盐穴储气库气液界面激光测距方法探讨_王升.pdf

盐穴储气库气液界面激光测距方法探讨王升（中石化江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北 武汉 ）摘要在盐穴储气库中需要监测注气采卤时储气库内气、液界面实时深度，以保证穴腔顶板安全。针对盐穴库环境特点，分析现有常见无线液面测距方法的优缺点，提出基于脉冲激光测距的气液界面测距方法，并设计出适用于盐穴储气井气液界面深度连续监测的激光测距装置。关键词储气井；气液界面；激光测距 中图分类号 ；文献标识码 文章编号 （）：盐穴储气库在建腔过程中，由于各种原因形成一些畸形盐腔，严重的会影响储气库的运行安全，有时需对畸形盐腔进行修复。修复或储气阶段，井筒处于带压环境，采用传统有缆的方式对不同介质界面的测量，带压施工工艺较为复杂，通讯线缆需要穿越井口，并要求达到长期气密封的效果，存在一定的安全泄漏隐患。因此，现场需要一种基于无线传输的液位测量方式，满足储气库气液界面监测的需求。储气库无线液位测量方法储气库通常依靠注入或排出液体来调整天然气的储量，需要对气液面深度进行精准监测。由于储气库井下的测量环境和测量条件较为恶劣，相较于声波法、浮筒法、电磁波法等测距方法，激光测距法的装置体积小，重量轻，能够安装在井下双层管道的夹层中，同时激光与声波等信号相比，具有较好的单色性、相干性、方向性和测量速度快的优点。文中将以激光测距技术为核心，阐述一种用于盐穴储气库气液界面变化的实时无线测距技术。储气库气液界面激光测距工艺原理激光测距模块需要对变化的液面进行测量，液面有波动，且激光到达液面时，产生反射、折射。在注入、排出天然气的过程中，储气库腔内因气体流动而形成大风，也会因注入、排出液体而产生的水雾漂浮在腔体中，以上因素都会对激光在储气库的腔体内传播产生或多或少的影响。激光测距模块需要选择较强的激光脉冲，并采取合适的测量原理，以克服不利传输条件。激光测距原理激光测距所采用的基本原理是通过激光测距模块的发射器发射一个光脉冲，光脉冲在传输过程中遇到目标物后发生反射，发射波在返回时被激光测距模块接收，会测量得到光脉冲从发射到被接受过程所需要的时间，此时算得光速与测量时间的乘积则为测量距离的二倍。若设激光测距仪和目标物之间的距离为，光脉冲从发射到被接受过程所需要的时间为，光在空气中的传播速度为，则所测量距离为：（）储气库内激光测距装置在安装及进行测距时，可以使激光探头与竖直方向呈一定角度发射激光，到测量液面后反射回到测量探头。通过发射与接收激光信号的时间差获得距离数据（图）。江 汉 石 油 职 工 大 学 学 报 年 月 第 卷第期 收稿日期 作者简介王升（），男，大学，工程师，现主要从事科技管理工作。图 储气库内激光探头的测量示意图相对中心管和套管，接箍处有 左右的凸起台阶，如果垂直向下进行测量很容易测量到凸起的短节或管道侧壁，不能获得精准数据。因此采用一定的角度进行测量，结果如下：（）式中：为激光测距仪和目标物之间的距离，为光脉冲从发射到被接受过程所需要的时间，为光脉冲在空气中的传播速度，为激光测距模块激光探头与竖直方向的夹角。激光调制方式优选按照不同的时间测量方式，激光测距可以分为对脉冲进行测量的脉冲式测距法和对光脉冲相位进行测量的相位法。脉冲式激光测距法脉冲式激光测距所采用的基本原理是通过发射器发射出测量脉冲，在测量脉冲遇到目标物并返回后，计算得到测量脉冲的周期数量，从而得到光脉冲从发射到被接受过程所需要的时间为。采用脉冲式激光测距时，光脉冲的周期通常较大，即发射的光脉冲为宽脉冲，通过计算光脉冲的周期数量，并且明确一个周期的时长，即可得到光脉冲传播所消耗的时间，通过公式（）得到测量距离。设一个周期的时长为，从发射第一个光脉冲到接收到第一个反射脉冲过程中，发射器所发射光脉冲的总个数为，则测量距离可用下式表示：（）根据公式（）可知，影响脉冲式激光测距的测量精确度的最主要因素是测量时间，测量时间又与测量频率密切相关，可以得到结论：脉冲式激光测距的精确度是由所发射脉冲的频率决定，由于采用的是宽脉冲以方便计数，当要提高精度时，脉冲频率高，周期窄，计数将变得非常困难，所以通常情况下脉冲式激光测距的精度比较低，测量误差较大。相位式激光测距法相位测距法是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的的相位变化，间接测量时间。在实际工作时，测距装置内部信号发生器产生信号，通过激光机产生激光，发射至被测气液界面表面。激光被液面反射后被接收器接受，通过放大滤波得到返回的测量信号。通过确定参考信号与测量信号之间的相移，相移与光程成正比。根据上述原理，可得到相位法测得的光束往返所需时间为：（）（）式中：为所选用光的角频率，为光的频率，为相移周期数，为不足一周期的相移。因此，待测距离可表示为：（）（）式中：为激光信号的波长；为正整数，表示激光信号波长的整数倍；为发射和接受的激光信号之间的相位差。对上述公式进行微分，得到其测距精度为：（）（）式中：表示光尺长度，其表达式为。由公式（）可知，是可通过鉴相器求出，但是值无法通过鉴相器得出，上述公式因此存在多值解的问题。为使得测距结果唯一，需将待测距离控制在一个光尺长度内，即令 。此时，待测距离的表达式变为：（）同时，根据公式（）可知，测量的距离与精度之间相互矛盾，即系统采用的波长越大，能测到的模糊距离越大，但同时精度就越低。常用方法是采用双系统调制频率，通过在系统中引入两个不同的调制频率，即粗测光尺与精测光尺。精测光尺其调制频率较大，可以提高测距精度。粗测光尺其频率较低，可以保证测距距离。两种测距方法优劣对比相位法与脉冲法本质是两种不同的测取时间差的手段：王升盐穴储气库气液界面激光测距方法探讨）在距离上，脉冲法测量距离可达数公里，而相位法难以突破百米。相位法瞬时功率不大，导致当测量距离较大时，能量会损耗在光信号传播的路上。）在精度上，脉冲式测距精度在米级，明显弱于毫米级精度的相位法测距。）在测距所需反应时间上，相位法由于需对系统发射与接收的光信号进行相位比较从而得到距离信息，因此脉冲法所需反应时间远少于相位法。）从被测目标上，脉冲式测距法无需对待测物体表面做特殊处理。而相位法在特定场景下需在被测物体表面采用增强反射性能的措施以提高测距精度。）从体积上，相位法电路复杂，因体积较大受限制，加大了系统与电路的设计难度。综上所述，脉冲式与相位式测距方法优劣势明显，考虑到盐穴库内对测量精度要求仅为厘米级，对于装置体积提出较高要求，因此脉冲法测距，能较好地满足 的测距精度要求，同时其体积较小，可设计满足环形空间要求。激光测距装置设计与测试针对储气库内的工作环境及测量要求，提出适用于储气库激光测距模块的技术指标如表所示：表 储气库内激光测距模块的技术指标表参数列表技术指标使用环境温度 使用环境压强 探测气体环境天然气（甲烷）气体氛围探测距离 探测精度 驱动电压 功耗 预估尺寸高度 多回波功能有输出无线传输相比于常规的激光测距装置，本次针对储气库所设计的技术指标更加严格，需要能够适用于储气库恶劣条件，完成预计的测量目标，能够实现长期井下工作，并且其测量结果可以通过无线传输的方法向地面进行传输。光学系统设计激光测距方案拟采用半导体光源，经过光学准直输出，由自由空间传输至油气液层表面，再由接收透镜和探测器接收返回信号光，通过计算信号光来回的时间差，得到油气液层的高度。为保障工具在寸套管内顺利下入、提供注采通道，和满足带压作业施工工艺要求，将测距模块安装固定在卡箍里面，将卡箍设计成耐高压的通光设计，整体装置采用电池供电，整体小型化装置设计五块支撑立柱与三块安装电路板空间，在环形空间上划分发射镜头与接收镜头的空间，满足环形空间要求。为了减少光学透镜的像差，优化接收光信号的光信号质量，光学设计采用高阶非球面透镜，可以达到衍射极限的探测效果，提升探测距离。选用合适的光学焦距及对应的透镜形状，优化透镜的非球面外形参数，实现最佳的准直效果。光路高度控制在 以内，结合安装结构件的尺寸要求，整体控制在 以内。激光测距系统模拟测试为验证工艺的适应性和测量准确性，在模拟井进行模拟试验，步骤如下：）将装置置于试验井井口，通过卷尺测量井内液面距离井口距离。）对测距装置进行单次测距操作，确保装置工作正常。）将装置高度固定，进行多次测距操作，取平均值作为测量高度，基于卷尺读出实际高度。）分别调整不同液面深度，重复步骤。）将装置高度从 稳定地下降至，间隔 对装置下达测距命令，记录数据。经多次测试，总体上装置测量范围 ，测量精度满足 的要求。结论）通过对激光测距基本原理、激光测距特性、激光测距配套机械结构等关键技术的探索，确立了基于脉冲式激光测距原理的设计思路，简述了一种可适应盐穴储气库畸形腔修复和储气时气水界面检测的激光无线测距方法。）激光无线测距方法工艺具有良好的技术可行性，对解决储气井气液界面深度变化的连续监测，提供一种新颖的测试手段。（下转第 页）江 汉 石 油 职 工 大 学 学 报（）：李德伟，杨瑞召，孟令斌，等煤储层中微地震事件震级影响因素分析 煤炭学报，（）：，（，）：，：；编辑熊敏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏（上接第 页）参考文献 马建平，尚建华，孙嘉曈，贺岩，罗远基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距系统中国激光，（）：胡开君，巴金红 盐 穴 储 气 库 造 腔 井 油 水 界面 位 置 控 制 方 法 石油化工应用，（）：（，）：，：；编辑熊敏袁凯页岩气压裂微地震一体化实时评价技术