基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统的制作方法

本发明涉及一种注水井无线供电智能测控系统，具体涉及一种基于“互频”技术的集无线供电、无线通信与控制、免更换电池的注水井无线供电智能测控系统，其可被应用于石油开采领域。

背景技术：

随着油田的开发，地层压力递减，且地层结构复杂，层间压力各不相同，为了保持地层压力，解决层间矛盾，将注水合理地分配到各层段，多采用井下分层配注系统，对渗透性好、吸水能力强的层控制注水；对渗透性差、吸水能力弱的层加强注水，从而使高、中、低、渗透性的地层都能发挥注水的作用，实现油田长期高产稳产，提高最终采收率。

现有的井下分层配注系统，各层配水器与堵塞器配合使用，堵塞器内置一次性耐高温电池，电池可持续供电时间短，需要频繁投捞堵塞器来更换电池，耗时长且成本高；从测调系统上看，该技术采用投入测调仪测试井下数据后，在井上完成堵塞器定标后，由投捞器放入井下相应位置，由于井下各层压力不同需要逐层调配，且由于地层压力会随时间发生变化，因此得反复投捞堵塞器，无法连续工作；受测调系统限制，该井下分层配注系统还至少存在这些问题：调配过程和测调过程不同步，测调数据和测调结果无法在地面同时获取，且过程繁琐、精度低、成本高昂。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统，以克服现有技术的不足。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统,其包括注水管柱、存储式一体化智能配水器、井下分层流量实时测调仪以及地面控制系统，所述存储式一体化智能配水器设于注水管柱下端，所述存储式一体化智能配水器和井下分层流量实时测调仪均与所述地面控制系统连接；

所述井下分层流量实时测调仪包括电能无线发射模块和第一无线通讯模块；

所述存储式一体化智能配水器包括电能无线接收模块和第二无线通讯模块，所述电能无线接收模块与所述第二无线通讯模块连接，所述第一无线通讯模块与第二无线通讯模块之间能够通过无线方式实现双向数据通信；

当所述存储式一体化智能配水器和井下分层流量实时测调仪接近时，所述电能无线发射模块和电能无线接收模块能以互频方式相匹配。

进一步的，所述电能无线发射模块包括发射谐振体，所述发射谐振体包括发射磁感组和与发射磁感组连接的谐振器，所述电能无线接收模块包括接收谐振体，所述接收谐振体包括接收磁感组和与接收磁感组连接的谐振器，当在所述电能无线发射模块中输入设定频率的交流电信号时，所述发射谐振体的固有频率被所述接收谐振体影响而达到选定工作频率的选定带宽范围内，使所述发射谐振体达到谐振状态，同时所述接收谐振体的固有频率被所述发射谐振体影响而达到设定频率范围，使所述接收谐振体与发射谐振体产生谐振，实现电能在所述电能发射模块和电能接收模块之间的无线传输，再由所述电能无线接收模块将接收到的电能输出给负载设备。

进一步的，所述电能无线发射模块包括依次串联的电源变换电路、谐振器、发射磁感组和无线电能控制电路，所述无线电能控制电路还与所述电源变换电路连接。

更进一步的，所述发射磁感组包括驱动线圈和与驱动线圈连接的磁性材料。

具体的，驱动线圈与磁性材料胶粘连接。

进一步的，所述电能无线接收模块包括依次串联的接收磁感组、谐振器和电源变换电路。

更进一步的，所述接收磁感组包括驱动线圈和与驱动线圈连接的磁性材料。

具体的，驱动线圈与磁性材料胶粘连接。

优选的，所述井下分层流量实时测调仪经测调电缆与所述地面控制系统连接，所述存储式一体化智能配水器与所述地面控制系统无线连接而实现双向数据通信，当所述地面控制系统输入控制信号并无线传输给所述存储式一体化智能配水器时，所述存储式一体化智能配水器可于井下独立工作。

进一步的，所述测调电缆的一端与所述地面控制系统连接，所述测调电缆的另一端经过电缆绞车和天地滑轮组后，再穿过防喷系统，之后与所述井下分层流量实时测调仪连接。

更进一步的，所述防喷系统设于所述注水管柱的上端。

优选的，所述井下分层流量实时测调仪还包括电缆接头、测调仪主体和机械定位装置，所述电能无线发射模块与所述第一无线通信模块串联连接，且所述电能无线发射模块和第一无线通信模块设置于所述测调仪主体中，所述电缆接头、测调仪主体和机械定位装置依次连接。

优选的，所述存储式一体化智能配水器包括工作筒主体、上接头、连接套、扶正体、支架、导向体和下接头，所述上接头、工作筒主体、支架以及下接头依次连接，所述连接套、扶正体以及导向体依次连接，且所述连接套、扶正体和导向体设置于所述工作筒主体内。

进一步的，所述工作筒主体的中心通道侧边设置有桥式通道和偏心主通道。

进一步的，所述存储式一体化智能配水器中还包括具有测控和数据存储功能的测控电路、可充电电池组、电机、传感器模块和智能水嘴，所述电机与所述智能水嘴连接，所述传感器模块与所述测控电路连接，所述电能无线接收模块分别与所述测控电路、传感器模块、第二无线通讯模块、电机和可充电电池组连接。

其中，所述传感器模块可用于换算出注水的流量，所述可充电电池组至少用于驱动所述电机运转，所述电机控制所述智能水嘴开启阀的开度，从而控制该层注水量。

所述的具有测控和数据存储功能的测控电路可根据设定的程序，定时开、关机，并可根据测量到的所述智能水嘴开启阀(即压差调整阀)的开度，同时存所述储传感器模块采集的数据。

进一步优选的，所述传感器模块包括温度传感器、流量传感器和压力传感器。

其中，所述流量传感器可采用差压式、涡流式、电磁式、超声波式等，但不限于此。

所述压力传感器采用扩散硅为测量晶体的压电传感器，还可采用液柱式传感器、弹性式传感器等，但不限于此。

进一步优选的，所述测控电路还包含电池组保护电路，所述电池组保护电路与可充电电池组连接。

其中，所述电池组保护电路用于对所述可充电电池组的过充、过放、过流等进行保护。该电池组保护电路还可具有与单片机连接的端口，所述单片机可以读取可充电电池组的电压和余量以及温度等数据。

进一步优选的，所述测控电路还包含绝对时间时钟芯片和存储芯片，所述绝对时间时钟芯片用以对保存的各个数据冠以时间方便查阅和形成图标曲线，所述存储芯片用于保存传感器模块采集的数据，以保证掉电不丢失数据。

当所述发射磁感组与所述接收磁感组的位置对正时，所述发射谐振体与所述接收谐振体自动相应并达到互频共振，所述测控电路捕捉这一变化，并通过所述无线通讯模块传递信号反馈给所述地面控制系统，以使井上操作人员可以判别所述井下分层流量实时测调仪的具体位置。

进一步的，所述井下分层流量实时测调仪经由所述测调电缆与所述地面控制系统的数据传递方式为电力载波通信。

优选的，所述电能无线发射模块所发射的电能为整体直流供电。

优选的，该注水井无线供电智能测控系统包括多个沿竖直方向串联设置的存储式一体化智能配水器，所述的多个存储式一体化智能配水器与所述井下分层流量实时测调仪连接，从而达到分层精细注水的目的。

优选的，该注水井无线供电智能测控系统还包括封隔器，所述封隔器设于所述存储式一体化智能配水器内，或者，所述封隔器与所述注水管柱串联设置。

优选的，所述注水管柱的底部还设有水力循环凡尔。

优选的，所述电能无线发射模块所在区段的测调仪主体的外壳由非金属材料组成。

优选的，所述电能无线接收模块所在区段的存储式一体化智能配水器的中心通道内壁由非金属材料组成。

在一些具体实施方案中，所述存储式一体化智能配水器中的各个电路为低功耗、且具有休眠功能的电路，以延长所述可充电电池组的充电周期。

与现有技术相比，本发明提供的基于“互频”技术的注水井分层配注系统将堵塞器与存储式一体化智能配水器结合为一体，并加入无线供电、数据无线传输功能，形成了对接、测试、实时调控为一体化的井下连续自动调节装置，实现了无需反复测试、投捞，即可进行直观地测试调配，此外，可以在井下自动智能调配，大大提高测调效率和准确性，使注水合格率得到长期保障，并节约了高额成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明结构特征和技术要点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1为本发明一实施例中的基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的存储式一体化智能配水器与井下分层流量实时测调仪的内部电路系统位置图；

图3为本发明一实施例中的存储式一体化智能配水器的结构示意图；

图4为本发明一实施例中的井下分层流量实时测调仪的机械位置示意图；

图5为本发明一实施例中的井下分层流量实时测调仪的机械定位装置的结构示意图；

图6为本发明一实施例中的基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统的供电回路示意图；

图7为本发明一实施例中的基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统的电能接收与输出回路示意图；

图8为本发明一实施例中的基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统的通讯回路示意图。

附图标记说明：1-地面控制系统、2-电缆绞车、3-天地滑轮组、4-防喷系统、5-测调电缆、6-注水管柱、7-存储式一体化智能配水器、8-井下分层流量实时测调仪、101-电能无线接收模块、102-可充电电池组、103-测控电路、104-第二无线通讯模块、105-智能水嘴、106-电机、107-上接头、108-连接套、109-扶正体、110-工作筒主体、111-支架、112-导向体、113-下接头、114-传感器模块、201-电缆接头、202-测调仪主体、203-电能无线发射模块、204-第一无线通讯模块、205-机械定位装置、206-电机及驱动器组件、207-万向联轴器、208-上凸轮、209-定位支架、210-下凸轮、211-导向机构。

具体实施方式

以下将结合本实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行具体、清楚、完整地描述。

请参阅图1，本发明实施例公开了一种基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统，包括注水管柱6、存储式一体化智能配水器7、井下分层流量实时测调仪8、防喷系统4、天地滑轮组3、电缆绞车2、测调电缆5以及地面控制系统1，存储式一体化智能配水器7设于注水管柱6内，测调电缆5的一端连接地面控制系统1，测调电缆5的另一端连接井下分层流量实时测调仪8，具体的，测调电缆5的另一端经过电缆绞车2、天地滑轮组3后，再穿过设于注水管柱6上端的防喷系统4，之后与井下分层流量实时测调仪8连接，存储式一体化智能配水器7与地面控制系统1无线连接而实现双向数据通信，当地面控制系统1输入控制信号并无线传输给存储式一体化智能配水器7时，存储式一体化智能配水器7可于井下独立工作。

井下分层流量实时测调仪8与存储式一体化智能配水器7通过“互频”技术实现无线电能传输，并采用非接触方式实现双向数据通信，实现对所述存存储式一体化智能配水器7的供电及注采调配。

其中，地面控制系统1终端可设置相应显示面板、控制面板和报警系统，包括电压表、电流表、电源开关、复位开关、输入电源指示灯、工作电源指示灯、过载报警指示灯等。

其中，该注水井无线供电智能测控系统还包括封隔器，存储式一体化智能配水器7中设有封隔器，或者，封隔器与注水管柱6串联设置。

其中，所述注水管柱6底部可加入水力循环凡尔，水力循环凡尔系一个单流阀，井喷的时候水力循环凡尔可以防止地层流体通过钻头水眼进入钻具内，另外在压井的时候也能起到作用，钻井接单根和下钻过程中也可以防止泥浆反喷。

进一步的，请参阅图4-5所示，井下分层流量实时测调仪8包括测调仪主体202、电缆接头201、电能无线发射模块203、第一无线通讯模块204和机械定位装置205，电能无线发射模块203与第一无线通讯模块204串联连接，且电能无线发射模块203和第一无线通讯模块204设置于测调仪主体202中，电缆接头201、测调仪主体202和机械定位装置205依次连接；其中，机械定位装置205包括电机及驱动器组件206、万向联轴器207、上凸轮208、定位支架209、下凸轮210以及导向机构211。

进一步的，请参阅图6所示，电能无线发射模块203包括依次串联的电源变换电路、谐振器、发射磁阻和无线电能控制电路，所述无线电能控制电路还与电源变换电路相连接，具体的，所述发射磁感组包括驱动线圈和与驱动线圈连接的磁性材料，驱动线圈和磁性材料胶粘连接。

其中，电能无线发射模块203所在区段的测调仪主体202的外壳采用非金属材料，非金属材料可采用耐高温塑料、高温陶瓷等，但不限于此。

进一步的，请参阅图3，存储式一体化智能配水器7包括工作筒主体110、上接头107、连接套108、扶正体109、支架111、导向体112和下接头113，上接头107、工作筒主体110、支架111以及下接头113依次连接，连接套108、扶正体109以及导向体112依次连接，且连接套108、扶正体109和导向体112设置于工作筒主体110内，工作筒主体110的中心通道侧边设置有桥式通道和偏心主通道；

其中，存储式一体化智能配水器7可以采用不锈钢材质，不易腐蚀，但不限于此。

进一步的，请参阅图2，存储式一体化智能配水器7还中装有电能无线接收模块101、测控电路103、可充电电池组102(可以采用锂电池)、电机106、传感器模块114、智能水嘴105和第二无线通讯模块104，其中，电机106与智能水嘴105相连，传感器模块114与测控电路103相连，电能无线接收模块101分别与测控电路103、传感器模块114、第二无线通讯模块104、智能水嘴105和可充电电池组102连接，传感器模块114可以换算出流量，可充电电池组102用于驱动电机106运转，电机106控制智能水嘴105开启阀的开度，从而控制该层注水量。

其中，当智能水嘴105全关时，可用于刚作业完成的注水管柱6的封隔器打压坐封，减少投捞次数，降低作业费用；当智能水嘴105全关，且量通径达10mm时，基本达到常规堵塞器无水嘴状态。

其中，测控电路103中包含对可充电电池组102进行保护的保护电路，具体能对可充电电池组102的过充、过放、过流等进行保护；该保护电路具有与单片机连接的端口，单片机可以读取可充电电池组102的电压和余量以及温度等数据。

其中，可充电电池组102充电时间为1-3小时，充满状态下可使用3个月。

进一步的，测控电路103同时具有测控和数据存储功能，可根据设定的程序，定时开、关机，并根据测量到的智能水嘴开启阀(即压差调整阀)的开度，同时存储传感器模块114采集的数据。

进一步的，请参阅图7，所述电能无线接收模块101包括依次串联的接收磁感组、谐振器、电源变换电路，具体的，所述接收磁感组包括驱动线圈和与驱动线圈连接的磁性材料，驱动线圈和磁性材料胶粘连接。

其中，电能无线接收模块101所在区段的存储式一体化智能配水器7的中心通道内壁采用非金属材料，非金属材料可采用耐高温塑料、高温陶瓷等，但不限于此。

进一步的，所述传感器模块114包括温度传感器、流量传感器和压力传感器。

其中，流量传感器可采用差压式、涡流式、电磁式、超声波式等，但不限于此。

其中，压力传感器可采用扩散硅为测量晶体的压电传感器，还可采用液柱式传感器、弹性式传感器等，但不限于此。

进一步的，当井下分层流量实时测调仪8与存储式一体化智能配水器7相接近时，所述发射磁感组和接收磁感组以“互频”方式相耦合，将电能从井下分层流量实时测调仪8的电能无线发射模块203非接触传输至存储式一体化智能配水器7中的电能无线接收模块101，进而对存储式一体化智能配水器7中的的可充电电池组102进行供电；当井下分层流量实时测调仪8远离存储式一体化智能配水器7时，可充电电池组102可独立对存储式一体化智能配水器7中的智能水嘴105进行供电，智能水嘴105方可独立工作。

具体的，电能无线发射模块203的发射磁感组与电能无线接收模块101的接收磁感组以“互频”方式相互匹配的原理如下：

当电能无线发射模块203被输入设定频率的交流电信号时，由发射磁感组和谐振器组成的发射谐振体的固有频率被由接收磁感组和谐振器组成的接收谐振体影响而达到该选定工作频率的选定带宽范围内，使发射谐振体达到谐振状态，同时接收谐振体的固有频率被发射谐振体影响而达到设定频率范围，使接收谐振体与发射谐振体产生谐振，从而实现电能在电能无线发射模块203和电能无线接收模块101之间的无线传输，电能无线接收模块101将接收到的电能输出负载设备(负载设备包括测控电路、电机、传感器模块以及第二无线通讯模块)。

进一步的，请参阅图8，当井下分层流量实时测调仪8中的第一无线通讯模块204和存储式一体化智能配水器7中的第二无线通讯模块104相互接近时，可实现采集数据的双向传递。具体的，一方面，地面控制系统1发出信号，经由测调电缆5和井下分层流量实时测调仪8中的第一无线通讯模块204发送给存储式一体化智能配水器7中的第二无线通讯模块104，进而实时调控存储式一体化智能配水器7的工作程序；另一方面，存储式一体化智能配水器7中的测控电路103接收传感器模块114的数据，通过第二无线通讯模块104发送给调侧仪8的第一无线通讯模块204，再经由测调电缆5反馈给地面控制系统1。

进一步的，发射磁感组与接收磁感组可通过“互频”原理实现井下分层流量实时测调仪8与存储式一体化智能配水器7的对位。

发射磁感组与接收磁感组可通过“互频”原理实现井下分层流量实时测调仪8与存储式一体化智能配水器7的对位的原理如下：

当电能无线发射模块203中的发射磁感组与电能无线接收模块101中的接收磁感组位置对正时，发射端与接收端自动响应，原有频率发生变化，达到互频共振，测控电路103可及时捕捉这一变化，并通过第二无线通讯模块104传递信号，从而反馈给地面控制系统1，井上操作人员即可判别井下分层流量实时测调仪8的具体位置。

进一步的，调侧仪8经由测调电缆5与地面控制系统1的数据传递方式为电力载波通信。

进一步的，电能无线发射模块203所发射的电能为整体直流供电。

进一步的，所述注水井分层配注系统包括多个沿竖直方向串联设置的存储式一体化智能配水器7，所述的多个存储式一体化智能配水器7与井下分层流量实时测调仪8连接，一个井下分层流量实时测调仪8分别调控位于各层的存储式一体化智能配水器7，从而达到分层精细注水的目的。

在一些具体实施方案中，存储式一体化智能配水器7中的测控电路103还包含绝对时间时钟芯片和存储芯片，所述绝对时间时钟芯片用以对保存的各个数据冠以时间方便查阅和形成图标曲线，所述存储芯片用于保存传感器模块采集的数据，以保证掉电不丢失数据。

在一些具体实施方案中，存储式一体化智能配水器7中的各个电路，均可设计成低功耗，且带有休眠功能，从而可以延长可充电电池组102的充电周期。

本发明提供的基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统是基于“互频”技术进行电力传输的，同时加入无线通讯功能、数据存储功能、井下自动控制功能，以自动控制方式代替了现有设备人工投捞仪器测量注水量，再人工投捞堵塞器改变注水量的试探性测调方法，在减少劳动量的同时，可明显减少了资金投入和人员投入，提高注水效率与注水合格率。

在本说明书中，若非特别说明，则前述基于互频原理的注水井无线供电智能测控系统中的机械、电气组件均可以选自业界已知的合适类型。

上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上所述内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。