CN111380594B - 一种声光同步型盐穴储气库液位测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声光同步型盐穴储气库液位测量方法和系统，属于盐穴储气库建造与使用技术领域。激光发射装置与空间声波发射装置同时工作，分别发出光信号与声信号；测量激光接收装置与空间声波接收装置接收到对应信号的时间差通过时间差和空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离，确定液位距离空间声波接收装置的距离。本发明使用光信号作为基准信号无外部光源干扰，同时避免了考虑光路在液面反射等问题；使用隔音层避免沿固体传播的声信号带来的干扰，从而保障了测量数据的准确性和可靠性。同时避免了使用回声法测量时的不稳定问题以及腔壁的反射带来的影响。
Description
技术领域
本发明属于盐穴储气库建造与使用技术领域，更具体地，涉及一种声光同步型盐穴储气库液位测量方法和系统。
背景技术
盐穴储气库的建造是通过注入淡水的方法对采盐井或新钻井眼进行溶解，由排水管排出卤水，并由注水管与套管之间的空隙注入一定的隔离液，避免盐穴穹窿顶溶解；在上述期间不断根据液位高度与采出盐量等技术参数调整参数，达到目标地下盐穴的几何形状和体积。在此过程中，腔穴中液位的液位测量有十分重要的意义，但是储气库的建造与使用过程中，盐穴内存在重油污等严苛条件，上述条件使得现有测量方法及装置很难满足要求。由于更换井下设备的花费较高，仪器应能有在井下长期工作的能力，同时也应对液位的深度的测量具有实时性和连续性。
目前，专利CN201711050272.2《盐穴储气库的液位深度的测量方法及装置》中公开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，但是由于盐穴储气库在建成投入使用后为确保腔内内环境密封会增加永久封隔器，而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，且其使用基于无线通信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，电磁信号传输受到干扰较大，精度会受到较大影响。专利CN201911042107.1《一种盐穴储气库的液位测量装置》中公开一种基于激光测距的液位测量方法，其使用激光测距装置与浮标解决了盐穴储气库建成后无法使用长距离线缆的问题，但是激光在腔体内作为测距信号存在光信号在液面反射时，由于液面波动产生的信号不稳问题。在油井中常用的声学间接测量法，由于盐穴储气库中气体压强高达几十个大气压，通过人为产生气压差过于困难，同时可能导致套管中储存的甲烷气体存在爆炸风险。使用声波在液面上反射测距的方法中，存在声波在空气传播中会存在衰减，且衰减程度比较大，而如果每次的测量距离不同，就会造成回拨信号的起伏，出现测量误差；同时声波在接收过程中会被展宽，这就会影响声波脉冲回拨的稳定性，进而影响测距的分辨率造成测量结果不准。
发明内容
针对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高度进行实时连续测量的技术问题，本发明提供了一种声光同步型盐穴储气库液位测量方法和系统，其目的在于实现测量数据的准确性、可靠性和可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种声光同步型盐穴储气库液位测量方法，激光发射装置与空间声波发射装置装设在腔体内部中心管外壁上液位最高高度之上，激光接收装置和空间声波接收装置装设在中心管外壁上液位最低高度之下，且激光发射装置与激光接收装置之间的距离与空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离相同，接收装置均与其所对应的发射装置处于在同一直线上，该方法包括以下步骤：
S1.激光发射装置与空间声波发射装置同时工作，分别发出光信号与声信号；
S2.测量激光接收装置与空间声波接收装置接收到对应信号的时间差；
S3.通过时间差和空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离，确定液位距离空间声波接收装置的距离。
优选地，所述空间声波发射装置发射超声波。
优选地，液位高度H计算公式如下：
其中，L为空间声波发射装置与空间声波接收装置的空间间隔距离；V气体为声波在盐穴储气库腔内气体环境中的传播速度；V卤水为声波在盐穴储气库腔体内卤水中的传播速度；t为时间差。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种声光同步型盐穴储气库的液位测量系统，所述盐穴储气库位于地下，通过中心管向地下注入卤水的方式成型，再通过中心管排出卤水的方式空出空间以存储气体，该系统包括：
激光发射装置、激光接收装置、空间声波发射装置、空间声波接收装置和地表主机；
激光发射装置与空间声波发射装置装设在腔体内部中心管外壁上液位最高高度之上，激光接收装置和空间声波接收装置装设在中心管外壁上液位最低高度之下，且激光发射装置与激光接收装置之间的距离与空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离相同，接收装置均与其所对应的发射装置处于在同一直线上；
激光发射装置与空间声波发射装置用于同时发送信号，激光接收装置和空间声波接收装置用于测量接收信号的时间差；
地表主机位于地表之上，用于通过无线通讯装置接收时间差，并根据时间差和空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离，确定液位距离声波接收装置的距离。
优选地，所述激光发射装置和空间声波发射装置安装在盐穴储气库腔内液位以上的中心管的外壁上同一高度处，所述激光接收装置和空间声波接收装置安装在盐穴储气库腔内液位以下的中心管外壁上同一高度处。
优选地，空间声波接收装置与中心管外壁之间用隔音层间隔。
优选地，液位高度H计算公式如下：
其中，L为空间声波发射装置与空间声波接收装置的空间间隔距离；V气体为声波在盐穴储气库腔内气体环境中的传播速度；V卤水为声波在盐穴储气库腔体内卤水中的传播速度；t为时间差。
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)本发明利用光速在任何介质中传播速度均相同，使用光信号作为基准信号，解决电磁信号无法在液体环境中顺利传输信息的问题，同时光信号仅作为基准信号，同时储气库腔内为无光环境，因此无需考虑外来光源干扰与激光信号在气体与液体中传输通过气液界面时的损耗问题。接收装置即使表面油污也能够接收到光信号，光信号只作为基准信号不作为测距信号，避免液位测量受到油污影响。
(2)本发明利用声速在气体与液体中传播速度有显著不同，使用声信号作为测距信号，利用声信号在气体与液体两种环境中传播速度的不同，达到测量液位高度的目的，同时避免了常用的测取液面返回声信号时的不稳定问题，也避免了声波信号在储气库腔穴内腔壁上的反射干扰等问题。
(3)本发明使用隔音层设计，在声信号接收装置与中心管之间使用隔音性能好的材料填充，避免从管道中以固体为介质传播的声信号造成干扰。
附图说明
图1是本发明提供的声光同步型盐穴储气库液位测量方法的流程图；
图2是本发明提供的声光同步型盐穴储气库液位测量系统的示意图；
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-空间声波发射装置；2-激光发射装置；3-空间声波接收装置；4-激光接收装置；5-隔音层；6-气液界面；7-储存的气体；8-盐穴储气库；9-卤水；10-地表；11-气体注采口；12-卤水注采口；13-永久封隔器；14-中间管；15-中心管。
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，本发明公开了一种声光同步型盐穴储气库液位测量方法，激光发射装置与空间声波发射装置装设在腔体内部中心管外壁上液位最高高度之上，激光接收装置和空间声波接收装置装设在中心管外壁上液位最低高度之下，且激光发射装置与激光接收装置之间的距离与空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离相同，接收装置均与其所对应的发射装置处于在同一直线上，该方法包括以下步骤：
步骤S1.激光发射装置与空间声波发射装置同时工作，分别发出光信号与声信号。
本实施例中，选用激光信号作为光基准信号，因为激光定向性好，发光强度大，优选1550nm波长的激光。空间声波发射装置发射超声波，因为它的方向性好，传播能量大，频率优选40kHz。
步骤S2.测量激光接收装置与空间声波接收装置接收到对应信号的时间差。
由于声信号在气体与液体中传播速度有较大的不同，且远小于光速，将声信号作为测量信号。在接收装置接收到测量信号后停止计时。光信号先被激光接收装置接收，作为基准信号；声信号被空间声波接收装置接收，作为测距信号。计算两个接收时间的时间差t。如图2所示，声路位于空间声波发射装置1与空间声波接收装置3之间，光路位于激光发射装置2与激光接收装置4之间。
步骤S3.通过时间差和空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离，确定液位距离空间声波接收装置的距离。
在此，以激光发射装置与空间声波发射装置装设在中心管外壁上液位最高高度以上时为例说明此测距方法的原理。在开始测量时，利用光信号在任何介质中传播速度均相同且光到达接收装置的时间近乎不计的特点，以光信号作为基准信号，作为接收装置开始工作的标志。由于声信号在气体与液体中传播速度有较大的不同，且远小于光速，将声信号作为测距信号。在接收装置接收到测量信号后停止计时。
由于发射装置与接收装置之间的空间间隔距离L已知，故由声信号在气体介质与液体介质中传播速度的不同可计算液位高度H：
其中，L为空间声波发射装置与空间声波接收装置的空间间隔距离；V气体为声波在盐穴储气库腔内气体环境中的传播速度；V卤水为声波在盐穴储气库腔体内卤水中的传播速度；t为接收到的基准信号与测量信号之间的时间差。
需要说明的是，空间声波接收装置与腔穴顶部的距离是已知的，在整个测量过程中都是以测得的距离H作为液位深度判断的依据。本发明可以实时连续测量液位高度H，并且能有效地减小误差。其中，本发明所测量的液位高度H指的是气液界面(液位)距离声波接收装置的距离。
如图2所示，本发明提供了一种声光同步型盐穴储气库的液位测量系统，所述盐穴储气库8位于地下，通过中心管15向地下注入卤水的方式成型(卤水注采口12)，再通过中心管15排出卤水中间管14输入气体的方式存储气体(气体注采口11)，该系统包括：
激光发射装置2、激光接收装置4、空间声波发射装置1、空间声波接收装置3和地表主机；
激光发射装置与空间声波发射装置装设在中心管15外壁上气液界面6以上最高高度之上，激光接收装置和空间声波接收装置装设在中心管外壁上液位最低高度之下，且激光发射装置与激光接收装置之间的距离与空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离相同，接收装置均与其所对应的发射装置处于在同一直线上；
激光发射装置与空间声波发射装置线缆相连实现同时发送信号，激光接收装置和空间声波接收装置用线缆相连实现接收信号时间差的测定；
地表主机位于地表10之上，用于通过无线通讯装置接收时间差，并根据时间差和空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离，确定液位距离声波接收装置的距离。
中心管从地面延伸到所述储气库的腔穴内，用于腔体内卤水的输送排出。永久封隔器13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。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。永久封隔器是在盐穴建造工作完成后安装在图示位置，用于对盐穴进行密封；本发明的测量系统无论有无永久封隔器13均可正常工作。
空间声波发射装置能以库内储存的气体7及库内卤水9作为声波传播介质，发送特定频率的声波信号；空间声波接收装置能接收并分辨出以卤水/气体为传播介质的特定频率声波信号。声波通过不同介质向下传输，由于不同介质中声波速度不同，在气体及卤水中声波传输速度较慢，会较晚到达空间声波接收装置，处于声波发射装置下方距离L的声波接收装置中先后接收到光信号和声波信号。通过检测两个接收装置间接收到对应信号的时间差t进行测距。
优选地，所述激光发射装置和空间声波发射装置安装在盐穴储气库腔内液位以上的中心管的外壁上同一高度处，所述激光接收装置和空间声波接收装置安装在盐穴储气库腔内液位以下的中心管外壁上同一高度处，用于向所述激光接收装置和空间声波接收装置发射光信号和声信号。
优选地，所述激光发射装置和空间声波发射装置处于液位所能达到最高安全高度之上，所述激光接收装置和空间声波接收装置处于液位所能达到最低安全高度之下。
需要说明的是，声信号会有部分通过中心管15传播，其传播速度会大于声信号在气体与液体中的传播速度，因此使用隔音层5来避免该部分信号对测量的影响。优选地，空间声波接收装置与中心管外壁之间用隔音层间隔。隔音层由隔音性能好的材料构成，其填充在所述声波接收装置与中心管之间，用于减弱沿中心管通过固体介质传播到声波接收装置的声信号。
本发明提供的盐穴储气库的气液界面测量系统，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，也提高了装置的经济性，提升经济效益。由于盐穴中为无光环境，使用光信号作为基准信号无外部光源干扰，同时避免了考虑光路在液面反射等问题；使用隔音层避免沿固体传播的声信号带来的干扰，从而保障了测量数据的准确性和可靠性。同时避免了使用回声法测量时的不稳定问题以及腔壁的反射带来的影响。
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 (7)
1.一种声光同步型盐穴储气库液位测量方法，其特征在于，激光发射装置与空间声波发射装置装设在腔体内部中心管外壁上液位最高高度之上，激光接收装置和空间声波接收装置装设在中心管外壁上液位最低高度之下，且激光发射装置与激光接收装置之间的距离与空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离相同，接收装置均与其所对应的发射装置处于在同一直线上，该方法包括以下步骤：
S1.激光发射装置与空间声波发射装置同时工作，分别发出光信号与声信号；
S2.测量激光接收装置与空间声波接收装置接收到对应信号的时间差；
S3.通过时间差和空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离，确定液位距离空间声波接收装置的距离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间声波发射装置发射超声波。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，液位高度H计算公式如下：
其中，L为空间声波发射装置与空间声波接收装置的空间间隔距离；V气体为声波在盐穴储气库腔内气体环境中的传播速度；V卤水为声波在盐穴储气库腔体内卤水中的传播速度；t为时间差。
4.一种声光同步型盐穴储气库的液位测量系统，所述盐穴储气库位于地下，通过中心管向地下注入卤水的方式成型，再通过中心管排出卤水的方式空出空间以存储气体，其特征在于，该系统包括：
激光发射装置、激光接收装置、空间声波发射装置、空间声波接收装置和地表主机；
激光发射装置与空间声波发射装置装设在腔体内部中心管外壁上液位最高高度之上，激光接收装置和空间声波接收装置装设在中心管外壁上液位最低高度之下，且激光发射装置与激光接收装置之间的距离与空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离相同，接收装置均与其所对应的发射装置处于在同一直线上；
激光发射装置与空间声波发射装置用于同时发送信号，激光接收装置和空间声波接收装置用于测量接收信号的时间差；
地表主机位于地表之上，用于通过无线通讯装置接收时间差，并根据时间差和空间声波发射装置与空间声波接收装置之间的距离，确定液位距离声波接收装置的距离。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述激光发射装置和空间声波发射装置安装在盐穴储气库腔内液位以上的中心管的外壁上同一高度处，所述激光接收装置和空间声波接收装置安装在盐穴储气库腔内液位以下的中心管外壁上同一高度处。
6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于，空间声波接收装置与中心管外壁之间用隔音层间隔。
7.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于，液位高度H计算公式如下：
其中，L为空间声波发射装置与空间声波接收装置的空间间隔距离；V气体为声波在盐穴储气库腔内气体环境中的传播速度；V卤水为声波在盐穴储气库腔体内卤水中的传播速度；t为时间差。
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