，使接收諧振體與發射諧振體產生諧振，從而實現電能在電能無線發射模塊203和電能無線接收模塊101之間的無線傳輸，電能無線接收模塊101將接收到的電能輸出負載設備(負載設備包括測控電路、電機、傳感器模塊以及第二無線通訊模塊)。

進一步的，請參閱圖8，當井下分層流量實時測調儀8中的第一無線通訊模塊204和存儲式一體化智能配水器7中的第二無線通訊模塊104相互接近時，可實現採集數據的雙向傳遞。具體的，一方面，地面控制系統1發出信號，經由測調電纜5和井下分層流量實時測調儀8中的第一無線通訊模塊204發送給存儲式一體化智能配水器7中的第二無線通訊模塊104，進而實時調控存儲式一體化智能配水器7的工作程序；另一方面，存儲式一體化智能配水器7中的測控電路103接收傳感器模塊114的數據，通過第二無線通訊模塊104發送給調側儀8的第一無線通訊模塊204，再經由測調電纜5反饋給地面控制系統1。

進一步的，發射磁感組與接收磁感組可通過「互頻」原理實現井下分層流量實時測調儀8與存儲式一體化智能配水器7的對位。

發射磁感組與接收磁感組可通過「互頻」原理實現井下分層流量實時測調儀8與存儲式一體化智能配水器7的對位的原理如下：

當電能無線發射模塊203中的發射磁感組與電能無線接收模塊101中的接收磁感組位置對正時，發射端與接收端自動響應，原有頻率發生變化，達到互頻共振，測控電路103可及時捕捉這一變化，並通過第二無線通訊模塊104傳遞信號，從而反饋給地面控制系統1，井上操作人員即可判別井下分層流量實時測調儀8的具體位置。

進一步的，調側儀8經由測調電纜5與地面控制系統1的數據傳遞方式為電力載波通信。

進一步的，電能無線發射模塊203所發射的電能為整體直流供電。

進一步的，所述注水井分層配注系統包括多個沿豎直方向串聯設置的存儲式一體化智能配水器7，所述的多個存儲式一體化智能配水器7與井下分層流量實時測調儀8連接，一個井下分層流量實時測調儀8分別調控位於各層的存儲式一體化智能配水器7，從而達到分層精細注水的目的。

在一些具體實施方案中，存儲式一體化智能配水器7中的測控電路103還包含絕對時間時鐘晶片和存儲晶片，所述絕對時間時鐘晶片用以對保存的各個數據冠以時間方便查閱和形成圖標曲線，所述存儲晶片用於保存傳感器模塊採集的數據，以保證掉電不丟失數據。

在一些具體實施方案中，存儲式一體化智能配水器7中的各個電路，均可設計成低功耗，且帶有休眠功能，從而可以延長可充電電池組102的充電周期。

本發明提供的基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統是基於「互頻」技術進行電力傳輸的，同時加入無線通訊功能、數據存儲功能、井下自動控制功能，以自動控制方式代替了現有設備人工投撈儀器測量注水量，再人工投撈堵塞器改變注水量的試探性測調方法，在減少勞動量的同時，可明顯減少了資金投入和人員投入，提高注水效率與注水合格率。

在本說明書中，若非特別說明，則前述基於互頻原理的注水井無線供電智能測控系統中的機械、電氣組件均可以選自業界已知的合適類型。

上述具體實施方式，僅為說明本發明的技術構思和結構特徵，目的在於讓熟悉此項技術的相關人士能夠據以實施，但以上所述內容並不限制本發明的保護範圍，凡是依據本發明的精神實質所作的任何等效變化或修飾，均應落入本發明的保護範圍之內。