CN101942990A - 在线地下测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下测温系统，该系统包括：热电偶；在所述热电偶的上方的补偿导线，所述补偿导线的下端与所述热电偶的上端相连接；在所述热电偶的下方、与所述热电偶的下端相连接、用于引导所述热电偶在测温通道内行进的重锤；其中，所述热电偶是用热电偶丝、绝缘材料以及金属保护套管三者组合装配后经过拉伸加工而制成的铠装热电偶，该铠装热电偶的长度与所需测量的地下高温层中的最高温度区间的厚度相对应。本发明的测温系统能够大大降低热电偶的制造成本，有效延长热电偶的使用寿命并提高测温自动化程度，而且便于系统本身的检修和维护。

Description

在线地下测温系统

技术领域

本发明涉及一种在线地下测温系统。本发明的测温系统可以适用于石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采或地热开采用途中的地下测温。

背景技术

在石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采、地热开采的过程中，都需要在地下建井。井深从100到5000m不等，主要高温区厚度约在40～200m左右，这样现场的热电偶制作和上下井非常耗时耗力，热电偶丝容易折断，热电偶在高温和还原气氛下的使用寿命短，且测温过程中对高温易燃有毒的气体等没有有效地隔离手段进而有可能对现场以及操作人员的安全造成一定的威胁。

对石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采、地热开采的过程中井内温度的检测与控制是这些技术面临的主要难题之一。煤炭地下气化过程中燃烧是不可缺少的环节，燃烧工作面的位置和移动速度的监控，对气化效率和回收率有很大的影响。燃烧工作面的主要参数有温度、压力及湿度等，但温度是燃烧工作面的最主要参数，通过有效控制温度的变化，就可以基本控制气化效率、煤气成份及热值。这就需要通过热电偶来检测温度，根据温度情况控制鼓入氧化剂的种类和流量，根据温度的最大值以确定燃烧区的位置，根据温度最大值的移动速度可确定工作面的燃烧速度，进而确定气化炉的服务年限。在石油钻井和煤层气开采中，井内的温度对于井内的工作情况有很重要的参考作用，而在地热开采过程中，地热井内的地热水的温度梯度直接影响了地热开采的方法与成本。

煤的地下气化区主要集中在煤层，根据地质资料，井深一般在300～2000m左右。石油钻井的深度在数千米，煤层气的钻探深度在300到1500米左右，地热井最深深度在5000米左右，在这种深度的井下，井内的环境较为复杂。以地下气化为例。地下气化煤层厚度在2～20m左右，完全燃烧，不算燃烧区的话，主要高温区(200℃以上)厚度约在40m左右，而在垂直方向上的其余区段中的温度基本上不会超过100℃。这就需要制作较长的热电偶，并通过电缆和测温仪表相连进行现场测温。而地下煤气化过程中温度高，温度变化范围大，井下地形复杂，且在气化过程中会不可避免的产生H₂、CO、CH₄等还原气体和H₂S、COS等腐蚀性气体，这些对热电偶的使用都有较大的影响，而地下地层测量相对来说是很深、很长、很热、又是很复杂的，这就需要把一个长的测量部件和一个可用的有保护的、热稳定性的电缆来连接来进行遥测，这样在制作和摆放过程中对场地和人员的要求较高，需要大量的时间和人力物力。而且在使用过程中需要避免煤气的泄露以免造成安全事故，这就要求在密封的条件下进行地下气化炉井的实时温度测量。而在石油开采、煤层气开采、地热开采中同样面临着以上情况，如何在保证正常的生产的情况下进行温度的自动连续测量是一个亟待解决的问题。

专利CN1407319A，CN2798064Y，US2005098201，DE20306095U，JP2003004539等针对现今高温测温使用的K型热电偶在高温下易烧坏，热电偶寿命短和测温不精确的缺点提出了新型的铂铑热电偶。

专利CN200947060Y，TW267633B，JP2003090768，JP2005106512，MXPA0100329，EP1365219A，US2002159500，MXPA02003794等针对热电偶在高温高压下易损害和不耐腐蚀的缺点，提供了用于高温、高速气流冲刷且含硫腐蚀气体或介质的恶劣条件下使用的热电偶保护壳。其技术要点是采用陶瓷、刚玉或金属陶瓷复合类保护管作为隔绝腐蚀气体与热电偶接触的保护壳。

专利CN1740762A，CN201025622，JP2006047261等针对陶瓷保护管的金属强度差，韧性弱，导热性和热响应敏感性差的弱点，采用金属镍基材料保护管，广泛应用与高温，高压的，含氢、含硫的气化炉和加氢裂化过程中。

专利CN85108986A，GB827368，WO2007098312，US2004016295，CA2138134等对井下温度测量进行了描述，通过一个长而直的测量部件导管从地表延伸到井内被测区间中，一个挠性的加重部件、一个电的感温传感部件、一条可盘绕的、热稳定的、遥测传感部件电信号用的电缆和一个可盘绕又可放出遥测电缆的部件相互连接，通过加重部件将遥测电缆的弯曲部分拉直，将温度传感部件下拽到合适部位进行测温，通过盘绕部件控制上下。

上述现有技术文献的不足：

专利CN1407319A，CN2798064Y，US2005098201，DE20306095U，JP2003004539等虽然提出使用新型的铂铑热电偶代替镍基热电偶，但是都是针对一些制作长度短和环境要求较低的高温测量，面对地下煤气化煤层埋藏深，测温区域离地面远(约300～2000m)，以及复杂和煤气化过程强还原气氛的使用环境，其价格昂贵，易损害的缺点就完全体现出来。采用纯铂铑的热电偶，成本极其昂贵，这就限制其大量使用。

专利CN200947060Y，TW267633B，JP2003090768，JP2005106512，MXPA0100329，EP1365219A，US2002159500，MXPA02003794，CN1740762A，CN201025622，JP2006047261等针对热电偶在高温高压下易损害和不耐腐蚀的缺点，提供了用于高温、高速气流冲刷且含硫腐蚀气体或介质的恶劣条件下使用的陶瓷或镍基热电偶保护壳，陶瓷保护管的机械性能较差，一旦长度较长或是使用环境地形复杂，热电偶在使用过程中就极易断裂；镍基热电偶保护壳能保护热电偶在强还原气氛，高温下使用，可以保证在地下气化过程中热电偶丝不由于碰撞以及沾水等带来的断裂和短路等影响，是目前一种十分成熟的利用方式。

专利CN85108986A，GB827368，WO2007098312，US2004016295，CA2138134等讲述了对井下温度以及各种物性参数测量的方法，但是其人工操作复杂，费时费力。

发明内容

本发明要解决的是在高温高压工况下，在线实现地下某一精准深度的井下温度测量问题。本发明还旨在解决或至少缓解在上述各个现有技术中存在的各种问题或不足。

本发明提供一种地下测温系统，该系统包括：热电偶；在所述热电偶的上方的补偿导线，所述补偿导线的下端与所述热电偶的上端相连接；在所述热电偶的下方、与所述热电偶的下端相连接、用于引导所述热电偶在测温通道内行进的重锤；其中，所述热电偶是用热电偶丝、绝缘材料以及金属保护套管三者组合装配后经过拉伸加工而制成的铠装热电偶，该铠装热电偶的长度与所需测量的地下高温层中的最高温度区间的厚度相对应。

在本发明的一种优选方式中，所述热电偶以及与所述热电偶相连接的所述补偿导线和所述重锤都布置在密封管道内，所述密封管道包括位于地面之下的地下部分以及位于地面的上方的地上部分，所述密封管道的地下部分沿竖直方向布置在地层中；所述密封管道的地上部分与绞盘密封舱密封地连接，所述补偿导线的上端卷绕连接在所述绞盘密封舱中设置的电动绞盘上。

在本发明的一种优选方式中，所述密封管道的地上部分包括一个沿水平方向布置的水平部分，该水平部分的第一端与所述密封管道的地上部分的其余部分通过弯头密封地连接，该水平部分的第二端与所述绞盘密封舱密封地连接。

在本发明的一种优选方式中，所述弯头中设有用于测量所述热电偶沿竖直方向的行进距离的计米器，该计米器采用定滑轮形式固定在所述弯头的内弯处，所述补偿导线围绕所述计米器的外缘从位于所述密封管道的地下部分中的竖直方向改变为位于所述密封管道的地上部分的水平部分中的水平方向。

在本发明的一种优选方式中，所述密封管道的地上部分的水平部分中设有活动滑轮组，该活动滑轮组至少包括一个定滑轮以及一个动滑轮，所述定滑轮固定在所述水平部分中，所述动滑轮设置为能够沿着所述水平部分的长度方向移动，所述定滑轮和所述动滑轮之间具有高度差；在所述密封管道的地上部分的水平部分中，所述补偿导线绕过所述定滑轮的一个表面并绕过与所述定滑轮的所述表面相对的所述动滑轮的一个相对表面，以之字形路线布置。

在本发明的一种优选方式中，所述密封管道的地上部分中设有阀门，所述阀门能够使得在所述阀门的下方的密封管道的空间与在所述阀门上方的密封管道的空间相互隔绝。

在本发明的一种优选方式中，所述密封管道的侧壁上在竖向的不同高度上设有用于工艺流体进出的进口和出口；所述密封管道的地上部分中设有阀门，所述阀门设置在所述进口和出口的上方，所述阀门能够使得在所述阀门的下方的密封管道的空间与在所述阀门上方的密封管道的空间相互隔绝。

在本发明的一种优选方式中，所述阀门为蝶阀、球阀或闸阀，所述重锤、所述热电偶以及所述补偿导线均能通过所述蝶阀或球阀或闸阀的阀芯中的通孔。

在本发明的一种优选方式中，所述绞盘密封舱的下部设有用于支承所述绞盘密封舱的支架，并且上部设有用于检修维护所述绞盘密封舱的内部的检查孔，所述绞盘密封舱还设置有能够正反向驱动所述电动绞盘的电动机。

在本发明的一种优选方式中，所述补偿导线的外周包覆有内保护套，该内保护套由具有耐高温、隔热和承重性能的双层耐高温金属网制成；所述双层耐高温金属网内保护套的外周包覆有以防水、防腐蚀和耐受高温的金属制成的外保护套；所述补偿导线经由所述内保护套而与所述热电偶相连。

所述双层耐高温金属网内保护套与所述热电偶的连接方式可以是陶瓷接头连接、螺纹配合连接、焊接或上述各种连接方式的各种组合。

在本发明的一种优选方式中，所述地下测温系统还包括自动控制设备，所述计米器和所述热电偶以无线传输方式与所述自动控制设备相连从而向其输入信息，所述自动控制设备外接有显示设备，并且根据从所述计米器和/或所述热电偶所输入的信息，对所述电动绞盘的旋转方向和速度进行自动控制，从而对热电偶的升降方向和移动速度进行自动控制。

在本发明的一种优选方式中，所述重锤在竖向上具有流线型外形并且其横截面大致为圆形，所述圆形的直径在40mm～150mm之间，长度≤500mm，重量在5～15kg之间，材质为不锈钢，所述重锤具有光滑的外表面。

在本发明的一种优选方式中，在所述铠装热电偶中，采用镍铬镍硅或者铂铑合金作为热电偶丝的材料，采用3039或3044等高温合金钢或者304、316、321不锈钢作为所述金属保护套管的材料；所述补偿导线采用与所述热电偶丝具有相同电子密度的材料，该材料的主要成分为铜镍合金。

在本发明的一种优选方式中，所述热电偶丝的直径为2mm至12mm，根据所应用的测温条件，所述热电偶丝的长度在20m至200m的范围内选择；所述补偿导线的直径为4mm至6mm，根据所应用的测温条件，所述补偿导线的长度在50m至5000m的范围内选择。

在本发明的一种优选方式中，所述绞盘密封舱为耐高压密封容器，其横截面为圆形或椭圆形，能够耐压高至8MPa；所述密封管道能够耐压高至8MPa。

本发明的地下测温系统可以适用于石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采或地热开采用途中的地下测温。

本发明还相应地提供一种采用上述地下测温系统来进行地下测温的方法，该方法包括如下步骤：

a)根据地质勘探所获得的矿藏厚度数据及矿藏埋藏深度数据，相应地确定所述热电偶的长度以及所述补偿导线的长度，并根据所确定的长度制造所述热电偶和所述补偿导线并将它们相互连接；

b)将所述热电偶和所述补偿导线的主体部分布置在所述绞盘密封舱中；

c)使所述热电偶的前端以及所述重锤绕过在所述密封管道的地上部分的水平部分中设置的所述滑轮组、并经过所述计米器转向而向下通过所述阀门的通孔，进而向下伸入所述密封管道的地下部分；

d)用电动机驱动所述电动绞盘，使得所述热电偶、所述补偿导线和所述重锤在所述密封管道的地下部分以及所述测温通道中沿竖直方向上下行进；以及

e)用所述热电偶和所述补偿导线对地下目标温度区间进行温度测量，并将温度测量信号以无线传输方式发送到所述自动控制设备。

在上述方法的一种优选方式中，还包括如下步骤：

f)用所述计米器对所述热电偶的行进距离进行测量，并将距离测量信号以无线传输方式发送到所述自动控制设备。

在上述方法的一种优选方式中，还包括如下步骤：

g)所述自动控制设备通过外接的显示设备输出温度梯度变化图，由所述自动控制设备自动地控制所述电动绞盘的驱动方向和速度。

在上述方法的一种优选方式中，所述无线传输方式为蓝牙通讯方式或红外通讯方式。

所述的测温方法可以用于石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采或地热开采用途中的地下测温。

本发明中采用了铠装热电偶，利用热电偶外部的保护铠耐受外部的高温，而且也有效避免了由于井下水汽导致的热电偶丝短路的问题。在铠装热电偶丝和补偿导线的连接方式上选择了陶瓷接头连接、螺纹配合连接、焊接或上述各种连接方式的各种组合，这种条件下的强度更高，密封性能也更好，可以满足隔水隔气的要求。

本发明以铠装热电偶丝与耐高温的补偿导线相连并与地上绞盘相连，在绞盘外设置密封舱与需要测温的炉井进行密封，可以在被测温井的运行过程中对井内进行实时的温度测量，并在使用过程中对整套系统进行有效密封，可以完全阻绝测温过程中有毒气体的泄露，避免了由于有毒气体泄露造成的各种安全威胁。而且金属铠装热电偶的韧性和机械强度较强，可以根据测温要求制作所需的较长热电偶，且在上下井过程中不易折断，同时铠装热电偶的金属外壳可以保证热电偶在高温强还原气氛下的使用寿命；而制作好的热电偶通过电动绞盘上下井，把计米器的信号和热电偶测出的温度信号输出到自动控制设备，自动控制设备通过外接的显示设备输出温度梯度变化图，然后由自动控制设备去控制电动绞盘的上下，达到自动控制的目的，可以减少大量的时间和人力，并且很大程度上提高了系统的稳定性。另外，结合测温井温度梯度的变化，采用需要在高温段(例如800℃以上)工作的部分使用铠装热电偶，而只需在中低温段(例如800℃以下)中工作的部分使用耐受该温度段的温度的补偿导线，通过这种相互结合的方式制作热电偶，使测温热电偶既能够满足高温条件下的苛刻要求，也在满足绞盘使用过程中所要求的柔韧性前提下节省了成本，提高了测温系统的经济效益。

本发明针对石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采、地热开采等过程中高温高压以及高腐蚀的条件进行针对性设计，解决了上述过程中高温高压以及腐蚀等不利因素对热电偶测温系统的影响，并且在设计的同时考虑热电偶测温系统运行的稳定性以及热电偶测温高度的自动计量以及温度梯度成像，能够节约大量的时间和人力。

如在背景技术中所述，专利CN1407319A，CN2798064Y，US2005098201，DE20306095U，JP2003004539等虽然提出使用新型的铂铑热电偶代替镍基热电偶，但是都是针对一些制作长度短和环境要求较低的高温测量，面对地下煤气化煤层埋藏深，测温区域离地面远(约300～2000m)，以及复杂和煤气化过程强还原气氛的使用环境，其价格昂贵，易损害的缺点就完全体现出来。采用纯铂铑的热电偶，成本极其昂贵，这就限制其大量使用。

而本发明通过管束补偿导线与铠装热电偶丝相连的热电偶制作方式，取代整根铂铑热电偶丝，可以极大地节约测温系统的成本。在本发明中，热电偶部分的长度仅仅占热电偶和补偿导线的总长度的很小一个部分，该部分仅仅与所需测量的地下高温层中的最高温度区间的厚度相对应。例如，如果所需测量的地下高温层中的最高温度区间是地表下方1500～1600米这一段区间，则可以用有效长度为1500米的补偿导线连接有效长度为100米的热电偶丝部分，即可实现对整个1600米深的地层下温度区间的温度测量。而如果按照现有技术那样在该总长度上都使用铂铑热电偶丝，则其成本将远远超出本发明所需的成本。

如在背景技术中所述，专利CN85108986A，GB827368，WO2007098312，US2004016295，CA2138134等讲述了对井下温度以及各种物性参数测量的方法，但是其人工操作复杂，费时费力。本发明提出使用自动控制设备根据计米器测出的测温点高度来控制电动绞盘，进而控制热电偶的上下井，实现热电偶测温的自动化，可以实时得出井下温度梯度变化，提高了工作效率以及整个系统的工作稳定性。本发明还可以在测温井持续工作的过程中进行温度的检测，不影响整个管路的正常工作，具有很好的密封性能，阀门的设置还可以在密封的前提下保证维修的正常进行。圆形或者椭圆形密封舱的设置保证了整个测温系统可以在较高的压力下进行工作。

本发明的热电偶可以自由升降，放下和取出，从而用一个单点的铠装热电偶实现了不同深度温度场的测量，同时该装置解决了热电偶的在线更换与维修问题。

本发明的上述的以及附加的目的、特征以及优点将通过以下描述而更为显明。

附图说明

图1是热电偶系统结构简图。

图2是热电偶与补偿导线连接示意图。

图3为测温系统信号传输控制图。

附图标记说明：

1-重锤                 2-工艺流体出口

3-工艺流体进口         4-阀门

5-计米器               6-活动滑轮组

7-检查孔                   8-绞盘密封仓

9-电动绞盘                 10-支撑架

11-接头                    12-外保护套

13-内保护套                14-补偿导线

15-计米器信号发射器        16-热电偶信号发射器

17-自动控制设备            18-显示设备

具体实施方式

如各附图所示，本发明提供一种地下测温系统，该系统包括：热电偶(图2的附图标记11下方的部分)；在所述热电偶的上方的补偿导线14(图2的附图标记11上方的部分)，所述补偿导线14的下端与所述热电偶的上端相连接；在所述热电偶的下方、与所述热电偶的下端相连接、用于引导所述热电偶在测温通道内行进的重锤1；其中，所述热电偶是用热电偶丝、绝缘材料以及金属保护套管三者组合装配后经过拉伸加工而制成的铠装热电偶，该铠装热电偶的长度与所需测量的地下高温层中的最高温度区间的厚度相对应。

如图1所示，在本发明的一种优选方式中，所述热电偶以及与所述热电偶相连接的所述补偿导线14和所述重锤1都布置在密封管道内(如图1左侧所示的倒置“L”形管道)，所述密封管道包括位于地面之下的地下部分以及位于地面的上方的地上部分，所述密封管道的地下部分沿竖直方向布置在地层中；所述密封管道的地上部分与绞盘密封舱8密封地连接，所述补偿导线14的上端卷绕连接在所述绞盘密封舱8中设置的电动绞盘9上。

如图1所示，在本发明的一种优选方式中，所述密封管道的地上部分包括一个沿水平方向布置的水平部分，该水平部分的第一端与所述密封管道的地上部分的其余部分通过弯头密封地连接，该水平部分的第二端与所述绞盘密封舱8密封地连接。

如图1所示，在本发明的一种优选方式中，所述弯头中设有用于测量所述热电偶沿竖直方向的行进距离的计米器5，该计米器5采用定滑轮形式固定在所述弯头的内弯处，所述补偿导线围绕所述计米器5的外缘从位于所述密封管道的地下部分中的竖直方向改变为位于所述密封管道的地上部分的水平部分中的水平方向。

如图1所示，在本发明的一种优选方式中，所述密封管道的地上部分的水平部分中设有活动滑轮组6，该活动滑轮组6至少包括一个定滑轮以及一个动滑轮，所述定滑轮固定在所述水平部分中，所述动滑轮设置为能够沿着所述水平部分的长度方向移动，所述定滑轮和所述动滑轮之间具有高度差；在所述密封管道的地上部分的水平部分中，所述补偿导线绕过所述定滑轮的一个表面并绕过与所述定滑轮的所述表面相对的所述动滑轮的一个相对表面，以之字形路线布置。

在图1示出的滑轮组6中，左侧的一个滑轮为定滑轮，而右侧的一个滑轮为动滑轮。这样的布置为一种优选布置方式。然而，也可以根据实际环境的需要将这种顺序进行调换，或者增加另外的滑轮。

如图1所示，在本发明的一种优选方式中，所述密封管道的地上部分中设有阀门4，所述阀门4能够使得在所述阀门的下方的密封管道的空间与在所述阀门上方的密封管道的空间相互隔绝。

在本发明的一种优选方式中，所述密封管道的侧壁上在竖向的不同高度上设有用于工艺流体进出的进口3和出口2；所述阀门4设置在所述进口3和出口2的上方，所述阀门4能够使得在所述阀门4的下方的密封管道的空间与在所述阀门上方的密封管道的空间相互隔绝。

在本发明的一种优选方式中，所述阀门4为蝶阀、球阀或闸阀，所述重锤1、所述热电偶以及所述补偿导线均能通过所述蝶阀或球阀或闸阀的阀芯中的通孔。可以通过阀门4实现绞盘密封舱8和测温井之间的隔绝。即，在需要测温时把阀门4打开，通过阀门4的通孔，把热电偶放到井下去测温；而在不需要测温或者测温的装置对工艺等方面操作有影响时，可以把测温的热电偶线从阀门4的通孔中拉上来，再把阀门4关上，使井内部气体与绞盘密封舱相隔绝，这样，可以在影响测温井内的工艺操作的条件下，对密封舱内进行有害气体置换后，对绞盘密封舱8内的设备进行检修。

在本发明的一种优选方式中，所述绞盘密封舱8的下部设有用于支承所述绞盘密封舱的支撑架10，并且上部设有用于检修维护所述绞盘密封舱8的内部的检查孔7，所述绞盘密封舱8还设置有能够正反向驱动所述电动绞盘9的电动机(未示出)。所述电动机用于双向驱动所述电动绞盘9，使之将热电偶及其补偿导线放下或拉出测温井。

如图2所示，在本发明的一种优选方式中，所述补偿导线14的外周包覆有内保护套13，该内保护套13由具有耐高温、隔热和承重性能的双层耐高温金属网制成；所述双层耐高温金属网的内保护套13的外周包覆有以防水、防腐蚀和耐受高温的金属制成的外保护套12；所述补偿导线14经由所述内保护套13而与所述热电偶相连。

所述双层耐高温金属网内保护套13与所述热电偶的连接方式可以是陶瓷接头连接、螺纹配合连接、焊接或上述各种连接方式的各种组合。在图2示出的示例中，所述连接为接头11。该接头11将补偿导线14与热电偶部分连接起来。该接头11可以简单地采用焊接方式，也可以采用上端螺纹连接、下端焊接的组合连接方式，还可以采用上端焊接、下端螺纹连接的组合连接方式。另外，可以单独选用陶瓷接头连接，或将陶瓷接头连接与上述各种方式加以组合。

在本发明的一种优选方式中，所述地下测温系统还包括自动控制设备17，所述计米器5的信号发射器15和所述热电偶的信号发射器16以无线传输方式与所述自动控制设备17相连，从而向所述自动控制设备17输入实测温度和距离等信息，所述自动控制设备17外接有显示设备18以供操作人员实时检测各种信息，并且所述自动控制设备17能够根据从所述计米器5和/或所述热电偶所输入的信息，对所述电动绞盘9的旋转方向和速度进行自动控制，从而对热电偶的升降方向和移动速度进行自动控制。另外，操作人员也可以根据显示设备18所显示的信息，在所述自动控制设备17的平台上实施人为干预的控制。

在本发明的一种优选方式中，所述重锤1在竖向上具有流线型外形并且其横截面大致为圆形，所述圆形的直径在40mm～150mm之间，长度≤500mm，重量在2.5～15kg之间，材质为不锈钢，所述重锤具有光滑的外表面。上述设计使得由重锤1所引导的热电偶测温组件在测温井中的上下移动更为顺畅自如。

在本发明的一种优选方式中，在所述铠装热电偶中，采用镍铬镍硅或者铂铑合金作为热电偶丝的材料，采用3039或3044等高温合金钢或者304、316、321不锈钢作为所述金属保护套管的材料；所述补偿导线14采用与所述热电偶丝具有相同电子密度的材料，该材料的主要成分为铜镍合金。

在本发明的一种优选方式中，所述热电偶丝的直径为2mm至12mm，在条件允许的环境下，优选较小的直径；根据所应用的测温条件或应用环境(例如，所需测量监控的高温区段的总厚度)，所述热电偶丝的长度在20m至200m的范围内选择；所述补偿导线的直径为4mm至6mm，在条件允许的环境下，优选较小的直径；根据所应用的测温条件或应用环境(例如，所需测量监控的高温区段的埋藏深度)，所述补偿导线的长度在50m至5000m的范围内选择。

在本发明的一种优选方式中，所述绞盘密封舱8为耐高压密封容器，其横截面为圆形或椭圆形，能够耐压高至8MPa；所述密封管道也能够耐压高至8MPa。如此，可以广泛地适用于多种工艺条件和使用环境。

本发明的地下测温系统可以适用于石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采或地热开采用途中的地下测温。

本发明还相应地提供一种采用上述地下测温系统来进行地下测温的方法，该方法包括如下步骤：

a)根据地质勘探所获得的矿藏厚度数据及矿藏埋藏深度数据，相应地确定所述热电偶的长度以及所述补偿导线的长度，并根据所确定的长度制造所述热电偶和所述补偿导线并将它们相互连接；

b)将所述热电偶和所述补偿导线的主体部分布置在所述绞盘密封舱中；

c)使所述热电偶的前端以及所述重锤绕过在所述密封管道的地上部分的水平部分中设置的所述滑轮组、并经过所述计米器转向而向下通过所述阀门的通孔，进而向下伸入所述密封管道的地下部分；

d)用电动机驱动所述电动绞盘，使得所述热电偶、所述补偿导线和所述重锤在所述密封管道的地下部分以及所述测温通道中沿竖直方向上下行进；以及

e)用所述热电偶和所述补偿导线对地下目标温度区间进行温度测量，并将温度测量信号以无线传输方式发送到所述自动控制设备。

在上述方法的一种优选方式中，还包括如下步骤：

f)用所述计米器对所述热电偶的行进距离进行测量，并将距离测量信号以无线传输方式发送到所述自动控制设备。

在上述方法的一种优选方式中，还包括如下步骤：

g)所述自动控制设备通过外接的显示设备输出温度梯度变化图，由所述自动控制设备自动地控制所述电动绞盘的驱动方向和速度。

在上述方法的一种优选方式中，所述无线传输方式为蓝牙通讯方式或红外通讯方式。

所述的测温方法可以用于石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采或地热开采用途中的地下测温。

如附图1所示，把电动绞盘9装入圆形或椭圆形的绞盘密封舱8内，该绞盘密封舱8可以承受地下气化过程中较高的工作压力。电动绞盘9采用自动控制的方式，使用自动控制设备17根据计米器5测出的测温点高度来控制电动绞盘的旋转方向和速度，进而控制热电偶的上下井，实现热电偶测温的自动化，可以实时得出井下温度梯度变化，提高了工作效率以及整个系统的工作稳定性。绞盘密封仓8外设检查孔7使维修更为方便，设支撑架10使整个绞盘系统稳固。出口处安装计米器5，可以实时地测量到具体的高度，记录地下高温段(例如煤炭地下气化层，或曰“地下气化炉”)内的气化温度梯度的变化，还可以把温度测点的高度传输到自动控制设备上，对电动绞盘进行自动控制。活动滑轮组6可以使密封舱内补偿导线14和热电偶有序均匀地盘绕在电动绞盘9上，提高整个系统的机械稳定性。阀门4设在进口3和出口2的上方，可以在维修的时候有效地隔离有害气体，避免了由于有害气体泄露造成的各种安全威胁。利用光滑有弧形外轮廓的重锤1导引热电偶丝，可以使得热电偶丝能够灵活顺畅地上下井，弧形外轮廓的设计有效避免了热电偶丝在下放过程中被井中的障碍物卡住。

如附图2所示，铠装的热电偶丝与耐高温的补偿导线14通过接头11相连，有效地减少了信号损失，提高了工作效率，同时也简化了热电偶的制作工序，节省了成本，提高了测温系统的经济效益。采用耐高温金属外保护套12和双层耐高温金属网内保护套13可以有效地保证热电偶补偿导线的耐高温性能和机械强度，保证热电偶丝温度的稳定性和准确度，同时也保证了测温系统的机械稳定性。

如图3所示，计米器5的信号发射器15和热电偶组件的信号发射器16将温度测点的高度和在这一高度的温度进行测量后将数据以无线传输方式传输到自动控制设备17，然后自动控制设备17把温度和高度数据按照梯度变化情况采用无线传输方式传输到显示设备18，由工作人员根据温度梯度变化情况对自动控制设备17进行操作，通过自动控制设备17控制电动绞盘9的上下，来实现对井下温度梯度的自动测量。本发明应用的无线传输方式解决了密封舱8内的补偿导线14和外部显示设备之间的连接问题。

本发明的关键点和有益效果

(1)绞盘密封舱8采用圆形或椭圆形密封装置，可以起到耐压的作用，同时可以在测温井运行过程中对井内的温度梯度进行实时的测量。

(2)计米器5可以实时地测量到具体的高度，以便于得到井内的高度，还可以输出井下高度数据到自动控制设备17。

(3)活动滑轮组6可以使热电偶丝均匀缠绕，正常上下，不易出现机械故障。

(4)阀门4设在工艺流体进口3和工艺流体出口2的上方，可以在维修的同时有效隔绝井内有害气体，避免了由于有害气体泄露造成的各种安全威胁。

(5)利用光滑有弧形外轮廓的重锤1导引热电偶丝，实现热电偶丝上下井的灵活，有效避免了热电偶丝在下放过程中被井中的障碍物卡住。

(6)通过对计米器5和温度信号的处理，采用自动控制设备17对电动绞盘9进行控制，进而控制热电偶的上下井，实现了热电偶井下测温的自动化，提高了工作效率以及整个系统的工作稳定性。

(7)通过电动绞盘9控制热电偶的上下井，不仅提高了测温过程的自动化效率，节省大量人力物力，而且可以节省热电偶的摆放空间，降低热电偶摆放对环境的要求，有效保护热电偶。

(8)结合地下气化温度梯度的变化，采用高温段、中温段、低温段结合的方式制作热电偶及补偿导线，在满足绞盘使用过程中所要求的柔韧性前提下节省了成本，提高了测温系统的经济效益，有效地节约经济成本。

(9)采用以铠装热电偶丝与耐高温的补偿导线14相连并与地上的绞盘9相连，可以在使用过程中对整套系统进行有效密封，避免了由于煤气泄露造成的各种安全威胁。

(10)应用无线传输方式，解决绞盘密封舱8内的补偿导线14和外部的自动控制设备及其显示仪表间的连接问题。

Claims (24)

1.一种地下测温系统，该系统包括：

热电偶；

在所述热电偶的上方的补偿导线，所述补偿导线的下端与所述热电偶的上端相连接；

在所述热电偶的下方、与所述热电偶的下端相连接、用于引导所述热电偶在测温通道内行进的重锤；

其中，所述热电偶是用热电偶丝、绝缘材料以及金属保护套管三者组合装配后经过拉伸加工而制成的铠装热电偶，该铠装热电偶的长度与所需测量的地下高温层中的最高温度区间的厚度相对应。

2.如权利要求1所述的地下测温系统，其特征在于：

所述热电偶以及与所述热电偶相连接的所述补偿导线和所述重锤都布置在密封管道内，所述密封管道包括位于地面之下的地下部分以及位于地面的上方的地上部分，所述密封管道的地下部分沿竖直方向布置在地层中；

所述密封管道的地上部分与绞盘密封舱密封地连接，所述补偿导线的上端卷绕连接在所述绞盘密封舱中设置的电动绞盘上。

3.如权利要求2所述的地下测温系统，其特征在于：

所述密封管道的地上部分包括一个沿水平方向布置的水平部分，该水平部分的第一端与所述密封管道的地上部分的其余部分通过弯头密封地连接，该水平部分的第二端与所述绞盘密封舱密封地连接。

4.如权利要求3所述的地下测温系统，其特征在于：

所述弯头中设有用于测量所述热电偶沿竖直方向的行进距离的计米器，该计米器采用定滑轮形式固定在所述弯头的内弯处，所述补偿导线围绕所述计米器的外缘从位于所述密封管道的地下部分中的竖直方向改变为位于所述密封管道的地上部分的水平部分中的水平方向。

5.如权利要求3或4所述的地下测温系统，其特征在于：

所述密封管道的地上部分的水平部分中设有活动滑轮组，该活动滑轮组至少包括一个定滑轮以及一个动滑轮，所述定滑轮固定在所述水平部分中，所述动滑轮设置为能够沿着所述水平部分的长度方向移动，所述定滑轮和所述动滑轮之间具有高度差；

在所述密封管道的地上部分的水平部分中，所述补偿导线绕过所述定滑轮的一个表面并绕过与所述定滑轮的所述表面相对的所述动滑轮的一个相对表面，以之字形路线布置。

6.如权利要求2～4任一项所述的地下测温系统，其特征在于：

所述密封管道的地上部分中设有阀门，所述阀门能够使得在所述阀门的下方的密封管道的空间与在所述阀门上方的密封管道的空间相互隔绝。

7.如权利要求6所述的地下测温系统，其特征在于：

所述阀门为蝶阀、球阀或闸阀，所述阀门的阀芯中间位设有通孔，所述重锤、所述热电偶以及所述补偿导线均能通过所述蝶阀、球阀或闸阀的阀芯中的通孔。

8.如权利要求5所述的地下测温系统，其特征在于：

所述密封管道的侧壁上在竖向的不同高度上设有用于工艺流体进出的进口和出口；

所述密封管道的地上部分中设有阀门，所述阀门设置在所述进口和出口的上方，所述阀门能够使得在所述阀门的下方的密封管道的空间与在所述阀门上方的密封管道的空间相互隔绝。

9.如权利要求8所述的地下测温系统，其特征在于：

所述阀门为蝶阀、球阀或闸阀，所述阀门的阀芯中间位设有通孔，所述重锤、所述热电偶以及所述补偿导线均能通过所述蝶阀、球阀或闸阀的阀芯中的通孔。

10.如权利要求2～4任一项所述的地下测温系统，其特征在于：

所述绞盘密封舱的下部设有用于支承所述绞盘密封舱的支架，并且上部设有用于检修维护所述绞盘密封舱的内部的检查孔，所述绞盘密封舱还设置有能够正反向驱动所述电动绞盘的电动机。

11.如权利要求1～4任一项所述的地下测温系统，其特征在于：

所述补偿导线的外周包覆有内保护套，该内保护套由具有耐高温、隔热和承重性能的双层耐高温金属网制成；

所述双层耐高温金属网内保护套的外周包覆有以防水、防腐蚀和耐受高温的金属制成的外保护套；

所述补偿导线经由所述内保护套而与所述热电偶相连。

12.如权利要求11所述的地下测温系统，其特征在于：

所述双层耐高温金属网内保护套与所述热电偶的连接方式是陶瓷接头连接、螺纹配合连接、焊接或上述各种连接方式的各种组合。

13.如权利要求4所述的地下测温系统，其特征在于：

所述地下测温系统还包括自动控制设备，所述计米器和所述热电偶以无线传输方式与所述自动控制设备相连从而向其输入信息，所述自动控制设备外接有显示设备，并且根据从所述计米器和/或所述热电偶所输入的信息，对所述电动绞盘的旋转方向和速度进行自动控制，从而对热电偶的升降方向和移动速度进行自动控制。

14.如权利要求1～4任一项所述的地下测温系统，其特征在于：

所述重锤在竖向上具有流线型外形并且其横截面大致为圆形，所述圆形的直径在40mm～150mm之间，长度≤500mm，重量在5～15kg之间，材质为不锈钢，所述重锤具有光滑的外表面。

15.如权利要求1～4任一项所述的地下测温系统，其特征在于：

在所述铠装热电偶中，采用镍铬镍硅或者铂铑合金作为热电偶丝的材料，采用3039或3044高温合金钢或者304、316、321不锈钢作为所述金属保护套管的材料；

所述补偿导线采用与所述热电偶丝具有相同电子密度的材料，该材料的主要成分为铜镍合金。

16.如权利要求15所述的地下测温系统，其特征在于：

所述热电偶丝的直径为2mm至12mm，根据所应用的测温条件，所述热电偶丝的长度在20m至200m的范围内选择。

17.如权利要求15所述的地下测温系统，其特征在于：

所述补偿导线的直径为4mm至6mm，根据所应用的测温条件，所述补偿导线的长度在50m至5000m的范围内选择。

18.如权利要求2～4任一项所述的地下测温系统，其特征在于：

所述绞盘密封舱为耐高压密封容器，其横截面为圆形或椭圆形，能够耐压高至8MPa；

所述密封管道能够耐压高至8MPa。

19.如权利要求1～18任一项所述的地下测温系统，用于石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采或地热开采用途中的地下测温。

20.一种采用如权利要求1-18中的任一项所述的地下测温系统来进行地下测温的方法，包括如下步骤：

a)根据地质勘探所获得的矿藏厚度数据及矿藏埋藏深度数据，相应地确定所述热电偶的长度以及所述补偿导线的长度，并根据所确定的长度制造所述热电偶和所述补偿导线并将它们相互连接；

b)将所述热电偶和所述补偿导线的主体部分布置在所述绞盘密封舱中；

c)使所述热电偶的前端以及所述重锤绕过在所述密封管道的地上部分的水平部分中设置的所述滑轮组、并经过所述计米器转向而向下通过所述阀门的通孔，进而向下伸入所述密封管道的地下部分；

d)用电动机驱动所述电动绞盘，使得所述热电偶、所述补偿导线和所述重锤在所述密封管道的地下部分以及所述测温通道中沿竖直方向上下行进；以及

e)用所述热电偶和所述补偿导线对地下目标温度区间进行温度测量，并将温度测量信号以无线传输方式发送到所述自动控制设备。

21.如权利要求20所述的测温方法，还包括如下步骤：

f)用所述计米器对所述热电偶的行进距离进行测量，并将距离测量信号以无线传输方式发送到所述自动控制设备。

22.如权利要求21所述的测温方法，还包括如下步骤：

g)所述自动控制设备通过外接的显示设备输出温度梯度变化图，由所述自动控制设备自动地控制所述电动绞盘的驱动方向和速度。

23.如权利要求20或21所述的测温方法，其中所述无线传输方式为蓝牙通讯方式或红外通讯方式。

24.如权利要求20-23任一项所述的测温方法，用于石油钻井、煤炭地下气化、煤层气开采或地热开采用途中的地下测温。

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