CN102012246B - 一种测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置，包括有固定架，在固定架内放置有渗漏帐篷罩，渗漏帐篷罩顶端与体积排空法流量测量仪连通，在渗漏帐篷罩靠近底端的侧面上开有渗水网格，在渗漏帐篷罩靠近体积排空法流量测量仪的侧面上开有气泡破碎网格，体积排空法流量测量仪包括有与渗漏帐篷罩相通的气体收集室，气体收集室上分别设有电磁阀，液位开关，在气体收集室内纵向设有与液位开关连接的连接杆，在连接杆上部设有上部液位传感器探头，在连接杆下部设有下部液位传感器探头；电磁阀连接到控制系统。观测装置能更好的连续观测海底天然气水合物渗漏区流体流量速率的变化，并且能够连续记录并存储天然气流量速率变化值。

Description

一种测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置

技术领域

本发明涉及到深海探测与作业技术领域，尤其是一种能够连续测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置。 

海底冷泉天然气渗漏原位流量速率测量装置是近几年国外研究发展的一项新技术，在国内还未见有关海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量技术的相关报道。然而国际上该领域的研究正在如火如荼地进行着，其中美国将深海技术做为本国海洋领域优先资助的高科技项目，在1998年路易斯安那州立大学海岸研究所Harry Roberts教授就已经设计了海底冷泉流体观测装置，成功的观察对墨西哥湾Bush Hill的天然气渗漏系统。在1999年由墨西哥湾天然气水合物研究联合会组织了15所高校、5个联邦机构和数家私人公司，由密西西比大学牵头，开展海底天然气水合物实时观察系统正在进行，将对墨西哥湾MississippiCanyon Block 118进行地球化学，微生物和地震进行观测。海底观察系统实时采集的数据通过光纤电缆传输到岸上。与此同时，加州大学圣塔芭芭拉分校采用所设计的海底冷泉观测装置对水合物脊和墨西哥湾等全球典型的天然气渗漏和天然气水合物发育区进行了观察。渗漏系统发育的水合物(渗漏型水合物)具有埋藏浅，易开采，价值高等特点。不仅如此，每年通过这种海底冷泉天然气渗漏释放到海洋水体及大气中的甲烷的数量也是非常惊人的，初步的估计为大于10Tg(10¹²g)每年。甲烷是强烈的温室效应气体，其温室效应是相同质量二氧化碳的20倍以上，如此巨大数量的甲烷是全球变化的一个重要的影响因子。因此，对海底冷泉天然气渗漏速率在线原位探测具有重要的经济价值和科学意义。 

发明内容

本发明的目的是用于连续探测海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的装置。 

研究表明，海底冷泉天然气渗漏原位流量平均速率的获得可以通过测定定量体积的次数来确定的，同时也可以确定从海底向上渗漏天然气的总量。向上渗漏的天然气通过收集装置进入到定量体积的气体收集室中，气体收集室中的水被向下排除，当液面到达下部液位传感器的位置时，控制系统控制电磁阀阀门打开，气体收集室中的气体瞬间被排空，随后气体收集室内液面上升，当液面位置到达上部液位传感器时，电磁阀门关闭，海水充满收集室，重新开始下一次气体收集。电磁阀阀门打开一次，数据记录仪记录一次，同时也记录了流量计收集气体的时间。通过获得电磁阀阀门打开的次数，可以获得总的天然气流量值和总的平均流量值，而根据记录的电磁阀阀门打开的时间间隔，可以获得阀门打开间隔天然气平均流量值。 

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置，包括有固定架，在固定架内放置有渗漏帐篷罩，渗漏帐篷罩顶端与体积排空法流量测量仪连通，在渗漏帐篷罩靠近底端的侧面上开有渗水网格，在渗漏帐篷罩靠近体积排空法流量测量仪的侧面上开有气泡破碎网格，气泡破碎网格的主要作用能防止杂物进入到仪器内部，所述体积排空法流量测量仪包括有与渗漏帐篷罩相通的气体收集室，所述气体收集室上分别设有电磁阀，液位开关，在气体收集室内纵向设有与液位开关连接的连接杆，在连接杆上部设有上部液位传感器探头，在连接杆下部设有下部液位传感器探头；所述电磁阀连接到控制系统。 

所述渗漏帐篷罩为圆锥形，圆锥形窄端与所述气体收集室连通。 

本发明主要采用定量体积排空法来测定海底冷泉天然气渗漏原位流量速率。其主要技术方案是：首先从海底渗漏点渗漏出一定流速(0～360L/h)的天然气气泡被与海底密闭的圆锥形渗漏帐篷罩收集到圆锥形帐篷罩内，收集到的天然气气泡穿过气泡破碎网格形成半径大小相等(或不等)的气泡。天然气气泡进入到气体收集室中，气体收集室中的液面不断下降，当气体收集室中的液面下降到达液位开关下部的下部液位传感器探头位置时，控制系统会控制电磁阀门打开，让收集到的气体瞬间被排空，随后气体收集室内瞬间充满海水，当气体收集室中的液面上升到达上部液位传感器探头位置时，控制系统控制电磁阀门关闭，重新开始下一次集气。同时，数据存储器中会记录上气体充满气体收集室的时间和电磁阀门打开的次数。依靠获得的电磁阀门打开的次数，可以 得到天然气渗漏总量，而靠获知天然气收集时间，可以得到总的平均流量值和阀门打开时间间隔的平均流量值。 

总的来说该技术方案包含以下三个系统： 

a)海底渗漏天然气收集测量系统 

天然气渗漏在线原位观测装置中渗漏帐篷罩与海底形成密封状态，从海底渗漏点渗漏出的天然气气泡进入到帐篷罩内，穿过气泡破碎网格后被收集在渗漏帐篷罩内。收集到帐篷罩的天然气进入到气体收集室中，气体收集室中的水面不断下降，当气体收集室中液面下降到达下部液位传感器探头位置时，控制系统会控制电磁阀门打开，让收集到的气体瞬间被排空，随后气体收集室中瞬间充满海水，当液面上升到达上部液位传感器探头位置时，控制系统控制电磁阀门关闭，重新开始下一次集气。 

b)装置控制、数据记录存储系统 

当收集室中液面下降到达液位开关下部探头位置时，控制系统会控制电磁阀门打开，同时数据存储器上则会记录并存储一次电磁阀门打开和气体充满收集室的时间。根据数据存储器上总共记录的电磁阀门打开的次数，可以得知天然气总渗漏流量，而根据数据存储器上记录的天然气渗漏时间，可以得知平均天然气流量值。 

c)海底渗漏天然气流量数据分析、处理软件系统 

在海底渗漏天然气流量测量装置获得数据后，可利用本数据分析、处理软件将存储在数据存储系统中的数据读出，并显示出流量变化曲线，同时将数据以文件形式进行存储。同时本软件可以在线实时观测流量变化曲线。本软件可以对流量探测装置进行运行参数如当前时间、测量时间段等的设定。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点：围绕着对海底冷泉天然气渗漏和天然气水合物发育区的原位流量速率的观测，重点对海底气体流量观测装置进行了系统研究，采用体积式排空法测量海底气体流量。同时通过对南海渗漏区的实地考察，发现了发育众多正在活动的海底冷泉天然气渗漏系统，并且北部大陆坡天然气水合物发育区也发现了正在活动的冷泉及生物群。依据渗漏区的水深及海底冷泉天然气渗漏量，设计天然气渗漏原位测量装置最大工作水深达 4000米，工作温度范围为0-40℃；测定流速0-6000cm³/分钟，并且仪器持续工作可达30天。所设计的观测装置具有耐高压作用，测量流体速率范围宽，灵敏度高，且表面都涂有防腐蚀和防生物附着涂层，可直接观测海底流体流动速率变化，适用于科学研究。综上所述，所设计海底天然气渗漏在线原位观测装置能更好的连续观测海底天然气水合物渗漏区流体流量速率的变化，并且能够连续记录并存储天然气流量速率变化值。 

附图说明

图1为某日测试的初步数据图； 

图2为某时间段测试的初步数据图； 

图3为本发明海底天然气渗漏在线原位观测装置结构示意图； 

图4为体积排空法流量测量仪示意图； 

图5为控制系统控制气体收集原理示意图； 

图6为体积排空法流量测量仪内部结构示意图； 

附图标记说明：1-体积排空法流量测量仪，11-气体收集室，12-电磁阀，13-液位开关，14-上部液位传感器探头，15-下部液位传感器探头，16-连接杆，2-气泡破碎网格，3-渗漏帐篷罩，4-固定架，5-渗水网格。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。 

实施例： 

请参阅图3到图5所示，一种测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置，包括有固定架4，在固定架4内放置有渗漏帐篷罩3，渗漏帐篷罩3顶端与体积排空法流量测量仪1连通，在渗漏帐篷罩3靠近底端的侧面上开有渗水网格5，在渗漏帐篷罩3靠近体积排空法流量测量仪1的侧面上开有气泡破碎网格2；体积排空法流量测量仪1包括有与渗漏帐篷罩3相通的气体收集室11，气体收集室11上分别设有电磁阀12，液位开关13，在气体收集室11内纵向设有与液位开关13连接的连接杆16，在连接杆16上部设有上部液位传感器探头14，在连接杆16下部设有下部液位传感器探头15；电磁阀12连接到控制 系统。 

进一步的，渗漏帐篷罩3为圆锥形，圆锥形窄端与气体收集室11连通。 

首先天然气渗漏在线原位观测装置被安置在海底冷泉渗漏点处，从海底渗漏点冒出的天然气气泡被与海底密闭的渗漏圆锥帐篷罩收集到圆锥帐篷内，天然气气泡穿过气泡破碎网格形成半径大小相等或不等的气泡。天然气气泡进入到气体收集室中，气体收集室中的水面不断下降，当液面下降到到下部液位传感器探头位置时，控制系统会控制电磁阀门打开，让收集到的气体瞬间被排空，随后气体收集室中瞬间充满海水，当液面上升到达上部液位传感器探头位置时，控制系统控制电磁阀门关闭，重新开始下一次集气。当收集室中液面下降到达液位开关下部液位传感器探头位置时，控制系统会控制电磁阀门打开，同时数据存储器上则会记录并存储一次电磁阀门打开和气体充满收集室的时间，数据存储器上总共记录的电磁阀门打开的次数，可以得知天然气总渗漏流量，而数据存储器上记录的天然气渗漏时间，可以得知平均天然气流量值。 

以下通过实验室测试来说明本实施例装置的应用： 

首先水池底部已经布置好气体喷出装置，随后在加满水的水池中放置已经设计加工好的天然气渗漏在线原位观测装置，使其布置在气体喷出装置上方。观测装置接通电源，对装置设置当前时间、运行起止时间、收集室体积等参数，并对存储数据归零。完成设置后，打开气体喷出装置阀门，气体按着一定的速率向外冒出，从气体喷出装置冒出的气泡被收集到圆锥形渗漏帐篷罩3内，气泡向上扩散穿过气泡破碎网格2形成半径大小相等的气泡。半径相等的气泡进入到气体收集室11中，气体收集室11中的液面不断下降，当液面下降到下部液位传感器探头15位置时，控制系统会控制电磁阀12门打开，收集到的气体瞬间被排空，随后气体收集室11内瞬间充满水，当液面上升到达上部液位传感器探头14位置时，控制系统控制电磁阀12关闭，重新开始下一次集气。当气体收集室11中液面下降到达液位开关13下部液位传感器探头15位置时，控制系统会控制电磁阀12打开，同时数据存储器上则会记录并存储一次电磁阀门打开和气体充满气体收集室11的时间。根据数据存储器上记录的总的电磁阀门打开的次数，可以得知天然气总渗漏流量，而根据数据存储器上记录的天然气渗漏时间，可以得知平均天然气流量值。 

获得的数据如图1和图2所示，其中图1为5月12日测试的初步数据图，图2为8月2号至9月2日测试的流量数据图。 

海底冷泉天然气渗漏系统原位流量在线测量装置的流量速率范围是通过实验模拟而获得，测得其流量速率范围为0-300cm³×s^-1，收集室内收集气体的最短时间不能小于5秒，最大分辨率为0.5cm³×s^-1，且相对误差为3％。 

总天然气渗漏体积流量Q与排空次数R之间呈正比的关系，是一条斜率为1.5的直线： 

(1)即总流量Q＝收集室容积q×排空次数R，其中收集室容积q＝1.5L，排空次数R可以通过数据记录存储系统获得； 

而总天然气渗漏体积流量Q与天然气渗漏流速之间存在着一定的关系，若流量速率恒定，则体积流量Q与流速时间T呈一条直线关系，若流量速率是变化的，则总天然气渗漏体积流量Q与天然气渗漏流速时间T呈一条正比曲线关系。天然气渗漏平均流量速率V＝总流量Q/总时间T，T为数据记录存储系统记录的总天然气渗漏流量时间；单次阀门开启的天然气渗漏平均流量速率v＝收集室容积q/单次集气时间t。 

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。 

Claims (2)

1.一种测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置，其特征在于：包括有固定架(4)，在固定架(4)内放置有渗漏帐篷罩(3)，渗漏帐篷罩(3)顶端与体积排空法流量测量仪(1)连通，在渗漏帐篷罩(3)靠近底端的侧面上开有渗水网格(5)，在渗漏帐篷罩(3)靠近体积排空法流量测量仪(1)的侧面上开有气泡破碎网格(2)；所述体积排空法流量测量仪(1)包括有与渗漏帐篷罩(3)相通的气体收集室(11)，所述气体收集室(11)上分别设有电磁阀(12)，液位开关(13)，在气体收集室(11)内纵向设有与液位开关(13)连接的连接杆(16)，在连接杆(16)上部设有上部液位传感器探头(14)，在连接杆(16)下部设有下部液位传感器探头(15)；所述电磁阀(12)连接到控制系统。

2.如权利要求1所述的测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置，其特征在于：所述渗漏帐篷罩(3)为圆锥形，圆锥形窄端与所述气体收集室(11)连通。

Images