基于地熱井深實時液位—溫度測量系統的研究

張紅杰++郭知明

摘 要：基于地熱井深實時液位-溫度系統的研究主要是對地下壓力和地下水溫度進行實時監測，其監測指標是監測地面沉降和地質板結的重要指標，且采取的手段多種多樣，最普遍的為壓力法和射頻導納監測法，測量范圍為0～1 000 m。評估方法采用《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059[1].1—2012）和國家計量檢定規程《液位計檢定規程》（JJG 971—2002），嚴格按照國家規程測量。

關鍵詞：液位-溫度系統；射頻導納法；地面沉降；土質板結

中圖分類號：TF391.41 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.017

地面沉降和土質板結一直是困擾城市建設和農業生產的重要問題，其地下水位壓力和地下水溫度是監測地面沉降和土質板結的重要指標。現在國內外普遍采用壓力式水位計于冷水井中監測水位和溫度。采用這種方式測得的溫度、水位范圍較小，不能從根本上體現地面沉降所監測的數值和造成土質板結所監測的溫度。本文所研究的在線地熱井深實時液位-溫度測量系統采用壓力法和射頻導納法，能夠很好地解決現有監測手段在監測過程中所遇到的普遍問題，是對現有地面沉降和土質板結監測技術創新性的改良與拓展，是對共性關鍵技術的突破。其在線地熱井深動態液位-溫度測量系統監測技術的研發和應用將滿足多監測地點的監測任務和需求，也是對其他監測手段的帶動與促進。系統液位測量范圍為0～1 000 m，溫度測量范圍為-20～125 ℃。同時，該系統具有動態、抗干擾、深動態水位射頻導納在線測量等優點。系統采用微型模塊化設計，傳感器芯片采用快速測深和混合芯片設計網表，設計了測量數據數字長線耐高溫傳輸功能模塊。

1 基本思路

從“放置”“以靜測動”的研究理念出發，克服了壓差傳感原理的長線測量線纜中心導氣管折堵問題和電導原理的不可能深動態測量問題，消除了深動態水位直接電容在線測量監測系統因潛水電泵變頻帶來的水位數據可靠性低的弊端。

2 集成傳感器的設計

集成傳感器的設計流程：分立元器件試制成功—嵌入集成模塊化設計—形成微型片上系統—嵌入地熱井智能檢測系統。

3 測量原理

可供選擇的方法有電熱法、電阻法和射頻導納法。經過反復試驗論證，確定采用電熱法和射頻導納法。但是，由于采用傳統的壓力測量能更好地降低蒸汽影響，因此最終確定采用壓力法和射頻導納法。壓力法的測量原理為測量水面以下某一點的壓力，減去大氣壓，計算測點以上水柱的高度，下入總長減去水柱高度即可得到水位埋深值；射頻導納法液位測量原理為利用地熱井液面的變化引起導納量（電阻與電容的和）的變化，進而獲得水位埋深值（根據空氣與水電介質常數的不同）。

上述兩組數據經過標定、最小二乘回歸，可列出二元超定方程組，通過求解這個超定方程組，可以精確可以計算出實際水位。

4 原材料性能

原材料性能要求為：①信號纜。護套采用輻照交聯聚乙烯，耐溫最高達125 ℃，經受橫向水壓2 MPa，抗腐蝕、抗拉，防水、屏蔽網為射頻波接收等級。②傳感芯片。借用了潛艇和深潛器快速測深與測溫混合芯片設計網表，采用了耐高溫SiC材料在××廠流片制造，芯片內嵌入數字轉換單元、壓力和溫度校正參數單元，使用溫度可達125 ℃。

上下兩層采集器設計：在傳感器端（下端采集器）設計了測量數據數字長線耐高溫傳輸功能模塊，在采集器上端設計了信號和接收單元、壓力和溫度校正參數的快速計算模塊，降低了成本，縮小了傳感器的體積。現場數據庫和無線遠端數據庫設計可方便不同用戶自選。

共進行了如下四次試驗：

第一次：三種原理樣機在HX-36井（Jxw熱儲層、水溫87 ℃、總礦化度1 785 mg/L）。

線性度：電熱法=電阻法>射頻導納法；

靈敏度：電熱法=電阻法<射頻導納法；

抗干擾能力（包括電磁干擾和溫度場干擾）：電熱法>電阻法>射頻導納法；

傳感制作工藝的復雜程度：電熱法>電阻法>射頻導納法；

數據采集器電路的復雜程度：射頻導納法>電阻法>電熱法。

最終確定將電熱法和射頻導納法作為系統設計的基本原理。

第二次：將三臺不同發射頻率（100 K、50 K、10 K）動態RCL精密電橋測量儀+DSP（數字信號處理器）研制成的液位-溫度監測系統在HD-02井進行了測試試驗。結果表明，系統抗干擾能力差，需要進一步改進。

第三次：將分立元器件構成的在線地熱井深動態液位-溫度測量系統在HX-36井內進行試驗。

發現的問題：系統在單獨測量水位和溫度時正常工作，但測量時溫度讀數誤差大，因此，需要對該系統作進一步改進，即采用分時和測量隔離模塊，保證系統能夠正常工作。

第四次：對產品原理進行了調整，采用壓力測量原理和射頻導納原理，并分別在HD-09和NK-18兩眼地熱井中進行了試驗（兩眼井均停采）。

試驗結果：自動監測的水位數據和人工監測的數據具有很好的一致性，且穩定性較好，現場數據庫也在試運行中。水位數據和人工監測數據如圖1所示。

圖1 水位數據和人工監測數據

參考文獻

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作者簡介：張紅杰，女，工程師，主要研究方向為儀表計量。郭知明，男，工程師，主要研究方向為儀表計量。

〔編輯：劉曉芳〕