CN110939483A - 一种盐穴储气库的井下信号无线传输系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盐穴储气库的井下信号无线传输系统及方法,属于井下测量技术领域。包括：井下检测装置，其安装在位于腔体内的中心管的外壁，用于将检测到的数据转化为电信号后以中心管为载体传输给中继器；中继器，其安装在位于套管内的中心管的外壁，用于进行阻抗变换使电信号适应中继器所处套管部分的中心管处的低阻抗环境，将电信号以中心管为载体传输给井上检测装置。本发明在高阻抗低电导率的井下部分，使用电信号在腔体内的中心管无线传输，在低阻抗高电导率的套管部分，使用中继器的线圈进行阻抗变换，中继器所处中心管的阻抗将被调高，从而使电信号能顺利无线传输；利用一个或多个中继器可实现信号在井下的长距离传输。
Description
技术领域
本发明属于井下测量技术领域，更具体地，涉及一种盐穴储气库的井下信号无线传输系统及方法。
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。储气库往往在地下数千米的位置，因此在使用过程中，井下数据的实时传输有利于及时准确评价井下情况。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例如光缆通信等有线传输方法无法使用。
目前，在井下信号传输的过程中存在的问题有：
1)现有的基于电信号传输技术设计的电磁无线通讯系统，是使用沿管道的轴向交变电流激励通过电磁场进行信号传输，适用于电导率较高的环境，而在电导率较低的环境，电磁无线传输通道无法建立。而使用基于磁传输技术的电磁无线通讯系统，通过安装在管道上的线圈的交变电流环激励沿管道方向的电磁场进行信号传输，适用于电导率较低的环境，而在电导率较高的环境中，信号衰减加剧，信号传输距离严重受限。而盐穴储气库中同时存在低阻抗(套管部分)和高阻抗(腔内中心管部分)环境，信号传输难度更高。
2)由于盐穴储气库在建造过程中，中心管等管道是采用以一段一段的管道连续向下伸入安装的方法安装，同时在建成使用后为了使管道在向下延伸的过程中保持腔体密闭性而使用永久封隔装置，因此有线传输以及体积较大的无线信号传输装置无法使用。
3)井下的无线数据传输需要跨越数百数千米的距离，存在较大能量损耗，并且需要同时保证数据通讯的准确性和时效性，一些例如声波法等在井下无线短距传输中适用的方法不再适用。
4)井下采用使用中继器的多级信号传输时，存在故障点难以检测的问题，一旦某一装置出现问题，难以检测故障点的位置，这给检修维护工作带来较大难度。
5)在申请号201811565293.2的专利《一种井下全井无线传输方法》中提到了一种使用中继器的井下信号传输方法，该方法使用中继器极大地提升了信号传输距离，但是该方法无法解决在井下高低阻抗并存时的信号传输问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种盐穴储气库的井下信号无线传输系统及方法，其目的在于解决了高低阻抗并存环境井下无线信号传输困难的问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种盐穴储气库的井下信号无线传输系统，该系统包括：
井下检测装置，其安装在位于盐穴储气库腔体内的中心管的外壁，用于将检测到的井下数据转化为电信号后施加在绝缘层两侧的中心管上，绝缘层两侧形成的电压差使电信号以中心管为载体传输给中继器；
中继器，其安装在位于套管内的中心管的外壁，用于进行阻抗变换使电信号适应中继器所处套管部分的中心管处的低阻抗环境，将电信号以中心管为载体传输给井上装置。
优选地，对盐穴储气库腔体内位于最大安全高度气液表面之上的一个丝扣做绝缘处理，用于形成绝缘层。
优选地，所述绝缘处理方式为在丝扣内填充绝缘材料。
优选地，所述中继器包括线圈，线圈原线圈匝数与副线圈匝数比值k大于1，用于增大中继器电压信号源两端的阻抗。
优选地，中继器的阻抗变换对信号的接收和发射均有效。
优选地，所述系统中存在多个中继器，并采用时频分复用制工作，即每一个中继器与井下检测装置都工作在自己的独占时间段内，同时每一路信号在自己划分好的子信道中传输。
优选地，所述中继器采用故障反馈机制，即任一中继器在规定时间内没检测到信号，立即向地面主机发送预先设定好的信号，从而确认故障时间及位置。
优选地，所述位于盐穴储气库腔体内的中心管的外壁上设置有置物层，用于放置井下检测装置。
优选地，所述井下检测装置包括电压信号源，电压信号源一极直接与中心管相连，另一极穿过做绝缘处理的丝扣与中心管相接。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种盐穴储气库的井下信号无线传输方法，该方法包括以下步骤：
S1.将井下检测装置测量到的井下数据转化为电信号后，以中心管为载体传输给中继器；
S2.使用中继器对接收到的电信号进行解调，同时进行阻抗变换将中继器所处中心管的阻抗调高以后，将电信号以中心管为载体传输给井上检测装置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)针对井下信号无线传输，中心管裸露在空气的部分处于高阻抗环境，嵌套在套管中的部分处于低阻抗环境，导致无线信号传输困难的问题，本发明在高阻抗低电导率的井下部分，使用电信号在腔体内的中心管无线传输，在低阻抗高电导率的套管部分，使用中继器的线圈进行阻抗变换，中继器所处中心管的阻抗将被调高，从而使电信号能顺利无线传输；利用一个或多个中继器可实现信号在井下的长距离传输。
(2)本发明利用盐穴储气库中腔内中心管远端与卤水直接接触的天然属性，在井下检测装置的电压源两极之间使用绝缘层，建立电信号通道，实现电信号的传输。
(3)本发明的中继器工作时，采用故障反馈机制，通过预设定的反应时间和反应信号，便于快速及时确定故障点的位置。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种盐穴储气库的井下信号无线传输系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的盐穴储气库的井下无线传输装置的井下部分电压源安装的局部示意图；
图3为本发明实施例提供的盐穴储气库的井下无线传输装置的井下部分示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-中心管；2-加厚置物层；3-丝扣处绝缘层；4-中继器；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-永久封隔器；13-井上检测装置；14-地面主机；15-电压信号源；16-线圈；17-套管。
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。
如图1所示，本发明提供了一种盐穴储气库的井下信号无线传输系统，该系统包括：井下检测装置，其安装在位于腔体内的中心管的外壁，用于将检测到的数据转化为电信号后以中心管为载体传输给中继器；中继器，其安装在位于套管内的中心管的外壁，用于进行阻抗变换使电信号适应中继器所处套管部分的中心管处的低阻抗环境，将电信号以中心管为载体传输给井上检测装置。
如图2所示，井下检测装置安装在井下油管部分的中心管1管道外壁上设置的加厚置物层2，主要由置物层中放置的电压信号源15、电源与管道上连接处的丝扣绝缘层3组成。在传输信号时，电压信号源15产生电信号施加在丝扣处绝缘层3两侧的管道上；绝缘层两侧形成电压差，使电信号正常传输。在盐穴储气库的建造及使用过程中，需要实时掌握许多井下的数据参数，而本装置可实现接受不同种类的需传输信号到地面的传感器的信号。井下检测装置电信号的传递原理具体包括：中心管远地端被绝缘装置分隔后，可近似看为与大地相连接，井上检测装置的远端可近似看为无穷远端，因此，可实现通过电信号沿中心管传输信号。
如图3所示，中继器4安装在套管17部分的中心管1外壁上，其主要由线圈16及电压信号源装置组成。电信号在中继部分在线圈16中耦合后仍转换为电信号，继续向地面传输信号。中继部分的线圈16起阻抗匹配作用，通过绕组折算改变中继部分电压信号源两端的阻抗，实现在中继部分所处的低阻抗环境中调控线圈中的电流，使其正常传输信号。中继器对电信号进行采样、放大，滤波操作之后，仍转换为电信号，继续向地面传输信号。采样是用于接收从下方传输上来的电信号，放大和滤波是对经过传输后有损耗的电信号进行处理。中继器的线圈16起阻抗匹配作用，通过绕组折算改变中继器电压信号源两端的阻抗，将套管部分的低阻抗折算到一个理想的值，保证电流不会过大，实现在中继器所处的低阻抗环境中调控线圈中的电流，使其正常传输信号。
井上检测装置安装在延伸到地表10的中心管1上，由电信号测量仪组成。监测装置通过检测地面上一段较长距离的管道两端的电压信号来获取信号。井上检测装置测量原理包括：在信号传输时，检测装置通过检测一端较长距离的管道两端的电压差值的变化来读取由井下部分传输的信息。井上检测装置13测得数据后，将数据发送给地面主机14进行进一步地信号处理与分析。
优选地，所述位于腔体内的中心管的外壁上设置有抗压抗高温的加厚置物层，其最大宽度小于套管内直径，用于放置井下检测装置。
加厚置物层2是特殊设计的管道，其加厚部分内可放置电信号源15、电源以及传感器等多种器件，其能具有抗压抗高温能力，在能保护器件的同时其尺寸使其能顺利向下运输。整个井下部分被放置在加厚绝缘层2中，其能使装置在井下的特殊环境中正常工作。整个装置的尺寸允许其通过图2中的永久封隔器12。永久封隔器用于对盐穴进行密封，永久封隔器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。
优选地，所述井下为盐穴储气库井下，腔体内位于最大安全高度气液表面之上的一个丝扣为绝缘丝扣，绝缘丝扣两侧与井下检测装置连接，用于建立井下检测装置与中继器之间的电信号通道。
优选地，所述井下检测装置包括电压信号源，电压信号源一极直接与中心管相连，另一极穿过绝缘丝扣与中心管相接。
优选地，所述中继器包括线圈，线圈原线圈匝数与副线圈匝数比值k大于1，所述线圈用于通过绕组折算增大中继器电压信号源两端的阻抗。
通过中继部分包含的线圈绕组，将套管部分的低阻抗折算到一个理想的值，保证电流不会过大，保证信号的正常传输。中继器的线圈采用原线圈匝数多于副线圈匝数的设计，即变比k大于1的设计，设原阻抗Z1，折算后阻抗为Z1′，则换算关系为Z′1＝k2Z1。可知，通过根据实际环境调整k的大小，可实现控制低阻抗套管环境中的中继器内的电流大小。当存在多个中继器时，每个中继器的k值取决于其具体所处位置，从而提高信号传输效率。
优选地，中继器的阻抗变换对信号的接受和发射均有效。
优选地，所述绝缘丝扣内填充绝缘材料。例如，使用例如聚四氟乙烯等化学材料。
优选地，当所述系统中存在多个中继器时，所述系统采用时频分复用制工作，即每一个中继器与井下检测装置都工作在自己的独占时间段内，同时每一路信号在自己划分好的子信道中传输。
每一路信号在自己划分好的子信道中传输，避免信号传输紊乱。使用多个中继器协同工作，以增加井下信号传输距离。
优选地，所述中继器采用故障反馈机制，即任一中继器在规定时间内没检测到信号，立即向地面主机发送预先设定好的信号，从而确认故障时间及位置。
故障反馈机制在井下监测装置及中继器协同工作故障时，实现可检测故障位置。
通过本实施例提供的装置工作具体过程如下：
1、仪器地面安装：在地面完成井上检测装置13与地面主机14的连接，将井下部分安装在中心管上1，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：将安装好井下部分的管道开始下入安装作业，依次通过永久封隔器12。
3、信号传输：井下部分接收需传递的信号，转换为电信号后施加在中心管1上，中继器4接收并在绕组折算后继续以电信号的形式传输信号，井上检测装置13读取电信号，并将读取到的数据发送给地面主机14。
4、探测结束：当该阶段探测结束时，完成所需传输任务后井下部分关闭，等待下一次传输任务，也可通过管道实现回收。
本发明提供了一种盐穴储气库的井下信号无线传输方法，该方法包括以下步骤：
S1.将井下检测装置测量到的井下数据转化为电信号后施加在绝缘层两侧的中心管上，绝缘层两侧形成的电压差使电信号以中心管为载体传输给中继器；
S2.使用中继器对接收到的电信号进行解调，同时进行阻抗变换将中继器所处中心管的阻抗调高以后，将电信号以中心管为载体传输给井上检测装置。
由于中心管在盐穴储气库8腔体内远地端与卤水相连，井下部分的电压源接到绝缘层远地端的部分近似接地，通过丝扣处绝缘层3的分隔，电压源能在丝扣处绝缘层3两端产生电势差，从而实现电信号在中心管1上的传输。所使用的针对盐穴储气库的高低阻抗并存的环境的信号传输方法，也可适用于其他相似的高低阻抗并存的井下环境。
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 (10)
1.一种盐穴储气库的井下信号无线传输系统，其特征在于，该系统包括：
井下检测装置，其安装在位于盐穴储气库腔体内的中心管的外壁，用于将检测到的井下数据转化为电信号后施加在绝缘层两侧的中心管上，绝缘层两侧形成的电压差使电信号以中心管为载体传输给中继器；
中继器，其安装在位于套管内的中心管的外壁，用于进行阻抗变换使电信号适应中继器所处套管部分的中心管处的低阻抗环境，将电信号以中心管为载体传输给井上装置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，对盐穴储气库腔体内位于最大安全高度气液表面之上的一个丝扣做绝缘处理，用于形成绝缘层。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述绝缘处理方式为在丝扣内填充绝缘材料。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中继器包括线圈，线圈原线圈匝数与副线圈匝数比值k大于1，用于增大中继器电压信号源两端的阻抗。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，中继器的阻抗变换对信号的接收和发射均有效。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统中存在多个中继器，并采用时频分复用制工作，即每一个中继器与井下检测装置都工作在自己的独占时间段内，同时每一路信号在自己划分好的子信道中传输。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中继器采用故障反馈机制，即任一中继器在规定时间内没检测到信号，立即向地面主机发送预先设定好的信号，从而确认故障时间及位置。
8.如权利要求1至7所述的系统，其特征在于，所述位于盐穴储气库腔体内的中心管的外壁上设置有置物层，用于放置井下检测装置。
9.如权利要求1至8所述的系统，其特征在于，所述井下检测装置包括电压信号源，电压信号源一极直接与中心管相连，另一极穿过做绝缘处理的丝扣与中心管相接。
10.一种盐穴储气库的井下信号无线传输方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.将井下检测装置测量到的井下数据转化为电信号后施加在绝缘层两侧的中心管上，绝缘层两侧形成的电压差使电信号以中心管为载体传输给中继器；
S2.使用中继器对接收到的电信号进行解调，同时进行阻抗变换将中继器所处中心管的阻抗调高以后，将电信号以中心管为载体传输给井上检测装置。
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