CN105840178B - 一种面向盐穴储库溶腔的在线监控***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向盐穴储库溶腔的在线监控***及方法，装置包括地面单元和井下单元，采用超大规模可编程逻辑器件和内嵌的软核微处理器，使井下仪器高度集成，同时采用探针式传感器，克服了狭窄空间的瓶颈，解决了在小井孔环空中放置测量装置的问题，在很大程度上推进了溶腔工艺的发展，装置通过设定了一组不等长的探针，利用电容极板间固定的参考长度，动态检测出探针所处卤水的介电常数，实现了溶腔监控过程中对电容传感器的自动刻度，消除了传统的电容检测方法因为矿化度变化导致介电常数变化对测量结果的影响，有效地解决了腔体顶板形态的误判问题。

Description

一种面向盐穴储库溶腔的在线监控***及方法

技术领域

本发明涉及一种盐穴储库溶腔监控方法及装置，特别是涉及溶腔过程中在线监控溶腔顶板高度。

背景技术

地下盐穴储库是利用水溶方式在地下盐层或盐丘中形成洞穴，用来储存天然气、原油等介质的一种地下设施。与传统的地面储罐相比，地下盐穴储库因具有储备规模大、安全性高和占地少等优点。因此，它成为了石油储备基地建设的优选储存方案。造腔工程技术是盐穴储库建造过程中耗时最长，技术最复杂的一项技术。它包括两个核心的问题：一是如何建造出一个稳定的腔体形状；二是如何提高盐穴造腔速度。对于如何建造稳定的腔体形状，又包含两个关键的技术：一是腔体形状设计，二是造腔过程中腔体形态的控制。在腔体溶解过程中,由于重力分异作用,导致纵向的上部盐层溶解相对快,横向的盐层溶解相对慢,如不采取控制措施,盐层顶部将很快被溶解,因而，不满足储库所要求的形态。

工程实现的目的在于，对溶腔过程中腔体顶板位置进行检测，得到一条反映腔体顶板高度的实时曲线。利用盐层不溶于油但溶于水的特性，在腔体中加入柴油作为隔离剂，隔断腔体上部盐层直接与淡水接触。因此，通过对造腔过程中柴油和淡水分界面的在线检测，实现腔体顶板的保护，从而控制造腔腔体的形态。

由于地下盐穴储库常建在地下1000米左右，造腔施工周期长，施工井孔环空空间小，监控装置需放置井孔内2-3年，油水界面波动范围达数十米等实际情况，地面储罐中采用的油水界面测量方法，如浮球式、差压式、短波吸收式、射频导纳式等不能适应溶腔作业环境。另外，在盐穴的溶腔过程中，随着溶腔过程的进行，环境发生变化，如卤水中盐的浓度逐步增大，矿化度会变大，介电常数会变小。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种盐穴储库溶腔在线监控方法及装置，其解决了储库溶腔过程中的全自动化处理、在线检测、实时传输和自动刻度等问题，实现腔体顶板高度的精确测量和实时监控，从而控制腔体的顶部形态。

本发明所采用的技术方案是：

一种面向盐穴储库溶腔的在线监控***，包括地面单元和井下单元，地面单元与井下单元通过电缆绞车、滑轮组和一根7芯电缆连接，所述7芯电缆中1#和4#缆芯负责供电，2#和5#缆芯负责传送地面单元下发的命令和井下单元上传的测量数据，其余缆芯空余，电缆外皮接地；所述井下单元包括：

井下控制器，用于解码分析地面单元下发的命令并以此控制井下单元中各模块工作，同时分析处理井下单元采集到的溶腔内状态信息并进行编码操作；

模式转换模块，用于根据控制命令转换井下单元的自检或测量两种工作模式；

测量及变换模块，用于测量电容值并将电容值转换成频率；

传感器组，包括一个压力传感器、一个温度传感器和一个三极板电容传感器；压力传感器、温度传感器均与井下控制器电连接，用于监测溶腔内的压力和温度；三极板电容传感器依次通过模式转换模块、测量及变换模块与井下控制器电连接，用于监测油水界面高度；

井下曼码调理电路，与井下控制器电连接，由变压器、差动放大器、滞回比较器和稳压电路组成，用于向地面单元发送井下控制器编码后的井下状态信息，并对上传信号进行调理，使信号利于在电缆上传输，克服电缆容抗对信号的影响。

作为优选，所述三极板电容传感器为探针式传感器，其三个电容极板设置为两长一短，通过三个极板间的电容值差异判断油水界面高度。

作为优选，所述井下单元还包括两组除垢装置，一组对应三极板电容传感器的两个长极板，另外一组对应三极板电容传感器的短极板，所述除垢装置包括步进电机、与步进电机转轴连接的推杆和设置在三极板电容传感器极板上的除垢刮片，所述步进电机与井下控制器电连接，由处理器控制步进电机工作，通过推杆带动除垢刮片对极板进行除垢操作。

作为优选，所述地面单元包括：

地面控制器，用于解码分析井下单元上传的顶板高度、温度、压力信息并发送给远程计算机，接收远程计算机指令并进行编码；同时控制地面单元各模块完成相应功能；

地面曼码调理电路，与地面控制器电连接，由变压器、差动放大器、滞回比较器和稳压电路组成，用于向井下单元发送地面控制器编码后的下发的控制命令，并对信号进行调理，使信号利于在电缆上传输，克服电缆容抗的影响；

深度测量模块，与地面控制器电连接，用于深度脉冲信号的相位判别和深度脉冲的计数，地面控制器读取脉冲计数值后计算出井下仪器的初始深度值；

无线通信模块，与地面控制器电连接，用于实现地面单元与远程控制服务器的信息交互；

显示模块，与地面控制器电连接，用于显示命令、井下仪器的初始深度、腔体顶板界面的测量高度、温度、压力以及推杆的位置等信息，同时也可以方便***的调试；

报警模块，与地面控制器电连接，包括声音报警和灯光报警，用于提醒腔体顶板界面测量的上限或下限。

作为优选，所述报警模块包括2种频率的声音报警和2种颜色的灯光报警，高频率的声音和红色灯光表示腔体顶板界面超过了测量的上限，低频率的声音和黄色灯光表示腔体顶板界面超过了测量的下限。

作为优选，所述地面控制器和井下控制器选用Cyclone V系列的G3CX型FPGA芯片，采用内嵌Nios II软处理器。

一种面向盐穴储库溶腔的在线监控方法，包括以下步骤：

步骤1，设置电缆绞车，移动井下单元，使三极板电容传感器全部浸入柴油中；

步骤2，启动地面单元，通过地面控制器下发井下单元自检或者测量命令，并通过地面曼码调理电路对控制命令进行编码；

步骤3，井下控制器通过井下曼码调理电路接收并解码地面单元下发的自检或测量命令，控制模式转换模块将固定电容或者三极板电容传感器接入电路，同时采集溶腔内温度、压力及除垢刮片位置信息；

步骤4，基于等精度测频原理，井下单元对输入信号进行频率或者周期测量，将测量的频率或者周期数据进行曼彻斯特编码上传；

步骤5，地面控制器对上传的频率或者周期数据进行解码，计算出界面的高度，将测量数据在LCD上实时显示，同时将测量结果通过无线通信模块传入计算机。

作为优选，所述步骤4还包括井下控制器通过温度传感器和压力传感器采集井下溶腔内的温度值和压力值，并进行编码后上传。

作为优选，步骤2中地面单元向井下单元发送的命令帧格式由命令头、命令控制字、命令尾组成；步骤4中井下单元向地面单元发送的数据帧除了包括测量到的频率或者周期外，还包括温度值，压力值和除垢刮片的位置信息。

作为优选，步骤3中，模式转换模块将固定电容接入电路进行***自检，用于确定***状态是否正常；模式转换模块将三极板电容传感器接入电路进行油水界面测量模式，根据三极板电容传感器与油水界面相对位置的不同，电容的差异，利用多谐振荡器实现电容到频率的转换。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明对现场溶腔过程中的顶板界面、腔体形态测量等工作都已全自动化方式替代了，给溶腔工作节省了大量的人工成本；装置采用超大规模可编程逻辑器件和内嵌的软核微处理器，使井下仪器高度集成，同时采用探针式传感器，克服了狭窄空间的瓶颈，解决了在小井孔环空中放置测量装置的问题，在很大程度上推进了溶腔工艺的发展；装置采用数据编码的方式，使井下仪器和地面仪器实现了可靠的远距离传输，从根本上解决了地面实时监控地下盐穴溶腔的状态，实现了实时在线监控；装置通过设定了一组不等长的探针，利用电容极板间固定的参考长度，动态检测出探针所处卤水的介电常数，实现了溶腔监控过程中对电容传感器的自动刻度，消除了传统的电容检测方法因为矿化度变化导致介电常数变化对测量结果的影响，有效地解决了腔体顶板形态的误判问题；装置设置了自检和测量2种工作模式，通过自检工作模式，在地面可以对整套装置的工作状态进行监控，提高了装置的可靠性；装置设置了除垢刮片，根据地面下发的除垢指令，在电机的控制下可以对探针进行自动除垢，消除了探针长期处在卤水中生垢的隐患，保证探针长期的灵敏度；通过设置，装置在测量工作模式时，采用等精度测频原理，解决了传统测频法中测量误差与被测信号频率有关的问题；装置采用无线网络通信和串行数据通信的方法与上位机连接，使装置现场测量的数据实时传至后台服务器，在很大程度上满足了数字油田发展的需求。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的地面单元设计原理框图。

图3是本发明实施例提供的井下单元设计原理框图。

图4是本发明实施例提供的在线监控方法流程图。

图中所示：1.地面单元，2.井下单元，3.电缆绞车，4.滑轮组，11.地面控制器，12.地面曼码调理电路，13.深度测量模块，14.无线通信模块，15.显示模块，16.报警模块，21.井下控制器，22.模式转换模块，23.测量及变换模块，24.传感器组，25.井下曼码调理电路，26.除垢装置，241.压力传感器，242.温度传感器，243.三极板电容传感器

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图1，该图为本发明实施例提供的一种面向盐穴储库溶腔的在线监控***，包括地面单元1和井下单元2，地面单元1与井下单元2通过电缆绞车3、滑轮组4和一根7芯电缆连接，所述7芯电缆中1#和4#缆芯负责供电，2#和5#缆芯负责传送地面单元1下发的命令和井下单元2上传的测量数据，其余缆芯空余，电缆外皮接地；地面下发的指令主要有自检指令、测量指令和除垢指令，井下上传的数据主要包括：顶板高度、压力、温度和除垢刮片的位置等信息。

地面仪器向井下仪器下发命令帧格式：

0X5555

命令控制字

0XAAAA

命令帧格式说明：0X5555表示命令头，0XAAAA表示命令尾，中间的命令控制字表示地面仪器向井下仪器发送的具体命令，命令控制字为0X0701表示井下仪器做自检操作，命令控制字为0X0702表示井下仪器做测量操作，命令控制字为0X0703表示井下仪器做除垢开始操作，除垢刮片向下移动，命令控制字为0X0704表示井下仪器做除垢返回操作，除垢刮片向上移动。

井下仪器向地面传送数据帧格式：

0X0707

温度值

压力值

顶板高度

长推杆位置

短推杆位置

0XF0F0

数据帧格式说明：0X0707表示数据头，0XF0F0表示数据尾，中间数据分别表示测量的温度值、压力值、顶板高度以及长推杆位置和短推杆位置，温度值为16位，压力值为16位，顶板高度为2个32的数据位，分别对应计数值Nx和Ns。长推杆位置为32位，短推杆为32位，分别对应微型步进电机的步数。

地面单元1，如图2所示，包括：地面控制器11，选用Cyclone V系列的G3CX型FPGA芯片，采用内嵌Nios II软处理器来解码分析井下单元2上传的顶板高度、温度、压力信息并发送给远程计算机，接收远程计算机指令并进行编码；同时控制地面单元1各个模块完成相应功能；地面曼码调理电路12，与地面控制器11电连接，由变压器、差动放大器、滞回比较器和稳压电路组成，用于向井下单元2发送地面控制器21编码后的下发的控制命令，并对信号进行调理，使信号利于在电缆上传输，克服电缆容抗的影响；深度测量模块13，与地面控制器11电连接，用于深度脉冲信号的相位判别和深度脉冲的计数，地面控制器11读取脉冲计数值后计算出井下仪器的初始深度值；无线通信模块14，与地面控制器11电连接，用于实现地面单元1与远程控制服务器的信息交互；显示模块15，与地面控制器11电连接，用于显示命令、井下仪器的初始深度、腔体顶板界面的测量高度、温度、压力以及推杆的位置等信息，同时也可以方便***的调试；报警模块16，与地面控制器11电连接，包括2种频率的声音报警和2种颜色的灯光报警，高频率的声音和红色灯光表示腔体顶板界面超过了测量的上限，低频率的声音和黄色灯光表示腔体顶板界面超过了测量的下限。

所述井下单元2，如图3所示，包括：井下控制器21，井下控制器同样选用Cyclone V系列的G3CX型FPGA芯片，采用内嵌Nios II软处理器来解码分析地面单元1下发的命令并以此控制井下单元2中各个模块工作，同时分析处理井下单元2采集到的溶腔内状态信息并进行编码操作；模式转换模块22，用于根据控制命令转换井下单元2的自检或测量两种工作模式；测量及变换模块23，用于测量电容值并将电容值转换成频率；传感器组24，包括一个压力传感器241、一个温度传感器242和一个三极板电容传感器243；压力传感器241、温度传感器242均与井下控制器21电连接，用于监测溶腔内的压力和温度；三极板电容传感器243为探针式传感器，其三个电容极板设置为两长一短，通过三个极板间的电容值差异判断油水界面高度，三极板电容传感器243依次通过模式转换模块22、测量及变换模块23与井下控制器21电连接；井下曼码调理电路25，与井下控制器21电连接，与地面曼码调理电路一样，由变压器、差动放大器、滞回比较器和稳压电路组成，用于向地面单元1发送井下控制器21编码后的井下状态信息，并对上传信号进行调理，使信号利于在电缆上传输，克服电缆容抗对信号的影响；

此外井下单元2还包括两组除垢装置26，一组对应三极板电容传感器243的两个长极板，另外一组对应三极板电容传感器243的短极板，所述除垢装置26包括步进电机、与步进电机转轴连接的推杆和设置在三极板电容传感器243极板上的除垢刮片，所述步进电机与井下控制器21电连接，由处理器控制步进电机工作，通过推杆带动除垢刮片对极板进行除垢操作。

本发明还包括采用上述***实现的一种面向盐穴储库溶腔的在线监控方法，如图4所示，包括以下步骤

步骤1，设置电缆绞车，移动井下单元，使三极板电容传感器全部浸入柴油中；

步骤2，启动地面单元，通过地面控制器下发井下单元自检或者测量命令，并通过地面曼码调理电路对控制命令进行编码；

步骤3，井下控制器通过井下曼码调理电路接收并解码地面单元下发的自检或测量命令，控制模式转换模块将固定电容或者三极板电容传感器接入电路，同时采集溶腔内温度、压力及除垢刮片位置信息；

步骤4，基于等精度测频原理，井下单元对输入信号进行频率或者周期测量，将测量的频率或者周期数据同溶腔内的压力值和温度值一起进行曼彻斯特编码上传；

步骤5，地面控制器对上传的频率或者周期数据进行解码，计算出界面的高度，将测量数据在LCD上实时显示，同时将测量结果通过无线通信模块传入计算机。

当执行自检操作时，井下仪器接入一个固定的电容至测量电路，经电路变换后将电容值转成频率值，进行频率测量，按照数据输出格式向地面仪器上传数据，自检模式时上传的温度值、压力值、推杆位置均设定为固定的值，这些值用来检测***中各设备是否正常工作。

当执行测量操作时，传感器探针接入测量电路，传感器探针的输出信号反映了溶腔顶板的高度，经电路变换后将探针输出信号转换成脉冲信号，转换成脉冲信号的频率对应于溶腔顶板的高度。顶板高度的自检和测量共用同一个变换电路，根据命令的不同，井下控制器控制继电器的通断，实现自检和测量的切换。对脉冲信号频率的测量采用等精度测量原理，其步骤是Nios II处理器输出同步控制信号，利用被测信号的上升沿去触发，产生同步计数使能信号，高电平有效，这就保证了计数使能信号维持时间是被测信号周期的整数倍。在计数使能信号有效的条件下，利用2个32位的计数器同时对被测脉冲计数和标准脉冲计数，设定被测脉冲计数值Nx和标准脉冲计数值Ns，Nios II处理器分别读取计数值Nx和Ns。利用公式fx＝(Nx*fs)/Ns，求出被测信号频率fx，从而测得溶腔顶板的高度信息。对于温度的测量，选用热电阻温度传感器，通过直流电桥将温度信息变换成电压信号，经过放大滤波后进行采集；对于压力的测量，选用压阻传感器，通过直流电桥将压力信息变换成电压信号，经过放大滤波后进行采集。利用等精度测频方法，极大地提高了频率的测量精度，解决了传统测频法中频率测量误差与被测信号频率有关的问题。基于一组不等长的探针，利用长探针和短探针之间固定的参考长度，动态检测出探针所在卤水中的介电常数，实现了溶腔监控过程中对探针信号的自动补偿，消除了传统的电容检测方法因为矿化度变化导致介电常数变化对测量结果的影响，有效地解决了腔体顶板形态的误判问题。

当执行除垢开始操作时，井下控制器按照推杆的行程，输出2组控制脉冲给微型步进电机，一组脉冲对应长探针，一组对应短探针，电机顺时针方向旋转带动推杆向下移动，推杆移动带动除垢刮片向下移动。当执行除垢返回操作时，井下控制器按照推杆的行程，输出2组控制脉冲给微型步进电机，一组脉冲对应长探针，一组对应段探针，电机逆时针方向旋转带动推杆向上移动，推杆移动带动除垢刮片向上移动，将除垢刮片收回。

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (7)

1.一种面向盐穴储库溶腔的在线监控***，包括地面单元（1）和井下单元（2），地面单元（1）与井下单元（2）通过电缆绞车（3）、滑轮组（4） 和一根 7 芯电缆连接，所述 7 芯电缆中 1#和 4#缆芯负责供电，2#和 5#缆芯 负责传送地面单元（1）下发的命令和井下单元（2）上传的测量数据，其余 缆芯空余，电缆外皮接地；其特征在于：所述井下单元（2）包括：

井下控制器(21)，用于解码分析地面单元（1）下发的命令并以此控制井 下单元（2）中各模块工作，同时分析处理井下单元（2）采集到的溶腔内状 态信息并进行编码操作；

模式转换模块(22)，用于根据控制命令转换井下单元（2）的自检或测量 两种工作模式；

测量及变换模块(23)，用于测量电容值并将电容值转换成频率；

传感器组(24)，包括一个压力传感器（241）、一个温度传感器（242）和 一个三极板电容传感器（243）；压力传感器（241）、温度传感器（242） 均与井下控制器(21)电连接，用于监测溶腔内的压力和温度；三极板电容传感 器（243）依次通过模式转换模块（22）、测量及变换模块（23）与井下控制 器(21)电连接，用于自动在线监测油水界面高度，所述三极板电容传感器（243）为探针式传感器，其三个电容极板设置 为两长一短，通过三个极板间的电容值差异判断油水界面高度；

固定电容，所述固定电容依次通过模式转换模块（22）、测量及变换模块（23）与井下控制器(21)电连接，用于在线监控***的自检；

井下曼码调理电路(25)，与井下控制器（21）电连接，由变压器、差动放 大器、滞回比较器和稳压电路组成，用于向地面单元（1）发送井下控制器（21） 编码后的井下状态信息，并对上传信号进行调理，使信号利于在电缆上传输， 克服电缆容抗对信号的影响；

所述井下单元（2）还包括两组除垢装置（26），一组对应三极板电容传 感器（243）的两个长极板，另外一组对应三极板电容传感器（243）的短极 板，所述除垢装置（26）包括步进电机、与步进电机转轴连接的推杆和设置 在三极板电容传感器（243）极板上的除垢刮片，所述步进电机与井下控制器（21）电连接，由所述井下控制器（21）的处理器控制步进电机工作，通过推杆带动除垢刮片对极板 进行除垢操作；

所述地面单元（1）包括：

地面控制器（11），用于解码分析井下单元（2）上传的顶板高度、温度、 压力信息并发送给远程计算机，接收远程计算机指令并进行编码；同时控制 地面单元（1）各模块完成相应功能；

地面曼码调理电路（12），与地面控制器（11）电连接，由变压器、差 动放大器、滞回比较器和稳压电路组成，用于向井下单元（2）发送地面控制 器（21）编码后的下发的控制命令，并对信号进行调理，使信号利于在电缆 上传输，克服电缆容抗的影响；

深度测量模块（13），与地面控制器（11）电连接，用于深度脉冲信号 的相位判别和深度脉冲的计数，地面控制器（11）读取脉冲计数值后计算出 井下仪器的初始深度值；

无线通信模块（14），与地面控制器（11）电连接，用于实现地面单元 （1）与远程控制服务器的信息交互；

显示模块（15），与地面控制器（11）电连接，用于显示命令、井下仪 器的初始深度、腔体顶板界面的测量高度、温度、压力以及推杆的位置信 息，同时也可以方便***的调试；

报警模块（16），与地面控制器（11）电连接，包括声音报警和灯光报 警，用于提醒腔体顶板界面测量的上限或下限。

2.根据权利要求 1 所述一种面向盐穴储库溶腔的在线监控***，其特征 在于：所述报警模块（16）包括 2 种频率的声音报警和 2 种颜色的灯光报警， 高频率的声音和红色灯光表示腔体顶板界面超过了测量的上限，低频率的声 音和黄色灯光表示腔体顶板界面超过了测量的下限。

3.根据权利要求 1 所述一种面向盐穴储库溶腔的在线监控***，其特征 在于：所述地面控制器（11）和井下控制器（21）选用 Cyclone V 系列的 G3CX 型 FPGA 芯片，采用内嵌 Nios II 软处理器。

4.一种面向盐穴储库溶腔的在线监控方法，所述方法采用如权利要求 1 至 3 任一所述的***，其特征在于：包括以下步骤：

步骤 1，设置电缆绞车，移动井下单元，使三极板电容传感器全部浸入 柴油中；

步骤 2，启动地面单元，通过地面控制器下发井下单元自检或者测量命 令，并通过地面曼码调理电路对控制命令进行编码；

步骤 3，井下控制器通过井下曼码调理电路接收并解码地面单元下发的 自检或测量命令，控制模式转换模块将固定电容或者三极板电容传感器接入 电路，同时采集溶腔内温度、压力及除垢刮片位置信息；

步骤 4，基于等精度测频原理，井下单元对输入信号进行频率或者周期 测量，将测量的频率或者周期数据进行曼彻斯特编码上传；

步骤 5，地面控制器对上传的频率或者周期数据进行解码，计算出界面 的高度，将测量数据在 显示模块 上实时显示，同时将测量结果通过无线通信模块 传入计算机。

5.根据权利要求 4 所述的一种面向盐穴储库溶腔的在线监控方法，其特 征在于：所述步骤 4 还包括井下控制器通过温度传感器和压力传感器采集井 下溶腔内的温度值和压力值，并进行编码后上传。

6.根据权利要求 4 或 5 所述的一种面向盐穴储库溶腔的在线监控方法， 其特征在于：步骤 2 中地面单元向井下单元发送的命令帧格式由命令头、命 令控制字、命令尾组成；步骤 4 中井下单元向地面单元发送的数据帧除了包括测量到的频率或者周期外，还包括温度值，压力值和除垢刮片的位置信息。

7.根据权利要求 4 所述的一种面向盐穴储库溶腔的在线监控方法，其特 征在于：步骤 3 中，模式转换模块将固定电容接入电路进行***自检，用于 确定***状态是否正常；模式转换模块将三极板电容传感器接入电路进行油 水界面测量，根据三极板电容传感器与油水界面相对位置的不同，电容 的差异，利用多谐振荡器实现电容到频率的转换。

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