大套管井的智能注水装置的制作方法

本实用新型涉及石油天然气领域的分层注水井，尤其涉及一种大套管井的智能注水装置，属于分层注水技术领域。

背景技术：

油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层压力不断下降导致油井产量大大减小，甚至会停喷停产，此时为了弥补原油开采出后所造成的地下亏空，保持和提高油层压力，实现油田高产稳产，必须对油层进行注水。

分层注水是通过封隔器的封隔和水嘴的控制来实施注水，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。在不同的油田开发阶段，由于投入开采的目的层数量和性质的不同，以及开发调整的对象和要求的不同，必须结合精细油藏描述、动态特征分析，实施分层注水，才能达到提高开发效果的目的。

目前石油天然气领域常用的配水器主要分为传统的投捞式配水器、边测边调配水器、轮注配水器和无缆配水器，对注水量的测调有采用投捞水嘴进行测调或者边测边调，而有缆式智能配水器需要下电缆以进行地面与井下的通信。使用较多的是无缆智能配水器，其地面装置与井下装置采用的通信方式主要有：下放通信短节通信或单向压力波通信，下放通信短节通信方式因其后期的维护成本较大，已逐渐被压力波通信代替。而单向压力波通信只能由地面向井下发送波码指令，井下智能配水器接收指令开关水嘴或改变配注，但是单向压力波通信无法在地面获得井下每层实时流量、地层压力等数据。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种大套管井的智能注水装置，可以实现地面设备与井下仪器的双向压力波通信。

为解决以上技术问题，本实用新型的一种大套管井的智能注水装置，包括地面控制系统，所述地面控制系统包括与自来水总管相连的控水支管，所述控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有地面注水管，所述地面注水管的出口通过井口四通的油管阀门与井下注水管柱相连，所述井下注水管柱上安装有受控于地面控制系统的井下智能配水器；所述智能调水阀出口与所述注水手动开关阀入口之间的管道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地面控制器相连接。

相对于现有技术，本实用新型取得了以下有益效果：打开来水手动开关阀和注水手动开关阀后，水流沿自来水总管和控水支管进入智能调水阀，经智能调水阀调节后进入地面注水管，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地面控制器，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地面控制器，地面控制器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，地面压力与流量同时增大，形成压力与流量编码的高；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，形成压力与流量编码的低，如此形成压力波，下行压力波发送给井下智能配水器，达到对注水量的调控。井下智能配水器通过开关水嘴或改变水嘴开度形成压力波，上行压力波被阀后压力变送器采集并发送给地面控制器，地面控制器解析出上行压力波，如此实现了地面设备与井下仪器的双向压力波通信。

作为本实用新型的改进，所述地面控制器中设有电源单元、地面控制芯片、数据采集单元、信号处理单元和数据远传接口，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数据远传接口双向通讯连接，所述数据远传接口与上位机无线连接，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。数据采集单元接收到阀前压力变送器发送的阀前压力信号、阀后压力变送器发送的阀后压力信号和智能调水阀发送的流量信号，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发出控制信号。地面控制芯片还通过数据远传接口及无线设备将流量、压力等实时数据发送至上位机，实时显示井口数据，达到远程监控调测的目的。编码时，地面控制器内的数据远传接口接收到上位机的指令，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，实现压力波通信的发码功能。井下智能配水器接收到地面信号后，返回压力波码给地面，地面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，以此完成压力波通信的收码过程，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。

作为本实用新型的进一步改进，所述信号处理单元还通过通讯接口与触摸屏相连。触摸屏可以进行数据的现场显示。

作为本实用新型的进一步改进，所述地面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。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，以此达到低压力脉冲的编码。

作为本实用新型的进一步改进，所述阀后压力变送器安装在所述智能调水阀的出口横管上，所述地面控制器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地面控制器的就地安装，且可以调整位置。

附图说明

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

图1为本实用新型大套管井的智能注水装置中地面控制系统的立体图。

图2为图1中地面控制器的工作原理图。

图3为本实用新型中井下智能配水器的主视图。

图4为图3去掉外护管后的左视图。

图中：g1.自来水总管；g2.控水支管；g3.地面注水管；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.地面控制器；k1a.竖向支架；k1b.卡箍。1.上接头；2.外护管；3.中心过流管；4.内护管；4a.上内护管凸圈；4b.下内护管凸圈；5.上密封座；6.水嘴控制机构；7.电机驱动机构；8.验封检测短节；9.井下控制单元；10.集成供电单元；10a.供电单元外护壳；11.第一安装柱；12.第二安装柱；13.第三安装柱；14.第四安装柱；15.下密封座；16.下接头；17.水嘴；17a.防返吐罩。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型大套管井的智能注水装置，包括自来水总管g1和地面注水管g3，自来水总管g1连接有控水支管g2，控水支管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的下游连接有注水手动开关阀v3，注水手动开关阀v3的出口连接地面注水管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的信号线均与地面控制器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，地面控制器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可以实现地面控制器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，水流沿自来水总管g1和控水支管g2进入智能调水阀v2，经智能调水阀v2调节后进入地面注水管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地面控制器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地面控制器k1，地面控制器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，地面压力与流量同时增大，形成压力与流量编码的高；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，形成压力与流量编码的低，如此形成压力波。按照预设的协议定时通过压力波的形式把命令发给井下智能配水器，达到对注水量的调控。

井下智能配水器通过开关水嘴或改变水嘴开度形成压力波，上行压力波被阀后压力变送器p2采集并发送给地面控制器k1，地面控制器k1解析出上行压力波，如此实现了地面设备与井下仪器的双向压力波通信。

如图2所示，地面控制器k1中设有电源单元、地面控制芯片、数据采集单元、信号处理单元和数据远传接口，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，地面控制芯片与数据远传接口双向通讯连接，数据远传接口与上位机无线连接，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。

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数据远传接口及无线设备将流量、压力等实时数据发送至上位机，实时显示井口数据，达到远程监控调测的目的。

编码时，地面控制器k1内的数据远传接口接收到上位机的指令，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，实现压力波通信的发码功能。

井下智能配水器接收到地面信号后，执行并返回压力波码给地面，地面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，以此完成压力波通信的收码过程，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。

地面注水管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，以此达到低压力脉冲的编码。

如图3和图4所示，井下智能配水器包括共轴线的上接头1、外护管2、中心过流管3和下接头16，上接头1的下端外周旋接在外护管2的上端口中，下接头16的上部外周旋接在外护管2的下端口中，中心过流管3的下端口压在下接头16的顶部，下接头16的中部安装有与中心孔贯通且开度可调的水嘴17，下接头16中安装有水嘴控制机构6。水嘴17的外端口覆盖有防返吐罩17a，防返吐罩17a不影响注水，并且可以防止井下岩屑进入水嘴17。

中心过流管3的上部与上接头1之间设有内护管4，内护管4的内径与中心过流管3的内径相等，内护管4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；上接头1的下端压在上内护管凸圈4a的外台阶上，下内护管凸圈4b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5，各上密封座5的内缘分别压在中心过流管3的上端口；中心过流管3与外护管2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11、第二安装柱12、第三安装柱13和第四安装柱14的上端分别固定在相应上密封座5上。

第一安装柱11、第二安装柱12和第三安装柱13的下端分别固定在下接头16上，第一安装柱11的下端安装有可接收地面控制器压力波信号的验封检测短节8，第二安装柱12的中段安装有控制水嘴控制机构6动作时间和方向的电机驱动机构7，电机驱动机构7受控于井下控制单元9，井下控制单元9的信号输入端与验封检测短节8的信号输出端电连接。

第四安装柱14上安装有向井下控制单元9、电机驱动机构7和验封检测短节8提供电源的集成供电单元10，集成供电单元10的外周设有供电单元外护壳10a，上密封座5的外缘压在供电单元外护壳10a的上端口，供电单元外护壳10a的下端口与中心过流管3的外壁之间设有下密封座15，第四安装柱的下端固定在下密封座15上。

上接头1的作用是连接外护管2和内护管4，并为连接上方的油管管柱提供标准接口；外护管2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；中心过流管3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。

下接头16连接外护管2和中心过流管3，并为水嘴17提供流体流道入口和出口，并连接水嘴17，同时连接验封检测短节8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6精确调节水嘴17的开度，从而调节注水方量。

四根安装柱将验封检测短节8、电机驱动机构7和集成供电单元10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中心过流管3，以便于测试仪器的通行。中心过流管3的内径大于46mm，可以通过外径小于46mm的测试仪器。

验封检测短节8的压力传感器接收下行的压力波信号并传输给井下控制单元9，同时验封检测短节8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9。

井下控制单元9接收验封检测短节8的信号，存储各个单元算法数据和控制程序，计算水嘴17的流量数据；通过电机驱动机构7控制水嘴控制机构6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17的启闭形成井下压力波形向地面控制器发送。

验封检测短节8与井下控制单元9之间的信号电缆可以沿第一安装柱11的内腔穿行，下内护管凸圈4b和上密封座5上设有轴向孔供信号电缆通过。

集成供电单元10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10可以使该配水器长时间在井下工作，并利用压力波进行地面和井下双向传输。