一种用于中高温地热井动水条件下的静水位监测方法与流程

本发明涉及地热井水位检测技术领域，具体为一种用于中高温地热井动水条件下的静水位监测方法。

背景技术：

地热井，指的是井深3500米左右的地热能或水温大于30℃的温泉水来进行发电的方法和装置，地热分高温、中温和低温三类。高于150℃，以蒸汽形式存在的，属高温地热；90℃～150℃，以水和蒸汽的混合物等形式存在的，属中温地热；高于25℃、低于90℃，以温水、温热水、热水等形式存在的，属低温地热。

根据2015年世界地热大会报告，世界范围的地热开发利用以每年7％左右的复合速率增长，地热资源的开发与应用具有十分广阔的前景。国内的地热开发以中低温为主，主要用于建筑供暖，地热井井深多为2000至3000米。地热井用于供暖需要下泵抽水、大排量产液和防砂防垢，对地热井的井身结构设计提出了新的要求。地热井开采过程中

存在出水量、水温、井口压力或静水位衰减快，沉砂严重，开采水层与表层水容易互窜，产能测试困难等问题，这些问题是当前地热井钻井完井的技术难题。地热井施工成本较高，地热供暖项目利润较低，已经成为制约地热产业规模扩大的瓶颈。为此，笔者以河北、河南、山东、辽宁等地实际作业环境和地质条件为基础，开展了地热井钻井完井工艺技术研究，优化了各区域钻井完井工程设计，并开展现场实践验证了效果，形成了适合不同地区不同热储类型的钻井完井工艺技术，解决了地热井产能衰减、开采水层与表层水互窜和出砂等问题，保障了地热产业的规模快速发展。

市面上销售的水位计最大量程一般在200米左右，最高在300米以上，这种水位计很难在这么大的量程范围内满足高精度要求，一般在0.5％左右，折合误差为1.5米，对某些测量严格的条件下，误差过大。

所以现有技术中的地热井水位监测方法存在以下缺陷：

(1)地热井的位置较深，一般仪器无法在深井高温下工作，而且采集的信号无法传输上来；

(2)现有仪器只能监测某一个距离段的水位信息，需要根据需要，定期调整期安装位置，操作比较麻烦。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种用于中高温地热井动水条件下的静水位监测方法，本发明在地热井内长距离安装一个防高温的管道，在管道内利用霍尔开关式传感器和浮球内强磁体的作用来定时检测水位信息，能实现长距离的地热井水位检测，不需要定期调整其安装位置；检测的信息直接通过内部的导线传输至控制部分，并且将检测装置的顶端安装在地热井内能实现与地面信号传输的位置，能有效的解决现有技术中地下传输信号差的问题，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于中高温地热井动水条件下的静水位监测方法，包括如下步骤：

步骤100、在地热井内安装水位检测装置；

步骤200、在某个检测时间段内设定若干个水位监测时间区间，在每个区间内采集若干组水位信息；

步骤300、将每个区间内采集的水位信息拟合平均值，得到每个区间的静水位信息；

步骤400、将所有区间的静水位信息进行回归分析，得到某个时间段的静水位信息。

进一步地，所述水位检测装置包括平衡水位空心柱腔，在所述的平衡水位空心柱腔底端设有缓冲进水装置，顶端设有控制单元，在平衡水位空心柱腔的侧面竖直安装有一块传感器安装板，在所述的传感器安装板上等间距设有若干个与控制单元连接的霍尔开关式传感器，在所述的平衡水位空心柱腔内设有浮球，并在所述的浮球内安装有强磁体。

进一步地，所述缓冲进水装置包括安装在平衡水位空心柱腔底部的肚容腔，以及与肚容腔底部连接的进水口，所述进水口的底部边缘向外翻出。

进一步地，所述水位检测装置采集水位信息的方法包括如下步骤

步骤101、设定水位检测装置的基准位置；

步骤102、开启控制单元，霍尔开关式传感器通电后，得到与浮球内的强磁体感应的霍尔开关式传感器的位置信息；

步骤103、根据霍尔开关式传感器与基准位置的距离得出水位信息；

步骤104、水位在动态情况下，等时间段采集若干水位信息传输至控制单元进行分析处理得出静水位信息。

进一步地，所述水位信息的处理方法包括如下步骤：

步骤201、得到每个水位监测时间区间的若干组水位信息并存储，并打包成数据包进行存储；

步骤202、将每个区间的数据包分析处理得到每个区间的静水位信息并存储，将某个时间段的所有静水位信息打包成数据包进行存储；

步骤203、将该时间段的数据包分析处理得到该时间段的静水位信息进行存储。

进一步地，所述浮球的直径为30mm，相邻的霍尔开关式传感器之间的间距为10mm。

进一步地，所述控制单元采用ARM单片机作为核心控制器，所述ARM单片机连接有与霍尔开关式传感器连接的信号处理模块，所述ARM单片机将接收到的水位信息通过显示模块显示出来。

进一步地，所述ARM单片机将水位信息数据打包成固定的协议格式传送给地面监测系统。

进一步地，所述水位检测装置的顶端可根据地热井的通信距离安装在地热井内部，也可以接近地面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明在地热井内长距离安装一个防高温的管道，在管道内利用霍尔开关式传感器和浮球内强磁体的作用来定时检测水位信息，能实现长距离的地热井水位检测，不需要定期调整其安装位置。

(2)本发明检测的信息直接通过内部的导线传输至控制部分，并且将检测装置的顶端安装在地热井内能实现与地面信号传输的位置，能有效的解决现有技术中地下传输信号差的问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的水位检测装置框图。

图中的标号为：

1-平衡水位空心柱腔；2-缓冲进水装置；3-控制单元；4-传感器安装板；5-霍尔开关式传感器；6-浮球；7-强磁体；301-肚容腔；302-进水口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种用于中高温地热井动水条件下的静水位监测方法，包括如下步骤：

步骤100、在地热井内安装水位检测装置；

步骤200、在某个检测时间段内设定若干个水位监测时间区间，在每个区间内采集若干组水位信息；

步骤300、将每个区间内采集的水位信息拟合平均值，得到每个区间的静水位信息；

步骤400、将所有区间的静水位信息进行回归分析，得到某个时间段的静水位信息。

通过上述四个步骤可以分别得到不同时间间隔内不同的水位检测信息，可以根据实际需要，提取不同时间段内、不同时间间隔的水位检测信息，具有检测的多种选择性。检测结果利用数学的一些理论分析，得到最可靠的数据。

如图2所示，本实施方式中，水位检测装置包括平衡水位空心柱腔1，在的平衡水位空心柱腔1底端设有缓冲进水装置2，顶端设有控制单元3，在平衡水位空心柱腔1的侧面竖直安装有一块传感器安装板4，在的传感器安装板4上等间距设有若干个与控制单元3连接的霍尔开关式传感器5，在的平衡水位空心柱腔1内设有浮球6，并在的浮球6内安装有强磁体7；控制单元3采用ARM单片机作为核心控制器，ARM单片机连接有与霍尔开关式传感器5连接的信号处理模块，ARM单片机将接收到的水位信息通过显示模块显示出来；ARM单片机将水位信息数据打包成固定的协议格式传送给地面监测系统。

在本实施方式中，缓冲进水装置2包括安装在平衡水位空心柱腔1底部的肚容腔201，以及与肚容腔201底部连接的进水口202，进水口202的底部边缘向外翻出。

进水口202的底部边缘向外翻出方便进水，进水后通过肚容腔201达到一个缓冲效果，避免动水条件下，水在平衡水位空心柱腔内向上的冲力比较大。

在本实施方式中，水位检测装置采集水位信息的方法包括如下步骤

步骤101、设定水位检测装置的基准位置；

步骤102、开启控制单元，霍尔开关式传感器通电后，得到与浮球内的强磁体感应的霍尔开关式传感器的位置信息；

步骤103、根据霍尔开关式传感器与基准位置的距离得出水位信息；

步骤104、水位在动态情况下，等时间段采集若干水位信息传输至控制单元进行分析处理得出静水位信息。

其中水位信息的处理方法包括如下步骤：

步骤201、得到每个水位监测时间区间的若干组水位信息并存储，并打包成数据包进行存储；

步骤202、将每个区间的数据包分析处理得到每个区间的静水位信息并存储，将某个时间段的所有静水位信息打包成数据包进行存储；

步骤203、将该时间段的数据包分析处理得到该时间段的静水位信息进行存储。

例如：设定检测时间段为60分钟，水位监测时间区间为10分钟，在每个区间采集10组水位信息。

其具体监测方法为：

首先，设定一个水位检测装置的基准位置，可以设定平衡水位空心柱腔的顶端为基准位置，这个基准位置在安装水位检测装置时是可知的。

然后，开启控制单元，根据预先写入的程序，每隔1分钟启动一次霍尔开关式传感器，每次启动时间为5秒，得到每次的水位检测信息；将第一个10分钟内的10次水位检测信息分别存储，并且打包成数据包，同时也进行存储，将该数据包进行解析、分析处理得到第一个10分钟内的静水位信息；

最后根据上述步骤，再依次检测剩下9个10分钟的情况，分别进行存储，最后得到60分钟内的10个水位监测时间区间的静水位信息，将10个静水位信息打包成数据包存储，并在需要的时候解析、分析处理得到该时间段60分钟的总体静水位信息。

在本实施方式中，通过设置水位监测时间区间以及时间段，利用该分层式检测，可以获得三个不同层次的数据：

第一个是，每隔一分钟检测的水位信息，也就是保存了60分钟内60个水位检测信息；

第二个是，每隔10分钟的一次总结静水位信息；获得该时间段60分钟内10个静水位信息；

第三个是：该时间段60分钟总体的净水新信息概况。

在本实施方式中，浮球的直径为30mm，相邻的霍尔开关式传感器之间的间距为10mm。

霍尔开关式传感器和线性霍尔片一样，都是基于霍尔效应原理工作的。霍尔开关式传感器输出有两种状态，即高电平和低电平。本文采用霍尔开关式传感器型号为OH3144。

OH3144霍尔开关式传感器采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整期、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和一个集电极开路的三极管组成的磁敏传感电路如图1所示。当磁场作用在霍尔片上时，根据霍尔效应，霍尔元件输出霍尔电压UH，该电压经过放大器放大后，送入施密特整形电路，当放大后的UH电压大于阈值电压Uth时，施密特电路发生翻转，输出高电平，使半导体三极管导通；当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压UH很小，放大后的UH电压小于阈值电压Uth时，施密特电路由导通状态翻转为截止状态，输出为低电平，导致三极管截止。由于霍尔开关式传感器内部的集成电极开路，所以工作时必须外加上拉电阻。

本实施方式中，检测原理是：

利用漂浮在水位上的浮球的位置来判断水位的高度，将该装置竖直置于地热井中，当地热井中的水位发生变化时，对应的浮球也随之上升或下降，由此触发霍尔开关式传感器输出低电平，由于霍尔开关式传感器之间的距离已知，基础位置已知，通过ARM单片机采集处理霍尔开关式传感器输出的电平信号，即可得知水位的高度，最后可由显示模块显示当前水位高度，或者将水位信息传输至地面监测系统。

本实施方式中，水位检测装置的顶端可根据地热井的通信距离安装在地热井内部，也可以接近地面。

根据液位测量原理可知，霍尔片之间的距离越小，则液位测量的分辨率就会越大；反之，分辨率会越小，当霍尔开关式传感器工作时，ARM单片机依据事先设计好的程序来判断哪个霍尔开关式传感被感应。

本实施方式中，浮球的直径选择30mm，霍尔开关式传感的间距选择10mm，其电路的整体输出比较稳定，当浮球的中心基本正对霍尔片时，此时正对的霍尔片被感应，输出低电平，其余的霍尔片输出为高电平，根据理论实验可知：当浮球的中心位于两个霍尔片中间时，并且霍尔片间距大于18mm时，此时相邻的两个霍尔片不会感应，输出都为高电平，当霍尔片间距小于15mm时，此时相邻的两个霍尔片被同时感应，输出为低电平；当霍尔片间距小于4mm时，连续3个或4个霍尔片都会被同时感应，造成输出电平的不平稳。所以本实施方式选择10mm。可以准确的检测到浮球的位置信息。

在本实施方式中，平衡水位空心柱腔采用耐高温的材料，并且在霍尔开关式传感器的表面安装一个具有防水功能以及耐温的保护套。

本发明在地热井内长距离安装一个防高温的管道，在管道内利用霍尔开关式传感器和浮球内强磁体的作用来定时检测水位信息，能实现长距离的地热井水位检测，不需要定期调整其安装位置；检测的信息直接通过内部的导线传输至控制部分，并且将检测装置的顶端安装在地热井内能实现与地面信号传输的位置，能有效的解决现有技术中地下传输信号差的问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。