注水井井口水声收发装置的制作方法

本发明涉及石油开采领域，特别是涉及一种注水井井口水声收发装置。


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，必须对油层进行分层注水。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呈和性质的不同，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。
3.当前分层注水主要采用无缆智能配水器，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者单向压力波通信，下放通信短节通信方式因其后期的维护成本较大，而压力波的方式主要为单向压力发送，且单向压力波通信只能由地面向井下发送波码指令，井下配水器接收指令开关水嘴或改变配注，在智能配水方法中，产生压力脉冲信号的地面装置，大多采用高压泵增压的方式，其具体做法是将地面高压泵输出的高压水作为压力源，通过手动操作压力源和井口装置上的阅门，产生相应的压力脉冲信号传递给井下配水工具，该方法的缺点是采用高压泵设备和手动操作，导致成本高、耗时较长、工人劳动强度大、高压泵增压稳定性差、、导致产生的压力脉冲信号质量差、可靠性低、信号频率低，当地层吸水严重时，高压系很难在井口形成明显压差，影响压力脉冲的产生，且无法接收井下配水工具上传的压力信号。因此，发明人有鉴于此，提供了注水井井口水声收发装置，以便解决上述问题。


技术实现要素：

本发明的目的在于解决传统的注水井井口通讯信号可靠性低的问题。
5.为了达到上述目的，本发明的基础方案提供注水井井口水声收发装置，包括设在注水井井内工作端的有源传感器、与有源传感器电连接的智能配水器、与注水井井口相连接上接头、与上接头下部外侧可拆卸连接的上外套、与上外套下部内侧可拆卸连接的转换接头、与转换接头下部外侧可拆卸连接的下外套和与下外套下部外侧可拆卸连接的下接头，上接头和下接头开有走水孔，转换接头内开有一个偏心通孔，上接头、上外套、转换接头、下外套和下接头形成一个空腔，偏心通孔可拆卸连接有内套，内套上部与上接头的走水孔可拆卸连接，内套下部与下接头的走水孔可拆卸连接，转换接头一侧开有引线通道，引线通道内设有引线，转换接头与上接头、内套、上外套形成偏心圆环的上腔室，上腔室内的内套上可拆卸连接有电路板固定架，电路板固定架上可拆卸连接有用于处理信号的电路控制板，转换接头与下接头、下外套和内套形成偏心圆环的下腔室，下腔室内设有水声换能器，水声换能器顶部固接有连接件，连接件转动连接在转换接头的引线通道内，电路控制板一
侧的上接头开有电缆通道，下接头开有注水通道和声学通道，声学通道与水声换能器相通，上接头的电缆通道外设置有ac/dc模块。
6.电路控制板包括核心控制器、收发合置电路、ldo电源和功率放大器，核心控制器电连接有da输出滤波器、偏置电路、dtu无线通信模块、ldo电源和功放故障报警电路，功率放大器电连接有功放输出滤波器、da输出滤波器和功放故障报警电路电连接，偏置电路电连接有前置放大器，收发合置电路电连接有匹配电路并且和前置放大器电连接，匹配电路电连接有升压变压器，升压变压器和功放输出滤波器之间电连接有隔直电容，ldo电源电连接有dc/dc电源，dc/dc电源与ac/dc模块电连接，水声换能器通过引线通道内的引线与电路控制板内的收发合置电路电连接。有源传感器包括水声接收换能器和水声发送换能器，有源传感器内的水声接收换能器、水声发送换能器与智能配水器的控制板电连接，有源传感器的接收换能器、发送换能器通过水与水声换能器进行水声通信。
7.本基础方案的原理及效果在于：本发明通过水声换能器和有源传感器对井内工作端的智能配水器所发出的信号进行接收，水声换能器将水声信号转换成电信号后，再通过前置放大器对其进行滤波，放大处理，然后通过核心控制器内置的ad转换器，把模拟信号转换成数字信号，核心控制器将判断该信号是否为井下水声通信设备发送的信号，如果不是，通过负反馈系统，直到检测信号为有源传感器发出的水声信号为止，这样能够有效减少技术人员的操作步骤，降低装置使用难度。
8.当检测到井下有源传感器发送过来的信号后，核心控制器将对接下来一段时间内的信号进行解调，解析到相应的信息后，对其进行校验，以及校正，这样可以减小信号误差，得到正确井下信息，在得到正确的井下信息后，核心控制器通过串口与dtu无线通信模块通信，通过互联网把所得到的信号上报到控制中心，有效提高了信号的可靠性。
9.当控制中心需要修改智能配水器的参数时，通过互联网把数据发送到井口装置，井口装置在对相应的信息进行编码。调制后，通过da把数字信号转换为模拟信号，在经过da输出滤波器，将模拟信号转换为pwm信号输出，然后将pwm信号发送到功率放大器输入端，功率放大器对其进行调制放大后，通过水声换能器把电信号转换为水声信号发送到井下有源传感器内，再转入智能配水器中，能够灵活地根据注水井内工作端的实际工作情况，对井内的智能配水器的参数进行修改，保证通讯的准确性和及时性。
10.与现有技术相比，井下水声通信系统进行的水声通信与高压泵增压产生的信号更加智能化以及稳定，能够与远程控制中心进行数据交换，无需手动操作，实现注水井井内的数据上报，桥接远程控制中心与注水井内的智能配水器，使控制中心的控制指令下发到井下水声通信设备，从而可以远程对每个注水井进行监控和控制，且发明的结构设计能够减小环境噪音带来的影响，减少了人力、物力的支出。进一步，前置放大器内设有多级滤波器。在前置放大器内设置多级滤波器，提高滤波器的砖墙系数，从而减少噪声可通过的频带，进一步减少噪声，提升的系统的性能。进一步，dc/dc电源为高频dc/dc电源。采用的高频dc/dc电源为高频同步buck结构，4v到36v的输入电压范围，效率可达到95％以上，减少了待机功耗，同时还具有保护功能，提升了仪器的可靠性，且高频dc/dc电源元件体积较小，相对于较小的设备空间内，能够为整体
设计提供更多的选择空间。进一步，功率放大器为d类高频功率放大器。采用d类高频功率放大器能有效的减少装置中器件的体积，且该功率放大器具有优秀的保护系统，包括输出短路保护和过温保护，继而提高了系统的可靠性。进一步，上接头、下接头、上外套、下外套和内套连接处均设有密封圈槽。在连接处安装密封圈槽，能够增加装置气密性，达到保护装置内电路元件的效果。进一步，转换接头内设有定位销。在转换接头内安装定位销，能够固定与转换接头可拆卸连接内套的位置，防止内套在工作过程中产生偏移导致收发信号不稳定的问题。
附图说明
图1为本发明实施例注水井井口水声收发装置的剖面图；图2为本发明实施例注水井井口水声收发装置的电路结构图；图3为本发明实施例前置放大器的电路结构图；图4为本发明实施例注水井井口水声收发装置的信号接收流程图；图5为本发明实施例注水井井口水声收发装置的信号发送流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：说明书附图中的附图标记包括：上接头1、上外套2、电路控制板3、内套4、电路板固定架5、转换接头6、水声换能器7、下外套8、下接头9、输出功率匹配电路11、收发合置电路12、前置放大器13、偏置电路14、升压变压器15、核心控制器16、ldo电源17、dc/dc电源18、隔直电容19、da输出滤波电路20、dtu无线通信模块21、ac/dc模块22、功放输出滤波器23、功率放大器24、功放故障报警电路25。
13.注水井井口水声收发装置，实施例如图1所示。包括设在注水井井内工作端的有源传感器、与有源传感器电连接的智能配水器和与注水井井口相连接上接头1，上接头1的下部外侧开有内螺纹，与上接头螺纹连接有上外套2，上外套2的下部外侧开有内螺纹，与上外套2的下部螺纹连接有转换接头6，转换接头6下部外侧开有外螺纹，与转换接头6下部外侧螺纹连接有下外套8，下外套8的下部外侧开有内螺纹，与下外套8螺纹连接有下接头9，螺纹连接处均安装有两个密封圈槽。
14.上接头1和下接头9开有走水孔，转换接头6内开有一个偏心通孔，上接头1、上外套2、转换接头6、下外套8和下接头9形成一个空腔，偏心通孔螺栓连接有内套4，内套4上部与上接头1的走水孔螺栓连接，内套下部与下接头9的走水孔螺栓连接，转换接头6一侧开有一个引线通道，转换接头6与上接头、内套、上外套形成偏心圆环的上腔室，上腔室内的内套上螺栓连接有电路板固定架5，且电路板固定架安装在引线通道一侧，电路板固定架5上螺栓连接有用于处理信号的电路控制板3，转换接头6与下接头9、下外套8和内套4形成偏心圆环的下腔室，下腔室内设有水声换能器7，水声换能器7顶部固接有连接件，连接件转动连接在转换接头6的引线通道内，电路控制板3一侧的上接头1开有一个电缆通道，注水井外的电源通过电缆通道与电路控制板3电连接，下接头9开有一个注水通道和一个声学通道，声学通道与水声换能器7相通，上接头的电缆通道外设置有用于对电源进行变压的ac/dc模块22。
15.注水井井口水声收发装置的电路结构图，实施例如图2所示。包括ac/dc模块22、水声换能器7和核心控制器16，核心控制器16上有ad接口和da接口，水声换能器7的输出端通过引线槽电连接电路控制板3内的收发合置电路12，收发合置电路12的输出端连接有隔直电容19，隔直电容19电连接前置放大器13，前置放大器13的输出端电连接有偏置电路14，偏置电路14与核心控制器16上的ad接口电连接，核心板的da输出接口电连接有da输出滤波器20，da输出滤波器20的输出端电连接有功率放大器24的信号输入端，功率放大器24的输出端电连接有输出滤波器23和功放故障电路报警电路25，输出滤波器23通过隔直电容19，电连接有升压变压器15，升压变压器15输出端电连接有输出匹配电路11，输出匹配电路11最后与水声换能器7电连接，ac/dc模块22电连接有dc/dc电源18，dc/dc电源18电连接有ldo电源17，ldo电源17的输出端与核心控制器16电连接，核心控制器16的输入端还电连接有dtu无线通信模块21和功放故障电路报警电路25，水声换能器7通过引线通道内的引线与电路控制板3内的收发合置电路12电连接。
16.有源传感器包括水声接收换能器和水声发送换能器，有源传感器内的水声接收换能器、水声发送换能器与智能配水器的控制板电连接，有源传感器的水声接收换能器、水声发送换能器通过水与水声换能器7进行水声通信。接收智能配水器发出的信号时，实施例如图3、图4所示。有源传感器通过水声接收换能器将智能配水器发出的电信号转换成水声信号，然后通过水声发送换能器将水声信号通过水中的声波震动，传输到水声换能器7内，水声换能器7将产生电信号，电信号为模拟信号，模拟信号通过收发合置电路12将传输到前置放大器13中，滤除模拟信号中的噪声信号，并放大带内信号，前置放大器13分为五级，第一级为同向放大器，用于对信号的放大，第二级到第五级为八阶巴特沃斯带通滤波器，带通滤波器的输出与核心控制器16的ad输入引脚相连，模拟信号通过前置放大器13放大后，再通过偏置电路14，防止模拟信号失真，然后通过核心控制器16上的ad接口，将电信号传入核心控制器16中。
17.核心控制器16内置的ad转换器根据所接收信号的3至5倍的频率对信号进行采样，把模拟信号转换为数字信号，采集到的信号经过同步头检测，检测是否有同步信号，如果不是，继续检测同步头信号，当检测到同步头信号后，继续对后续有效信号进行采集，然后对采集到的信号进行解调、解码，解交织，在得到正确的井下信息后，核心控制器16通过串口与dtu无线通信模块21通信，通过互联网把所得到的信号上报到控制中心。当控制中心需要修改智能配水器的参数时，实施例如图5所示。控制中心将信号通过dtu无线通信模块21发送到核心控制器16内，核心控制器16对信号进行交织、编码、调制、组码后，通过内置的da转换器，把数字信号转换成模拟信号，然后通过电连接的da输出滤波器20滤除采样频率，经过处理后的模拟信号将传输到功率放大器24内，将模拟信号转换为相应的pwm信号输出，如果功率放大器24出现故障，功放故障报警电路25将会对核心控制器16发出信号，以便技术人员进行维修，转换完成后，再通过功放输出滤波器23对pwm信号进行降噪处理，然后通过隔直电容19进入到升压变压器15内进行升压，在功放输出滤波器23和升压变压器15之间设置隔直电容19，避免了升压变压器15饱和，升压后通过输出功率匹配电路11将模拟信号传输到收发合置电路12中，最后通过水声换能器7将电信号转换为水声信号，然后通过声学通道将水声信号传输到井内工作端的有源传感器的水声接收换能器中，有源传感器将水声信号转换成电信号后通过水声发送换能器传输到智能配水器的控制
板中，最后井内工作端的智能配水器根据所接收的水声信号修改相应的参数。
18.本发明是以水为媒介进行信号传递，与传统的高压泵增压的方式产生的信号相比更加稳定，且无需人工操作，不需要考虑地层吸水严重的情况，同时，核心控制器16能够准确的识别井下发出的声音是否为有源传感器发出的水声，技术人员能够灵活地根据注水井下的实际工作情况，对井内工作端的智能配水器的参数进行修改，保证通讯的准确性和及时性，提高了信号的可靠性与稳定性。
19.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.注水井井口水声收发装置，其特征在于，包括设在注水井井内工作端的有源传感器、与有源传感器电连接的智能配水器、与注水井井口相连接上接头、与上接头下部外侧可拆卸连接的上外套、与上外套下部内侧可拆卸连接的转换接头、与转换接头下部外侧可拆卸连接的下外套和与下外套下部外侧可拆卸连接的下接头，上接头和下接头开有走水孔，转换接头内开有一个偏心通孔，上接头、上外套、转换接头、下外套和下接头形成一个空腔，偏心通孔可拆卸连接有内套，内套上部与上接头的走水孔可拆卸连接，内套下部与下接头的走水孔可拆卸连接，转换接头一侧开有引线通道，引线通道内设有引线，转换接头与上接头、内套、上外套形成偏心圆环的上腔室，上腔室内的内套上可拆卸连接有电路板固定架，电路板固定架上可拆卸连接有用于处理信号的电路控制板，转换接头与下接头、下外套和内套形成偏心圆环的下腔室，下腔室内设有水声换能器，水声换能器顶部固接有连接件，连接件转动连接在转换接头的引线通道内，电路控制板一侧的上接头开有电缆通道，下接头开有注水通道和声学通道，声学通道与水声换能器相通，上接头的电缆通道外设置有ac/dc模块；电路控制板包括核心控制器、收发合置电路、ldo电源和功率放大器，核心控制器电连接有da输出滤波器、偏置电路、dtu无线通信模块、ldo电源和功放故障报警电路，功率放大器电连接有功放输出滤波器、da输出滤波器和功放故障报警电路电连接，偏置电路电连接有前置放大器，收发合置电路电连接有匹配电路并且和前置放大器电连接，匹配电路电连接有升压变压器，升压变压器和功放输出滤波器之间电连接有隔直电容，ldo电源电连接有dc/dc电源，dc/dc电源与ac/dc模块电连接，水声换能器通过引线通道内的引线与电路控制板内的收发合置电路电连接；有源传感器包括水声接收换能器和水声发送换能器，有源传感器内的水声接收换能器、水声发送换能器与智能配水器的控制板电连接，有源传感器的接收换能器、发送换能器通过水与水声换能器进行水声通信。2.根据权利要求1所述的注水井井口水声收发装置，其特征在于：所述前置放大器内设有多级滤波器。3.根据权利要求1所述的注水井井口水声收发装置，其特征在于：所述dc/dc电源为高频dc/dc电源。4.根据权利要求1所述的注水井井口水声收发装置，其特征在于：所述功率放大器为d类高频功率放大器。5.根据权利要求1所述的注水井井口水声收发装置，其特征在于：所述上接头、下接头、上外套、下外套和内套连接处均设有密封圈槽。6.根据权利要求1所述的注水井井口水声收发装置，其特征在于：所述转换接头内设有定位销。

技术总结
本发明涉及石油开采领域，具体公开了注水井井口水声收发装置，包括设在注水井井内工作端的有源传感器、智能配水器、上接头、上外套、转换接头、下外套和下接头，上接头和下接头开有走水孔，转换接头内开有偏心通孔，偏心通孔连接有内套，内套上连接有电路板固定架，电路板固定架上连接有电路控制板，电路控制板内设有若干用于处理信号的电路，转换接头底部可拆卸连接有水声换能器，电路控制板一侧的上接头开有电缆通道，上接头的电缆通道外设置有AC/DC模块，下接头开有注水通道和声学通道，水声换能器与电路控制板电连接，水声换能器通过水与有源传感器进行水声通信，能够有效解决传统的注水井井口通讯信号不稳定的问题。的注水井井口通讯信号不稳定的问题。的注水井井口通讯信号不稳定的问题。


技术研发人员：孙宗鑫 颜富强 赵阳
受保护的技术使用者：大庆友声科技有限公司
技术研发日：2020.09.07
技术公布日：2022/3/7