基于地热井深实时液位—温度测量系统的研究

张红杰++郭知明

摘 要：基于地热井深实时液位-温度系统的研究主要是对地下压力和地下水温度进行实时监测，其监测指标是监测地面沉降和地质板结的重要指标，且采取的手段多种多样，最普遍的为压力法和射频导纳监测法，测量范围为0～1 000 m。评估方法采用《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059[1].1—2012）和国家计量检定规程《液位计检定规程》（JJG 971—2002），严格按照国家规程测量。

关键词：液位-温度系统；射频导纳法；地面沉降；土质板结

中图分类号：TF391.41 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.017

地面沉降和土质板结一直是困扰城市建设和农业生产的重要问题，其地下水位压力和地下水温度是监测地面沉降和土质板结的重要指标。现在国内外普遍采用压力式水位计于冷水井中监测水位和温度。采用这种方式测得的温度、水位范围较小，不能从根本上体现地面沉降所监测的数值和造成土质板结所监测的温度。本文所研究的在线地热井深实时液位-温度测量系统采用压力法和射频导纳法，能够很好地解决现有监测手段在监测过程中所遇到的普遍问题，是对现有地面沉降和土质板结监测技术创新性的改良与拓展，是对共性关键技术的突破。其在线地热井深动态液位-温度测量系统监测技术的研发和应用将满足多监测地点的监测任务和需求，也是对其他监测手段的带动与促进。系统液位测量范围为0～1 000 m，温度测量范围为-20～125 ℃。同时，该系统具有动态、抗干扰、深动态水位射频导纳在线测量等优点。系统采用微型模块化设计，传感器芯片采用快速测深和混合芯片设计网表，设计了测量数据数字长线耐高温传输功能模块。

1 基本思路

从“放置”“以静测动”的研究理念出发，克服了压差传感原理的长线测量线缆中心导气管折堵问题和电导原理的不可能深动态测量问题，消除了深动态水位直接电容在线测量监测系统因潜水电泵变频带来的水位数据可靠性低的弊端。

2 集成传感器的设计

集成传感器的设计流程：分立元器件试制成功—嵌入集成模块化设计—形成微型片上系统—嵌入地热井智能检测系统。

3 测量原理

可供选择的方法有电热法、电阻法和射频导纳法。经过反复试验论证，确定采用电热法和射频导纳法。但是，由于采用传统的压力测量能更好地降低蒸汽影响，因此最终确定采用压力法和射频导纳法。压力法的测量原理为测量水面以下某一点的压力，减去大气压，计算测点以上水柱的高度，下入总长减去水柱高度即可得到水位埋深值；射频导纳法液位测量原理为利用地热井液面的变化引起导纳量（电阻与电容的和）的变化，进而获得水位埋深值（根据空气与水电介质常数的不同）。

上述两组数据经过标定、最小二乘回归，可列出二元超定方程组，通过求解这个超定方程组，可以精确可以计算出实际水位。

4 原材料性能

原材料性能要求为：①信号缆。护套采用辐照交联聚乙烯，耐温最高达125 ℃，经受横向水压2 MPa，抗腐蚀、抗拉，防水、屏蔽网为射频波接收等级。②传感芯片。借用了潜艇和深潜器快速测深与测温混合芯片设计网表，采用了耐高温SiC材料在××厂流片制造，芯片内嵌入数字转换单元、压力和温度校正参数单元，使用温度可达125 ℃。

上下两层采集器设计：在传感器端（下端采集器）设计了测量数据数字长线耐高温传输功能模块，在采集器上端设计了信号和接收单元、压力和温度校正参数的快速计算模块，降低了成本，缩小了传感器的体积。现场数据库和无线远端数据库设计可方便不同用户自选。

共进行了如下四次试验：

第一次：三种原理样机在HX-36井（Jxw热储层、水温87 ℃、总矿化度1 785 mg/L）。

线性度：电热法=电阻法>射频导纳法；

灵敏度：电热法=电阻法<射频导纳法；

抗干扰能力（包括电磁干扰和温度场干扰）：电热法>电阻法>射频导纳法；

传感制作工艺的复杂程度：电热法>电阻法>射频导纳法；

数据采集器电路的复杂程度：射频导纳法>电阻法>电热法。

最终确定将电热法和射频导纳法作为系统设计的基本原理。

第二次：将三台不同发射频率（100 K、50 K、10 K）动态RCL精密电桥测量仪+DSP（数字信号处理器）研制成的液位-温度监测系统在HD-02井进行了测试试验。结果表明，系统抗干扰能力差，需要进一步改进。

第三次：将分立元器件构成的在线地热井深动态液位-温度测量系统在HX-36井内进行试验。

发现的问题：系统在单独测量水位和温度时正常工作，但测量时温度读数误差大，因此，需要对该系统作进一步改进，即采用分时和测量隔离模块，保证系统能够正常工作。

第四次：对产品原理进行了调整，采用压力测量原理和射频导纳原理，并分别在HD-09和NK-18两眼地热井中进行了试验（两眼井均停采）。

试验结果：自动监测的水位数据和人工监测的数据具有很好的一致性，且稳定性较好，现场数据库也在试运行中。水位数据和人工监测数据如图1所示。

图1 水位数据和人工监测数据

参考文献

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作者简介：张红杰，女，工程师，主要研究方向为仪表计量。郭知明，男，工程师，主要研究方向为仪表计量。

〔编辑：刘晓芳〕