CN103590826A

CN103590826A - 一种地下大型水平溶腔的探测装置

Info

Publication number: CN103590826A
Application number: CN201310559667.0A
Authority: CN
Inventors: 梁卫国; 赵阳升; 李更新; 徐素国
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2014-02-19

Abstract

一种地下大型水平溶腔的探测装置，属于地下深部特殊空间探测利用范畴。其特征在于该试验装置由驱动螺旋桨、右转螺旋桨、驱动电机、右转电机、电池组、控制器、电子罗盘、3D声纳成像仪、光电转换接口、拖缆、左转电机和左转螺旋桨组成。本发明利用新研制的在水中可自行运移的地下大型水平溶腔探测装置，对废弃水平型盐岩溶腔进行形状与尺寸的全息测量，克服了现有探测装置尺寸大、不能进行水平溶腔测量的缺点与不足，对地下数千米深处以浅的所有充水空间均可进行实时在线探测。

Description

一种地下大型水平溶腔的探测装置

技术领域

本发明一种地下大型水平溶腔的探测装置，属于地下深部特殊空间探测利用范畴。主要用于地下水平型盐岩溶腔的腔体形状及尺寸探测，是一种先进、高效、直观、可靠的地下特殊空间探测装置。

背景技术

随着经济与社会的快速发展，国家能源战略储备日益迫切。由于地质赋存条件优、密封性好、安全稳定程度高，地下盐岩溶腔被公认为是油气储存及废物处置的理想场所。我国西气东输工程的下游配套储气库即选址于盐岩溶腔，目前我国中部地区石油储库也选择建于盐岩溶腔中。但是，利用传统水溶法建造盐岩溶腔过程中，产生的卤水很难一次达到盐化企业标准，同时原地排放也十分困难，因此盐岩溶腔储库建造速度十分缓慢。与此同时，由于我国悠久的盐矿开采历史，在江苏、河南、湖北等地存在大量的废弃盐岩溶腔，根据水溶开采方法不同，这些废弃溶腔有垂直型与水平型两种。对这些废弃溶腔进行改造后用于油气储存或废物处置，具有经济、环保、高效等多重效益。在对废弃溶腔利用之前，必须首先对其结构形状与尺寸大小进行测量。由于我国地下盐岩矿床一般埋深比较大（数百至数千米深），根据国外经验，其探测多采用声纳探测法。但是，传统的声纳探测装置与方法对垂直型溶腔实施容易，而对在地下盐矿床中水平赋存、直径在数十米乃至上百米、长度达数百米的水平型盐岩溶腔，传统声纳探测装置与方法则无法适用。

发明内容

本发明一种地下大型水平溶腔的探测装置的目的在于，克服传统垂直盐岩溶腔探测装置与方法难以适用的缺点与不足，根据地下水平型盐岩溶腔赋存特征与腔体探测要求，公开提供一种能够满足地下深部废弃水平盐岩溶腔腔体测量的先进、高效、直观、可靠的探测装置与相应方法。

本发明提供一种地下大型水平溶腔探测装置，其特征在于是一种根据3D声纳成像、地磁场探测、光纤传导和自适应控制技术设计的、能够边运移边探测、实时调整姿态、在地下深部废弃水平盐岩溶腔溶液中测量盐岩溶腔的几何特征并将测量信息及时反馈地面的自动控制前行的探测装置，该探测装置由驱动螺旋桨1、右转螺旋桨2、驱动电机3、右转电机4、电池组5、控制器6、电子罗盘7、3D声纳成像仪8、光电转换接口9、拖缆10、左转电机11和左转螺旋桨12组成；驱动电机3、右转电机4、电池组5、控制器6、电子罗盘7、3D声呐成像仪8、光电转换接口9、左转电机11的主体都置于密闭耐压探测装置内部；3D声纳成像仪的探测头置于探测装置的前部；拖缆10外挂于探测装置重心铅垂线方向底部；驱动螺旋桨1、右转螺旋桨2和左转螺旋桨12置于探测装置尾部；驱动螺旋桨1由驱动电机3驱动，右转螺旋桨2由右转电机4驱动，左转螺旋桨12由左转电机11驱动，驱动电机3、右转电机4和左转电机11由电池组5供电；驱动电机3驱动探测装置向前运动，在探测装置前行的过程中，3D声纳成像仪8采集地下大型水平溶腔的地理信息，通过光电转换接口9和通讯光纤传至地面监控***13，在显示屏上实时显示地下大型水平溶腔的三维形貌，同时电子罗盘7实时检测探测装置的航向角，通过光电转换接口9和通讯光纤传至地面监控***13，经处理后向控制器6发送控制信号，控制右转电机4或左转电机11，及时调整姿态，使探测装置按照预定轨迹运动；控制器6由C8051F020单片机、RS485模块、光耦隔离及功率放大模块、电池组电量监测模块组成，主要完成信号的采集处理，产生电机的驱动信号，并监测电池组5的电量；光电转换接口9采用NWF201，实现一路RS232或RS485信号转换，通过光纤进行长距离传输,其所述的探测装置可通过直径大于150mm的垂直井筒并下放至2000～3000m深的地下水平型溶腔中，并在充满水的溶腔溶液中边运移边对径向尺寸小于150m的溶腔的地貌特征与相关几何参数进行探测。

上述一种地下大型水平溶腔探测装置的探测方法，其特征在于是一种根据3D声纳成像、地磁场探测、光纤传导和自适应控制技术设计的、能够边运移边探测、实时调整姿态、在地下深部废弃水平盐岩溶腔溶液中测量盐岩溶腔的几何特征并将测量信息及时反馈地面的自动控制前行的探测装置的探测方法：该方法根据盐岩溶腔地质赋存条件，选择满足基本地质条件的水平溶腔进行测量；在对水平溶腔实施测量之前，首先需要对连通水平溶腔的连通直井与造斜井进行铣井作业并将水平溶腔注满水；将研制的特殊探测装置，从连通水平溶腔的斜井井口下放至井底溶腔内；启动探测装置，装置在水溶液中可以按设定行进速度，向垂直井底目标方向自动前进，并可自动识别绕开腔底障碍物，3D声纳成像仪采集地下大型水平溶腔的地理信息，通过光电转换接口和通讯光纤传至地面监控***，在显示屏上实时显示地下大型水平溶腔的三维形貌及特征参数，以供溶腔储库的可用性评判及稳定性分析，其具体实施的步骤为：

1) 根据盐岩矿床地质资料及区域盐矿开采历史，确定满足地质条件基本要求选择的探测目标为：地下盐矿床中水平赋存、直径为50～150m、长度300～500m的水平型盐岩溶腔；

2) 在1)中所选择的水平型盐岩溶腔的垂直井与造斜井，分别下套铣工具进行铣井，并做必要修井以满足本发明探测装置下放与其他测腔基本需求；

3) 对水平型盐岩溶腔实施注水作业，保障腔体内充满溶液，并溢出井口；

4) 从水平型盐岩溶腔的斜井中，下放溶腔探测装置至井底溶腔中部，进行装置定位；

5) 启动探测装置，探测装置按设定速度朝目标井方向行进并进行全方位测量与信息反馈；

6) 通过地面实时监控***，根据装置运行及探测结果，适时调整装置行走速度与方向，保障探测结果的有效性与可靠性；

7) 水平溶腔全程探测完后，从斜井撤回探测装置，对获取的探测数据进行处理，获得测量溶腔的真实形状尺寸，本溶腔探测完成。

本发明一种地下大型水平溶腔探测装置的优点在于：与现有垂直型溶腔探测装置与方法相比，该探测装置可通过直径大于150mm的井筒下放至2000～3000m深的地下水平型溶腔，并在充满水的溶腔溶液中自动运移，边运移边探测，保障水平溶腔的高效探测。本发明不仅是地下盐岩溶腔探测装置与方法的重要革新，更为重要的为地下充水空间灾害控制及生命财物救援提供了一种全新的安全保障装置与方法。利用本发明的水中自行运移装置，对废弃水平型盐岩溶腔进行形状与尺寸的全息测量，克服了现有探测装置尺寸大、不能进行水平溶腔测量的缺点与不足，对地下数千米深处以浅的所有充水空间均可进行实时在线探测。其主要用途为：地下水平型盐岩溶腔及其他所有充水空间空洞的实时在线全息探测。

附图说明

图1：地下大型水平溶腔探测装置示意图

图中的标号：1——驱动螺旋桨；2——右转螺旋桨；3——驱动电机；4——右转电机；5——电池组；6——控制器；7——电子罗盘；8——3D声纳成像仪；9——光电转换接口；10——拖缆；11——左转电机；12——左转螺旋桨。

图2：地下大型水平溶腔示意图

图中的标号：13——地面监控***；14——直井；15——地下大型水平溶腔；16——探测器；17——斜井。

具体实施方式

实施方式1：该探测装置由螺旋桨1、微电机2、电池组3、控制器4、声纳探测部分5和平衡吊索6组成；微电机2、电池组3、控制器4及声纳探测部分5的主体都置于密闭耐压探测装置内部；声纳探测部分5的感测头置于探测装置的前部；平衡吊索6外挂于探测装置重心铅垂线方向底部；螺旋桨1置于探测装置尾部；螺旋桨1由微电机2驱动，微电机2由电池组3供电并由控制器4控制；该探测装置能够满足2000m深的水平溶腔的容貌特征探测要求；该探测装置从直径大于160mm的垂直井筒中下放进入水平溶腔，在充满水的深部水平溶腔中沿腔体中部水平运动，同时对径向尺寸为140m溶腔的形貌特征与相关几何参数进行测量，并将测量信息通过光缆及时反馈至地面，具体测量步骤按照下列步骤进行（如附图2所示）：

. 选择满足地质条件基本要求的地下盐岩水平溶腔9进行探测；

. 从连通所选择溶腔的两个斜井8与直井10，分别下套铣工具进行铣井作业，必要情况下进行修井作业以保障探测装置顺利下放至测量盐岩水平溶腔9；

. 从两口井对测量盐岩水平溶腔9实施注水作业，保障腔体内充满溶液；

. 从溶腔的斜井8中，顺管道下放溶腔探测装置至井底溶腔中部，进行装置定位；

. 启动探测装置，在腔体溶液中，探测装置按预先设定行进速度，以目标井方向行进，同时进行腔体全方位测量与信息反馈；

. 通过连接探测装置的地面监控***7，可以观测到地下盐岩水平溶腔9的几何形状与尺寸大小，并根据探测装置运行及探测结果，调整其行走速度与方向，保障探测结果的有效性与可靠性；

. 水平溶腔全程探测完后，从斜井8撤回探测装置，对获取的探测数据进行处理，获得测量盐岩水平溶腔9的真实形状与准确尺寸；

. 本溶腔探测完成，结果用于储库可用性评价与相关分析。

实施方式2：该探测装置能够满足2500m深的水平溶腔的容貌特征探测要求；该探测装置从直径大于180mm的垂直井筒中下放进入水平溶腔，在充满水的深部水平溶腔中沿腔体中部水平运动，同时对径向尺寸为140m溶腔的形貌特征与相关几何参数进行测量，并将测量信息通过光缆及时反馈至地面，其它同实施方式1。

实施方式3：该探测装置能够满足3000m深的水平溶腔的容貌特征探测要求；该探测装置从直径大于200mm的垂直井筒中下放进入水平溶腔，在充满水的深部水平溶腔中沿腔体中部水平运动，同时对径向尺寸为150m溶腔的形貌特征与相关几何参数进行测量，并将测量信息通过光缆及时反馈至地面，其它同实施方式1。

综上所述，本发明主要用于对地下水平型盐岩溶腔的腔体形状及尺寸进行探测。

最后说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的实施方式已经对本发明进行了描述，但本领域的科研技术人员应当明白，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims

1. 一种地下大型水平溶腔探测装置，其特征在于是一种根据3D声纳成像、地磁场探测、光纤传导和自适应控制技术设计的、能够边运移边探测、实时调整姿态、在地下深部废弃水平盐岩溶腔溶液中测量盐岩溶腔的几何特征并将测量信息及时反馈地面的自动控制前行的探测装置，该探测装置由驱动螺旋桨(1)、右转螺旋桨(2)、驱动电机(3)、右转电机(4)、电池组(5)、控制器(6)、电子罗盘(7)、3D声纳成像仪(8)、光电转换接口(9)、拖缆(10)、左转电机(11)和左转螺旋桨(12)组成；驱动电机(3)、右转电机(4)、电池组(5)、控制器(6)、电子罗盘(7)、3D声呐成像仪(8)、光电转换接口(9)、左转电机(11)的主体都置于密闭耐压探测装置内部；3D声纳成像仪的探测头置于探测装置的前部；拖缆(10)外挂于探测装置重心铅垂线方向底部；驱动螺旋桨(1)、右转螺旋桨(2)和左转螺旋桨(12)置于探测装置尾部；驱动螺旋桨(1)由驱动电机(3)驱动，右转螺旋桨(2)由右转电机(4)驱动，左转螺旋桨(12)由左转电机(11)驱动，驱动电机(3)、右转电机(4)和左转电机(11)由电池组(5)供电；驱动电机(3)驱动探测装置向前运动，在探测装置前行的过程中，3D声纳成像仪(8)采集地下大型水平溶腔的地理信息，通过光电转换接口(9)和通讯光纤传至地面监控***(13)，在显示屏上实时显示地下大型水平溶腔的三维形貌，同时电子罗盘(7)实时检测探测装置的航向角，通过光电转换接口(9)和通讯光纤传至地面监控***(13)，经处理后向控制器(6)发送控制信号，控制右转电机(4)或左转电机(11)，及时调整姿态，使探测装置按照预定轨迹运动；控制器(6)由C8051F020单片机、RS485模块、光耦隔离及功率放大模块、电池组电量监测模块组成，主要完成信号的采集处理，产生电机的驱动信号，并监测电池组(5)的电量；光电转换接口(9)采用NWF201，实现一路RS232或RS485信号转换，通过光纤进行长距离传输，其所述的探测装置可通过直径大于150mm的垂直井筒并下放至2000～3000m深的地下水平型溶腔中，并在充满水的溶腔溶液中边运移边对径向尺寸小于150m溶腔的地貌特征与相关几何参数进行探测。

2.权利要求1所述的一种地下大型水平溶腔探测装置的用途，其特征在于是主要用于地下水平型盐岩溶腔及其它所有充水空间空洞的实时在线全息探测。