CN109854216B - 注水井多层分注分布式通信的分层注水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，地面控制***包括井口控制主站和智能调水阀，井口控制主站通过GPRS天线与测调中心进行双向通信，测调中心将命令发送给井口控制主站，井口控制主站对发往井下的命令进行编码，编码后控制智能调水阀实现流量的高低变化产生对应的下行流量波；各井下配水器子站同时激活、接收下行流量波并解码后，控制各层水嘴分别按主站的命令同时进行注水；各井下配水器子站上传数据时，先进行编码，然后通过控制该层水嘴实现流量的高低变化形成相应的上行流量波，井口控制主站接收到上行流量波后，解码后获得所需的数据并发送给测调中心。该方法可实现井下各层同时进行注水调整，提高生产效率。

Description

注水井多层分注分布式通信的分层注水方法

技术领域

本发明涉及石油天然气领域的分层注水井，尤其涉及一种注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，属于分层注水技术领域。

背景技术

分层注水是通过封隔器的封隔和配水器的水嘴控制来实施注水，使高中低渗地层都发挥注水作用，从而实现调整油田层间矛盾提高注水波及系数的一项工艺措施。目前石油工程领域常用的配水方法主要有投捞式的传统配水、边测边调配水和较为先进的/长效无线压力/流量波测调配水方法。

长效无线流量波测调配水***的井下每层对应一个智能配水器（内部设有测量、执行及通信机构），其上下用封隔器封隔；地面设有井口配水控制站（具有地面数据采集，下达配水调整命令给每层配水器，接受井下每层配水器发来的数据信息功能），多个井下配水器与井口配水控制站双向通信实现配水控制及监测，油田众多井口配水控制站组网实现全网水井配水调配及监控。

测调中心通过井口配水控制站向井下某层配水器下达配水调整命令，该层配水器收到配水调整命令后，向井口配水控制站反馈签收，签收不成功则测调中心重新下达该层的配水调整命令，直至其确认签收；上一层配水调整命令确认签收后，测调中心再下达下一层的配水调整命令，如此各层依次执行配水调整命令。井口配水控制站与井下各层对应的配水器之间的通信耗时过长，每层配水调整命令的下达需要耗时10～20分钟，调配时间太长，影响了时效性。

此外，由于井下配水器实时上传的数据较多，井下配水器上传数据的通信编码耗时也较多，使得每层数据上传需要耗时45分钟左右。尤其对于渗透性低、吸水性不好的油层，井下配水器的动作对压力影响小，使得信号的传播、检测和数据的解析难度增大，大大延长了测试时间，不能适应生产需求。

公开号为CN 107503720A公开了一种利用流量波调控分层注水的装置及方法，采用两套编码方法。地面装置的编码包括层位号和数据命令，编码规则是在规定时间间隔内控制流量的跳变次数，根据跳变次数的不同传递不同指令。井下配水器的编码采取起始位、数据段、结束位相组合，其中数据段的每一位数据都占据10个编码时间间隔N，若某一间隔变为高，则这一间隔的次序代表这一位的数值。不计起始位和结束位，假设传递数据为2位十进制数“46”，则通信所需消耗的时间为20N，目前的实际应用，井下向地面返回数据所消耗的时间比较长，对于三千米的井深，上传一层数据大约需要45分钟；流量波呈现低→高→低→高→低，水嘴需要动作四次，动作能耗比较大，且水嘴使用寿命短，井下电池电量损耗大。

一旦井下电池的电量衰减到一定程度，则必须起井更换电池，数千米的管柱需要逐节从井口起出，新电池安装后，管柱需要逐节重新下井，每次起下井需要耗费几天时间，维护和人工工作量很大，且容易出现意外故障。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，设立井口控制主站与井下各智能配水器进行分组通信，以广播方式发送命令，实现井下各层同时进行注水调整，提高生产效率。

为解决以上技术问题，本发明的一种注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，注水管柱上安装有与各注水层相对应的智能配水器，各注水层之间通过封隔器相互分隔，在井口安装地面控制***，所述地面控制***包括井口控制主站和智能调水阀，井下各智能配水器分别作为井下配水器子站；井口控制主站通过GPRS天线与测调中心进行双向通信，测调中心将命令发送给井口控制主站，井口控制主站对发往井下的命令进行编码，编码后控制智能调水阀实现流量的高低变化产生对应的下行流量波；各井下配水器子站同时激活、接收下行流量波并解码后，控制各层水嘴分别按主站的命令同时进行注水；各井下配水器子站上传数据时，先进行编码，然后通过控制该层水嘴实现流量的高低变化形成相应的上行流量波，井口控制主站接收到上行流量波后，解码后获得所需的数据并发送给测调中心。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：基于地面无线通信网络，测调中心可实时或定时对各井口控制主站无线发送测调命令，各井口控制主站获得的井下各层数据信息可无线发送给测调中心。各井口控制主站以广播方式将井下各层的配水调整命令一次性发送下井，该配水调整命令随下行流量波到达井下后，各井下配水器子站各自接收、解码，并分别调整各自水嘴的开度，实现各层同时进行注水调整。各层的注水调整省去了等待上一层接收命令并向测调中心反馈签收的时间，将发送命令的双向通信变为了单向通信，减少了双向通信次数，提高了生产效率。

作为本发明的改进，下行流量波的编码由“井下激活码+子站ID码+命令类型码+下传数据+主站校验码”组成；其中命令类型码为0或1，命令类型码0后面的下传数据为“配水调整”，命令类型码1后面的下传数据为“配置及命令”。“井下激活码”到达井下后，各井下配水器子站同时被激活，通过“子站ID码”辨别接收各层的命令。当命令类型码为0时，表明该层接收的是“配水调整”数据，“配水调整”数据包括水嘴开度及某开度下持续的时长等，该井下配水器子站据此调整水嘴的开度。当命令类型码为1时，表明该层接收的是“配置及命令”数据，例如命令定时或立刻上传数据，上传全信息、中信息或必要信息，关闭水嘴等。

作为本发明的进一步改进，上行流量波的编码由“子站ID码+上传数据+子站校验码”组成，其中上传数据根据下行流量波的“配置及命令”分为全信息、中信息或必要信息，全信息包括压力、温度和流量数据，中信息包括压力和流量数据，必要信息包括压差数据。“子站ID码”表明该子站的身份，上传数据为全信息、中信息或必要信息中的一种，根据“配置及命令”规定的种类而定；井口控制主站根据必要信息的压差数据可以计算出对应的流量。处于较后位地址的子站检测到前位地址子站上传数据结束码后，开始上传本位子站的数据，实现按命令顺序及种类上传数据。

作为本发明的进一步改进，各井下配水器子站按“配置及命令”定时或命令实时上传数据；井口控制主站按“配置及命令”定时接受并暂存数据或命令实时接受数据，并转发测调中心。实际应用中，多数情况下为定时上传数据，例如选择夜间上传数据，避开测调中心可能下达命令的白天，实现通信时间上的错位；夜间上传的数据暂存在井口控制主站中，供测调中心白天进行瞬间读取，读取后暂存的数据清除。特殊情况下，测调中心可以发命令要求实时上传数据，上传后立即读取。

作为本发明的进一步改进，上行流量波的全部编码以及下行流量波中“井下激活码”后面的编码均采用起始位、数据段和结束位相组合，起始位和结束位均为高流量状态，数据段的每一位数据n由nT+1T个时间单元来表示，其中1T紧跟在nT后面并且与nT呈现相反的流量状态。不计起始位和结束位，假设传递数据为2位十进制数“46”，则通信所需消耗的时间为4T+1T+6T+1T=12T，与传统编码每位数字占据10T相比，节省通信消耗时间百分比为：（20-12）/20=40%。流量波呈现低→高→低的变化，水嘴需要动作两次，动作能耗减少一半，水嘴使用寿命延长至两倍。极限情况一：如果传送数据为2位十进制数“00”，则通信所需消耗的时间为0T+1T+0T+1T=12T，节省通信消耗时间百分比为：（20-2）/20=90%。极限情况二：如果传送数据为2位十进制数“99”，则通信所需消耗的时间为9T+1T+9T+1T=20T，节省通信消耗时间百分比为：（20-20）/20=0%。由此可见，此编码的特点为变周期和节省动作能耗；由井下向井口发送流量波信号，最大可节省时间90%，大大提高了通信效率；水嘴动作减少一半，使用寿命延长一倍；更重要的是水嘴的动作能耗也减少一半，电池的使用寿命延长一倍，减少起下井更换电池的次数，大大减轻了工作量，提高了生产效率。

作为本发明的进一步改进，所述地面控制***还包括来水干管和注水管，所述来水干管连接有来水支管，所述来水支管上安装有来水手动开关阀，所述来水手动开关阀的上游安装有阀前压力变送器，所述来水手动开关阀的下游安装有所述智能调水阀，所述智能调水阀设有流量传感器，所述智能调水阀的下游连接有注水手动开关阀，所述注水手动开关阀的出口连接所述注水管，所述智能调水阀出口与所述注水手动开关阀入口之间的横管上安装有阀后压力变送器，所述阀前压力变送器、阀后压力变送器和智能调水阀的信号线均与所述井口控制主站相连接；所述注水管上连接有旁路排水管，所述旁路排水管的入口设有电动泄压阀；所述井口控制主站的背面安装有竖向支架，所述竖向支架上固定有卡箍，所述卡箍抱在所述智能调水阀的出口竖管上。通过竖向支架与卡箍可以实现井口控制主站的就地安装，且可以调整位置。打开来水手动开关阀和注水手动开关阀后，水流沿来水干管和来水支管进入智能调水阀，经智能调水阀调节后进入注水管，阀前压力变送器可以检测智能调水阀上游的压力并传输给井口控制主站，阀后压力变送器可以检测智能调水阀下游的压力并传输给井口控制主站，井口控制主站发送控制信号来调节智能调节阀的开关，从而控制注水流量。当智能调水阀从全闭切换至全开时，井口压力与流量同时增大，形成流量编码的高；当智能调水阀从全开切换至全闭时，地面压力与流量同时减小，形成流量编码的低，如此形成流量波，下行流量波发送给智能配水器，达到对注水量的调控。智能配水器通过开关水嘴或改变水嘴开度形成流量波，上行流量波被阀后压力变送器采集并发送给井口控制主站，井口控制主站解析出上行流量波，如此实现了地面设备与井下仪器的双向流量波通信。在井下渗水性不好，导致压力无法降低时，可以打开电动泄压阀进行快速泄压，井口与井下的压差小则流量减小，以此达到流量编码的低。

作为本发明的进一步改进，所述井口控制主站中设有电源单元、地面控制芯片、数据采集单元、信号处理单元和GPRS数传模块，所述数据采集单元的信号接收端分别与所述阀前压力变送器、阀后压力变送器和智能调水阀的信号线相连，所述数据采集单元的压力流量信号输出端与所述信号处理单元的压力流量信号接收端相连，所述信号处理单元与所述地面控制芯片双向通讯连接，所述地面控制芯片与所述GPRS数传模块双向通讯连接，所述GPRS数传模块与GPRS天线连接，所述信号处理单元的控制信号输出端与所述智能调水阀的信号线连接；所述信号处理单元还通过通讯接口与触摸屏相连，所述信号处理单元设有24V输出端，所述24V输出端与所述电动泄压阀的电源线相连。地面控制芯片还通过GPRS数传模块及GPRS天线将压力、温度、流量等实时数据发送给油田测调监控中心，实时显示井口数据，达到远程监控调测的目的。编码时，井口控制主站内的GPRS数传模块通过GPRS天线接收到油田测调监控中心的指令，当指令为读取井下数据时，发送控制信号来调节智能调节阀的开关，通过智能调节阀的开关形成压力与流量的高、低变化，实现流量波通信的发码功能。智能配水器接收到地面信号后，返回流量波码给井口，井口控制主站对返回波码进行解析。收码时，通过读取阀后压力变送器的压力数据与读取智能调节阀上的流量数据，当高于某一阈值时为高脉冲，低于某一阈值时为低脉冲，以此完成流量波通信的收码过程，根据约定协议内容对所接受波码进行解析得到井下数据，完成地面与井下的双向通信功能。触摸屏可以进行数据的现场显示；在井下渗水性不好，导致压力无法降低时，信号处理单元输出24V给电动泄压阀，使其打开进行快速泄压，以此达到低流量的编码。

作为本发明的进一步改进，所述智能配水器包括共轴线的配水上接头、外护管、配水中心管和配水下接头，所述配水上接头的下端外周旋接在所述外护管的上端口中，所述配水下接头的上部外周旋接在所述外护管的下端口中，所述配水中心管的下端口压在所述配水下接头的顶部，所述配水下接头的中部安装有与中心孔贯通且开度可调的水嘴，所述水嘴的外端口覆盖有防返吐罩；所述配水下接头中安装有水嘴控制机构，所述配水中心管的上部与所述配水上接头之间设有内护管，所述内护管的内径与配水中心管的内径相等，所述内护管的上下两端分别设有向外凸出的内护管凸圈，两内护管凸圈之间的空腔中安装有井下控制单元；所述配水上接头的下端压在上内护管凸圈的外台阶上，下内护管凸圈的下端面均匀分布有四个凸圈凹槽，各凸圈凹槽中分别嵌装有上密封座，各上密封座的内缘分别压在所述配水中心管的上端口；所述配水中心管与所述外护管之间的环状空间中均匀安装有四根沿轴向延伸的安装柱，各安装柱的上端分别固定在相应上密封座上。配水上接头的作用是连接外护管和内护管，并为连接上方的油管管柱提供标准接口；外护管的作用是隔绝油管外压力和流体，并为仪器提供承压力和油管上下拉力，保护仪器安全；配水中心管为油管内压力和流体，并为下层流体和其他测井仪器提供通道；配水下接头连接外护管和配水中心管，并为水嘴提供流体流道入口和出口，并连接水嘴，同时连接验封检测短节并为其提供取压口，还为连接下方的油管管柱提供标准接口。井下控制单元沿内护管和外护管之间的空腔布置，结构紧凑，通过水嘴控制机构精确调节水嘴的开度，从而调节注水方量。防返吐罩不影响注水，并且可以防止井下岩屑进入水嘴。当水嘴从全闭切换至全开时，注水压力与流量同时增大，形成流量编码的高；当水嘴从全开切换至全闭时，注水压力与流量同时减小，形成流量编码的低，如此形成井下流量波，井下流量波向上返回，被地面控制***的阀后压力变送器采集并发送给井口控制主站，井口控制主站解析出井下流量波，如此实现了地面设备与井下仪器的双向流量波通信。

作为本发明的进一步改进，第一、二、三安装柱的下端分别固定在所述配水下接头上，第一安装柱的下端安装有可接收井口控制主站流量波信号的验封检测短节，第二安装柱的中段安装有控制所述水嘴控制机构动作时间和方向的电机驱动机构，电机驱动机构受控于所述井下控制单元，所述井下控制单元的信号输入端与所述验封检测短节的信号输出端电连接。四根安装柱将验封检测短节和电机驱动机构分别安装在环状空间的不同相位上，可以减小配水器的整体外形尺寸，并且可以采用较大内径的配水中心管，以便于测试仪器的通行。验封检测短节的压力传感器接收下行的流量波信号并传输给井下控制单元，同时验封检测短节还测得管内实际压力和管外实际压力，结合相关算法来对封隔器的情况进行验封，将管内外的压力实际数据也反馈给井下控制单元。井下控制单元接收验封检测短节的信号，存储各个单元算法数据和控制程序，计算水嘴的流量数据；通过电机驱动机构控制水嘴控制机构的动作时间和方向，从而调节水嘴出水口的开度值大小，进而来精确调节本层的注水方量，同时通过开启、闭合水嘴出水口形成井下流量波向地面控制***发送。验封检测短节与井下控制单元之间的信号电缆沿第一安装柱的内腔穿行，下内护管凸圈和上密封座上设有轴向孔供信号电缆通过。该配水器一次施工即可长时间满足验封、注水和压力降落等功能测试。

作为本发明的进一步改进，第四安装柱上安装有向井下控制单元、电机驱动机构和验封检测短节提供电源的集成供电单元，所述集成供电单元的外周设有供电单元外护壳，所述上密封座的外缘压在所述供电单元外护壳的上端口，所述供电单元外护壳的下端口与所述配水中心管的外壁之间设有下密封座，所述第四安装柱的下端固定在所述下密封座上。集成供电单元为各个运动机构和电子元器件提供电力保障，自带集成供电单元可以使该配水器长时间在井下工作，并利用流量波进行地面和井下双向传输。上密封座与下密封座确保供电单元外护壳上下端口的密封。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。

图1为本发明分层注水的管柱结构示意图。

图2为图1中封隔器的主视图。

图3为图2的局部放大图。

图4为本发明中地面控制***的立体图。

图5为图1中井口控制主站的工作原理图。

图6为图1中智能配水器的主视图。

图7为图6去掉外护管后的左视图。

图8为本发明中的编码示意图。

图中：A.水力锚；B.智能配水器；C.封隔器；D.扶正器；E.单向阀；F.筛管；G.丝堵；H.套管悬挂器；G1.来水干管；G2.来水支管；G3.注水管；G4.旁路排水管；P1.阀前压力变送器；P2.阀后压力变送器；V1.来水手动开关阀；V2.智能调水阀；V3.注水手动开关阀；V4.电动泄压阀；K1.井口控制主站；K1a.竖向支架；K1b.卡箍。

1.封隔器上接头；2.解封剪钉；3.平衡液缸；4.平衡活塞；5.封隔器中心管；5a.坐封进水孔；5b.封隔器中心管泄水孔；5c.封隔器中心管缩径段；6.开关液缸；6a.反洗进水孔；7.开关活塞；7a.开关活塞小直径段；7b.开关活塞通水槽；8.反洗活塞座；9.反洗活塞密封环；10.反洗活塞压环；11.反洗活塞；12.弹簧；13.胶筒上压帽；14.扩张胶筒；15.胶筒下压帽；16.密封螺钉；17.下压帽O形圈；18.封隔器下接头。

19.水嘴；20.防返吐罩；21.配水上接头；22.外护管；23.配水中心管；24.内护管；24a.上内护管凸圈；24b.下内护管凸圈；25.上密封座；26.水嘴控制机构；27.电机驱动机构；28.验封检测短节；29.井下控制单元；30.集成供电单元；30a.供电单元外护壳；31.第一安装柱；32.第二安装柱；33.第三安装柱；34.第四安装柱；35.下密封座；36.配水下接头。

具体实施方式

如图1所示，本发明的注水管柱插接在小套管的内腔，小套管的上端通过套管悬挂器H悬挂在大套管的内壁，注水管柱的上端伸出小套管的上方且通过变径接头与管柱大直径段相连接，管柱大直径段通过水力锚A固定在大套管的内腔，注水管柱上与油层相应的位置分别设有智能配水器B，各智能配水器B均受控于地面控制***，相邻智能配水器之间分别设有封隔器C，顶层智能配水器的上方设有扶正器D，底层油层的智能配水器B下方依次连接有单向阀E、筛管F和丝堵G。在小套管中采用封隔器将上下油层分隔开以后，即可进行分层注水。

如图2、图3所示，封隔器C包括封隔器中心管5，封隔器中心管5的下部外周套装有扩张胶筒14，扩张胶筒14的下端封闭且扩张胶筒14的内周壁与封隔器中心管5的外壁之间设有间隙形成胶筒内腔；封隔器中心管5的下端旋接有封隔器下接头18。扩张胶筒14的上端固定在胶筒上压帽13的下端口中，胶筒上压帽13中部的内台阶上支撑有弹簧12，弹簧12的上端压在反洗活塞11的下端，反洗活塞11的上端抵靠在反洗活塞座8的下方，反洗活塞座8的下部外周与胶筒上压帽13的上端口相旋接；与反洗活塞座8内壁对应的封隔器中心管5上设有坐封进水孔5a。

反洗活塞座8的上部旋接有开关液缸6，开关液缸6的内腔设有开关活塞7，开关活塞7的下端设有开关活塞小直径段7a，开关活塞小直径段7a的下端***反洗活塞座8的内腔且与反洗活塞11的上端内缘相对；开关活塞小直径段7a上设有与坐封进水孔5a相贯通的开关活塞通水槽7b。开关液缸6的中段设有对开关活塞7进行上限位的开关液缸内台阶，开关液缸内台阶的上方设有贯通开关液缸6的反洗进水孔6a。

开关液缸6的上端旋接有平衡液缸3，平衡液缸3的内腔设有平衡活塞4，平衡液缸3的中段设有对平衡活塞4进行上限位的平衡液缸内台阶，平衡液缸3的上端口抵靠在封隔器上接头1的台阶下方，平衡液缸3的上部圆周通过解封剪钉2连接在封隔器上接头1的下端外周，封隔器上接头1的下端母螺纹旋接在封隔器中心管5的上端，平衡活塞4上方的封隔器中心管5上设有封隔器中心管泄水孔5b。扩张胶筒14的下端固定在胶筒下压帽15中，胶筒下压帽15的下端内壁通过下压帽O形圈17与封隔器中心管5外壁实现密封，胶筒下压帽15下方的封隔器中心管5设有封隔器中心管缩径段5c。

从封隔器中心管5内向封隔器加压，液压经过封隔器中心管5上的坐封进水孔5a进入反洗活塞座8的内腔，推动反洗活塞11压缩弹簧12，液压进入扩张胶筒14的内腔使其扩张密封油套管的环形空间，实现坐封。停注时，在弹簧12的张力作用下，反洗活塞11向上升起与反洗活塞座8贴合，使扩张胶筒14内腔的压力液被封闭，保证扩张胶筒14处于坐封状态，即使管柱内外的压差消失，封隔器仍能保持密封状态，解决了常规封隔器在油管泄压即发生解封的问题。从封隔器中心管5内向封隔器加压坐封时，同时开关活塞7在内压作用下保持开关液缸6向上的推力，使开关液缸6不会相对于封隔器中心管5产生轴向位移，这样保证封隔器不会因为注水时的蠕动使封隔器解封剪钉2剪断而失效。开关活塞7受到从坐封进水孔5a注入的液压时，向上滑动至开关液缸内台阶停止。

当需要反洗井时，油套环空加压，液体经过开关液缸6上的反洗进水孔6a进入开关液缸6与封隔器中心管5之间的环空内，液体推动开关活塞7向下运动，开关活塞小直径段7a向下推开反洗活塞11，扩张胶筒14内的液体经过反洗活塞11、封隔器中心管5上的坐封进水孔5a，回到注水管柱，封隔器解封，可进行反洗井，同时平衡活塞4保持平衡液缸3向上的推力，抵消了大部分作用在扩张胶筒14上向下的活塞力，减小了平衡液缸3上方解封剪钉2所受到的向下的剪切力，封隔器不会因为反洗井时扩张胶筒14向下的活塞力使解封剪钉2剪断而失效。重新注水时，封隔器中心管5内的液体经过封隔器中心管5上的坐封进水孔5a推动开关活塞7上移，同时推动反洗活塞11打开使封隔器重新坐封。

由于平衡液缸3的上端口抵靠在封隔器上接头1的台阶下方，平衡液缸3受到向上的推力即可确保解封剪钉2不被剪断。当需要解封及起管柱作业时，有两种解封方法：一种是反洗井解封，与上述反洗井作业原理相同；另一种是上提管柱解封，上提管柱时，封隔器在扩张胶筒14与套管磨擦力作用下，平衡液缸3保持静止不动，封隔器上接头1和封隔器中心管5上移，剪断解封剪钉2；封隔器中心管5继续上移，胶筒下压帽15内的下压帽O形圈17向下越过封隔器中心管5的下部台阶而失去密封作用，扩张胶筒14的内腔泄压，内外压力平衡，实现解封，可顺利起出封隔器。

胶筒下压帽15的中部圆周上设有压帽泄水孔，压帽泄水孔旋接有密封螺钉16。密封螺钉16将压帽泄水孔封闭，可对封隔器进行试压，试压完成后旋掉密封螺钉16进行泄放。

反洗活塞11的上端与反洗活塞座8的下段通过斜锥面相互配合，且反洗活塞11的斜锥面上嵌装有反洗活塞密封环9。反洗活塞11的上端内周嵌装有与开关活塞小直径段7a的下缘相对的反洗活塞压环10，反洗活塞压环10的中部外周设有台阶将反洗活塞密封环9压住。斜锥面可以增大反洗活塞11与反洗活塞座8的配合面积，且具有自动对中的作用，在反洗活塞11的斜锥面上嵌装反洗活塞密封环9可提高密封性能。坐封时，开关活塞7的下端通过反洗活塞压环10推动反洗活塞11下行，可降低反洗活塞11的加工难度，延长其使用寿命，也便于反洗活塞密封环9的安装和更换。

该封隔器C设有滑套开关机构，在油管泄压后，滑套开关保持关闭，扩张胶筒14内外不连通，保证封隔器C在注水流量波动及关井停注时依然能保持密封状态，解决了层间窜通的问题。还设有反洗解封机构，能保证封隔器C在反洗压差达到一定时，封隔器解封，进行反洗井作业，反洗结束后，给封隔器重新注水，封隔器能重新坐封。还设有内压、反洗两平衡机构，封隔器在注水时不会因为封隔器的蠕动使封隔器解封剪钉2剪断而失效，不会因为反洗井时胶筒上向下的活塞力使解封剪钉2剪断而失效，封隔器的稳定性大大增强。有反洗解封、上提解封两种解封方式，便于使用时根据实际情况进行选择。

平衡液缸3、开关液缸6、胶筒上压帽13和胶筒下压帽15的外径均为φ75mm，可满足φ95mm小套管注水井的重复坐封需要；封隔器中心管5的内通径为φ40mm，可以满足直径φ36mm仪器分层调配水及吸水剖面测试需要。

如图4所示，地面控制***包括来水干管G1和注水管G3，来水干管G1连接有来水支管G2，来水支管G2上通过法兰安装有来水手动开关阀V1，来水手动开关阀V1的上游安装有阀前压力变送器P1，来水手动开关阀V1的下游通过法兰安装有智能调水阀V2，智能调水阀V2设有流量传感器，智能调水阀V2的下游通过法兰连接有注水手动开关阀V3，注水手动开关阀V3的出口连接注水管G3，智能调水阀V2出口与注水手动开关阀V3入口之间的管道上安装有阀后压力变送器P2，阀前压力变送器P1、阀后压力变送器P2和智能调水阀V2的信号线均与井口控制主站K1相连接。

阀后压力变送器P2安装在智能调水阀V2的出口横管上，井口控制主站K1的背面安装有竖向支架K1a，竖向支架K1a上固定有卡箍K1b，卡箍K1b抱在智能调水阀V2的出口竖管上。通过竖向支架K1a与卡箍K1b可以实现井口控制主站K1的就地安装，且可以调整位置。

打开来水手动开关阀V1和注水手动开关阀V3后，水流沿来水干管G1和来水支管G2进入智能调水阀V2，经智能调水阀V2调节后进入注水管G3，阀前压力变送器P1可以检测智能调水阀V2上游的压力并传输给井口控制主站K1，阀后压力变送器P2可以检测智能调水阀V2下游的压力并传输给井口控制主站K1，井口控制主站K1发送控制信号来调节智能调节阀的开关，智能调水阀V2具有检测流量的功能，能够实时读取流量，同时具有阀门开度调节作用。

当智能调水阀V2从全闭切换至全开时，井口压力与流量同时增大，形成流量编码的高；当智能调水阀V2从全开切换至全闭时，地面压力与流量同时减小，形成流量编码的低，如此形成流量波。按照预设的协议定时通过流量波的形式把命令发给智能配水器B，达到对注水量的调控。

智能配水器B通过开关水嘴或改变水嘴开度形成流量波，上行流量波被阀后压力变送器P2采集并发送给井口控制主站K1，井口控制主站K1解析出上行流量波，如此实现了地面设备与井下仪器的双向流量波通信。

如图5所示，井口控制主站K1中设有电源单元、地面控制芯片、数据采集单元、信号处理单元和GPRS数传模块，数据采集单元的信号接收端分别与阀前压力变送器P1、阀后压力变送器P2和智能调水阀V2的信号线相连，数据采集单元的压力流量信号输出端与信号处理单元的压力流量信号接收端相连，信号处理单元与地面控制芯片双向通讯连接，地面控制芯片与GPRS数传模块双向通讯连接，GPRS数传模块与GPRS天线连接，信号处理单元的控制信号输出端与智能调水阀V2的信号线连接，地面控制芯片掉电可保存数据。

数据采集单元接收到阀前压力变送器P1发送的阀前压力信号、阀后压力变送器P2发送的阀后压力信号和智能调水阀V2发送的流量信号，并提供给地面控制芯片，地面控制芯片经过运算与处理后，通过信号处理单元向智能调水阀V2发出控制信号。地面控制芯片还通过GPRS数传模块及GPRS天线将压力、温度、流量等实时数据发送给油田测调监控中心，实时显示井口数据，达到远程监控调测的目的。

编码时，井口控制主站K1内的GPRS数传模块通过GPRS天线接收到油田测调监控中心的指令，当指令为读取井下数据时，发送控制信号来调节智能调节阀的开关，通过智能调节阀的开关形成压力与流量的高、低变化，实现流量波通信的发码功能。

智能配水器B接收到地面信号后，执行并返回流量波码给井口，井口控制主站K1对返回波码进行解析。收码时，通过读取阀后压力变送器P2的压力数据与读取智能调节阀上的流量数据，当高于某一阈值时为高脉冲，低于某一阈值时为低脉冲，以此完成流量波通信的收码过程，根据约定协议内容对所接受波码进行解析得到井下数据，完成地面与井下的双向通信功能。信号处理单元还通过通讯接口与触摸屏相连，以进行数据的现场显示。

注水管G3上连接有旁路排水管G4，旁路排水管G4的入口设有电动泄压阀V4，信号处理单元设有24V输出端，24V输出端与电动泄压阀V4的电源线相连。在井下渗水性不好，导致压力无法降低时，信号处理单元输出24V给电动泄压阀V4，使其打开进行快速泄压，以此达到低流量的编码。

如图6和图7所示，智能配水器B包括共轴线的配水上接头21、外护管22、配水中心管23和配水下接头36，配水上接头21的下端外周旋接在外护管22的上端口中，配水下接头36的上部外周旋接在外护管22的下端口中，配水中心管23的下端口压在配水下接头36的顶部，配水下接头36的中部安装有与中心孔贯通且开度可调的水嘴19，配水下接头36中安装有水嘴控制机构26。水嘴19的外端口覆盖有防返吐罩20，防返吐罩20不影响注水，并且可以防止井下岩屑进入水嘴19。

配水中心管23的上部与配水上接头21之间设有内护管24，内护管24的内径与配水中心管23的内径相等，内护管24的上下两端分别设有向外凸出的内护管凸圈，两内护管凸圈之间的空腔中安装有井下控制单元；配水上接头21的下端压在上内护管凸圈24a的外台阶上，下内护管凸圈24b的下端面均匀分布有四个凸圈凹槽，各凸圈凹槽中分别嵌装有上密封座25，各上密封座25的内缘分别压在配水中心管23的上端口；配水中心管23与外护管22之间的环状空间中均匀安装有四根沿轴向延伸的安装柱，第一安装柱31、第二安装柱32、第三安装柱33和第四安装柱34的上端分别固定在相应上密封座25上。

第一安装柱31、第二安装柱32和第三安装柱33的下端分别固定在配水下接头36上，第一安装柱31的下端安装有可接收井口控制主站流量波信号的验封检测短节28，第二安装柱32的中段安装有控制水嘴控制机构26动作时间和方向的电机驱动机构27，电机驱动机构27受控于井下控制单元29，井下控制单元29的信号输入端与验封检测短节28的信号输出端电连接。

第四安装柱34上安装有向井下控制单元29、电机驱动机构27和验封检测短节28提供电源的集成供电单元30，集成供电单元30的外周设有供电单元外护壳30a，上密封座25的外缘压在供电单元外护壳30a的上端口，供电单元外护壳30a的下端口与配水中心管23的外壁之间设有下密封座35，第四安装柱的下端固定在下密封座35上。

配水上接头21的作用是连接外护管22和内护管24，并为连接上方的油管管柱提供标准接口；外护管22的作用是隔绝油管外压力和流体，并为仪器提供承压力和油管上下拉力，保护仪器安全；配水中心管23为油管内压力和流体，并为下层流体和其他测井仪器提供通道。

配水下接头36连接外护管22和配水中心管23，并为水嘴19提供流体流道入口和出口，并连接水嘴19，同时连接验封检测短节28并为其提供取压口，还为连接下方的油管管柱提供标准接口。水嘴控制机构26精确调节水嘴19的开度，从而调节注水方量。

四根安装柱将验封检测短节28、电机驱动机构27和集成供电单元30分别安装在环状空间的不同相位上，可以减小配水器的整体外形尺寸，并且可以采用较大内径的配水中心管23，以便于测试仪器的通行。

验封检测短节28的压力传感器接收下行的流量波信号并传输给井下控制单元29，同时验封检测短节28还测得管内实际压力和管外实际压力，结合相关算法来对封隔器C的情况进行验封，将管内外的压力实际数据也反馈给井下控制单元29。

井下控制单元29接收验封检测短节28的信号，存储各个单元算法数据和控制程序，计算水嘴19的流量数据；通过电机驱动机构27控制水嘴控制机构26的动作时间和方向，从而调节水嘴出水口的开度值大小，进而来精确调节本层的注水方量，同时水嘴19的启闭形成井下流量波形向井口控制主站发送。验封检测短节28与井下控制单元29之间的信号电缆可以沿第一安装柱31的内腔穿行，下内护管凸圈24b和上密封座25上设有轴向孔供信号电缆通过。

集成供电单元30为各个运动机构和电子元器件提供电力保障，自带集成供电单元30可以使该配水器长时间在井下工作，并利用流量波进行地面和井下双向传输。

验封过程如下：首先在下井过程中各单元处于休眠状态，当打压座封完成后一段时间，井下电路开始处于唤醒状态，地面控制***将流量波信号传输给验封检测短节28，验封检测短节28将信息反馈给井下控制单元29，井下控制单元29根据其存储的逻辑单元控制电机驱动机构27和水嘴控制机构26开关水嘴19，进而改变管内压力，井下流量波信号传回地面控制***，井口控制主站K1接收并通过相应算法后，获得验封数据。

注水过程如下：按要求的方量进行注水时，地面控制***将注水数据通过流量波传输给井下的验封检测短节28，验封检测短节28接收并反馈给井下控制单元29后，井下控制单元29通过相关算法并利用其逻辑单元控制电机控制机构和水嘴控制机构26将水嘴19打开至相应位置，完成注水后关闭水嘴19。

本发明注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，注水管柱上安装有与各注水层相对应的智能配水器B，各注水层之间通过封隔器C相互分隔，在井口安装地面控制***，地面控制***包括井口控制主站K1和智能调水阀，井下各智能配水器B分别作为井下配水器子站；井口控制主站K1通过GPRS天线与测调中心进行双向通信，测调中心将命令发送给井口控制主站K1，井口控制主站K1对发往井下的命令进行编码，编码后控制智能调水阀实现流量的高低变化产生对应的下行流量波；各井下配水器子站同时激活、接收下行流量波并解码后，控制各层水嘴分别按主站的命令同时进行注水；各井下配水器子站上传数据时，先进行编码，然后通过控制该层水嘴实现流量的高低变化形成相应的上行流量波，井口控制主站K1接收到上行流量波后，解码后获得所需的数据并发送给测调中心。

基于地面无线通信网络，测调中心可实时或定时对各井口控制主站K1无线发送测调命令，各井口控制主站K1获得的井下各层数据信息可无线发送给测调中心。各井口控制主站K1以广播方式将井下各层的配水调整命令一次性发送下井，该配水调整命令随下行流量波到达井下后，各井下配水器子站各自接收、解码，并分别调整各自水嘴的开度，实现各层同时进行注水调整。各层的注水调整省去了等待上一层接收命令并向测调中心反馈签收的时间，将发送命令的双向通信变为了单向通信，减少了双向通信次数，提高了生产效率。

下行流量波的编码由“井下激活码+子站ID码+命令类型码+下传数据+主站校验码”组成；其中命令类型码为0或1，命令类型码0后面的下传数据为“配水调整”，命令类型码1后面的下传数据为“配置及命令”。“井下激活码”到达井下后，各井下配水器子站同时被激活，通过“子站ID码”辨别接收各层的命令。当命令类型码为0时，表明该层接收的是“配水调整”数据，“配水调整”数据包括水嘴开度及某开度下持续的时长等，该井下配水器子站据此调整水嘴的开度。当命令类型码为1时，表明该层接收的是“配置及命令”数据，例如命令定时或立刻上传数据，上传全信息、中信息或必要信息，关闭水嘴等。

上行流量波的编码由“子站ID码+上传数据+子站校验码”组成，其中上传数据根据下行流量波的“配置及命令”分为全信息、中信息或必要信息，全信息包括压力、温度和流量数据，中信息包括压力和流量数据，必要信息包括压差数据。“子站ID码”表明该子站的身份，上传数据为全信息、中信息或必要信息中的一种，根据“配置及命令”规定的种类而定；井口控制主站K1根据必要信息的压差数据可以计算出对应的流量。处于较后位地址的子站检测到前位地址子站上传数据结束码后，开始上传本位子站的数据，实现按命令顺序及种类上传数据。

各井下配水器子站按“配置及命令”定时或命令实时上传数据；井口控制主站K1按“配置及命令”定时接受并暂存数据或命令实时接受数据，并转发测调中心。实际应用中，多数情况下为定时上传数据，例如选择夜间上传数据，避开测调中心可能下达命令的白天，实现通信时间上的错位；夜间上传的数据暂存在井口控制主站K1的地面控制芯片中，供测调中心白天进行瞬间读取，读取后暂存的数据清除。特殊情况下，测调中心可以发命令要求实时上传数据，上传后立即读取。

上行流量波的全部编码以及下行流量波中“井下激活码”后面的编码均采用起始位、数据段和结束位相组合，起始位和结束位均为高流量状态，数据段的每一位数据n由nT+1T个时间单元来表示，其中1T紧跟在nT后面并且与nT呈现相反的流量状态。

如图8所示，不计起始位和结束位，假设传递数据为2位十进制数“46”，则通信所需消耗的时间为4T+1T+6T+1T=12T，与传统编码每位数字占据10T相比，节省通信消耗时间百分比为：（20-12）/20=40%。流量波呈现低→高→低的变化，水嘴需要动作两次，动作能耗减少一半，水嘴使用寿命延长至两倍。

Claims (9)

1.一种注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，注水管柱上安装有与各注水层相对应的智能配水器，各注水层之间通过封隔器相互分隔，其特征在于，在井口安装地面控制***，所述地面控制***包括井口控制主站和智能调水阀，井下各智能配水器分别作为井下配水器子站；井口控制主站通过GPRS天线与测调中心进行双向通信，测调中心将命令发送给井口控制主站，井口控制主站对发往井下的命令进行编码，编码后控制智能调水阀实现流量的高低变化产生对应的下行流量波；各井下配水器子站同时激活、接收下行流量波并解码后，控制各层水嘴分别按主站的命令同时进行注水；各井下配水器子站上传数据时，先进行编码，然后通过控制该层水嘴实现流量的高低变化形成相应的上行流量波，井口控制主站接收到上行流量波后，解码后获得所需的数据并发送给测调中心；上行流量波的全部编码以及下行流量波中“井下激活码”后面的编码均采用起始位、数据段和结束位相组合，起始位和结束位均为高流量状态，数据段的每一位数据n由nT+1T个时间单元来表示，其中1T紧跟在nT后面并且与nT呈现相反的流量状态，后一位数据的nT与前一位数据的1T连在一起且保持相同的流量状态。

2.根据权利要求1所述的注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，其特征在于：下行流量波的编码由“井下激活码+子站ID码+命令类型码+下传数据+主站校验码”组成；其中命令类型码为0或1，命令类型码0后面的下传数据为“配水调整”，命令类型码1后面的下传数据为“配置及命令”。

3.根据权利要求2所述的注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，其特征在于：上行流量波的编码由“子站ID码+上传数据+子站校验码”组成，其中上传数据根据下行流量波的“配置及命令”分为全信息、中信息或必要信息，全信息包括压力、温度和流量数据，中信息包括压力和流量数据，必要信息包括压差数据。

4.根据权利要求3所述的注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，其特征在于：各井下配水器子站按“配置及命令”定时或命令实时上传数据；井口控制主站按“配置及命令”定时接受并暂存数据或命令实时接受数据，并转发测调中心。

5.根据权利要求1所述的注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，其特征在于：所述地面控制***还包括来水干管和注水管，所述来水干管连接有来水支管，所述来水支管上安装有来水手动开关阀，所述来水手动开关阀的上游安装有阀前压力变送器，所述来水手动开关阀的下游安装有所述智能调水阀，所述智能调水阀设有流量传感器，所述智能调水阀的下游连接有注水手动开关阀，所述注水手动开关阀的出口连接所述注水管，所述智能调水阀出口与所述注水手动开关阀入口之间的横管上安装有阀后压力变送器，所述阀前压力变送器、阀后压力变送器和智能调水阀的信号线均与所述井口控制主站相连接；所述注水管上连接有旁路排水管，所述旁路排水管的入口设有电动泄压阀；所述井口控制主站的背面安装有竖向支架，所述竖向支架上固定有卡箍，所述卡箍抱在所述智能调水阀的出口竖管上。

6.根据权利要求5所述的注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，其特征在于：所述井口控制主站中设有电源单元、地面控制芯片、数据采集单元、信号处理单元和GPRS数传模块，所述数据采集单元的信号接收端分别与所述阀前压力变送器、阀后压力变送器和智能调水阀的信号线相连，所述数据采集单元的压力流量信号输出端与所述信号处理单元的压力流量信号接收端相连，所述信号处理单元与所述地面控制芯片双向通讯连接，所述地面控制芯片与所述GPRS数传模块双向通讯连接，所述GPRS数传模块与GPRS天线连接，所述信号处理单元的控制信号输出端与所述智能调水阀的信号线连接；所述信号处理单元还通过通讯接口与触摸屏相连，所述信号处理单元设有24V输出端，所述24V输出端与所述电动泄压阀的电源线相连。

7.根据权利要求1所述的注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，其特征在于：所述智能配水器包括共轴线的配水上接头、外护管、配水中心管和配水下接头，所述配水上接头的下端外周旋接在所述外护管的上端口中，所述配水下接头的上部外周旋接在所述外护管的下端口中，所述配水中心管的下端口压在所述配水下接头的顶部，所述配水下接头的中部安装有与中心孔贯通且开度可调的水嘴，所述水嘴的外端口覆盖有防返吐罩；所述配水下接头中安装有水嘴控制机构，所述配水中心管的上部与所述配水上接头之间设有内护管，所述内护管的内径与配水中心管的内径相等，所述内护管的上下两端分别设有向外凸出的内护管凸圈，两内护管凸圈之间的空腔中安装有井下控制单元；所述配水上接头的下端压在上内护管凸圈的外台阶上，下内护管凸圈的下端面均匀分布有四个凸圈凹槽，各凸圈凹槽中分别嵌装有上密封座，各上密封座的内缘分别压在所述配水中心管的上端口；所述配水中心管与所述外护管之间的环状空间中均匀安装有四根沿轴向延伸的安装柱，各安装柱的上端分别固定在相应上密封座上。

8.根据权利要求7所述的注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，其特征在于：第一、二、三安装柱的下端分别固定在所述配水下接头上，第一安装柱的下端安装有可接收井口控制主站流量波信号的验封检测短节，第二安装柱的中段安装有控制所述水嘴控制机构动作时间和方向的电机驱动机构，电机驱动机构受控于所述井下控制单元，所述井下控制单元的信号输入端与所述验封检测短节的信号输出端电连接。

9.根据权利要求8所述的注水井多层分注分布式通信的分层注水方法，其特征在于：第四安装柱上安装有向井下控制单元、电机驱动机构和验封检测短节提供电源的集成供电单元，所述集成供电单元的外周设有供电单元外护壳，所述上密封座的外缘压在所述供电单元外护壳的上端口，所述供电单元外护壳的下端口与所述配水中心管的外壁之间设有下密封座，所述第四安装柱的下端固定在所述下密封座上。

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