一种注水量自动控制装置及方法与流程

本发明涉及数字化自控设备技术领域，更具体的说是涉及一种注水量自动控制装置及方法。

背景技术

油田注水是油田开发过程中向地层补充能量、实现高产稳产、提高油田采收率的重要手段之一，为了保证注水效果及注水效率，每口注水井应按照确定的配注量注水，这就需要对注水量进行控制。目前，在这一领域已摒弃了传统的流量控制是手工调节阀门开度调节流量的落后办法，而开始广泛的采用流量计、调节阀与流量控制仪结合的方式来实现流量的自动控制。

现有的技术虽然实现了控制的自动化，但是其所采用的自动控制系统对既有管道改装难度较大、成本高，特别是由于流量计测量的滞后性导致频繁的调节加上水对流量传感器的冲蚀，进而导致流量计与阀体不仅寿命短，而且维护与维修复杂、成本也高。

因此，研究出一种安装方便、维护简单、运行可靠的注水量自动控制装置以及一种能够准确控制注水流量的方法，是目前本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种注水量自动控制装置及方法，利用注水日常管理中每月必须测试的注水指示曲线来实现自动控制注水流量，既降低了设备及安装、使用、维护成本，又能满足准确控制注水流量的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种注水量自动控制装置，该装置安装于注水管路上，由直管段、节流阀、电动执行机构、压力自动控制仪、针型阀、压力变送器或智能压力表构成，所述直管段和节流阀串接入所述注水管路中，所述针型阀外接于所述注水管路上，所述压力变送器或智能压力表安装于所述针型阀阀体的输出端，所述电动执行机构通过连接盘固定于所述节流阀上，电动执行机构的输出轴与所述节流阀的阀杆套筒连接，所述压力自动控制仪通过电缆与所述电动执行机构相连接，所述压力变送器或智能压力表通过信号线与所述压力自动控制仪相连接，所述直管段外安装有超声波流量计探头。

在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：

优选的，所述直管段的长度为其公称管径的10倍以上，而且直管段优选外表光滑，壁厚均匀的不锈钢制造，这样可使其外径、壁厚尺寸精确可知，以便安装超声波流量计探头来测量流量。

优选的，所述节流阀选用磨轮阀，也可采用其它耐高压、长寿命的节流阀，用于调节水流大小，改变注水压力。

优选的，所述电动执行机构应能与节流阀可靠联结，能快速调节阀杆，优选从阀门全开启到全关闭时间不超过1-2分钟，设有极限位置开关的电动执行机构。

优选的，所述压力自动控制仪包括测控板、显示面板、按键及输入输出端口，其中，所述显示面板包括参数设置窗口与测量窗口，用于显示人机交互界面；所述按键用于选择或输入参数；所述输入输出端口包括供电及压力信号采样端口，所述压力信号采样端口用于将所述压力变送器的输出信号转换为数字压力信号，由所述测控板上的微处理器读取。

优选的，所述针型阀为通用仪表安装用针型阀。

优选的，本装置优选采用所述直管段为装置的注水输入端的连接方式。而工作人员为了现场连接安装的便利，还可以采用所述节流阀的入口为装置的注水输入端，所述直管段为装置的注水输出端的连接方式。

另外，本发明还提供了一种注水量自动控制方法，包括以下步骤：

1)通过测量获得单井注水指示曲线；

2)根据测得的注水指示曲线，分段以直线拟合曲线，并选取一点坐标与截距或者两点坐标分别读取点的压力与注水量，得出这些直线段的解析式：

p＝kq+p0

其中式中：p为注水压力，mpa；k为拟合直线的斜率；q为注水量，m³/d；

p0为拟合直线的截距，mpa；

3)开启压力自动控制仪，进入参数设置模式，将各段压力范围适用的解析式中的斜率k、截距p0以及所拟合的压力范围输入压力自动控制仪中作为控制参数，并输入日配注量qd；

4)启动压力自动控制仪的自动工作模式，压力自动控制仪会自动控制节流阀阀门开度，使注水压力稳定在日配注量qd对应的压力点附近，并显示当前压力与当前估计流量；

5)定期用超声波流量计校验注水流量，当偏差超过控制准确度要求时，重复上述步骤1-4。

上述一种注水量自动控制方法中，所述步骤1)中的注水指示曲线是工作人员预先利用外用的超声波流量计、装置中的压力自动控制仪或外用的现场压力表在注水安全压力范围内取至少5点测量水流量获得。

上述一种注水量自动控制方法中，所述步骤2)中选取的两点坐标优选转折点坐标和日配注量点坐标；选取的一点坐标与截距中，一点坐标优选转折点坐标或日配注量点坐标。

上述一种注水量自动控制方法中，所述压力自动控制仪能够输入、存储至少4段直线段的参数及日配注量qd。

上述一种注水量自动控制方法中，在所述步骤4)压力自动控制仪的自动工作模式中，压力自动控制仪根据设置的日配注量qd选取正确的拟合压力范围直线段来控制注水压力，从而控制注水流量；若阀门全开都无法达到qd对应的压力时，则采取可获得的当前最大压力注水，并按该压力对应的直线段来估算、显示当前水流量。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种注水量自动控制装置及方法，通过采用特定的方法预先设置好各项控制参数的压力自动控制仪以及其他相应的节流阀、电动执行机构、针型阀等机构，根据设定的日配注量自动控制注水压力，从而精准控制了注水流量，大大降低了注水控制装置的生产、使用以及维护成本，延长了其使用寿命，同时也便于注水流量的比对校准，特别适合用于配水间内以控制注水量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种注水量自动控制装置的其中一种实施例安装结构的示意图；

图2附图为本发明提供的一种注水量自动控制装置的另外一种实施例安装结构的示意图；

图3附图为本发明提供的一种注水量自动控制方法的流程图；

图4附图为本发明提供的获取注水指示曲线拟合直线解析式的方法示意图；

其中，图中，

1-直管段；2-节流阀；3-电动执行机构；4-压力自动控制仪；5-压力变送器；6-针型阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例为优选的技术方案，如图1所示，本实施例公开了一种可安装于配水间注水管路上的注水量自动控制装置，该装置由直管段1、节流阀2、电动执行机构3、压力自动控制仪4、针型阀6、压力变送器5构成，其中，

直管段1和节流阀2串接入注水管路中，直管段1为装置的注水输入端，直管段1外安装了超声波流量计探头，用于测量注水指示曲线与定期校准流量计；

为了进一步优化本实施例的技术方案，上述直管段1优选外表光滑，壁厚均匀的不锈钢制造，且其长度应为其公称管径的10倍以上，这样既可使直管段1的外径、壁厚尺寸精确可知，也可以稳定水流，便于后续安装超声波流量计探头来测量流量。更进一步地，上述节流阀2优选磨轮阀(专利号：201510520653.7)，或者也可采用其它现有的耐高压、长寿命的节流阀2，用于稳定调节水流大小，调节注水压力。

电动执行机构3通过连接盘固定于节流阀2上，具体为电动执行机构3的输出轴与节流阀2的阀杆套筒连接，电动执行机构3应能与节流阀2可靠联结并能快速调节阀杆，优选采用控制节流阀2从阀门全开启到全关闭时间不超过1-2分钟，并设有极限位置开关的电动执行机构3。电动执行机构3通过电缆与压力自动控制仪4连接，接受压力自动控制仪4的正反向调节开度并反馈节流阀2的开度。

针型阀6外接于注水管路上，压力变送器5安装于针型阀6阀体的输出端。针型阀6为通用仪表安装用针型阀，起到的是方便压力变送器5拆、装安全的目的。压力变送器5通过信号线与压力自动控制仪4连接，用以传送注水压力信号。更进一步的，压力变送器5必须是量程满足注水压力测量范围并可将注水压力变送为4-20ma(或满足压力自动控制仪4定义的直流电压)信号的通用压力变送器。

压力自动控制仪4包括测控板、显示面板、按键及输入输出端口，可以用于存储注水指示曲线及配注量参数，并按设定的日配注量自动控制注水压力。在本实施例中具体为：显示面板用于显示人机交互界面，包括参数设置窗口与测量窗口，参数设置窗口应可以设置至少4条拟合直线段的斜率、截距参数及适合的压力范围，并可以设置井的日配注量，而测量窗口至少可显示当前水压力、瞬时流量；按键用于选择或输入参数；输入输出端口包括供电及压力信号采样端口，压力信号采样端口用于将压力变送器5产生的4-20ma(也可是输出的直流电压)信号，转换为数字压力信号由测控板上的微处理器读取。

实施例2：

如图2所示，本实施例的结构与实施例1大体相同，不同点在于，本实施例公开的一种注水量自动控制装置将节流阀2的入口设为装置的注水输入端，将直管段1设为装置的注水输出端，工作人员可根据现场的连接便利情况优选采用实施例1中的连接方式而以实施例2中的连接方式作为备选。

出于成本方面的考虑，实施例1和实施例2中优选使用压力变送器5，但也可以选择使用智能压力表，只需要智能压力表的压力输出信号与压力自动控制仪4的输入匹配即可。

本发明在上述公开的一种注水量自动控制装置的基础上，同时还提供了一种相对简便易行的注水量自动控制方法，该方法的依据为：注水井注水指示曲线反映各单个注水层或整个注水井的注入压力p与注入量q的关系曲线。注水指示曲线在整个注水过程中会有些变化，但是除了新井的初始注水几天变化较大外，之后会进入稳定注水期，正常情况下是一条直线或两至三段折线，每段直线的斜率反应地层吸水指数的大小，其斜率的变化表示吸水指数变化或水嘴堵塞，而排除注水事故外，曲线变化是个极其缓慢的过程，因此，短期的曲线稳定是本发明方法利用此曲线来控制注水量的依据。而一个正常的井典型的注水井注水指示曲线如图4中线1或线2所示，即有直线形式或折线形式，折线一般也不会超过3段。

实施例3：

如图3所示，本实施例公开了一种注水井的注水量自动控制方法，包括以下步骤：

步骤一，通过测量获得注水井的注水指示曲线，即p-q曲线；

具体为：在本发明的直管段1上另外安装超声波流量计探头监测水流量，压力测试采用在检定有效期的满足准确度要求的压力自动控制仪4或现场压力表。把压力自动控制仪4设置在手动模式，在15m³到(qd+10)m³范围大致等间距分布5-8个测试点，通过手动调节节流阀2阀门开度使超声波流量计显示值分别接近各点的计算流量值，待在压力稳定在±0.1mpa范围时，读取并记录对应的注水压力与对应的流量值，直到各点测试完毕。用坐标纸上绘制出注水指示曲线，必要时标上井号或配水管号。

步骤二，拟合直线解析式的取得及转折点压力的读取。

下面结合图4中曲线2中一重要线段为例对p-q解析式中各参数的取得作说明，其中，横坐标代表日注水量(m³/d)，纵坐标代表注入压力(mpa)。

假设某注水井注水指示曲线如附图2所示为折线，配注量qd为60m³/d，在指示曲线图中日注水量为60m³横坐标处向曲线2作垂线交于a点，过a点向纵坐标轴作垂线，垂足为b，示数为22mpa，再过a点将该段折线反向延长，交纵坐标轴于p0，图中示数为0.5mpa.

a点所在线段的斜率k等于延长线ap0的斜率，大小为：

所以该井压力的控制线的解析式是：

p＝0.358q+0.5

即该直线段流量显示解析式是：

q＝(p-0.5)/0.358

该段折线转折点压力为p1＝20.1mpa，故压力区间为20.1mpa-35mpa(可按注水压力允许上限取值)，该段是注水关键线段。

同理对于附图2所示折线的其它段，完成直线拟合后，可取直线段上任意一点坐标(优选转折点)加上截距，当截距超出图面时，也可以用两点坐标，得出其余段的解析式，并在附图2中读取转折点的压力p1及另一转折点压力或启动压力或最大允许压力点p2或作为解析式适合区间分隔点。

步骤三，开启压力自动控制仪4，进入参数设置模式，将各段压力范围适用的解析式中的斜率k、截距p0以及拟合的压力范围输入压力自动控制仪4中作为控制参数，并输入该井的日配注量qd；

步骤四，启动压力自动控制仪4的自动工作模式，压力自动控制仪4会自动控制节流阀2阀门开度，使注水压力稳定在日配注量qd对应的压力点附近，并显示当前压力与当前估计流量，此时可比对显示流量与超声波流量计显示流量，偏差应在允许范围内。

步骤五，连续正常注水时，周期性用超声波流量计监测注水流量显示偏差，当偏差超过控制准确度要求时，重复步骤一到步骤四。当发生注水管道改造，分层注水分配变化，井底酸化、压裂或地层吸水指数突变时，应临时突击监测一次。

实施例4：

实施例3中提供了一种采用人工测试手段获得注水指示曲线，以对注水量实现自动控制的方法，本实施例提供了一种采用专门的仪器进行自动测试的手段最终达到控制注水压力以及注水量的方法，具体为：

将压力自动控制仪4扩展成为一个具有压力、流量采集功能的一体监测仪，该监测仪可将阀门开度分成5-8等份点，分别测试相应点的注水压力以及流量值并保存在非易失存储器中，压力自动控制仪4在工作时，会根据由日配注量计算的流量值查得两相邻采样点坐标(p1,q1)、(p2,q2)，线性插值求得注水压力p，并以此控制注水压力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。