第 1 章 绪 论
1.1 课题的研究背景和意义
石油是国民经济发展的命脉，被称为“工业的血液”，我国的石油缺口很大，石油产量不足成为影响我国经济发展的重要因素。随着我国和世界经济的联系愈发紧密，我国对外来石油的依靠性会增加。怎样将有限的石油资源最大利用，达到最大开采量显的尤为重要。为了保持或者补充地底油层压力，利用注水井将水注入到油层中的措施称为注水。地底油层压力大小是和油田的开采时间长短成反比的，开采时间越长，压力越小，随着油层压力的不断降低，原油在地下会大量的脱气，粘度增加，将会大大减小油田的原油产量，如果情况比较严重，甚至会导致停喷停产，在油层中的大量原油采不出来，形成死油。利用水油不相溶的原理，采用对产出原油的油田进行注水，达到保持或提高油层压力的目的，实现油田的高产稳产，大大提高油田的原油开采率。出于保持油田较长开发周期和原油产量的稳定的目的，在开发油田时，基本上都要采取保持地层压力的措施。怎样用人工的办法达到保持地底油层压力的目的，是现在国家正在研究的，保持地底油层压力可以向油层注入介质，达到多出油、出好油的目的。
目前比较成熟的注入介质有：注水、注气和注蒸汽等。在这些介质当中，采用注水保持地层压力具有无可比拟的优点，一方面水的来源比较广，易于获取，注水的方法简单经济；另一方面，油水不相溶，可以利用注入水来排油，所以水作为介质十分理想。当前，中高含水期油田保持高产、稳产的重要研究技术是如何用“控水”实现“稳油”的目标，即通过控制注水量和产出水量保持油田长期稳定生产。这就要求分层注水，通过对含水量不同的油层注水不同量的水，控制油层的含水量，达到油田注、采水量的平衡。
目前，我国油田主要的水源来自地面水，地面水主要来自江河水、湖泊水、水库水等。这些水含泥砂量大、含溶解氧量高，容易腐蚀注水设备和管线，缩短其使用寿命，同时造成对地层的堵塞。因此，对这类水必须要经过沉淀、过滤、杀菌和脱氧处理后才能使用。这些工艺流程大部分情况下在集中的水源站进行，再经过加压处理后供给各个注水间，在注水间中再由注水主干道送到各个注水井。
因此，设计一套智能化油田注水流量检测系统，使其在不影响正常生产的情况下，系统可实时监测各层段流量、分层压力、分层温度及其指示曲线绘制。实现集数据采集、监测、优化、控制于一体的油田注水智能监控系统，可以通过实际参数的变化，通过软件来实现注水系统各个参数的采集、分析、调节和模糊自适应 PID控制，同时采用GPRS进行传输，保证注水系统运行在合理的范围以内，避免了人为因素在主观上导致的能量损失。可使工程技术人员及时了解分层注水情况，采取相应措施限制或提高注水量，进行分层注水结构调整，提高水驱效率，可以同时起到指导地面工艺设计和制定工作制度的作用。
1.2 油田注水系统国内外研究现状 .........12-14
1.2.1 国外研究现状 ............12-13
1.2.2 国内研究现状 ............13-14
1.3 论文的主要研究内容 ............14-16
第2章 油田注水系统基本工作原理 ............16-26
2.1 油田注水系统的结构组成和原理 ............16
2.2 油田注水系统的注水流程 ............16-19
2.3 注水泵站工艺流程 ............19-20
2.4 注水系统耗能和控制方式节能比较 .........20-21
2.5 系统节能措施 ............21-22
2.6 关键参数 ............22-25
2.7 本章小结 ............25-26
第3章 系统总体方案的确定和相关技术 ..........26-35
3.1 系统设计要求 ............26-27
3.2 系统总体方案的确定 ............27-28
3.3 执行机构的选择和相关技术 ............28-32
3.4 测控系统的工作原理 ............32-34
3.5 本章小结 ............34-35
第4章 基于 MSP430 的测控系统设计 ............35-47
4.1 MSP430 单片机的选型和特点 ............35-36
4.2 测控系统硬件电路设计 ............36-43
4.3 软件设计 ............43-46
4.3.1 开发环境 ............43
4.3.2 控制系统工作流程分析 ..........43-44
4.3.3 初始化程序模块 ............44-45
4.3.4 GPRS 模块 4............5
4.3.5 电机控制程序模块 ............45-46
4.4 上位机 ............46
4.5 本章小结 ............46-47
第5章 模糊自适应 PID 控制及其仿真 ............47-62
5.1 控制理论 ............47-53
5.1.1 传统 PID 控制 ............47-48
5.1.2 模糊控制 ............48-50
5.1.3 模糊自整定 PID 控制与间歇性控制 ....50-53
5.2 控制系统仿真研究 ............53-61
5.2.1 Simulink 简介 ............53-54
5.2.2 模糊逻辑工具箱 ............54-55
5.2.3 系统的仿真研究 ............55-61
5.3 本章小结 ............61-62
结 论
本文在分析了国内外油田注水监控现状的基础上，从我国油田生产的实际出发，设计了一套基于MSP430的油田注水智能监控系统，以超声波流量计作为测量工具，以 MSP430作为控制中心，以直流电动机作为执行机构，实现对油田注水的智能调节，同时利用GPRS技术将采集到的数据传输到远程主机上，供历史查询、分析用。考虑到油田注水耗能现状，将太阳能供电系统引入到系统中，可以有效地缓解能源供应。
在课题研究的过程中，主要完成了以下工作：
(1)开发了以 MSP430F5438超低功耗单片机为下位机的系统硬件平台，设计了控制系统的硬件模块和电路，实现了数据采集、存储、GPRS传输以及直流伺服电动机的控制等。
(2)将模糊自适应ID控制器引入到系统当中，相较于油田常用PID控制具有调节时间短、鲁棒性强等优点，并从节约能源的角度出发，利用模糊自适应PID控制达到间歇性控制的目的，减少执行结构的动作次数。
由于作者水平、研究时间以及实验条件等方面的限制，本课题还存在一定的不足，需要进一步开展的工作如下：
(1)本课题重点研究了下位机，对上位机并没有过多的研究，在实际工程中需要对上位机软件系统进行开发，设计友好的用户界面，构造数据库，建立动画连接等。
(2)在监控注水系统参数的情况下，根据监控的数据来改进系统的注水工艺，使系统的耗水量减小。