CN110703640A - 页岩气开发地下水智能监测系统及方法 - Google Patents

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邹诚诚
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李斌莲
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Abstract

本发明提供一种页岩气开发地下水智能监测系统及方法，包括：地下水监测设备和后台监控设备；地下水监测设备集成有水位传感器、PH值传感器、电导率传感器和矿化度传感器；地下水监测设备用于：采集页岩气开发区域地下水的水位、pH值、电导率和矿化度，并将其传送至后台监控设备；后台监控设备用于：根据历史关键指标参数、历史生产信息、历史地下水水质污染事故信息、地下水的关键指标参数和当前工况信息拟合获得水质污染概率曲线，根据水质污染概率曲线对地下水水质污染情况进行分析。该方案采用的地下水监测设备集成有水位传感器、PH值传感器、电导率传感器和矿化度传感器，解决了现有地下水监测设备参数单一的技术缺陷。

Description

页岩气开发地下水智能监测系统及方法
技术领域
本发明涉及页岩气开发地下水环境因素评价技术领域，特别涉及一种页岩气开发地下水智能监测系统及方法。
背景技术
页岩气是一种以游离态、吸附态或溶解态赋存于暗色富有机质和极低孔隙度渗透率的泥页岩、泥质粉砂岩，以及砂岩夹层系统的孔隙、裂缝和有机质表面中的非常规天然气，具有自生自储、连续聚集的特点。
页岩气的开发主要关注开采中对当地水资源消耗，钻井液、压裂液、返排液、回注液和深层咸卤水等对浅层地下水和地表水的影响。主要体现在四个方面，一是压裂对当地水资源的大量消耗；二是气田水通过油气井套管进入浅层地下水，并进入地表水；三是气田水或深部咸卤水通过通道泄漏后进入浅层地下水，并进入地表水；四是钻井液、返排液等泄漏于地表，然后渗入地下水层，或由降雨形成的地表径流将受污染的土壤一起带入水体。
目前在页岩气工厂化作业模式中，开发区块内井位密集，对浅层地下水、深层地下水的影响呈区域性特征，需特别重视区域性地下水的影响与保护。目前页岩气钻井过程中前期井场建设采用分区防渗系统，对重点区域进行加强防渗以防止各类废液等污染浅层地下水，但防渗区域划分和防渗层设计均基于经验，并无数据支撑和统一规范，防渗效果无法得到保证。
而现有的地下水水位动态监测仪器和地下水质量评价的在线监测仪器主要适用于传统的地下水调查和环境监测，其均以单指标仪器存在，仅适用于单层监测，未能针对页岩气开发区域现场进行有效集成，配套传输仪器不支持多台仪器和其他品牌仪器的接入。
发明内容
本发明实施例提供了一种页岩气开发地下水环境因素评价，解决了现有地下水监测设备参数单一的技术缺陷。
本发明实施例提供的一种页岩气开发地下水智能监测系统包括：
地下水监测设备和后台监控设备；其中，地下水监测设备集成有水位传感器、PH值传感器、电导率传感器和矿化度传感器；
所述地下水监测设备用于：采集页岩气开发区域地下水的关键指标参数，所述关键指标参数包括水位、pH值、电导率和矿化度，将所述关键指标参数传送至所述后台监控设备；
所述后台监控设备用于：根据历史关键指标参数、历史生产信息、历史地下水水质污染事故信息、所述地下水的关键指标参数和当前工况信息拟合获得水质污染概率曲线，根据所述水质污染概率曲线对地下水水质污染情况进行分析。
本发明实施例还提供了一种页岩气开发地下水智能监测方法，包括：
地下水监测设备采集页岩气开发区域地下水的关键指标参数，所述关键指标参数包括水位、pH值、电导率和矿化度，将所述关键指标参数传送至后台监控设备；
后台监控设备根据所述地下水的关键指标参数和当前工况信息拟合获得水质污染概率曲线，根据所述水质污染概率曲线对地下水水质污染情况进行分析；
其中，地下水监测设备集成有水位传感器、PH值传感器、电导率传感器和矿化度传感器。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述方法的计算机程序。
在本发明实施例中，采用集成了水位传感器、PH值传感器、电导率传感器和矿化度传感器的地下水监测设备采集页岩气开发区域地下水的水位、pH值、电导率和矿化度，解决了现有地下水监测设备参数单一的技术缺陷；地下水监测设备将水位、pH值、电导率和矿化度发送至后台监控设备，后台监控设备根据历史关键指标参数、历史生产信息、历史地下水水质污染事故信息、当前的水位、pH值、电导率和矿化度和当前工况信息拟合获得水质污染概率曲线，根据所述水质污染概率曲线对地下水水质污染情况进行分析，与现有只采用单一参数分析地下水水质污染情况相比较，本发明结合地下水的水位、pH值、电导率和矿化度、当前工况信息对地下水水质污染情况进行分析，提高分析质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种页岩气开发地下水智能监测系统示意图；
图2是本发明实施例提供的一种网络传输模块的服务器/客户端设计框图；
图3是本发明实施例提供的一种人工智能分析流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，提供了一种页岩气开发地下水智能监测系统，如图1所示，该系统包括：地下水监测设备和后台监控设备(位于数据监控中心)；其中，地下水监测设备集成有水位传感器、PH值传感器、电导率传感器和矿化度传感器；
所述地下水监测设备用于：采集页岩气开发区域地下水的关键指标参数，所述关键指标参数包括水位、pH值、电导率和矿化度，将所述关键指标参数传送至所述后台监控设备；
所述后台监控设备用于：根据历史关键指标参数、历史生产信息、历史地下水水质污染事故信息、所述地下水的关键指标参数和当前工况信息拟合获得水质污染概率曲线，根据所述水质污染概率曲线对地下水水质污染情况进行分析。
在本发明实施例中，如图1所示，地下水监测设备中还集成有温度传感器，还用于采集页岩气开发区域地下水的温度，根据温度对关键指标参数进行温度补偿。还集成有线性补偿器，用于对关键指标参数进行线性修正。还集成有供电循环器(即采用了微功耗设计，且自带大负荷锂电池组)，用于保障地下水监测设备长时间的无人值守运行，达到低能耗效用。
在本发明实施例中，水位传感器采用的是静压液位的原理。基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件和陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。
PH值传感器采用氢离子玻璃电极与参比电极组成原电池，在玻璃膜与被测溶液中氢离子进行离子交换过程中，通过测量电极之间的电位差，来检测溶液中的氢离子浓度，从而实现地下水PH值的测量。
电导率传感器采用高频交流电测定法，应用欧姆定律测定平行电极间溶液部分的电阻的方法实现电导率的测定，包括电导电极和电子单元。电子单元采用适当频率的交流信号的方法，将信号放大处理后换算成电导率。另外，电导率传感器中可以配有相匹配的温度测量系统、能补偿到标准温度电导率的温度补偿系统、温度系数调节系统以及电导池常数调节系统，以及自动换档功能等。
矿化度传感器采用电磁感应的原理，实现地下水矿化度的快速测量。通过矿化度传感器信号发射端的发射线圈激发交变电流产生原生磁场，该磁场使大地产生微弱的交流感应电流从而导致大地产生次磁场。再根据仪器信号接收端子获得的原生和次生磁场的相对大小关系得到大地表观电导率，它综合反应了大地的磁传导性，当设备有效感应深度达到地下水位以下时大地表观电导率将可以较精确的反映出地下水矿化度信息。
由于各参数监测原理各不相同，避免了各特征指标间的相互干扰，使得地下水监测设备整体具有较高灵敏度，具有较强的指向性。
在本发明实施例中，为保证监测数据的准确，每隔一定时间采用标准浓度液对现场监控设备进行标定。
在本发明实施例中，页岩气开发地下水智能监测系统网络传输设计时兼顾两方面。一方面，尽可能的降低服务器端的运算负荷。由于监测系统是智能系统，需要在中心服务器端(即后台监控设备端)进行人工智能、数据挖掘等分析。因此，服务器端不必要的运算应移到现场端完成。另一方面，保证传输系统整体的安全性，即任意现场端发生故障，均不影响整个传输网络的正常运行。综合考虑，本发明系统应采用客户机(Client)/服务器(Server)架构，简称C/S架构。
如图1所示，该页岩气开发地下水智能监测系统还包括：现场监控设备，分别与地下水监测设备和后台监控设备连，即现场监控设备和后台监控设备采用的是C/S网络架构；
所述地下水监测设备还用于：将所述关键指标参数传送至所述现场监控设备；
所述现场监控设备用于：对所述关键指标参数进行整理(比较简单的汇总、分析、计算)计算，获得整理后的关键指标参数，将整理后的关键指标参数传送至所述后台监控设备。
在本发明实施例中，在本发明系统C/S架构设计时，现场监控设备和后台监控设备之间使用UDP协议(用户数据包协议)作为底层传输协议，使用RTP协议(实时传输协议)进行数据传输，并使用RTCP协议(实时传输控制协议)对数据传输过程的各成员状态进行监视，设置缓存机制，且带有反馈调节功能的实时安全通信网络，以保证数据的实时传输，即将现场端(Client端)数据进行分包打包，存放至客户端缓存区，收到发送指令后将数据发送至监控中心端(Server端)缓存区，等待分包、解包，如图2所示。
具体的，现场监控设备包括第一缓存数据库，用于缓存所述关键指标参数；
所述现场监控设备用于：接收后台监控设备发送的数据发送指令，根据数据发送指令将缓存的关键指标参数发送至后台监控设备；
所述后台监控设备包括第二缓存数据库，用于存储接收的关键指标参数。
在本发明实施例中，如图1所示，还包括：A/D转换器，与所述地下水监测设备、所述现场监控设备连接，用于将模拟化的关键指标参数转换成数字化的关键指标参数，利用现场搭建的局域网，通过串口485通信协议将数字化的关键指标参数传送至所述现场监控设备并显示。
在本发明实施例中，大数据(Big Data)，又被成为巨量资料。其实际的意义是要对海量数据库数据进行人工智能分析，使其对生产过程具有较强的决策力、洞察能力和过程优化能力。页岩气开发地下水智能监测系统引入大数据理论，避免现场端的监测数据误判，并对水质污染事故具有一定的预见性。
后台监控设备采用大数据原理和人工智能理论对数据进行仿真拟合，利用数据挖掘理论寻找数据间的规律，搜索系统智能分析过程所需的有用数据信息(即历史趋势分析)，还可以进行报表统计等。具体的，后台监控设备具体用于：根据历史关键指标参数、历史生产信息、历史地下水水质污染事故信息(即有用信息)、所述地下水的关键指标参数和当前工况信息，模拟仿真大量实验，采用数学模型拟合事故概率曲线(即时间序列模型)，这里的数学模型采用的是集合模态分解的思想，将信号根据频率的不同拆分，然后根据不同频率的信号选择适合的神经网络模型构建时间序列预测。这个系统集成的神经网络模型包括LSTM、小波神经网络、BP神经网络、卷积神经网络等，如图3所示。
除了上述分析之前，在确定了存在水质污染之后，后台监控设备还用于：当根据所述水质污染概率曲线分析地下水水质被污染时，产生报警信号，将所述报警信号发送至所述现场监控设备或工作人员手机上。
在本发明实施例中，所述后台监控设备还包括GIS模块，与第二缓存数据库连接；
所述GIS模块用于：在电子地图上生成关键指标参数和水质污染概率曲线。
在本发明实施例中，现场监控设备中包括视频监控设备，用于监控拍摄生产现场影像，将所述生产现场影像传输至所述后台监控设备；
所述后台监控设备还用于：显示所述生产现场影像。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种页岩气开发地下水智能监测方法，如下面的实施例所述。由于页岩气开发地下水智能监测方法解决问题的原理与页岩气开发地下水智能监测系统相似，因此页岩气开发地下水智能监测方法的实施可以参见页岩气开发地下水智能监测系统的实施，重复之处不再赘述。
该页岩气开发地下水智能监测方法包括：
地下水监测设备采集页岩气开发区域地下水的关键指标参数，所述关键指标参数包括水位、pH值、电导率和矿化度，将所述关键指标参数传送至后台监控设备；
后台监控设备根据历史关键指标参数、历史生产信息、历史地下水水质污染事故信息、所述地下水的关键指标参数和当前工况信息拟合获得水质污染概率曲线，根据所述水质污染概率曲线对地下水水质污染情况进行分析；
其中，地下水监测设备集成有水位传感器、PH值传感器、电导率传感器和矿化度传感器。
还包括：地下水监测设备将所述关键指标参数传送至现场监控设备；
现场监控设备对所述关键指标参数进行整理计算，获得整理后的关键指标参数，将整理后的关键指标参数传送至所述后台监控设备。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述方法的计算机程序。
综上，本发明的页岩气开发地下水智能监测系统可以实现以下功能：
1)使用了传感器集成技术，可以实时监测水位、pH、电导率、矿化度4个关键指标参数，反映页岩气开发地下水关键环境指标变化情况。
2)在参数集成过程中，采用了微功耗设计，且自带大负荷锂电池组，以保障监测设备2年的无人值守运行。
3)在网络设计时，服务器端和客户端添加缓存机制，且带有反馈调节功能，以确保数据实时、安全的传递。
4)利用GIS与数据库接口功能，在电子地图上直观生成可视化监测数据和预警概率图标。
5)选用先进的开发技术，应用系统操作简便，人机界面友好，权限分配清晰。
6)系统设计加入人工智能技术，实现了地下水环境风险事件的预测分析。
7)在网络覆盖面、可靠性、稳定性、实时传输速度、数据传输的准确性和安全性、操作界面、建设投资和后期运维费用等方面具有良好的体现。
8)在线监测和远程控制。可以在线查看、查询、获取各监测点的最新数据、状况和历史数据状况。
9)报警处理。报警有四种：设备故障报警，异常危险报警，开关设备报警，智能预测报警。可以灵活的设置报警条件并和现场及监控中心工作人员手机、短信绑定，满足报警条件时自动发送报警信息。
10)短信服务。可以将报警情况已短信的形式发给工作人员，并将月度监测情况汇总发给站点管理者。
11)统计查询。提供多种条件查询方式，方便运营者完成信息汇总。
12)系统管理。设置一些参数，包括权限管理、常量管理、设备管理等。
13)视频数据。视频监控系统要求实现现场影像的同步实时传输，可以在监控中心终端大屏上显示，通过监控中心实现图像的传输、显示、存储、回放等功能，为污染应急处理做好服务工作。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，包括：地下水监测设备和后台监控设备；其中，地下水监测设备集成有水位传感器、PH值传感器、电导率传感器和矿化度传感器；
所述地下水监测设备用于：采集页岩气开发区域地下水的关键指标参数，所述关键指标参数包括水位、pH值、电导率和矿化度，将所述关键指标参数传送至所述后台监控设备；
所述后台监控设备用于：根据历史关键指标参数、历史生产信息、历史地下水水质污染事故信息、所述地下水的关键指标参数和当前工况信息拟合获得水质污染概率曲线，根据所述水质污染概率曲线对地下水水质污染情况进行分析。
2.如权利要求1所述的页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，所述地下水监测设备中还集成有温度传感器，还用于采集页岩气开发区域地下水的温度，根据所述温度对所述关键指标参数进行温度补偿。
3.如权利要求1所述的页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，所述地下水监测设备中还集成有线性补偿器，用于对所述关键指标参数进行线性修正。
4.如权利要求1所述的页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，所述地下水监测设备中还集成有供电循环器，用于保障地下水监测设备长时间的无人值守运行。
5.如权利要求1所述的页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，还包括：现场监控设备，分别与地下水监测设备和后台监控设备连接；
所述地下水监测设备还用于：将所述关键指标参数传送至所述现场监控设备；
所述现场监控设备用于：对所述关键指标参数进行整理计算，获得整理后的关键指标参数，将整理后的关键指标参数传送至所述后台监控设备。
6.如权利要求5所述的页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，还包括：A/D转换器，与所述地下水监测设备、所述现场监控设备连接；
所述A/D转换器用于：将模拟化的关键指标参数转换成数字化的关键指标参数，通过串口485通信协议将数字化的关键指标参数传送至所述现场监控设备。
7.如权利要求5所述的页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，所述现场监控设备包括第一缓存数据库，用于缓存所述关键指标参数；
所述现场监控设备用于：接收所述后台监控设备发送的数据发送指令，根据所述数据发送指令将缓存的关键指标参数发送至所述后台监控设备；
所述后台监控设备包括第二缓存数据库，用于存储接收的关键指标参数。
8.如权利要求7所述的页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，所述后台监控设备还包括GIS模块，与第二缓存数据库连接；
所述GIS模块用于：在电子地图上生成关键指标参数和水质污染概率曲线。
9.如权利要求5所述的页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，所述后台监控设备还用于：当根据所述水质污染概率曲线分析地下水水质被污染时，产生报警信号，将所述报警信号发送至所述现场监控设备或工作人员手机上。
10.如权利要求5所述的页岩气开发地下水智能监测系统，其特征在于，现场监控设备中包括视频监控设备，用于监控拍摄生产现场影像，将所述生产现场影像传输至所述后台监控设备；
所述后台监控设备还用于：显示所述生产现场影像。
11.一种页岩气开发地下水智能监测方法，其特征在于，包括：
地下水监测设备采集页岩气开发区域地下水的关键指标参数，所述关键指标参数包括水位、pH值、电导率和矿化度，将所述关键指标参数传送至后台监控设备；
后台监控设备根据历史关键指标参数、历史生产信息、历史地下水水质污染事故信息、所述地下水的关键指标参数和当前工况信息拟合获得水质污染概率曲线，根据所述水质污染概率曲线对地下水水质污染情况进行分析；
其中，地下水监测设备集成有水位传感器、PH值传感器、电导率传感器和矿化度传感器。
12.如权利要求11所述的页岩气开发地下水智能监测方法，其特征在于，还包括：
地下水监测设备将所述关键指标参数传送至现场监控设备；
现场监控设备对所述关键指标参数进行整理计算，获得整理后的关键指标参数，将整理后的关键指标参数传送至所述后台监控设备。
13.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求11至12任一项所述方法。
14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求11至12任一项所述方法的计算机程序。
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