CN116067453B - 一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统及方法，方法包括：测量激励线圈的开路电流I o和测量线圈的开路电压U 2o ；将磁耦合导纳测量装置安装到中心管外壁，向激励线圈输入交流激励信号，激励线圈以磁感应的方式将交流激励信号施加到中心管上，测量线圈以磁感应的方式测量中心管的电压；测量激励线圈的工作电流I 1 以及测量线圈的感应电压U 2 ；根据激励线圈的开路电流I o、工作电流I 1 ，以及交流激励信号频率、测量线圈的开路电压U 2o 、感应电压U 2 ，计算得到储气库中液面距离储气库顶端的高度。本发明利用中心管的感抗与气液界面高度成正比的关系，将气液界面高度转化为中心管阻抗来实现测距，提示了测量准确性，测量数据可靠性佳。
Description
技术领域
本发明涉及盐穴储气库建造与使用技术领域，更具体地，涉及一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统及方法。
背景技术
盐穴储气库是通过向盐矿注入淡水的方式建造，为将盐矿作为溶腔进行储气的方式。盐穴储气库的建造过程为：通过钻井向下打入同轴嵌套设置的中心管、中间管、套管等管道；通过中心管注入淡水的方法对盐矿进行溶解，然后由中心管引出的排水管排出卤水（盐溶液），并由注水的中心管与外层套管之间的空隙注入隔离液避免盐矿顶部溶解，使盐矿形成地下腔穴。在上述建造期间不断根据卤水盐度等实时的技术参数调整施工参数，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、投入使用后，要求严格密封，因此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通信路径，例如光缆通信等有线传输方法不便使用。
目前，现有技术采用基于坡印亭矢量检测的液位测量系统及其方法，通过实时监测储气库空间电场与磁场，实现了对气液深度界面的实时连续和大范围监测。但是，储气库环境较为严苛，储气库空间电场与磁场测量易受外界环境影响，导致测量值并不准确，误差较大。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统及方法，以提升盐穴储气库的监测数据准确性与可靠性。
根据本发明的第一方面，提供了一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，包括：井下激励源、磁耦合导纳测量装置和地表主机；所述磁耦合导纳测量装置设置在储气库内的中心管外壁，且位于储气库顶端以下、液面以上，所述井下激励源与所述磁耦合导纳测量装置连接；所述磁耦合导纳测量装置、所述井下激励源分别与所述地表主机通过无线信号通信连接；
所述井下激励源用于提供交流激励信号；
所述磁耦合导纳测量装置包括激励线圈和测量线圈，所述激励线圈用于将所述交流激励信号施加到中心管上，所述测量线圈用于测量中心管的反馈信号；
所述地表主机用于根据磁耦合导纳测量装置的开路测量数据、通路测量数据、中心管的反馈信号以及交流激励信号的参数计算得到储气库中液面距离储气库顶端的高度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述磁耦合导纳测量装置还包括磁环、交流电压表与交流感应电流表；所述激励线圈与测量线圈共同绕制在同一磁环上，所述磁环套设在所述中心管的外周；
所述激励线圈的一端与所述井下激励源的信号输出端连接，用于将所述交流激励信号以电磁感应的方式施加到中心管上；
所述测量线圈用于感应中心管的反馈信号；
所述交流电压表用于监测测量线圈的开路电压以及工作电压；
所述交流感应电流表用于监测激励线圈的开路电流以及工作电流。
可选的，所述激励线圈匝数为N 1，测量线圈匝数为N 2，激励线圈与测量线圈的匝数比为N，N 1、N 2、N为正整数。
可选的，所述磁环与所述中心管之间设有绝缘层。
可选的，所述储气库的顶端设有扶正器，所述扶正器设置在储气库的顶端内壁与中心管的外壁之间，用于维持中心管的方向。
可选的，所述井下激励源为交流电压源或交流电流源中任一种，所述井下激励源提供的交流激励信号频率范围为10kHz~100kHz。
可选的，所述磁耦合导纳测量装置以及所述井下激励源均位于储气库内液面最高位以上。
根据本发明的第二方面，基于上述各个实施方式的储气库测距系统系统，还提供一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距方法，包括：
S1，测量激励线圈的开路电流I o和测量线圈的开路电压U 2o ；
S2，将磁耦合导纳测量装置安装到中心管外壁，向激励线圈输入额定频率的交流激励信号，激励线圈以磁感应的方式将交流激励信号施加到中心管上，所述测量线圈以磁感应的方式测量中心管的电压；
S3，测量激励线圈的工作电流I 1 以及测量线圈的感应电压U 2 ；
S4，根据所述激励线圈的开路电流I o、工作电流I 1 ，以及交流激励信号频率、所述测量线圈的开路电压U 2o 、感应电压U 2 ，计算得到储气库中液面距离储气库顶端的高度。
可选的，步骤S4中，通过以下公式计算得到储气库中液面距离储气库顶端的高度H：
其中，U 2 为施加交流激励信号后测量线圈的感应电压，µ 0 为标准磁导率，f为交流激励信号频率，N 1为激励线圈匝数，N 2为测量线圈匝数，I 1 为施加交流激励信号后激励线圈的工作电流，I o 为激励线圈的开路电流，U 2o 为测量线圈的开路电压，R s 为储气库平均半径，r o 为中心管外径。
本发明提供的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统及方法，所涉及的盐穴储气库位于地下，中心管竖向设置在储气库中，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。相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用中心管的感抗与气液界面高度成正比的关系，将气液界面高度转化为中心管阻抗来实现测距，提示了测量准确性，测量数据可靠性佳。
(2)本发明利用中心管的感抗远大于卤水阻抗的性质，使用交流电信号作为激励信号，利用中心管感抗与卤水阻抗大小有显著不同，达到测量液位高度的目的。
(3)本发明使用线圈感应的方法，将中心管中的电压与电流转化为线圈电压与电流进行测量，缩小了测量装置体积、简化了电压电流测量过程。
(4)本发明提供的一种基于磁耦合型多相态导纳识别与储气库测距系统与方法，其使用的磁耦合导纳测量装置仅需使用一套磁环装置，具有良好的可回收性与稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统结构示意图；
图2为本发明提供的磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距方法流程图；
图3为本发明涉及的盐穴储气库气液界面深度的等效电路示意图；
图4为本发明涉及的线圈感应型盐穴储气库磁耦合导纳测量装置的T型等效电路图。
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、井下激励源；3、磁耦合导纳测量装置；4、绝缘层；5、套管；6、封隔器；7、扶正器；8、地层；9、气体；10、气液界面；11、卤水。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明提供的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统结构示意图，如图1所示，本实施例提供的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，其中，涉及的盐穴储气库位于地下，通过竖向设置的中心管1向盐矿地层8下注入卤水11的方式成型，再通过中心管1排出卤水11的方式空出空间以存储气体9。该系统主要包括：井下激励源2、磁耦合导纳测量装置3和地表主机（图中未示出）；所述磁耦合导纳测量装置3设置在储气库内的中心管1外壁，且位于储气库顶端以下、液面以上，所述井下激励源2与所述磁耦合导纳测量装置3连接；所述磁耦合导纳测量装置3、所述井下激励源2分别与所述地表主机通过无线信号通信连接；
所述井下激励源2用于向所述磁耦合导纳测量装置3提供交流激励信号；
所述磁耦合导纳测量装置3包括激励线圈和测量线圈，所述激励线圈用于将所述交流激励信号施加到中心管1上，所述测量线圈用于测量中心管1的反馈信号，例如中心管1的电压、电流；
所述地表主机位于地表之上，用于通过无线通讯装置接收各测量数据，还用于根据磁耦合导纳测量装置3的开路测量数据、通路测量数据、中心管1的反馈信号以及交流激励信号的参数计算得到储气库中液面距离储气库顶端的高度。
可以理解的是，基于背景技术中的缺陷，本发明实施例提出了一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，通过该系统，可准确、可靠地测量储气库中液面距离储气库顶端的高度，且测量方法简单，测量装置体积小、操作灵活、便于回收。
在一种可能的实施方式中，所述磁耦合导纳测量装置3还包括磁环、交流电压表与交流感应电流表；所述激励线圈与测量线圈共同绕制在同一磁环上，所述磁环套设在所述中心管1的外周；
所述激励线圈的一端与所述井下激励源2的信号输出端连接，用于直接接收井下激励源2的交流激励信号并将所述交流激励信号以电磁感应的方式施加到中心管1上；
所述测量线圈用于感应中心管1的反馈信号，例如感应中心管1的实时电压；
所述交流电压表的检测端可直接与测量线圈相连，用于监测测量线圈的开路电压以及工作电压，交流电压表的另外的检测端还可直接与激励线圈相连，用于监测激励线圈的开路电压以及工作电压；
所述交流感应电流表用于监测激励线圈的开路电流以及工作电流。
可以理解的是，测量线圈的开路电压以及激励线圈的开路电流在安装磁耦合导纳测量装置3前测得；测量线圈的工作电压以及激励线圈的工作电流在安装磁耦合导纳测量装置3后、且施加交流激励信号后测得。
在一种可能的实施方式中，所述激励线圈匝数为N 1，测量线圈匝数为N 2，激励线圈与测量线圈的匝数比为N，N 1、N 2、N为正整数。即，激励线圈采用尽可能多的匝数，以实现对中心管1更好的间接驱动效果，减小交流激励信号的损耗；测量线圈的匝数较少，使得中心管1与测量线圈之间的测量误差尽可能地小，以提升检测准确度。
在一种可能的实施方式中，所述磁环与所述中心管1之间设有绝缘层4。绝缘层4的设置一是可为磁环提供安装结构，二是可增加各线圈与中心管1之间的爬电距离，减小中心管1的泄漏电流。
在一种可能的实施方式中，所述储气库的顶端设有金属扶正器7，所述扶正器7设置在储气库的顶端内壁与中心管1的外壁之间，用于维持中心管1的方向，防止中心管1发生倾斜，影响测试数据的准确性。
在一种可能的实施方式中，所述井下激励源2可以为交流电压源或交流电流源中的任一种，所述井下激励源2提供的交流激励信号频率范围为10kHz~100kHz。交流激励信号的频率将参与储气库中液面距离储气库顶端的高度计算过程，可通过地表主机预先进行设置。
在一种可能的实施方式中，所述磁耦合导纳测量装置3以及所述井下激励源2均位于储气库内液面最高位以上，可使得在液位变化过程中卤水11始终不干涉储气库测距系统的正常工作，可防止液位过高时卤水11浸泡磁耦合导纳测量装置3以及所述井下激励源2，造成系统损伤。
更具体的，如图1所示为某一测量场景的结构示意图，同轴嵌套内外设置的中心管1和套管5竖向插入盐矿的地层8下，套管5保留在与地面齐平的位置，中心管1穿过套管5继续向地层8下延伸，直到延伸到达储气库的足够深度处。通过中心管1向盐矿注入水，盐分溶于水形成卤水11，卤水11经中心管1排出后形成的空腔作为储气库，用于储气。在卤水11未排尽时，卤水11与储气库中的气体9之间形成气液界面10。在储气库建造好后，通过永久封隔器6封隔井下环境，使储气库保持在稳定的状态。
井下激励源2（即井下电源）安装在中心管1的外壁上，且井下激励源2相邻磁耦合导纳测量装置3设置以简化布线，井下激励源2向磁耦合导纳测量装置3提供交流激励信号，磁耦合导纳测量装置3从中心管1上感应得到交流电信号，实现对中心管1电压的监测。
磁耦合导纳测量装置3通过绝缘层4安装在井下激励源2附近处的中心管1外壁上。本实施例中，磁耦合导纳测量装置3由环绕在中心管1上的N 1匝激励线圈、与激励线圈绕在同一磁环上的N 2匝中心管1电压测量线圈、以及交流电压表与交流感应电流表组成，交流电压表用于测量所述测量线圈的电压，当中心管1处于被激励状态时，测量线圈的电压表征中心管1电压，交流电流表用于测量激励线圈的电流，例如其开路电流、工作电流。
基于上述各实施例的磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统进行测量时，测量方法如下：
S1，在安装磁耦合导纳测量装置3以及所述井下激励源2前，首先测量激励线圈的开路电流I o和测量线圈的开路电压U 2o；
S2，安装磁耦合导纳测量装置3以及所述井下激励源2时，将激励线圈与测量线圈安装到中心管1外壁、并均与中心管1保持绝缘，向激励线圈输入额定频率f的交流激励信号，激励线圈以磁感应的方式将交流激励信号施加到中心管1上，所述测量线圈以磁感应的方式测量中心管1的电压；
S3，在施加交流激励信号时，测量激励线圈的工作电流I 1 以及测量线圈的感应电压U 2；
S4，根据所述激励线圈的开路电流I o、工作电流I 1，以及交流激励信号频率f、所述测量线圈的开路电压U 2o、感应电压U 2，计算得到储气库中液面距离储气库顶端的高度。
本实施例中，为了便于计算，对于测得的开路电流I o 、开路电压U 2o 、工作电流I 1 和感应电压U 2 均采用其有效值。
为了对本发明实施例进行更加详细地说明，在此以测距装置位于气液界面10上方，且距离盐穴储气库顶端距离为H device，液面距离盐穴储气库顶端的高度为H，H>H device时为例说明此测距系统的工作原理。假设在激励线圈上施加的是频率为f、电压有效值U 1为的交流电信号。
根据
，/>
测量线圈测得的中心管1上的感应电压大小为：
其中，公式（1）中，N 1为激励线圈匝数，N 2为测量线圈匝数，U 2 为测量线圈的感应电压，N为激励线圈与测量线圈的匝数比，U f为中心管两端电压，U f ’ 为中心管两端电压折算至激励线圈中的电压。
将中心管1与大地等效为传输线的去线和回线，其等效电路图如图3所示，则根据传输线理论公式：
由于上述导纳公式中，电导G和电纳B接近为0，故可以不考虑中心管1的泄漏电流。同时，上述阻抗公式中，当感抗X=ωL>>R时，可以将中心管1的电阻R忽略，可以得到中心管1上电流大小为：
对于半径变化不大的储气库，可以认为满足：
其中，µ 0 为标准磁导率，Rs为储气库平均半径，r o 为中心管外径；
由式(2)、(3)可得：
根据如图4所示的变压器T型等效电路模型，由于原边阻抗远小于励磁阻抗与副边阻抗，于是满足：
其中，I m为线圈励磁电流，I f为施加交流激励信号时中心管的电流，I f ’ 为I f折算至激励线圈中的电流，U f ’ 为施加交流激励信号时中心管1折算至激励线圈中的电压，Z m 为线圈等效励磁阻抗，N为激励线圈与测量线圈之间的匝数比，U fo ’ 为未施加交流激励信号时中心管1折算至激励线圈中的电压。
根据式(4)、(5)可得出求解液位距离H的式子：
其中，U 2 为施加交流激励信号后测量线圈的感应电压，µ 0 为标准磁导率，f为交流激励信号频率，N 1为激励线圈匝数，N 2为测量线圈匝数，I 1 为施加交流激励信号后激励线圈的工作电流，I o 为激励线圈的开路电流，U 2o 为测量线圈的开路电压，R s 为储气库平均半径，r o 为中心管外径。
本发明提供的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统及方法，所涉及的盐穴储气库位于地下，中心管1竖向设置在储气库中，通过中心管1向地下注入卤水11的方式成型，再通过中心管1排出卤水11的方式空出空间以存储气体9。相比于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用中心管1的感抗与气液界面10高度成正比的关系，将气液界面10高度转化为中心管1阻抗来实现测距，提示了测量准确性，测量数据可靠性佳。
(2)本发明利用中心管1的感抗远大于卤水11阻抗的性质，使用交流电信号作为激励信号，利用中心管1感抗与卤水11阻抗大小有显著不同，达到测量液位高度的目的。
(3)本发明使用线圈感应的方法，将中心管1中的电压与电流转化为线圈电压与电流进行测量，缩小了测量装置体积、简化了电压电流测量过程。
(4)本发明提供的一种基于磁耦合型多相态导纳识别与储气库测距系统与方法，其使用的磁耦合导纳测量装置3仅需使用一组线圈，具有良好的可回收性与稳定性。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，其特征在于，包括：井下激励源（2）、磁耦合导纳测量装置（3）和地表主机；所述磁耦合导纳测量装置（3）设置在储气库内的中心管（1）外壁，且位于储气库顶端以下、液面以上，所述井下激励源（2）与所述磁耦合导纳测量装置（3）连接；所述磁耦合导纳测量装置（3）、所述井下激励源（2）分别与所述地表主机通过无线信号通信连接；
所述井下激励源（2）用于提供交流激励信号；
所述磁耦合导纳测量装置（3）包括激励线圈和测量线圈，所述激励线圈用于将所述交流激励信号施加到中心管（1）上，所述测量线圈用于测量中心管（1）的反馈信号；
所述地表主机用于根据磁耦合导纳测量装置（3）的开路测量数据、通路测量数据、中心管（1）的反馈信号以及交流激励信号的参数计算得到储气库中液面距离储气库顶端的高度。
2.根据权利要求1所述的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，其特征在于，所述磁耦合导纳测量装置（3）还包括磁环、交流电压表与交流感应电流表；所述激励线圈与测量线圈共同绕制在同一磁环上，所述磁环套设在所述中心管（1）的外周；
所述激励线圈的一端与所述井下激励源（2）的信号输出端连接，用于将所述交流激励信号以电磁感应的方式施加到中心管（1）上；
所述测量线圈用于感应中心管（1）的反馈信号；
所述交流电压表用于监测测量线圈的开路电压以及工作电压；
所述交流感应电流表用于监测激励线圈的开路电流以及工作电流。
3.根据权利要求2所述的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，其特征在于，所述激励线圈匝数为N 1，测量线圈匝数为N2，激励线圈与测量线圈的匝数比为N，N 1、N2、N为正整数。
4.根据权利要求2所述的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，其特征在于，所述磁环与所述中心管（1）之间设有绝缘层（4）。
5.根据权利要求1所述的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，其特征在于，所述储气库的顶端设有扶正器（7），所述扶正器（7）设置在储气库的顶端内壁与中心管（1）的外壁之间，用于维持中心管（1）的方向。
6.根据权利要求1所述的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，其特征在于，所述井下激励源（2）为交流电压源或交流电流源中任一种，所述井下激励源（2）提供的交流激励信号频率范围为10kHz~100kHz。
7.根据权利要求1所述的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距系统，其特征在于，所述磁耦合导纳测量装置（3）以及所述井下激励源（2）均位于储气库内液面最高位以上。
8.一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距方法，基于权利要求1~7中任一项所述的储气库测距系统，其特征在于，包括：
S1，测量激励线圈的开路电流Io和测量线圈的开路电压U2o；
S2，将磁耦合导纳测量装置（3）安装到中心管（1）外壁，向激励线圈输入额定频率的交流激励信号，激励线圈以磁感应的方式将交流激励信号施加到中心管（1）上，所述测量线圈以磁感应的方式测量中心管（1）的电压；
S3，测量激励线圈的工作电流I1以及测量线圈的感应电压U2；
S4，根据所述激励线圈的开路电流Io、工作电流I1，以及交流激励信号频率、所述测量线圈的开路电压U2o、感应电压U2，计算得到储气库中液面距离储气库顶端的高度。
9.根据权利要求8所述的一种磁耦合型多相态导纳识别的储气库测距方法，其特征在于，步骤S4中，通过下式计算得到储气库中液面距离储气库顶端的高度H：
其中，U2为施加交流激励信号后测量线圈的感应电压，也即测量线圈测得的中心管1电压，µ0为标准磁导率，f为交流激励信号频率，N 1为激励线圈匝数，N2为测量线圈匝数，I1为施加交流激励信号后激励线圈的工作电流，Io为激励线圈的开路电流，U2o为测量线圈的开路电压，Rs为储气库平均半径，ro为中心管外径。
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