CN104060984A - 一种监测水源井深水位的射频导纳装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水位监测领域，特别涉及一种监测水源井深水位的射频导纳装置，包括安装在出水管线管壁上的射频导纳传感器探头和安装在水源井井口地面的出水管线法兰盘上的射频导纳变送器接线盒，所述射频导纳传感器探头与射频导纳变送器接线盒通过电缆连接。本发明还提供了监测水源井深水位的方法，包括以下步骤：1）安装射频导纳传感器探头；2）水位信号检测与转换；3）读取水位；4）控制电潜泵工作。本发明与现有的水位测量方法相比，可以对水源井水位进行动态监测，安装方法简单、性能可靠、测量水位范围大可达914米深，误差小1‰，水位超高时自动启动电潜泵向外抽水、干抽时自动停止电潜泵向外抽水，避免干抽烧坏电潜泵并浪费电能的弊端。

Description

一种监测水源井深水位的射频导纳装置及方法

技术领域

本发明涉及水位监测装置的领域，特别涉及一种监测水源井深水位的射频导纳装置及其方法。

背景技术

目前，长庆油田有2000多口水源井，主要存在的问题是：不能动态监测水位变化，每年因抽干而烧坏的电潜泵占整个损坏的电潜泵的65%左右，从而导致修井周期短、费用高，同时电潜泵空转浪费电能也十分严重。水源井水位从几十米到几百米不等，各个采油厂水源井目前现状差不多，均未安装水位监控装置，对水源井深水位无法测量，每次修井时，只能通过出水管观察静液面；当水抽干时，不能及时断电，导致大批水源井电潜泵空转烧坏并浪费大量电能，严重地导致水源井停止供水，由于往地下注水量减少了，地层压力减小、出油率减少，严重影响了原油产量的完成。

传统的测水位的方法大都是将扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体压力传感器投入到水底通过压力变化间接测量水位，最大只能测到150米水位；水位再深时压力传感器的隔膜容易损坏不能使用，传感器的密封也难以解决漏失，并且测量水位误差越来越大，用这种方法显然不能满足测量水源井深水位的要求。

用雷达方法测水位的优点是不受介电常数变化的影响，但最大缺点是只能测到25米水位；利用射频电容液位变送器测水位，最大也才能测20米水位，远远不能满足监测水源井深水位的要求。

发明内容

为了解决目前测水位的方法测量水位量程范围小、误差大的缺点，不能满足监测水源井深水位的问题，而提供一种监测水源井深水位的装置及方法。

本发明提供了一种监测水源井深水位的射频导纳装置，包括安装在出水管线管壁上的射频导纳传感器探头和安装在水源井井口地面的出水管线法兰盘上的射频导纳变送器接线盒，所述射频导纳传感器探头与射频导纳变送器接线盒通过电缆连接。

所述射频导纳传感器探头通过绝缘线平行捆绑在出水管线管壁上，所述射频导纳传感器探头位于电潜泵泵体上部30～50cm处。

所述射频导纳变送器接线盒连接PC上位机，所述PC上位机用于接收射频导纳变送器接线盒发出的电流信号。

本发明还提供了一种监测水源井深水位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，安装射频导纳传感器探头：将射频导纳传感器探头平行固定在电潜泵泵体上部30～50cm处的出水管线上，随电潜泵一起下到井下，然后将射频导纳变送器接线盒安装在水源井井口地面出水管线法兰盘上；

步骤二，水位信号检测与转换：射频导纳传感器探头将检测到的水位信号上传到地面射频导纳变送器接线盒上，射频导纳变送器接线盒经电路转换与之对应的4～20mA电流信号输出上传到PC上位机上；

步骤三，读取水位：通过PC上位机显示出实际水位，并读取水源井水位变化曲线图；

步骤四，控制电潜泵工作：通过实际水位与设定的水位上下值进行比较后，发出指令信号，控制电潜泵工作，高水位自动启动电潜泵向外抽水，干抽时电潜泵停止向外抽水不工作。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、利用安装在电潜泵上的射频导纳装置测量水源井深水位，安装方法简单、性能可靠、测量水位范围大可达914米深，误差小1‰；

2、解决了各采油厂水源井水位没有历史记录，水位不能就地数字显示，水位超高时自动启动电潜泵向外抽水、干抽时自动停止电潜泵向外抽水，经常烧坏电潜泵并浪费电能的弊端；

3、改变一往对水位参数监测花大量时间和精力进行观测、分析、汇总和控制，避免人工操作步骤繁琐，效率低、数据处理的可靠性差、不能动态实时监测水源井深水位动态变化情况和数据不能远传的弊病，为油田水源井深水位测量提供了可靠的监测装置。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的安装示意图；

图2是本发明射频导纳变送器工作原理方框图；

图3是本发明射频导纳变送器电路图；

图4是水源井工况模拟图。

1、射频导纳变送器接线盒；2、出水管线；3、地面出水管线法兰盘；4、井筒；5、射频导纳传感器探头；6、土壤；7、水层；8、电潜泵；9、变频控制柜；10、压力表；11、流量计；12、单流阀；13、闸阀；14、储水罐。

具体实施方式

为了解决目前测水位的方法测量水位量程范围小、误差大的缺点，不能满足监测水源井深水位的问题。本发明提供了一种如图1、图3所示的监测水源井深水位的射频导纳装置，包括安装在和电潜泵相连的出水管线2管壁上的射频导纳传感器探头5以及安装在水源井井口地面出水管线法兰盘3上的射频导纳变送器接线盒1，射频导纳传感器探头5与射频导纳变送器接线盒1连接，参比电缆和井口地面出水管线2底面上一端相连接地，射频导纳变送器接线盒1与PC上位机电连接，PC上位机用于接收射频导纳变送器接线盒1发出的电流信号。

本发明的监测水源井深水位的射频导纳装置工作原理如图2所示，平行安装在和电潜泵连接的出水管线2管壁上的射频导纳传感器探头5与电潜泵出水管线2构成电解电容，其中射频导纳传感器探头5为电解电容的正极，电潜泵连接的出水泵管线2为电解电容的负极，水作为电解质。当电解质水的高度发生变化时，即水源井的水位发生变化时，电容值也发生变化。

对一个强导电性含杂质水源井，由于水是导电的，接地点可以被认为在射频导纳传感器探头5绝缘层的表面，对射频导纳传感器探头5来说仅表现为一个电容和电阻组成的复阻抗，从而引起两个问题。

第一个问题是水位本身对射频导纳传感器探头5相当于一个电容，它不消耗变送器的能量（纯电容不耗能），但挂水对射频导纳传感器探头5等效电路中含有电阻，则挂水的阻抗会消耗能量，从而将振荡器电压拉下来，导致桥路输出改变，产生测量误差。本实施例中通过在振荡器与电桥之间增加一个驱动器，使消耗的能量得到补充因而稳定加在射频导纳传感器探头5的振荡电压。

第二个问题是对于导电水，射频导纳传感器探头5绝缘层表面的接地点覆盖了整个水位及挂水区，使有效测量电容扩展到挂水的顶端，这样便产生挂水误差，且导电性越强误差越大。但任何水都不是完全导电的，从电学角度来看，挂水层相当于一个电阻，射频导纳传感器探头5被挂水覆盖的部分相当于一条由无数个无穷小的电容和电阻元件组成的传输线。根据数学理论，如果挂料足够长，则挂水的电容和电阻部分的阻抗和容抗数值相等，因此用交流鉴相采样器可以分别测量电容和电阻。测量的总电容相当于C水位+C挂水再减去与C 相等的电阻R，就可以获得水位的真实值，从而排除挂水的影响，即C测量 =C水位+C挂水，C水位 =C测量 –C挂水 =C测量 –R 。

为解决射频导纳传感器探头5上的挂水问题，射频导纳传感器探头采用一种新的二同心结构。最里层是中心钢丝，外层是特氟纶屏蔽层，中心钢丝与屏蔽层之间没有电势差，即使射频导纳传感器探头5上挂水阻抗较小，也不会有电流流过，电路测量的只是从射频导纳传感器探头5中心到电潜泵出水泵管线2的电流。因为屏蔽层能阻挡电流沿射频导纳传感器探头5返回流向电潜泵泵出水管线2壁上，因而对地电流只能经射频导纳传感器探头5末端通过被测水流到出水管线2壁上。屏蔽层与出水管线2之间尽管存在电势差，两者之间因此有电流流过，但该电流不被测量，不影响测量结果，这样就将测量端保护起来，不受挂水的影响。

当中间所充介质是介电常数ε₁的空气时，电容量为：c= 2πε₁l/㏑(R/r)，如果电极的一部分被水电介电常数ε₂所浸没时，此时两电极间的电容量c′=c+Δc,假如电极浸没的长度为l，则Δc为：Δc=2π（ε₂-ε₁）l/㏑(R/r)，从式可知，当ε₁、ε₂、r、R不变时，Δc与l成正比关系，因此测出电容增量的数值便可知道水位的高度，其中r、R分比是射频导纳传感器5、出水管线2的半径。

本发明通过采用射频导纳测量方法将电解质的阻抗和容抗信息综合在一起，以被测水介质浸没传感器探头的高度变化，由于这些变化包括电容量和电导量的变化，反映出电压频率的变化，通过射频导纳传感器探头5把电压频率信号发送到井口地面上的射频导纳变送器接线盒1上，经电路转换与之对应的4～20mA电流信号输出上传到PC上位机上，读取水源井水位变化曲线图，并通过PC上位机显示出实际水位，储存1个月水位历史记录。通过实际水位与设定的水位上下值进行比较后，发出指令信号，控制电潜泵8工作，高水位自动启动电潜泵向外抽水，干抽时电潜泵停止向外抽水不工作。

射频导纳装置测水源井水位的实现过程：如图2、3所示，标准正弦信号发生电路发出100kHZ的射频信号，经滤波电路将干扰成分滤掉，获得较纯净的100kHZ的射频信号，电容驱动电路用于提高水位的测量范围。变压器电桥测量电路将水位信号转化为电压信号，测量的电压信号分成2路：包含水位信号和挂水在射频导纳传感器信号；提供采样时刻的同步信号。同步信号经过处理，给出采样时刻，在该时刻对测量信号进行采样，即可获得纯净的水位信号，从而消除射频导纳传感器探头5挂水的影响。检测到的水位信号经过低通滤波电路，消除一些干扰，然后送入可编程序控制***进行A/D转换、数据处理，并通过显示电路显示实际水位，实际水位与设定的水位上下值进行比较，给出控制电潜泵8信号。用户可以通过键盘输入命令信号，对***进行自校准，提高测量精确度。

本实施例还提拱了一种监测水源井深水位的方法，当检修水源井电潜泵8时，把射频导纳传感器探头5平行固定在电潜泵出水管线2上，随电潜泵8一起下到井下，射频导纳变送器接线盒1通过井口地面出水泵管线法兰盘3安装在地面上。首先，量取水源井下电潜泵8的长度，并做以记录，以确保射频导纳传感器探头5进入水源井下的长度；其次，下电潜泵8时用绝缘线把射频导纳传感器探头5捆绑固定在电潜泵2泵上部出水管线约30～50 cm处，射频导纳传感器探头5用于与每节电潜泵泵上出水管线2捆绑一处，然后射频导纳传感器探头5随电潜泵连接的出水泵管线2进入井下，要尽量减少射频导纳传感器探头5与电潜泵连接的出水管线2的捆绑点，并且保持射频导纳传感器5探头平行于电潜泵连接的出水管线2，不能使射频导纳传感器探头5发生旋转扭曲，以免造成测量上的误差；通过射频导纳传感器5探头把信号上传到地面射频导纳变送器接线盒1上，射频导纳变送器接线盒1经电路转换与之对应的4～20mA电流信号输出上传到PC上位机上，读取水源井水位变化曲线图，并通过PC上位机显示出实际水位，储存1个月水位历史记录。通过实际水位与设定的水位上下值进行比较后，发出指令信号，控制电潜泵8工作。

当检出水位大于设定值时，给电潜泵8供380V电压时，电潜泵8开始工作向外抽水，水从电潜泵连接的出水管线2输出；当水层的水位7开始下降时，射频导纳传感器探头5输出的信号值开始减少，地面上的PC上位机反应水层7水位也在减小，当水抽干时，输出的电流变化值小于设定电流值时，地面上的PC上位机给信号断电停止电潜泵8工作不再向外抽水，当水层7的水位上升时，射频导纳传感器探头5输出的信号值在增加，在地面上的PC上位机反应水层7的水位在增高，超过规定的水层7的水位时，射频导纳传感器探头5发出起动信号，启动电潜泵8工作向外抽水，水通过出水管线2向外输出，为了防止土壤6倒塌损坏水源井水层7设置了井筒4。

水源井工况模拟图，如图4所示，变频控制柜9用于电潜泵8切换控制，电潜泵8工作时，水依次通过地面出水管线2水平部分安装的压力表10和流量计11，用于记录出水压力和水量。打开单流阀12和闸阀13后，水进入储水罐14。

射频导纳变送器为现有技术，其工作原理及电路图分别见图2、图3，具体参照专利申请号为201010578690.0的“电容式射频导纳物位变送器及工作方法”。本实施例中射频导纳变送器的型号为508-45-X38，射频导纳传感器的材质为316sss/TFA。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (4)

1.一种监测水源井深水位的射频导纳装置，其特征在于：包括安装在出水管线（2）管壁上的射频导纳传感器探头（5）和安装在水源井井口地面的出水管线法兰盘（3）上的射频导纳变送器接线盒（1），所述射频导纳传感器探头（5）与射频导纳变送器接线盒（1）通过电缆连接。

2.根据权利要求1所述的一种监测水源井深水位的射频导纳装置，其特征在于：所述射频导纳传感器探头（5）通过绝缘线平行捆绑在出水管线（2）管壁上，所述射频导纳传感器探头（5）位于电潜泵（8）泵体上部30～50cm处。

3.根据权利要求1所述的一种监测水源井深水位的射频导纳装置，其特征在于：所述射频导纳变送器接线盒（1）连接PC上位机，所述PC上位机用于接收射频导纳变送器接线盒（1）发出的电流信号。

4.一种监测水源井深水位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，安装射频导纳传感器探头（5）：将射频导纳传感器探头（5）平行固定在电潜泵（8）泵体上部30～50cm处的出水管线（2）上，随电潜泵（8）一起下到井下，然后将射频导纳变送器接线盒（1）安装在水源井井口地面出水管线法兰盘（3）上；

步骤二，水位信号检测与转换：射频导纳传感器探头（5）将检测到的水位信号上传到地面射频导纳变送器接线盒（1）上，射频导纳变送器接线盒（1）经电路转换与之对应的4～20mA电流信号输出上传到PC上位机上；

步骤三，读取水位：通过PC上位机显示出实际水位，并读取水源井水位变化曲线图；

步骤四，控制电潜泵（8）工作：通过实际水位与设定的水位上下值进行比较后，发出指令信号，控制电潜泵（8）工作，高水位自动启动电潜泵向外抽水，干抽时自动停止电潜泵工作向外抽水。