CN113237532B - 基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量系统及其方法，系统包括：中心管、电磁信号发射装置、电场测量装置、磁场测量装置和地面主机；中心管从井口插入盐穴储气库中；电磁信号发射装置设置在中心管上；电场测量装置包括两个，分别设置在所述电磁信号发射装置的上下两侧；磁场测量装置设置在下侧电场测量装置的下方。电磁信号发射装置在空间中激发出电场和磁场，电场测量装置和磁场测量装置对空间中的电场和磁场进行测量；地面主机通过测得的电场强度与磁场强度来计算液面距离电磁信号发射装置的距离。该方案能够适应储气库中恶劣的环境，可以对储气库中的气液界面高度进行准确测量。

Description

基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及盐穴储气库建造与使用技术领域，具体涉及一种基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量系统及其方法。

背景技术

盐穴储气库是通过对采盐井或新钻井眼注入淡水的方式进行建造，将淡水溶解盐矿形成的溶腔用来储气，并用排水管排出卤水。在此过程中，需要不断根据液面高度与卤水盐度等技术参数来调整方案，使地下盐穴的几何形状和体积能符合设计要求；为避免盐穴顶部溶解，还需在注水管与套管之间的空隙中注入一定的隔离液，防止盐穴的几何形状遭到破坏。在盐穴储气库的建造和使用过程中，监测储气库的液位变化对保护储气库几何形状具有重要作用。由于储气库在建成后投入使用后需要严格密封，无法使用有线测量方法来监测液位高度。同时储气库内的环境恶劣，对于现有的液位测量方法与装置，很难满足仪器在井下能够长期工作的要求，无法满足对气液界面高度进行实时性与连续性测量的要求。

目前，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》中公开了一种盐穴储气库的液面高度测量方法及装置，该方法通过使用电缆和传感器对气液界面高度进行实时、连续以及大范围监测。但是，在储气库建成之后的使用过程中，为了保证储气库的密封性，会使用永久封隔器，无法使用有线电缆装置，故该方法仅适合在储气库建造时期对液面高度进行测量。专利CN202010262517.3《一种声光同步型盐穴储气库液位测量方法和系统》中公开了一种基于声波测距的储气库气液界面高度测量方法，其使用激光与声波传播的时间差与声波在不同介质中的传播速度来测量液面的高度，解决了建成后的储气库无法使用有线电缆的问题，但是储气库环境较为严苛，存在油污，激光装置的镜头容易被油污污染，降低测量精度，同时声波在气体中的传播衰减程度较大，容易出现测量误差。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量系统及其方法，其目的在于利用储气库中液面高度的变化会导致空间中的电场分布与磁场分布发生变化的性质，通过检测储气库坡印亭矢量来实时测量气液界面高度。该方案能够适应储气库中恶劣的环境，可以对储气库中的气液界面高度进行准确测量。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量系统，包括：中心管、电磁信号发射装置、电场测量装置、磁场测量装置和地面主机；

所述中心管从井口插入盐穴储气库中；

所述电磁信号发射装置设置在中心管上，

所述电场测量装置包括两个，均设置在所述中心管上，且分别设置在所述电磁信号发射装置的上下两侧；

所述磁场测量装置设置在中心管上，且位于下侧电场测量装置的下方；

所述电磁信号发射装置、电场测量装置、磁场测量装置均通过无线通信方式与地面主机连接。

进一步的，该系统还包括中间管，所述中间管设置在盐穴储气库井口，所述中心管设置在中间管中并插入所述盐穴储气库，所述中间管与所述中心管之间还设有封隔器。

中心管插入盐穴储气库，用于向储气库中注入或排出卤水，封隔器使井下处于密封环境，防止气体逸出。

进一步的，两个所述电场测量装置对称设置在所述电磁信号发射装置的上下两侧。

进一步的，所述电磁信号发射装置、电场测量装置、磁场测量装置均位于盐穴储气库的最高液位之上。

另一方面，本发明提供一种基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量方法，该方法基于上述的测量系统实现，包括以下步骤：

S1.电磁信号发射装置工作，在空间中激发出电场和磁场；

S2.电场测量装置和磁场测量装置同时对空间中的电场和磁场进行测量；

S3.通过测得的电场强度与磁场强度来计算液面距离电磁信号发射装置的距离。

进一步的，该方法还包括：

S4.改变电磁信号发射装置发射的信号频率，重复S2、S3；

S5.分析不同频率信号下得到的测量结果，对计算出的液面高度进行修正，提高测量精度。

进一步的，所述电磁信号发射装置采用线圈驱动的方式，发射不同频率、强度的信号。

进一步的，所述的通过测得的电场强度与磁场强度来计算液面距离电磁信号发射装置的距离，通过下式计算：

式中l表示液面与电磁信号发射装置的距离，E₁为位于电磁信号发射装置上部的电场测量装置测得的电场强度，E₂为位于电磁信号发射装置下部的电场测量装置测得的电场强度，H为磁场测量装置测得的磁场强度，ρ为中心管的电阻率，r为中心管的半径，ω为激励的频率，μ为中心管的磁导率，U为电磁信号发射装置所激发的信号强度。

本发明的有益效果是：(1)本发明通过检测坡印亭矢量来监测液面高度，利用液面高度的不同会改变空间中的电场分布与磁场分布的性质，通过线圈驱动的方式，测量空间中产生的电场强度与磁场强度，达到测量液面高度的目的，该方法相较于声波测距，能避免声波在空间中的衰减问题，也避免声波容易受到干扰的问题。相较于激光测距，该方法能在存在油污的环境中使用，受到地下环境影响较小。

(2)本发明能够同时测量空间中电磁信号发射装置激发的电场与磁场，对测量得到的电场强度与磁场强度的幅值与相位相结合进行分析，能提高测精度。

(3)本发明能够改变激励信号的频率，对比不同频率下的测量结果，进行修正，得到测量精度更高的结果。

附图说明

图1是本发明提供的盐穴储气库液面高度的测量方法的结构示意图；

图2是本发明提供的盐穴储气库液面高度的测量方法的空间电场分布图；

图3是本发明提供的盐穴储气库液面高度的测量方法的空间磁场分布图；

图4是本发明提供的盐穴储气库液面高度的测量方法的流程图；

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电磁信号发射装置；2-磁场测量装置；3-电场测量装置；4-储存的气体；5-气液界面；6-卤水；7-盐穴储气库；8-中间管；9-地表；10-中心管；11-封隔器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-3所示，本发明提供一种基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量系统，该系统包括：中间管8、中心管10、电磁信号发射装置1、电场测量装置3、磁场测量装置2和地面主机(图中未示出)。

所述中间管8设置在盐穴储气库7井口，所述中心管10设置在中间管8中并插入所述盐穴储气库7，所述中间管8与所述中心管10之间还设有封隔器11。中心管10插入盐穴储气库7，用于向储气库中注入或排出卤水6，封隔器11使井下处于密封环境，防止气体逸出。

所述电磁信号发射装置1设置在中心管10上，根据变压器原理，采用线圈驱动的方法，在中心管10和大地之间形成回路，激发空间中的电场与磁场变化，中心管10在气体4与卤水6具有不同的阻抗，液面高度的变化会导致中心管的阻抗发生变化。

所述电场测量装置3包括两个，均设置在所述中心管10上，且对称设置在所述电磁信号发射装置1的上下两侧；所述磁场测量装置2设置在中心管10上，且位于下侧电场测量装置3的下方。两个电场测量装置10同时测出电磁信号发射装置上部与下部的电场强度，磁场测量装置测出电磁信号发射装置以下部分中心管周围的磁场强度。

所述电磁信号发射装置1、电场测量装置3、磁场测量装置2均位于盐穴储气库7的最高液位之上，且通过无线通信方式与地面主机连接。位于地表9的地面主机，接收到电场测量装置与磁场测量装置测量出的电场强度与磁场强度后，可以通过计算，确定液面与电磁信号发射装置的高度。

如图4所示，本发明实施例该提供一种基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量方法，该方法基于上述的测量系统实现，包括以下步骤：

步骤S1，电磁信号发射装置工作，在空间中激发出电场和磁场；

优选地，电磁信号发射装置根据变压器原理，采用线圈驱动的方式，在中心管与大地之间形成了回路。中心管上会产生一定频率的感应电流，如图3所示，电流会激发空间中的磁场变化

同时，电磁信号发射装置会使中心管与大地之间存在一定的电压差，如图2所示，会形成一定的电场分布；根据传输线原理，气体中的中心管与浸在液体中的中心管的具有不同的阻抗，故随着液面高度的变化，电磁信号发射装置在空间中激发的电场与磁场也会发生变化。

步骤S2，电场测量装置和磁场测量装置同时对空间中的电场和磁场进行测量；

位于电磁信号发射装置上端的电场测量装置测量，测得上半部分中心管电场强度为E₁，位于电磁信号发射装置下端的电场测量装置测量，测得下半部分中心管电场强度为E₂。需要说明的是，电磁信号发射装置所激发的信号的强度U是已知的，根据电场强度与电势存在的比例关系，可以得到电磁信号发射装置以下部分中心管周围的电场分布为

磁场测量装置，利用如霍尔元件等装置测出中心管周围的磁场强度H。

步骤S3，通过测得的电场强度与磁场强度来计算液面距离电磁信号发射装置的距离；

具体地，气体中的中心管的电阻为

其中ρ为中心管的电阻率，l为电磁信号发射装置以下的处于气体中的中心管长度，s为中心管中电流流过的横截面面积。

考虑到中心管的趋肤效应，s＝π(r²-(r-δ)²)，其中r为中心管半径，δ为趋肤深度，

其中，ρ为中心管的电阻率，ω为激励的频率，μ为中心管的磁导率。

气体中的中心管的单位长度的等效电感为

其中r为中心管半径，μ为中心管的磁导率。

故当电磁信号发射装置在空间中激发出一定的电场与磁场时，

故液面距电磁信号发射装置的距离，即电磁信号发射装置以下的处于气体中的中心管长度

其中，E₁为位于电磁信号发射装置上部的电场测量装置测得的电场强度，E₂为位于电磁信号发射装置下部的电场测量装置测得的电场强度，H为磁场测量装置测得的磁场强度，ρ为中心管的电阻率，r为中心管的半径，ω为激励的频率，μ为中心管的磁导率，U为电磁信号发射装置所激发的信号强度。

步骤S4，改变电磁信号发射装置发射的信号频率，重复S2、S3。

步骤S5，分析不同频率信号下得到的测量结果，对计算出的液面高度进行修正，提高测量精度。

此步骤分析对比不同频率激励信号下测出的电场强度与磁场强度，对计算出的液面高度结果进行修正，提高测量精度。

本发明通过检测坡印亭矢量来监测液面高度，利用液面高度的不同会改变空间中的电场分布与磁场分布的性质，通过线圈驱动的方式，测量空间中产生的电场强度与磁场强度，达到测量液面高度的目的，该方法相较于声波测距，能避免声波在空间中的衰减问题，也避免声波容易受到干扰的问题，能提高测量精度。相较于激光测距，该方法能在存在油污的环境中工作，能达到更高的测量精度。本发明能够同时测量空间中激发的电场与磁场，对测量得到电场与磁场的幅值与相位相结合进行分析，能提高测精度。本发明使用不同频率的激励信号，可以对比不同频率下的测量结果进行修正，得出精度更高的测量结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于坡印亭矢量检测的盐穴储气库液位测量方法，该方法基于盐穴储气库液位测量系统实现，所述测量系统包括，中心管(10)、电磁信号发射装置(1)、电场测量装置(3)、磁场测量装置(2)和地面主机；

所述中心管(10)从井口插入盐穴储气库(7)中；

所述电磁信号发射装置(1)设置在中心管(10)上，

所述电场测量装置(3)包括两个，均设置在所述中心管(10)上，且分别设置在所述电磁信号发射装置(1)的上下两侧；

所述磁场测量装置(2)设置在中心管(10)上，且位于下侧电场测量装置(3)的下方；

所述电磁信号发射装置(1)、电场测量装置(3)、磁场测量装置(2)均通过无线通信方式与地面主机连接；

其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：

S1.电磁信号发射装置工作，在空间中激发出电场和磁场；

S2.电场测量装置和磁场测量装置同时对空间中的电场和磁场进行测量；

S3.通过测得的电场强度与磁场强度来计算液面距离电磁信号发射装置的距离；

S4.改变电磁信号发射装置发射的信号频率，重复S2、S3；

S5.分析不同频率信号下得到的测量结果，对计算出的液面高度进行修正，提高测量精度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该系统还包括中间管(8)，所述中间管(8)设置在盐穴储气库(7)井口，所述中心管(10)设置在中间管(8)中并插入所述盐穴储气库(7)，所述中间管(8)与所述中心管(10)之间还设有封隔器(11)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两个所述电场测量装置(3)对称设置在所述电磁信号发射装置(1)的上下两侧。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电磁信号发射装置(1)、电场测量装置(3)、磁场测量装置(2)均位于盐穴储气库(7)的最高液位之上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电磁信号发射装置采用线圈驱动的方式，发射不同频率、强度的信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通过测得的电场强度与磁场强度来计算液面距离电磁信号发射装置的距离，通过下式计算：

式中l表示液面与电磁信号发射装置的距离，E₁为位于电磁信号发射装置上部的电场测量装置测得的电场强度，E₂为位于电磁信号发射装置下部的电场测量装置测得的电场强度，H为磁场测量装置测得的磁场强度，ρ为中心管的电阻率，r为中心管的半径，ω为激励的频率，μ为中心管的磁导率，U为电磁信号发射装置所激发的信号强度。

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