CN110646065A - 一种盐穴储气库的气液界面测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种盐穴储气库的气液界面测量装置，包括：中心管、伞形浮标、激光测距模块；所述中心管竖直插入所述盐穴储气库，用于排出所述卤水；所述伞形浮标设置在中心管上，当伞形浮标未接触到卤水液面时，呈自然下垂状态；当伞形浮标接触到卤水液面时，所述伞形浮标自然张开漂浮在卤水液面上；所述激光测距模块安装在中心管上，用于向所述伞形浮标发射激光，并接收从伞形浮标反射的激光信号，以通过发射和接收的激光信号确定激光测距模块距离所述伞形浮标的距离，以确定所述气液界面的深度。本发明可以实现实时连续地对气液界面深度的连续测量。

Description

一种盐穴储气库的气液界面测量装置

技术领域

本发明涉及盐穴储气库技术领域，更具体地，涉及一种盐穴储气库的气液界面测量装置。

背景技术

盐穴储气库是通过注入淡水的方式将盐矿作为溶腔储气的方式建造，其过程为：通过钻井向下打入中心管、中间管、套管等管道；通过注入淡水的方法进行溶解，由排水管排出卤水，并由注水管与套管之间的空隙注入隔离液避免顶部溶解；在上述期间不断根据卤水盐度等技术参数调整参数，控制地下腔穴的几何形状和体积，最终得到符合设计要求的储气库。在其建造和使用过程中，必须控制并调节气液界面高度来控制溶腔顶板形状，如控制不当，会使盐穴顶部溶解，破坏其几何形状，削弱其保持压力的能力。同时，在储气库建成后投入使用后，要求严格密封，会在中心管上使用永久封隔器，这使原来在建造过程中能使用的有线测量方法无法使用，同时井下的环境条件更为严苛，上述条件使得现有测量方法及装置很难满足要求。

目前，在气液界面的测量过程中存在的问题有：

1)在中国专利CN201711050272.2《盐穴储气库的气液界面深度的测量方法及装置》中涉及到了一种盐穴储气库的液位测量方法及装置，其使用传感器及电缆实现了对气液深度界面的实时连续和大范围监测，但是由于有线电缆无法通过永久封隔器导致该方法仅适用于储气库建造时期无永久封隔器环境下的气液界面距离测量，且其使用的基于无线通信装置三点法测距方法由于其传感器分别处于气体、液体、气液界面三种井下特殊环境，信号传输受到干扰较大，精度会受到较大影响。

2)由于建成后使用的过程中，中心管等管道是采用以10m一段的管道连续向下伸入安装的方法安装，其中为了使在管道向下延伸的过程中使腔体保持密闭性使用永久封隔装置，因此激光测距装置的设计存在较大的局限性。即当其为了能向下运输且通过永久封隔装置而体积设计较小时，其激光发射会受到中心管连接处的丝扣等凸起部分干扰，极大影响光路的完整性和测量的准确性；而当其体积设计较大时，其又难以实现沿管道向下运输及正常的安装使用。

3)在使用激光测距装置的井下方案中，在未使用浮标的情况下，直接使用激光照射气液界面，由于气液界面存在波动、油水混合浓度不稳定等因素导致气液界面激光反射情况过于复杂；而使用浮标进行测量，若采取沿水流将浮标送入腔内的方法则存在浮标位置难以固定，难以回收等问题；若采取将浮标固定在管道上，又存在管道向下安装无法通过永久封隔器的问题。

4)在一般的使用相位法测距的激光测距方案中，由于相位法是在信号处理后通过反三角函数计算得到相位差

来得到测量距离和反三角函数的函数特性，导致测距仅在某段距离上能保持较高的精度，而无法在设计好的整段量程上维持较好的精度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决建造过程中以及投入使用后的盐穴储气库中无法对盐穴气液界面深度进行准确测量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种盐穴储气库的气液界面测量装置，所述盐穴储气库位于地下，通过向地下注入卤水的方式成型，再通过排出卤水的方式空出空间以存储气体；包括：中心管、伞形浮标、激光测距模块；

所述中心管竖直插入所述盐穴储气库，用于排出所述卤水；

所述伞形浮标设置在中心管上，当伞形浮标未接触到卤水液面时，呈自然下垂状态；当伞形浮标接触到卤水液面时，所述伞形浮标自然张开漂浮在卤水液面上；

所述激光测距模块安装在中心管上，用于向所述伞形浮标发射激光，并接收从伞形浮标反射的激光信号，以通过发射和接收的激光信号确定激光测距模块距离所述伞形浮标的距离，以确定所述气液界面的深度。

具体地，伞形浮标上涂有反射性能较好的材料。

可选地，该装置还包括：永久封隔器，所述永久封隔器置于所述盐穴储气库的封口处，用于对所述盐穴储气库进行密封。

可选地，所述激光测距模块中的激光发射和接收单元可呈闭合和向外伸出两种状态；所述激光测距模块在置于所述中心管向盐穴储气库运输的过程中，当经过所述永久封隔器时，所述激光测距模块呈闭合状态，当进入所述盐穴储气库的腔体内时，所述激光测距模块呈向外伸出状态，以向所述伞形浮标发射和接收激光信号。

可选地，该装置还包括：卡槽；

所述卡槽安装在中心管各节管道连接处，用于限制伞形浮标的上下位置。

可选地，所述卡槽和伞形浮标均为多组；其数量与安装完成的中心管所用的管道的段数相同。

可选地，所述激光测距模块也为多个，沿着圆周环形安装在所述中心管的同一高度，每个激光测距模块皆测量其距离其所对应的伞形浮标之间的距离；

每个激光测距模块使用的光波波长也均不同，由于不同频率的色光在使用相位法测距时对不同距离的灵敏程度不同，因此使用多个激光测距模块协同工作从而提高测距的灵敏度。

可选地，所述永久封隔器包括两个阀门组成的一段缓冲区域，当上方有中心管向下运送时，上侧阀门打开、下侧阀门保持密闭状态，使被运输的中心管进入缓冲区域，然后关闭上方阀门，打开下方阀门，待中心管被运输离开缓冲区域后下方阀门关闭，以实现对盐穴储气库的密封。

可选地，激光测距模块通过发射和接收的激光信号之间的相位差确定激光测距模块距离所述伞形浮标的距离H：

式中，c为光波在空气中的传播速度；λ为激光信号的波长；N为正整数，表示激光信号波长的整数倍；

为发射和接收的激光信号之间的相位差。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种盐穴储气库的气液界面测量装置，该发明使用一种安装在中心管上的伞形的浮标，浮标朝向激光测距装置的一侧使用反射激光性能较好的材料，中心管从浮标中间穿过，同时浮标在未接触液面时呈自然下垂状，在接触液面时凭借自身浮力漂浮在气液界面上，该设计解决了一般使用的浮标在井下位置难以固定的问题同时又能使其在自然下垂状态满足管道尺寸要求顺利向下运输并通过永久封隔器。

本发明提供一种盐穴储气库的气液界面测量装置，由于盐穴中气液界面为卤水与油等液体混合且气液界面会存在较大波动，该发明使用了包含反射激光性能较好的材料的反射面的浮标解决了一般的激光测距装置直接测取液面时由于较大的气液界面反射误差而带来的影响导致难以获得准确读数的问题，极大地减小了误差。

本发明提供一种盐穴储气库的气液界面测量装置，该发明的激光测距装置通过机械设计从而具有闭合和向外伸出两种状态，使该装置既能在闭合状态下满足套管部分尺寸限制正常安装在管道上向下运输并通过永久封隔器，同时能在向外伸出状态下使激光发射的光路避开管道上安装的浮标及管道连接处的丝扣等凸起，使装置能正常使用及工作。

本发明提供一种盐穴储气库的气液界面测量装置，该发明使用多个激光测距装置使用多种频率的色光同时测量，每个激光测距装置使用一个频率的色光，由于在相位法数据处理时不同频率的光对于不同距离具有不同的灵敏度，因此使用多个具有不同频率色光的模块较好地提升了测距装置对各种测距距离情况的敏感度，确保了数据的可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的盐穴储气库的气液界面深度的测量方法的流程图；

图2是本发明提供的盐穴储气库的气液界面深度的测量装置的结构示意图；

图3是本发明提供的盐穴储气库的气液界面深度的测量方法的激光测距装置，(A)为运输过程示意图，(B)为使用过程示意图；

图4是本发明提供的盐穴储气库的气液界面深度的测量过程中与卤水接触和不与卤水接触的浮标与激光光路的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1、激光测距模块；2、浮标；3、用于限制浮标的卡槽；4、外部主机；5、储存的气体；6、气液表面；7、卤水；8、盐穴储气库；9、中间管；10、地表；11、气体注采口；12、卤水注采口；13、无线传输模块地面接收装置；14、永久封隔器；15、中心管；16、井下无线传输模块；17、激光测距模块中的激光发射装置及接收装置；18、激光。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明主要解决的技术问题是提供一种盐穴储气库的气液界面测量装置，解决了现有技术在储气库建造及使用过程中难以对气液界面的液位深度进行实时连续测量的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种盐穴储气库的气液界面测量方案及其装置，包括：

装置由激光发射装置，激光接收装置和浮标组成，用于盐穴储气库的液位距离测量；

激光发射装置与激光接收装置组合而成的激光测距装置安装在储气库的中心管上；

用于测量液面距离的伞形浮标安装于中心管上，且在测距装置下方，用于反射激光进行测距；

进一步地，将伞形可滑动的浮标置于中心管上，具体包括：

将所述伞形浮标固定在中心管上，并在每段管道两端设置圆形凸起使其仅可沿着对应的那一段中心管滑动；

浮标基于自身浮力飘浮在气液表面上；

浮标表面为反射激光性能较好的材料。

进一步地，所属的激光测距装置放置在中心管上，具体包括：

测距装置包括激光发射装置、接收装置以及通讯装置；

测距装置在中心管与中间管中向下运输时处于闭合状态，呈长方体形状；

测距装置进入腔体后，呈张开状态，即激光发射装置与接收装置向外伸出；

处于张开状态时，发射装置与接收装置与中心管呈平行关系；

进一步地，所用激光测距装置数量为n个，分别产生n种不同频率的色光，并均匀分布在中心管同一高度上协同工作；

n一般为3-5，其与具体环境与测量所需精度要求相关。

激光测距装置使用相位法测距；

在完成测量任务后，激光测距装置使用与其一同连接在中心管上的无线传输模块向地面接收装置发送信号，再由地面装置将信号向主机传输。

本发明的有益效果是：本发明可以实时连续测量气液界面的深度H，并且能有效地减小误差。其中，本发明所测量的气液界面的深度指的是气液界面距离激光测距装置之间的距离。

请参阅图1，图2，图3和图4，本发明实施例包括：

一种盐穴储气库气液界面深度的测量装置，解决在现有技术下对于建造过程中以及投入使用后的盐穴储气库中无法对盐穴气液界面深度进行准确测量的技术问题。

为解决上述问题，总体思路如下：

现将伞形浮标安装在中心管上；再将激光测距装置运送到腔内预设位置，装置打开，实时测量其与在液面作用下张开的伞形浮标之间的距离H，并通过通信装置将信号传导到外部接收装置。

为了更好地说明上述技术内容，下面将结合附图以及具体实施方式对上述技术方案进行更为详细的说明。

参见图1，本发明提供的盐穴储气库的气液界面深度测量方法，包括：

步骤S1：将浮标安装在中心管上向下运输完成安装；

对本步骤进行说明：

将伞形浮标2安装在中心管15的管道上；

参见图4，伞形浮标2在未于液面接触时自然下垂的设计使其能在中心管15与中间管9之间运输，同时该设计也能通过永久封隔器14，故能实现向下运送安装；

当浮标2未接触液面时，其处于自然下垂状态；

当浮标2接触气液表面时，其由于浮力的作用漂浮在液体表面。

步骤S2：将激光测距模块安装在中心管上并运送到腔体顶部预设好的位置；

参见图3中(A)中激光测距装置1的结构，激光测距装置1在中间管9与中心管15之间时呈闭合状态，形状为长方体，从而可以通过永久封隔器进入腔体内部；

参见图3中(B)，进入腔内后，测距装置1打开，激光发生器与接收器17与中心管15间隔一定距离保持平行，避免受到中心管15本身连接处的凸起和未与液面接触呈自然下垂状态的浮标2的影响。其中图A表示激光测距模块1在套管部分向下运送中的状态；图1中(B)表示激光测距模块1进入腔体内工作时的状态。

步骤S3：外部信号发送测量指令，测距模块进行测距；

对本步骤进行说明：

在开始测量时，五个测量装置会协同工作发出五种不同频率的色光，由于五种光在利用相位差法进行处理时，对于不同距离的精确度不同，因此能保证液位在大范围内变化时精确度仍能得到保障。

步骤S4：通过通讯装置向地面主机发送测距模块测的距离H；

对本步骤进行说明：

井下部分测得数据后，在无线通讯装置16中会产生变化的电流，通过属性为良导体的大地在地面接收装置13中产生变化的电流。地面主机4通过测量接收装置两端电压实现通信功能。

这里需要说明的是，激光测距装置与地面的距离是已知的，在整个测距过程中都是以测得的距离H作为气液界面深度判断的依据。

参见图2，对永久封隔器14进行进一步说明：

永久封隔器是在盐穴建造工作完成后安装在图示位置，其用于对盐穴进行密封；

本发明的测量方案及其装置无论是否有永久封隔器14均可正常工作；

永久封隔器14原理是由两个阀门组成的一段缓冲区域，当上方有物品向下运送时，上侧阀门打开下侧阀门保持密闭状态，使被运输物件进入缓冲区域，然后关闭上方阀门，打开下方阀门，待物件运输离开缓冲区后下方阀门关闭；

参见图4，对激光测距装置进行进一步说明：

激光发射器及激光接收器部分17，在收到测量指令后向下发射激光18；

激光遇到处于张开状态下的浮标向上反射，被接收器接受；

通过检测发射信号与接收信号之间的相位差进行测距；

在此需要说明的是，相位差法原理为：

其中

即

式中：H为激光发射点和激光反射点之间的待测距离；c为光波在空气中的传播速度；λ为调制信号的波长；f为调制信号的频率；N为正整数，表示调制信号波长的整数倍；

为调制信号经过H距离产生的相位差；

为不足一个周期的相位差。

在此需要说明的是，使用相位法时，需根据实际需要测量的距离的变化范围，合理地调制频率，使N等于0。

在此需要说明的是，如图3可见，激光发射器与接收装置4与中心管间隔了一定距离，这样避免了光路被处于下垂状态的浮标所影响；

在此需要说明的是，五个激光发射器协同工作时发射五种不同频率的色光，从而对不同深度的液位有不同程度的测量灵敏度。

在此需要说明的是，在上面提到的相位法中，在处理得到的波形时以得到

时，是处理原有波形即对进行数学处理从而得到

而函数cosx在使用反三角函数求解时x在不同相位时误差灵敏度均不同。因此使用多种频率光进行测量从而达到在不同距离均能保证数据误差不会过大。

光路在图2及图4中已用虚线给出。

参见图2，通过本发明实例提供的装置对气液界面深度进行测量的步骤如下：

1、仪器地面安装：在地面完成接收装置13与主机4的连接，将浮标安装在的管道上，将激光测距装置安装在管道上，可进行初步测试，观察主机是否能正常获取信号。

2、仪器下井：将安装好浮标的管道开始下入安装作业，依次通过永久封隔器(若处于建造过程中则无此步)，再将安装好测距模块的管道下入井下。

3、数据记录：记录激光测距模块1其所在管道的具体位置，记录其与地面之间的距离。

4、开始测距：启动仪器，主机4发布测距指令，激光测距装置1发射激光并接受由浮标反射回的激光，通过相位法获得距离H，并通过通信装置将信号传递到主机4。

5、探测结束：当该阶段探测结束时，完成所需测距任务后关闭主机4，向上回收激光测距装置，以便进行下一次测量。

本发明提供的盐穴储气库的气液界面测量装置，可同时用于盐穴储气库建造时期和使用时期，用途广泛。该发明解决了使用永久封隔器后不再允许测量装置使用有线装置的问题。同时，也实现了装置的可回收，提升经济效益。由于盐穴中为无光环境，使用激光测距模块无外部光源干扰，同时使用带有反射性能良好的浮标，避免了光路液面反射问题，从而保障了测量数据的准确性和可靠性。同时使用多种色光同时测量，确保了数据的可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种盐穴储气库的气液界面测量装置，所述盐穴储气库位于地下，通过向地下注入卤水的方式成型，再通过排出卤水的方式空出空间以存储气体；其特征在于，包括：中心管、伞形浮标、激光测距模块；

所述中心管竖直插入所述盐穴储气库，用于排出所述卤水；

所述伞形浮标设置在中心管上，当伞形浮标未接触到卤水液面时，呈自然下垂状态；当伞形浮标接触到卤水液面时，所述伞形浮标自然张开漂浮在卤水液面上；

所述激光测距模块安装在中心管上，用于向所述伞形浮标发射激光，并接收从伞形浮标反射的激光信号，以通过发射和接收的激光信号确定激光测距模块距离所述伞形浮标的距离，以确定所述气液界面的深度。

2.根据权利要求1所述的气液界面测量装置，其特征在于，还包括：永久封隔器，所述永久封隔器置于所述盐穴储气库的封口处，用于对所述盐穴储气库进行密封。

3.根据权利要求2所述的气液界面测量装置，其特征在于，所述激光测距模块中的激光发射和接收单元可呈闭合和向外伸出两种状态；所述激光测距模块在置于所述中心管向盐穴储气库运输的过程中，当经过所述永久封隔器时，所述激光测距模块呈闭合状态，当进入所述盐穴储气库的腔体内时，所述激光测距模块呈向外伸出状态，以向所述伞形浮标发射和接收激光信号。

4.根据权利要求1所述的气液界面测量装置，其特征在于，还包括：卡槽；

所述卡槽安装在中心管各节管道连接处，用于限制伞形浮标的上下位置。

5.根据权利要求4所述的气液界面测量装置，其特征在于，所述卡槽和伞形浮标均为多组；其数量与安装完成的中心管所用的管道的段数相同。

6.根据权利要求1所述的气液界面测量装置，其特征在于，所述激光测距模块也为多个，沿着圆周环形安装在所述中心管的同一高度，每个激光测距模块皆测量其距离其所对应的伞形浮标之间的距离；

每个激光测距模块使用的光波波长也均不同，由于不同频率的色光在使用相位法测距时对不同距离的灵敏程度不同，因此使用多个激光测距模块协同工作从而提高测距的灵敏度。

7.根据权利要求2所述的气液界面测量装置，其特征在于，所述永久封隔器包括两个阀门组成的一段缓冲区域，当上方有中心管向下运送时，上侧阀门打开、下侧阀门保持密闭状态，使被运输的中心管进入缓冲区域，然后关闭上方阀门，打开下方阀门，待中心管被运输离开缓冲区域后下方阀门关闭，以实现对盐穴储气库的密封。

8.根据权利要求1至7任一项所述的气液界面测量装置，其特征在于，激光测距模块通过发射和接收的激光信号之间的相位差确定激光测距模块距离所述伞形浮标的距离H：

式中，c为光波在空气中的传播速度；λ为激光信号的波长；N为正整数，表示激光信号波长的整数倍；

为发射和接收的激光信号之间的相位差。

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