油田分层注水中的配水调节装置设计
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摘要：本文详细介绍了一种配水调节装置的设计方案和实施过程，工程涉及到机械、通讯、自动化和石油工程等多个学科，在油田领域内具有一些代表性，尤其在本文末尾提出的加入PID控制的设想，非常值得同行们进行交流探讨。
Abstract: This paper describes a water distribution to adjust the design and implementation process of the device, works related to the machinery, communications, automation and petroleum engineering disciplines, and it has some representative in the oil field areas, particularly in the end of this article by adding PID envisaged control is very worthy of peers to exchange and discuss.Key words: stratified injection; adjustment device; design
中图分类号：N945.23文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
1 研发背景
要实现油田稳产，注水是关键，而分层注水是实现高效注水的主要手段。分层注水的关键是“封得住、配得准”：“封得住”是靠封隔器、“配得准”是靠配水调节装置。但目前市场上销售的配水调节装置并不适合我部的生产建设需要，因此结合我部实际情况研制配水装置刻不容缓。
2 设计要求
围绕目前注水井对各层系之间注水不平衡、不可控的生产瓶颈问题，提出新型配水装置的研制方向：
新型配水调节装置需能将各层系水量进行定量分配，实现各油层的精细注水，以提高原油采收率；
本次设计的配水装置可以实现井下分层注水压力的检测和流量的调节。
能实现分层注水井隔层段流量的井下电动测调，测调过程在地面上实时监控、各项测调资料数据在地面上同步录取。
3 系统的构成及设计原理
3.1 系统的构成
整个系统由三大部分组成：井下配水装置，地面RTU系统和数据监控系统。
（1）井下配水装置
由外壳和配水装置芯体组成，配水装置芯体主要由计量系统、发电系统，调节系统，数据采集系统及数据传输系统组成，实现配水装置的自动供电、注水量调节。
（2）地面RTU系统
由通讯接口和RTU电路板组成，实现数据和控制指令的转换处理与传输功能。
（3）数据监控系统
由服务器、网络、监控系统组成，实现数据的实时监控和井下设备的远程控制。
3.2 配水装置芯体的组成及设计原理
配水装置芯体是实现分层注水的主要部分，由过滤器、叶轮、发电机、RTU电路板、驱动电动机、调节装置、注水嘴组成。
水通过滤网流入芯体内，经过水槽流入叶轮区域，水流冲击叶轮转动带动发电机转子转动，从而使机械能转换为电能给电池充电，充电电池提供恒定电压给电路板及仪器、仪表供电。
通过流量计对流经的流量进行精确计量。从流量计流出的水再次经过水槽进入调节区域，调节系统由电动机和调节杆组成，通过RTU电路板发出的控制信号，来控制调节杆的运动，调节油层的注水量。
RTU电路板用于采集压力、流量信号，传输数据并且接收、处理控制信号，控制调节杆的行程大小。
4 实施过程
4.1 配水装置芯体
（1）计量、发电单元
当水流经涡轮时，推动涡轮旋转，涡轮带动发电机转子转动，从而产生感应电动势，通过接线端子引向外部负载，实现对外部电路板供电的功能。并且根据涡轮的转速，我们可以得到其流量值。
（2）注水量调节单元
我们利用直流步进电动机，通过控制它的转动来微调调节杆的行程从而控制注水嘴的出水量。RTU电路板接收到设定的流量信号后，将该信号转换为脉冲信号发送给直流步进电动机。步进驱动器接收到脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的作用。我们根据每4小时的累计注水量来调节下个4小时的注水量。
（3）数据采集单元
RTU电路板用于采集模拟量信号和数字量信号，电路板由自发电系统供电。技术要求如下：
脉冲信号输入：1路，流量计信号三线制输入。
脉冲信号输出：2路，直流步进电动机控制信号输出。
模拟信号输入：2路，四线制，供电电压10VDC。
通信接口：MODBUS RTU 485接口。
4.2 数据传输和监控系统
地面RTU作为控制核心，将控制室传来的注水量调节、停井等控制信号，处理后发送给井下设备，并将井下设备传来的注水流量、压力等信号处理后发送至服务器。地面RTU通过井下电缆与井下设备进行通讯，采用485通讯，MODBUS RTU协议；通过地面网络（无线传输、光纤）与监控室的服务器或上位机进行通讯，采用TCP/IP协议。
5 结束语
新型智能配水装置的使用将油田注水由“注好水、注够水”提升为“高效注水、精细注水，可控注水”，提高原油产量的同时也减少了对地层的破坏。此次设计虽然取得了一定的效果，但是还存在许多值得深入研究的方面，如：在RTU中加入PID控制算法，处理器自动比对瞬时流量的设定值和实测值，自动控制步进电机正反转，增大或减小注水量，使注水量自动恒定在设定值附近，这项功能一旦实现，将更进一步提升分层注水的精确程度，降低人工干预的工作量。在此提出这一设想，我们会在今后努力去实现，也欢迎同行共同研究、探讨。
参考文献
[1] 张宝芬等.自动检测及仪表控制系统. 化学工业出版社。2004
[2] 达新宇、孟涛等.现代通信新技术. 西安电子科技大学出版社。2007
[3] 朱定华. 微机原理与接口技术. 清华大学出版社。2005