盐岩水平溶腔精细探测的装置及方法.pdf

本发明公开了盐岩水平溶腔精细探测的装置，包括壳体、3D声呐测腔仪、动力泵水管组、动力磁力驱动泵组、浮力泵水管组、浮力磁力驱动泵组、水下高清摄像头、水下探照灯、水下GPS高精度定位导航系统、中央处理器和地面控制台。还包括盐岩水平溶腔精细探测的方法。本发明磁力驱动泵不与盐水接触，避免了水下螺旋桨尾轴密封和盐水腐蚀的难题，装置可以边运移边探测，保障水平溶腔的高效探测；可以对溶腔侧壁进行声呐测距，结合自身坐标生成盐腔的3D形态；引入人工控制避开障碍物更加安全；可以对特定部位进行细节观察和记录，对夹层垮塌的机理，井堵、管堵的机理，不溶物沉积规律以及诸多以前因不可见而难以探明的井下问题更有科研指导意义。

1.  盐岩水平溶腔精细探测的装置，包括壳体（13），其特征在于，还包括
3D声呐测腔仪（2），用于探测溶腔的内部形状并生成测距信息；
动力泵水管组（3），用于向壳体（13）侧部喷射水流进行水平动力驱动；
动力磁力驱动泵组（4），密封设置在壳体（13）上，用于驱动动力泵水管组（3）；
浮力泵水管组（5），用于向壳体（13）上方或者下方喷射水流进行垂直方向动力驱动；
浮力磁力驱动泵组（6），密封设置在壳体（13）上，用于驱动浮力泵水管组（5）；
水下高清摄像头（10），用于提供高清水下摄像并生成水下图像信息；
水下探照灯（11），用于提供水下照明；
水下GPS高精度定位导航系统（12），用于提供地理位置并生成定位信息；
中央处理器（8），接收并存储测距信息、水下图像信息和定位信息，并将测距信息和定位信息发送给地面控制台；
地面控制台（18），用于将测距信息和定位信息合成为3D盐腔形态图并通过中央处理器（8）控制3D声呐测腔仪（2）、动力磁力驱动泵组（4）、浮力磁力驱动泵组（6）、水下高清摄像头（10）、水下探照灯（11）、水下GPS高精度定位导航系统（12）工作。

2.  根据权利要求1所述的盐岩水平溶腔精细探测的装置，其特征在于，所述的动力泵水管组（3）包括前行水管组、后行水管组、左转向水管组和右转向水管组；浮力泵水管组（5）包括上行水管组和下行水管组。

3.  根据权利要求1所述的盐岩水平溶腔精细探测的装置，其特征在于，还包括设置在壳体（13）顶部的浮力平衡气囊（9）。

4.  一种利用权利要求1所述装置进行盐岩水平溶腔精细探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选定被探测的水平型盐岩溶腔（15）；
步骤2、对水平型盐岩溶腔造腔过程中遗留的垂直井（14）与斜井（17）做修井工作；
步骤3、若水平型盐岩溶腔中并没有充满卤水，则通过垂直井（14）或斜井（17）对水平型盐岩溶腔（15）实施注水或补水作业；
步骤4、从垂直井（14）中，垂直下放溶腔探测装置至水平型盐岩溶腔中部；
步骤5、下放到水平型盐岩溶腔中后，打开3D声呐测腔仪（2）、水下高清摄像头（10）、水下探照灯（11）、水下GPS高精度定位导航系统（12），按照预定功率启动动力磁力驱动泵组（4）和浮力磁力驱动泵组（6），实时调整动力磁力驱动泵组（4）和浮力磁力驱动泵组（6）的各个泵的运转，使装置达到静态平衡；
步骤6、静态平衡后，加大水平向的动力磁力驱动泵组（4），使装置前进，并根据摄像头反馈信息实时调整装置运移方向，避开障碍，并通过3D声呐测腔仪（2）进行全方位测量，完成水平段的完全巡历，收集3D声呐测腔仪（2）的测距信息和水下GPS高精度定位导航系统（12）的定位信息反馈到地面控制台（18），地面控制台将定位信息和测距信息形成3D盐腔形态图；
步骤7、完成完全巡历之后，关闭3D声呐测腔仪（2），操作装置掉头，通过形成的3D盐腔形态图和水下GPS高精度定位导航系统（12）对装置进行指向性操作，对选定的特定部位进行实时图像监控观察和记录，并最终回到斜井（17）；
步骤8、从斜井撤回探测装置，对获取的探测数据进行处理，获得测量溶腔的真实形状尺寸和局部的细节影响资料。

盐岩水平溶腔精细探测的装置及方法
技术领域
本发明涉及盐岩水溶开采技术领域，具体涉及盐岩水平溶腔精细探测的装置，还涉及盐岩水平溶腔精细探测的方法，适用于用于地下盐岩溶腔的形状、尺寸、局部细节的探测。
技术背景
盐岩具有渗透率极低、损伤自我修复等特性，而成为适于油气地下储存及废物处置的最佳介质，目前对盐岩溶腔的油气储存利用得到日益重视。新造盐腔过程中需要定期对盐腔宏观形态和溶蚀细节进行探测和观察；另外考虑新造盐岩溶腔效率较为缓慢，对传统水溶法采盐遗留下的盐腔的利用具有更高的性价比，但是传统水溶采盐未考虑及腔体的稳定性问题，故也须对盐岩溶腔的形态进行探测从而优化改造。
现在工业上广泛采用声呐测距成像法来探测盐腔宏观形态，但是这种探测仪对于复杂的盐腔形态难以精确描述，而且传统的声呐法仅仅适用于垂直型盐腔，无法对水平型岩盐溶腔进行有效探测。
另外，溶腔内部夹层的溶蚀变化、垮塌规律，大尺寸岩盐的溶解、崩解形式，溶腔底部不溶物的沉积形态规律，以及可能存在的管堵、管道受损现象等的研究对岩盐溶腔的形态控制、充分利用以及安全高效开发有着重要的意义，但是现在绝大部分的探索都还止步于实验阶段，尚无能够在地下溶腔中直接观测的手段。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，目的是提供盐岩水平溶腔精细探测的装置，还可提供盐岩水平溶腔精细探测的方法，能够满足地下深部废弃水平型盐岩溶腔宏观腔体形态测量及细部直接观察的先进、高效、直观、可靠的探测。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
盐岩水平溶腔精细探测的装置，包括壳体，还包括
3D声呐测腔仪，用于探测溶腔的内部形状并生成测距信息；
动力泵水管组，用于向壳体侧部喷射水流进行水平动力驱动；
动力磁力驱动泵组，密封设置在壳体上，用于驱动动力泵水管组；
浮力泵水管组，用于向壳体上方或者下方喷射水流进行垂直方向动力驱动；
浮力磁力驱动泵组，密封设置在壳体上，用于驱动浮力泵水管组；
水下高清摄像头，用于提供高清水下摄像并生成水下图像信息；
水下探照灯，用于提供水下照明；
水下GPS高精度定位导航系统，用于提供地理位置并生成定位信息；
中央处理器，接收并存储测距信息、水下图像信息和定位信息，并将测距信息和定位信息发送给地面控制台；
地面控制台，用于将测距信息和定位信息合成为3D盐腔形态图并通过中央处理器控制3D声呐测腔仪、动力磁力驱动泵组、浮力磁力驱动泵组、水下高清摄像头、水下探照灯、水下GPS高精度定位导航系统工作。
如上所述的动力泵水管组包括前行水管组、后行水管组、左转向水管组和右转向水管组；浮力泵水管组包括上行水管组和下行水管组。
盐岩水平溶腔精细探测的装置，还包括设置在壳体顶部的浮力平衡气囊。
盐岩水平溶腔精细探测的方法，包括以下步骤：
步骤1、选定被探测的水平型盐岩溶腔；
步骤2、对水平型盐岩溶腔造腔过程中遗留的垂直井与斜井做修井工作；
步骤3、若水平型盐岩溶腔中并没有充满卤水，则通过垂直井或斜井对水平型盐岩溶腔实施注水或补水作业；
步骤4、从垂直井中，垂直下放溶腔探测装置至水平型盐岩溶腔中部；
步骤5、下放到水平型盐岩溶腔中后，打开3D声呐测腔仪、水下高清摄像头、水下探照灯、水下GPS高精度定位导航系统，按照预定功率启动动力磁力驱动泵组和浮力磁力驱动泵组，实时调整动力磁力驱动泵组和浮力磁力驱动泵组的各个泵的运转，使装置达到静态平衡；
步骤6、静态平衡后，加大水平向的动力磁力驱动泵组，使装置前进，并根据摄像头反馈信息实时调整装置运移方向，避开障碍，并通过3D声呐测腔仪进行全方位测量，完成水平段的完全巡历，收集3D声呐测腔仪的测距信息和水下GPS高精度定位导航系统的定位信息反馈到地面控制台，地面控制台将定位信息和测距信息形成3D盐腔形态图；
步骤7、完成完全巡历之后，关闭3D声呐测腔仪，操作装置掉头，通过形成的3D盐腔形态图和水下GPS高精度定位导航系统对装置进行指向性操作，对选定的特定部位进行实时图像监控观察和记录，并最终回到斜井；
步骤8、从斜井撤回探测装置，对获取的探测数据进行处理，获得测量溶腔的真实形状尺寸和局部的细节影响资料。
本发明的优点在于：
1、该探测装置可通过直径大于 120mm 的井筒下放至 1000 ～ 2000m 深的地下水平型溶腔，并在充满水的溶腔溶液中运移，磁力驱动泵不与盐水接触，通过电磁场泵送高压水的驱动方式，避免了水下螺旋桨尾轴密封和盐水腐蚀的难题，装置可以边运移边探测，保障水平溶腔的高效探测；
2、该装置可以通过水下高精度GPS定位系统实时反馈自己的位置，探测数据更加可靠；
3、该装置可以通过3D声呐测腔仪对溶腔侧壁进行声呐测距，并结合自身坐标生成盐腔的3D形态；
4、该装置可以通过实时视频监控系统引入人工控制避开障碍物更加安全；
5、该装置可以通过摄像头实时视频监控对特定部位进行细节观察和记录，对夹层垮塌的机理，井堵、管堵的机理，不溶物沉积规律以及诸多以前因不可见而难以探明的井下问题更有科研指导意义。
附图说明
图1为盐岩水平溶腔精细探测装置示意图。
图中：1-缆线；2-3D声呐测腔仪；3-动力泵水管组；4-动力磁力驱动泵组；5-浮力泵水管组；6-浮力磁力驱动泵组；7-电池组；8-中央处理器；9-浮力平衡气囊；10-水下高清摄像头；11-水下探照灯；12-水下GPS高精度定位导航系统；13-壳体。
图2为溶腔探测示意图。
图中： 14-垂直井；15-水平型盐岩溶腔；16-地下溶洞宏观形态及微观细节探测装置；17-斜井；18-地面控制台。
具体实施方式
下面结合附图和实施示例来对本发明作进一步说明。
实施例1：
本发明提供盐岩水平溶腔精细探测的装置，是一种根据3D声呐成像、水下摄像、水下GPS定位、光纤传导和控制技术设计的能够地面远程控制导向检测的装置，能够通过声呐测距仪得到溶腔的宏观形态，并能通过摄像头和照明系统进行局部细节观察，对溶腔的形态的局部的夹层、垮塌、堵塞形态有着重要指导意义。
该装置包括缆线1、3D声呐测腔仪（可采用：Scaner 2000）2、动力泵水管组3、动力磁力驱动泵组（可采用：MP-15R型号）4、浮力泵水管组5、浮力磁力驱动泵组（可采用：MP-15R型号）6、电池组7、中央处理器8、浮力平衡气囊9、水下高清摄像头10、水下探照灯11、水下GPS高精度定位导航系统12和壳体13。
3D声呐测腔仪2的主体、动力磁力驱动泵组4、浮力磁力驱动泵组6、电池组7、中央处理器8、浮力平衡气囊9、水下高清摄像头10、水下探照灯11、水下GPS高精度定位导航系统12都置于密闭耐压的圆柱壳体13内部；缆线1外挂于壳体13底部，并与地面电源和控制台相连；3D声呐测腔仪2置于壳体的尾部，3D声呐测腔仪2的探头外露于壳体13外部，可以进行独立旋转探测并将数据经过中央处理器信号处理通过缆线1传输到地面控制台。
动力泵水管组3外置于壳体13外部水平方向，浮力泵水管组5外置于壳体13外部竖直方向；动力磁力驱动泵组4与动力泵水管组3连接，动力泵水管组3包括前行水管组、后行水管组、左转向水管组和右转向水管组，使前行水管组/后行水管组向后/前排水提供水平推力驱动装置前进/后退，并通过左转向泵组和右转向泵组的分别操控完成转向操作；浮力磁力驱动泵组6与浮力泵水管组5连接，浮力泵水管组5包括上行水管组和下行水管组，使上行水管组/下行水管组向下/向上排水提供垂直推力驱动装置上行/下行，完成向上和向下调整方向的操作；水下GPS高精度定位导航系统12位于壳体13内部中部，与中央处理器相连经过信号转换通过缆线向地面实时提供位置信息；浮力平衡气囊9外置于壳体顶部，提供额外的浮力，并使装置上轻下重，防止装置翻滚甚至倒置，帮助装置能平稳的悬浮在液体中。水下高清摄像头10和水下探照灯11位于壳体13前段，提供高清水下成像和照明，并与中央处理器相连经过信号转换通过缆线向地面控制台实时传输。中央处理器位于装置中部，由单片机、光电转换模块、信息收集及传输模块组成，主要完成水下高清摄像头10的视频图像信息、水下GPS高精度定位导航系统12的GPS的位置信息、3D声呐测腔仪2的反馈信息的采集处理和传输，产生动力磁力驱动泵组4和浮力磁力驱动泵组6电机的驱动信号，产生3D声呐测腔仪2、水下高清摄像头10、水下GPS高精度定位导航系统12的控制信号等功能。
该装置能够满足1000m深的水平溶腔的宏观形态和局部细节的探测需求；该装置从直径大于120mm的垂直井筒中放入充满水的水平溶腔，地面控制人员在视频监控反馈下控制装置的机械运移完成装置对整个水平腔段的巡历声呐探测成像和细部指向性视频检测，并通过中央处理器和数据传输系统将信息反馈到地面控制台，具体测量步骤如下：
盐岩水平溶腔精细探测的方法，
1)  根据盐岩矿床地质资料及区域盐矿开采历史，确定满足地质条件基本要求选择的探测目标为：地下盐矿床中直径大于10米，长度小于400米的水平型盐岩溶腔15；
2)  在 1) 中所选择的水平型盐岩溶腔造腔过程中遗留的垂直井14与斜井17，做修井工作以满足本发明探测装置顺利下放；
3) 如盐腔中并没有充满卤水，则通过垂直井14或斜井17对水平型盐岩溶腔15实施注水或补水作业，保障腔体内充满溶液；
4) 从水平型盐岩溶腔的斜井17中，下放溶腔探测装置至井底溶腔中部，如需加速时可以开启动力磁力驱动泵组4加速；
5) 下放到盐腔中后，打开3D声呐测腔仪2、水下高清摄像头10、水下探照灯11、水下GPS高精度定位导航系统12，按照预定功率启动动力磁力驱动泵组4和浮力磁力驱动泵组6，地面控制人员根据摄像头反馈信息实时调整动力磁力驱动泵组4和浮力磁力驱动泵组6的各个泵的运转，使装置达到静态平衡。
6）静态平衡后，加大水平向的动力磁力驱动泵组4，使装置前进，并根据摄像头反馈信息实时调整装置运移方向，避开障碍，完成水平段的完全巡历到达直井14，并通过3D声呐测腔仪2进行全方位测量，并收集3D声呐测腔仪2的测距信息和水下GPS高精度定位导航系统12的定位信息反馈到地面控制台，结合装置定位信息和测距信息形成3D盐腔形态图；
7）完成完全巡历之后，关闭3D声呐测腔仪2，操作装置掉头，通过形成的3D盐腔形态图和水下GPS高精度定位导航系统12对装置进行指向性操作，对选定的特定部位进行实时图像监控观察和记录，并最终回到斜井17；
8）通过线缆从斜井撤回探测装置，对获取的探测数据进行处理，获得测量溶腔的真实形状尺寸和局部的细节影响资料，本溶腔探测完成。
盐岩水平溶腔精细探测的方法，是一种根据 3D 声纳测距、水下摄像、GPS定位、光纤传导和机械控制技术设计的、能够在地下深部水平盐岩溶腔溶液中通过自身动力系统保持平衡并自由运移，通过装置定位和盐腔测距结合对盐岩溶腔宏观形态进行精确探测、通过水下摄像和视频传输对盐岩溶腔复杂的地下局部形态、局部的夹层形态、可能存在的堵塞部分等进行细节监测，并将测量信息及时反馈到地面的能够人工控制运移的探测装置的探测方法 ：该方法根据盐岩溶腔地质赋存条件，选择满足基本地质条件的水平溶腔进行测量 ；在对水平溶腔实施测量之前，首先需要将水平溶腔注满水；将研制的特殊探测装置，从连通水平溶腔的垂直井井口下放至井底溶腔内 ；启动探测装置，可以通过图像实时传输系统的反馈人工调节运动控制系统，按照设定好的路线行进并通过水下GPS高精度定位导航系统实时反馈自身位置，3D 声纳成像仪采集地下大型水平溶腔的地理信息，通过光电转换接口和通讯光纤传至地面监控系统，并在GPS定位系统反馈的精确装置坐标信息的基础上，结合声呐仪的测距信息，在地面控制台的显示屏上实时显示地下大型水平溶腔的三维形貌及特征参数，以供溶腔储库的可用性评判及稳定性分析，水下高清摄像头可在人工可控的机械运移下对岩盐溶腔的溶解形态、夹层溶解和垮塌形态、腔体底部沉积物形态以及可能存在的腔体、管道堵塞等细节进行近距离观察，并通过光电转换接口和通讯光纤传至地面监控系统，在显示屏上实时显示和记录。
实施例2 ：
该探测装置能够满足2000m深的水平溶腔的容貌特征探测要求；该探测装置从直径大于 120mm 的垂直井筒中下放进入水平溶腔，在充满水的深部水平溶腔中沿腔体中部水平运动，同时对径向尺寸为 150m 溶腔的形貌特征与相关几何参数进行测量，对细节部分进行指向性视频检测，将测量信息通过缆线及时反馈至地面，其它同实施方式 1。
综上所述，本发明主要通过可控可视的操作，对地下水平型盐岩溶腔的腔体形状、尺寸及局部细节进行探测和观察。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。