CN106597551B - 海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法，所述监测方法包括铺设监测电缆步骤，对海底断面的电位进行扫描测量步骤，计算海底断面的视电阻率步骤，采集站根据测量的海底断面每一层的电位数据，计算海底断面在该层的视电阻率分布；反演监测步骤，将所得视电阻率数据反演为电阻率数据，将海底断面各层的电阻率绘制输出电阻率剖面图，对海底沉积层中甲烷流态泄露或气态泄漏进行监测。所述监测装置包括监测电缆、采集站、电源模块、总控平台上位机。本发明的海底天然气水合物原位电学监测方法，只需一次监测电缆布设，因此节省人力物力成本，运行成本低；监测范围大，且本发明针对沉积层进行监测，监测超前性强，预警性强。

Description

海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法与装置

技术领域

本发明涉及海底天然气水合物开采监测领域，具体地说，是涉及一种海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法与装置。

背景技术

天然气水合物开采所面临的主要环境风险为水合物分解所导致的海底沉积物稳定性问题以及大量甲烷气释放所导致的温室效应。对于海底沉积物稳定性问题，目前主要通过水压测量装置、时瞬地震装置、三分量加速度传感器等进行海底沉降监测；以集成式海床探针装置对表层沉积物的孔压、容重等土性指标进行长期监测；对于储层稳定性监测通常需要在生产井或监测井中布设分布式温度传感器DTS与电阻式温度传感器RTD，通过温度变化来对储层分解状态进行监测，而日本在水合物试采时也使用了四维地震法对沉积层结构变化进行定期监测。针对甲烷泄漏问题，目前主流的监测方式是将甲烷浓度传感器（METs等）、水平多波束声纳装置集成于座底式潜标，原位定点实时监测甲烷浓度变化，并且探测可能出现的大流量甲烷气体泄露，同时，在可能发生气体泄漏的位置布设气阱装置，监测该位置的气体泄漏率。除此之外，日本的四维地震监测装置，又称深海地震系统（Deep-seaSeismic System，DSS）也可做到对沉积层中甲烷泄漏情况的监测，DSS以生产井为中心长期固定布设于海床面，在海面定期布设二维、三维炮线进行数据采集，得到不同时期沉积层地震剖面信息，反演储层分解及甲烷泄漏情况。

目前各国主要采取底层水甲烷浓度长期定点监测的手段来针对甲烷泄漏问题。只有日本的DSS可对甲烷在沉积层中的流态泄露或气态泄漏行为进行区域性监测，但DSS运行成本高昂，每次的监测数据获得需耗费大量人力物力。

而海洋直流电法作为一种新兴的海底地球物理手段，有成本低廉，监测范围大，可针对沉积层内部进行无损监测的特点。

发明内容

本发明为了解决现有海底天然气水合物监测方法成本高，或者不能针对沉积层中气体的泄漏情况进行监测，且监测范围相对较小的技术问题，提出了一种海底天然气水合物原位电学监测方法，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法，包括以下步骤：

铺设监测电缆步骤，所述监测电缆以生产井为中心水平对称铺设在其两侧，所述监测电缆上布设有多个电极，所述监测电缆与采集站连接，所述采集站通过导线与电源模块连接；

对海底断面的电位进行扫描测量步骤，其中，海底断面为海底沉积层的断面，包括：

所述采集站从所述多个电极中选择部分电极作为工作电极，其余电极休眠，所述工作电极包括供电电极和测量电极，所述供电电极和测量电极分别为两个，相邻两电极之间的距离为一个电极距，两个供电电极之间的距离为供电电极距离，两个测量电极之间的距离为测量电极距离，供电电极距离和测量电极距离为一个电极距的整数倍；

工作电极确定后，所述采集站控制电源模块为供电电极供电，并且控制测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，保持供电电极距离和测量电极距离不变，重新选择工作电极，重复测量步骤，直至监测电缆上的每一电极均被至少一次选择做为过工作电极，完成对海底断面上其中一层电位数据的测量，该层距海底断面上表面的距离约为供电电极距离的1/6～1/2;其具体数值需结合实际应用中海底沉积层的地质背景等多种信息来综合给出；

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，采集站重新确定供电电极距离以及测量电极距离，并且以重新确定后的供电电极距离和测量电极距离选择工作电极，执行海底断面另外一层电位数据的测量，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量；

计算海底断面的视电阻率步骤，采集站将测量的海底断面每一层的电位数据及相应电流数据发送至总控平台上位机，计算海底断面在该层的视电阻率分布；

反演监测步骤，所述总控平台上位机将所得视电阻率数据通过专业反演软件（RES等或自行开发）反演为真电阻率数据，将海底断面各层的电阻率绘制输出电阻率剖面图，利用海底断面的电阻率与孔隙水甲烷浓度及甲烷气饱和度的对应关系，根据海底断面的电阻率变化实现对海底沉积层甲烷流态泄露或气态泄漏的监测。

进一步的，所述对海底断面的电位进行扫描测量步骤包括以下子步骤：

以所述监测电缆的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，其中两个工作电极为供电电极A与供电电极B，另外两个工作电极为测量电极M与测量电极N，工作电极之间通过海底沉积层构成电流回路，所述采集站控制电源模块为供电电极A与供电电极B供电，并且控制测量电极M与测量电极N返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，将供电电极A、供电电极B、测量电极M与测量电极N同时向监测电缆的另外一端方向移动一个或者多个电极距，进行下一数据点采集，直到工作电极移动至监测电缆的另外一端，完成对海底断面上其中一层电位数据的测量；

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，将供电电极距离和测量电极距离增大一个或者多个电极距，重新以所述监测电缆的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，并使得当前选择的供电电极距离和测量电极距离满足重新确定的值，重复测量步骤，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量。

进一步的，铺设监测电缆步骤中，使用水下机器人，以生产井为中心，在海底沉积层挖一条电缆沟，然后以水下机器人接触监测电缆非金属材料部分，并且控制水下机器人向监测电缆喷射水流的方式将监测电缆喷射至沟槽中。

进一步的，各电极分别连接有一电极转换模块，各电极转换模块之间、电极转换模块与采集站之间通过监测电缆连接。

进一步的，在反演监测步骤之后，还包括泄露报警步骤，利用海底断面不同位置电阻率与沉积层甲烷饱和度成正相关性，当海底沉积层的上覆土层中出现异常高阻时，判断为甲烷泄露并进行报警。

基于上述的海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法，本发明同时提出了一种海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测装置，包括：

监测电缆、采集站、电源模块、总控平台上位机，所述监测电缆上布设有多个电极，所述监测电缆与采集站连接，所述采集站通过导线与电源模块连接，

所述采集站用于控制所述监测电缆上工作电极的工作状态，选择供电电极和测量电极，控制电源模块为供电电极供电；

所述采集站接收所述总控平台上位机下发的控制指令进行工作，所述采集站同时具有高精度时钟，在脱离所述总控平台上位机时按照预先设定程序进行工作；

所述测量电极采集当前电位数据，并反馈至所述采集站，将测量的海底断面每一层的电位数据发送至所述总控平台上位机；

所述总控平台上位机生成用于控制所述采集站工作状态的控制指令，并发送至所述采集站，所述总控平台上位机还用于计算海底断面在该层的视电阻率分布，并且进行反演监测。

进一步的，各电极分别连接有一电极转换模块，各电极转换模块之间、电极转换模块与采集站之间通过监测电缆连接。

进一步的，所述电极转换模块包括依次连接的：

接口单元，用于接收采集站发出的指令编码；

译码单元，对接口单元接收的指令编码进行译码处理，并输出处理结果；

指令检测单元，用于从所述译码单元中检测出控制指令并输出；

控制驱动单元，接收所述指令检测单元输出的控制指令，控制与电极转换模块相连接电极的工作状态。

进一步的，采集站包括下述各电路单元：

主处理单元，用于生成控制电极工作状态的控制信号，并且接收电极转换模块发送的电位数据，所述主处理单元连接有高精度时钟单元，在脱离所述总控平台上位机时按照预先设定程序进行工作；

电极开关选址单元，与所述主处理单元连接，在主处理单元的控制下发出指令编码至所述电极转换模块的接口单元；

供电回路切换单元，一方面连接电极转换模块的控制驱动单元，另一方面连接电源模块，并在所述主处理单元的控制下确定是否为该电极转换模块的供电回路供电；

数据采集处理单元，与所述电极转换模块的控制驱动单元连接，用于采集并传输电流及电位数据。

进一步的，所述采集站还包括数据传输单元，用于通过监控电缆向总控平台上位机传输数据。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法，只需一次监测电缆布设，之后可远程操控或按设置程序自动采集，因此节省人力物力成本，且系统运行只需供电系统提供电源，故而运行成本低；利用电学原理监测，以沉积层中的电性变化（电阻率变化）来反推物性变化，以达到监测的目的，可操作性强，监测范围通常大于500m，监测范围大，且本发明针对沉积层进行监测，监测超前性强，预警性强。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的海底天然气水合物原位电学监测方法的一种实施例中作业状态示意图；

图2a是本发明所提出的海底天然气水合物原位电学监测方法的一种实施例中正演计算所得气藏区气体尚未泄露时视电阻率断面图;

图2b是本发明所提出的海底天然气水合物原位电学监测方法的一种实施例中正演计算所得气体泄露至上覆层上部时视电阻率断面图;

图2c是本发明所提出的海底天然气水合物原位电学监测方法的一种实施例中正演计算所得气体穿过上覆层进入海水时视电阻率断面图;

图2d是本发明所提出的海底天然气水合物原位电学监测方法的一种实施例中正演计算所得气藏逐渐排空时视电阻率断面图;

图2e是本发明所提出的海底天然气水合物原位电学监测方法的一种实施例中正演计算所得气藏区重新形成时视电阻率断面图;

图3是本发明所提出的海底天然气水合物原位电学监测方法的一种实施例中电极转换模块与采集站的原理方框图。

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。

实施例一

为了监测水合物生产过程中甲烷在上覆土层中的泄露情况，目前四维地震的方式工程量大，成本高，由于海底沉积物的导电性能较为稳定，天然气水合物分解后产生的甲烷以流态或者气态的方式进入海底沉积层的孔隙中，甲烷在海底沉积层中含量的变化直接反应在海底沉积层的导电性能的变化，因此本方法通过监测海底沉积物的导电性能进而实现对海底沉积层中甲烷含量的间接监测，通过在海床铺设监测电缆，可以实现大范围监测，此外，监测原理为:电场建立后，两个测量电极的电位差受二者中间整体区域的电阻率影响，其中由于电流密度在沉积层中的分布规律(传统认为三分之一到二分之一个供电极距深度位置电流密度最大，但海洋中受海水分流作用影响电流密度分布深度变浅)，故而两个测量电极的电位差主要反映了二者中间，六分之一到二分之一个供电极距深度位置的电阻率情况，本方法只需将监测电缆平铺设在海床上即可实现对海底沉积物的纵向深度电位的监测，可以减小工程量，极大减小成本。

本实施例提出了一种海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法，包括以下步骤：

铺设监测电缆步骤，如图1所示，监测电缆11以生产井12为中心水平对称铺设在其两侧，监测电缆11上布设有多个电极13，监测电缆11与采集站14连接，采集站14通过导线与电源模块15连接；通过将监测电缆11以生产井12为中心水平对称铺设在其两侧，可以监测以生产井为中心，以监测电缆为直径范围内海底沉积层断面的电位数据。也就是在生产过程中重点监控的区域。采集站作为本监控方法的控制单元，可以设置在作业船16上或者中心平台上，其用于向电极发送控制命令，以及用于接收电极反馈的电位数据并处理分析。

对海底断面的电位进行扫描测量步骤，其中，海底断面为海底沉积层的断面，包括：

采集站14从多个电极中选择部分电极作为工作电极，其余电极休眠，工作电极包括供电电极和测量电极，供电电极和测量电极分别为两个；本实施例中的监控电缆上的电极为等间距设置，相邻两电极之间的距离为一个电极距，两个供电电极之间的距离为供电电极距离，两个测量电极之间的距离为测量电极距离，供电电极距离和测量电极距离为一个电极距的整数倍。供电电极通过设置为两个，其中一个施加正电压，另外一个为负电压，因此，可以实现两测量电极之间通过海底沉积物形成电流回路，进而可以实现测量点电位数据的测量。

对于电极的数目及电极距，可根据生产点水合物层的深度以及监测分辨率来确定，一般来说，电极距越小，分辨率越高，但成本也高。

工作电极确定后，所述采集站控制电源模块为供电电极供电，并且控制测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，保持供电电极距离和测量电极距离不变，重新选择工作电极，重复测量步骤，直至监测电缆上的每一电极均被至少一次选择做为过工作电极，完成对海底断面上其中一层电位数据的测量，该层距海底断面上表面的距离约为供电电极距离的1/6～1/2;其具体数值需结合实际应用中海底沉积层的地质背景等多种信息来综合给出。

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，采集站重新确定供电电极距离以及测量电极距离，并且以重新确定后的供电电极距离和测量电极距离选择工作电极，执行海底断面另外一层电位数据的测量，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量；海底沉积物不同层电位数据的测量是通过调整供电电极距离以及测量电极距离实现的。

计算海底断面的视电阻率步骤，采集站14将测量的海底断面每一层的电位数据及相应电流数据发送至总控平台上位机16，计算海底断面在该层的视电阻率分布。

反演监测步骤，总控平台上位机16将所得视电阻率数据通过专业反演软件（RES等或自行开发）反演为电阻率数据，将海底断面各层的电阻率绘制输出电阻率剖面图，利用海底断面的电阻率与海底沉积层孔隙水甲烷浓度、甲烷气饱和度的对应关系，根据海底断面的电阻率变化实现对海底沉积层甲烷流态泄露或气态泄漏的监测。

本实施例的监测方法，只需一次监测电缆布设，之后可远程操控或按设置程序自动采集，因此节省人力物力成本，且系统运行只需供电系统提供电源，故而运行成本低；利用电学原理监测，以沉积层中的电性变化（电阻率变化）来反推物性变化，以达到监测的目的，可操作性强，监测范围通常大于500m，监测范围大，且本发明针对沉积层进行监测，监测超前性强，预警性强。

在本实施例中监测电缆以偶极装置进行固定断面扫描测量，具体来说，对海底断面的电位进行扫描测量步骤包括以下子步骤：

以监测电缆的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，其中两个工作电极为供电电极A与供电电极B，另外两个工作电极为测量电极M与测量电极N，工作电极之间通过海底沉积层构成电流回路，采集站控制电源模块为供电电极A与供电电极B供电，并且控制测量电极M与测量电极N返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，将供电电极A、供电电极B、测量电极M与测量电极N同时向监测电缆的另外一端方向移动一个或者多个电极距，进行下一数据点采集，直到工作电极移动至监测电缆的另外一端，完成对海底断面上其中一层电位数据的测量；

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，将供电电极距离和测量电极距离增大一个或者多个电极距，重新以所述监测电缆的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，并使得当前选择的供电电极距离和测量电极距离满足重新确定的值，重复测量步骤，这样一直不断滚动成层测量下去，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量。在天然气水合物开采过程中，定期实现上述测量过程，得到不同时期海底沉积层视电阻率剖面。

下面结合具体实施例所得到的电阻率分布图为例说明本监测方法，

如图2a-图2e所示，为正演计算所得气体泄漏状态视电阻率断面图。图2a显示当气藏区气体尚未泄露时，深度0-80m的上覆层表现为均匀低阻，视电阻率为0.7-0.8Ω•m，深度80-120m的上覆层出现视电阻率随深度逐渐增高的趋势，视电阻率由0.8Ω•m逐渐增加到1.7Ω•m,深度120-130m 的气藏区表现为明显的高阻异常区，视电阻率大于1.8Ω•m。气体刺穿上覆层开始泄露时期，深度55-115m范围内出现突刺状高阻异常，刺穿位置在1100-1300m 之间，刺穿高度约为20m，视电阻率为0.8-1.8Ω•m。图2b显示当气体泄露至上覆层上部时，深度5-115m范围出现左倾通道状高阻异常，通道水平位置在950-1350m 之间，通道高度约为100m，对应视电阻率为0.8-1.8Ω•m。同时深度95-135m范围内出现下凹状低阻异常区，异常区水平位置在900-1000m之间，视电阻率为1.2-1.7Ω•m。图2c为当气体穿过上覆层进入海水时期，图像中出现贯穿上覆层的左倾通道状高阻异常，异常上部水平位置在900-1150m 之间，下部水平位置在1000-1350m之间，通道视电阻率表现为两头高中间低，通道上下两端视电阻率大于1.8Ω•m ，中部为1.5-1.7Ω•m。且深度95-135m范围内下凹状低阻异常区仍然存在，视电阻率为1.2-1.7Ω•m。图2d为气藏逐渐排空时，左倾通道状高阻异常自上至下视电阻率逐渐减小，由1.8Ω•m逐渐降至1.2Ω•m，下部气藏区整体视电阻率值降低至0.9-1.2Ω•m。图2e为气藏区重新形成时，此时左倾通道变为低阻异常区，视电阻率为0.5-0.6 Ω•m，气藏区视电阻率升高，表现为1.2-1.7Ω•m。

气体尚未泄露时，上覆层下部受气藏区高阻的影响产生随深度递增的层状高阻异常，而气藏区上部同样受上覆层低阻影响导致视电阻率小于气藏区下部，二者产生原因相同。

海洋直流电法采集区域数据而非点数据，受周围介质电阻率影响，故而无法清晰刻画水合物上覆层与气藏区的清晰界限。气体刺穿上覆层时，可由突刺状高阻清晰得到气体泄露区的位置与高度，但泄露初期难以准确判断上覆层气体泄漏区边界以及泄露通道走向。气体泄漏至上覆层上部时，可由通道状高阻异常清晰反映出气体泄漏区的位置与高度，同时，由于此时期通道范围的增大，剖面可初步判断泄露通道走向，但仍无法清晰判断气体泄漏通道与上覆层边界。在此时期，对于倾斜气体泄漏通道而言，通道起始位置内夹角处会形成下凹状低阻异常。气体穿过上覆层进入海水时，左倾通道状高阻异常可清晰反映出气体泄漏区的位置、走向以及高度，大致反映出气体泄漏区的范围。通道整体表现为高阻，中部区域受周围低阻沉积层的影响视电阻率略为降低，且通道内夹角处下凹状低阻异常仍存在。对气藏排空过程探测能力较好，当气藏逐渐排空时，气藏区视电阻率值降低，随后通道视电阻率从下部开始逐渐降低，可通过气藏区及气体泄漏区的视电阻率降低判断气藏排空的范围与位置。气藏重新形成时，气体泄漏区由高阻异常变为低阻异常，气藏区视电阻率升高，可通过此两点判断气体重新集聚形成气藏的时期。

铺设监测电缆步骤中，使用水下机器人，以生产井为中心，在海底沉积层挖一条电缆沟，然后以水下机器人接触监测电缆非金属材料部分，并且控制水下机器人向监测电缆喷射水流的方式将监测电缆喷射至沟槽中。通过将监测电缆铺设在电缆沟中，由于长期监测系统需要采集点的相对固定，因此，要保证多电极电缆系统的位置不随时间而变化，而海底环境复杂、底流发育，故将其布设于电缆沟中，减小海流冲刷等外力对其位置的改变。此外，将电缆系统布设于电缆沟中可减小海水对于电流的分流作用，使电流更多的进入沉积层中，易于建立电场，完成测量目标。在设置过程中，优选监测电缆设置为松弛状态，以避免海床面各种外力作用使监测电缆偏移。

在反演监测步骤之后，还包括泄露报警步骤，利用海底断面不同位置电阻率与沉积层甲烷饱和度成正相关性，当海底沉积层的上覆土层中出现异常高阻时，判断为甲烷泄露并进行报警。

实施例二

本实施例基于实施例一中的海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法，提出了一种海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测装置，如图1所示，包括监测电缆11、采集站14、电源模块15、总控平台上位机16，监测电缆11上布设有多个电极13，监测电缆11与采集站14连接，采集站14通过导线与电源模块15连接，

在海底天然气水合物原位电学监测中，采集站14用于控制所述监测电缆上工作电极的工作状态，选择供电电极和测量电极，控制电源模块为供电电极供电；

测量电极采集当前电位数据，并反馈至采集站14，采集站14将测量的海底断面每一层的电位数据发送至所述总控平台上位机16；

采集站14接收总控平台上位机16下发的控制指令进行工作，同时，采集站14同时具有高精度时钟，在脱离总控平台上位机16时按照预先设定程序进行工作；

总控平台上位机16生成用于控制采集站14工作状态的控制指令，并发送至采集站14，总控平台上位机16同时用于计算海底断面在该层的视电阻率分布，并且进行反演监测。

具体的，在铺设监测电缆11过程中，监测电缆11以生产井12为中心水平对称铺设在其两侧，监测电缆11上布设有多个电极13，监测电缆11与采集站14连接，采集站14通过导线与电源模块15连接；通过将监测电缆11以生产井12为中心水平对称铺设在其两侧，可以监测以生产井为中心，以监测电缆为直径范围内海底沉积层断面的电位数据。也就是在生产过程中重点监控的区域。采集站作为本监控方法的控制单元，可以接收总控平台上位机16的指令进行工作，也可根据预设程序自行工作，其用于向电极发送控制命令，以及用于接收电极反馈的电位数据并处理分析。

监测电缆11对海底断面的电位进行扫描测量过程中，包括：

采集站14从多个电极中选择部分电极作为工作电极，其余电极休眠，工作电极包括供电电极和测量电极，供电电极和测量电极分别为两个；本实施例中的监控电缆上的电极为等间距设置，相邻两电极之间的距离为一个电极距，两个供电电极之间的距离为供电电极距离，两个测量电极之间的距离为测量电极距离，供电电极距离和测量电极距离为一个电极距的整数倍。供电电极通过设置为两个，其中一个施加正电压，另外一个为负电压，因此，可以实现两测量电极之间通过海底沉积物形成电流回路，进而可以实现测量点电位数据的测量。

其中，海底断面为海底沉积层的断面，

对于电极的数目及电极距，可根据生产点水合物层的深度以及监测分辨率来确定，一般来说，电极距越小，分辨率越高，但成本也高。

工作电极确定后，采集站14控制电源模块15为供电电极供电，并且控制测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，保持供电电极距离和测量电极距离不变，重新选择工作电极，重复测量步骤，直至监测电缆11上的每一电极均被至少一次选择做为过工作电极，完成对海底断面上其中一层电位数据的测量，该层距海底断面上表面的距离约为供电电极距离的1/6～1/2;其具体数值需结合实际应用中海底沉积层的地质背景等多种信息来综合给出。

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，采集站重新确定供电电极距离以及测量电极距离，并且以重新确定后的供电电极距离和测量电极距离选择工作电极，执行海底断面另外一层电位数据的测量，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量；海底沉积物不同层电位数据的测量是通过调整供电电极距离以及测量电极距离实现的。

计算海底断面的视电阻率步骤，采集站14将测量的海底断面每一层的电位数据及相应电流数据发送至总控平台上位机16，总控平台上位机16计算海底断面在该层的视电阻率分布。

总控平台上位机16还用于对数据进行反演和监测，将所得视电阻率数据通过专业反演软件（RES等或自行开发）反演为电阻率数据，将海底断面各层的电阻率绘制输出电阻率剖面图，利用海底断面的电阻率与海底沉积层孔隙水甲烷浓度、甲烷气饱和度的对应关系，根据海底断面的电阻率变化实现对海底沉积层甲烷流态泄露或气态泄漏的监测。

本实施例的海底天然气水合物原位电学监测装置，只需一次监测电缆布设，之后可远程操控或按设置程序自动采集，因此节省人力物力成本，且系统运行只需供电系统提供电源，故而运行成本低；利用电学原理监测，以沉积层中的电性变化（电阻率变化）来反推物性变化，以达到监测的目的，可操作性强，监测范围通常大于500m，监测范围大，且本发明针对沉积层进行监测，监测超前性强，预警性强。本装置尤其适用于海底对海底天然气水合物原位电学监测。

各电极13分别连接有一电极转换模块，各电极转换模块之间、电极转换模块与采集站14之间通过监测电缆连接，采集站14通过控制电极转换模块，进而控制各电极的工作状态。

如图3所示，作为一个优选的实施例，电极转换模块包括依次连接的：

接口单元，用于接收采集站发出的指令编码；

译码单元，对接口单元接收的指令编码进行译码处理，并输出处理结果；

指令检测单元，用于从所述译码单元中检测出控制指令并输出；

控制驱动单元，接收所述指令检测单元输出的控制指令，控制与电极转换模块相连接电极的工作状态。

优选在本实施例中，采集站包括下述各电路单元：

主处理单元，用于生成控制电极工作状态的控制信号，并且接收电极转换模块发送的电位数据，可接收总控平台上位机的指令进行工作，也可通过预设程序，脱离上位机独立按预先设定的时间表工作；

电极开关选址单元，与所述主处理单元连接，在主处理单元的控制下发出指令编码至所述电极转换模块的接口单元；

供电回路切换单元，一方面连接电极转换模块的控制驱动单元，另一方面连接电源模块，并在所述主处理单元的控制下确定是否为该电极转换模块的供电回路供电；

数据采集处理单元，与所述电极转换模块的控制驱动单元连接，用于采集并处理电流及电位数据。

优选采集站14还包括数据传输单元，用于通过监控电缆向总控平台上位机传输数据。各电极分别连接有一电极转换模块，各电极转换模块之间、电极转换模块与采集站之间通过监测电缆连接。电极转换模块用于控制与其连接电极的工作状态，电极转换模块接受采集站的控制。

电极的材质优选为钛钢，当然不局限于此，也可以选择其他抗高压、耐腐蚀、导电性良好的材料来实现。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

铺设监测电缆步骤，所述监测电缆以生产井为中心水平对称铺设在其两侧，所述监测电缆上布设有多个电极，所述监测电缆与采集站连接，所述采集站通过导线与电源模块连接；

对海底断面的电位进行扫描测量步骤，其中，海底断面为海底沉积层的断面，包括：

所述采集站从所述多个电极中选择部分电极作为工作电极，其余电极休眠，所述工作电极包括供电电极和测量电极，所述供电电极和测量电极分别为两个，相邻两电极之间的距离为一个电极距，两个供电电极之间的距离为供电电极距离，两个测量电极之间的距离为测量电极距离，供电电极距离和测量电极距离为一个电极距的整数倍；

工作电极确定后，所述采集站控制电源模块为供电电极供电，并且控制测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，保持供电电极距离和测量电极距离不变，重新选择工作电极，重复测量步骤，直至监测电缆上的每一电极均被至少一次选择做为过工作电极，完成对海底断面上其中一层电位数据的测量，该层距海底断面上表面的距离约为供电电极距离的1/6～1/2;

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，采集站重新确定供电电极距离以及测量电极距离，并且以重新确定后的供电电极距离和测量电极距离选择工作电极，执行海底断面另外一层电位数据的测量，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量；

计算海底断面的视电阻率步骤，采集站将测量的海底断面每一层的电位数据及电流数据发送至总控平台上位机，计算海底断面在该层的视电阻率分布；

反演监测步骤，所述总控平台上位机将所得视电阻率数据反演为电阻率数据，将海底断面各层的电阻率绘制输出电阻率剖面图，利用海底断面的电阻率与海底沉积层孔隙水甲烷浓度及甲烷气饱和度的对应关系，根据海底断面的电阻率变化实现对海底沉积层甲烷流态泄露或气态泄漏的监测。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述对海底断面的电位进行扫描测量步骤包括以下子步骤：

以所述监测电缆的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，其中两个工作电极为供电电极A与供电电极B，另外两个工作电极为测量电极M与测量电极N，工作电极之间通过海底沉积层构成电流回路，所述采集站控制电源模块为供电电极A与供电电极B供电，并且控制测量电极M与测量电极N返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，将供电电极A、供电电极B、测量电极M与测量电极N同时向监测电缆的另外一端方向移动一个或者多个电极距，进行下一数据点采集，直到工作电极移动至监测电缆的另外一端，完成对海底断面上其中一层电位数据的测量；

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，将供电电极距离和测量电极距离增大一个或者多个电极距，重新以所述监测电缆的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，并使得当前选择的供电电极距离和测量电极距离满足重新确定的值，重复测量步骤，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量。

3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，铺设监测电缆步骤中，使用水下机器人，以生产井为中心，在海底沉积层挖一条电缆沟，然后以水下机器人接触监测电缆非金属材料部分，并且控制水下机器人向监测电缆喷射水流的方式将监测电缆喷射至沟槽中。

4.根据权利要求1-3任一项所述的监测方法，其特征在于，各电极分别连接有一电极转换模块，各电极转换模块之间、电极转换模块与采集站之间通过监测电缆连接。

5.根据权利要求1-3任一项所述的监测方法，其特征在于，在反演监测步骤之后，还包括泄露报警步骤，利用海底断面不同位置电阻率与沉积层甲烷饱和度成正相关性，当海底沉积层的上覆土层中出现异常高阻时，判断为甲烷泄露并进行报警。

6.一种海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测装置，其特征在于，包括：

监测电缆、采集站、电源模块、总控平台上位机，所述监测电缆上布设有多个电极，所述监测电缆与采集站连接，所述采集站通过导线与电源模块连接，

所述采集站用于控制所述监测电缆上工作电极的工作状态，选择供电电极和测量电极，控制电源模块为供电电极供电；

所述采集站接收所述总控平台上位机下发的控制指令进行工作，所述采集站同时具有高精度时钟，在脱离所述总控平台上位机时按照预先设定程序进行工作；

所述测量电极采集当前电位数据，并反馈至所述采集站，将测量的海底断面每一层的电位数据及相应电流数据发送至所述总控平台上位机；

所述总控平台上位机生成用于控制所述采集站工作状态的控制指令，并发送至所述采集站，所述总控平台上位机还用于计算海底断面在该层的视电阻率分布，并且进行反演监测；

所述监测装置按照以下监测方法对海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测：

铺设监测电缆步骤，所述监测电缆以生产井为中心水平对称铺设在其两侧，所述监测电缆上布设有多个电极，所述监测电缆与采集站连接，所述采集站通过导线与电源模块连接；

对海底断面的电位进行扫描测量步骤，其中，海底断面为海底沉积层的断面，包括：

所述采集站从所述多个电极中选择部分电极作为工作电极，其余电极休眠，所述工作电极包括供电电极和测量电极，所述供电电极和测量电极分别为两个，相邻两电极之间的距离为一个电极距，两个供电电极之间的距离为供电电极距离，两个测量电极之间的距离为测量电极距离，供电电极距离和测量电极距离为一个电极距的整数倍；

工作电极确定后，所述采集站控制电源模块为供电电极供电，并且控制测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，保持供电电极距离和测量电极距离不变，重新选择工作电极，重复测量步骤，直至监测电缆上的每一电极均被至少一次选择做为过工作电极，完成对海底断面上其中一层电位数据的测量，该层距海底断面上表面的距离约为供电电极距离的1/6～1/2;

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，采集站重新确定供电电极距离以及测量电极距离，并且以重新确定后的供电电极距离和测量电极距离选择工作电极，执行海底断面另外一层电位数据的测量，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量；

计算海底断面的视电阻率步骤，采集站将测量的海底断面每一层的电位数据及电流数据发送至总控平台上位机，计算海底断面在该层的视电阻率分布；

反演监测步骤，所述总控平台上位机将所得视电阻率数据反演为电阻率数据，将海底断面各层的电阻率绘制输出电阻率剖面图，利用海底断面的电阻率与海底沉积层孔隙水甲烷浓度及甲烷气饱和度的对应关系，根据海底断面的电阻率变化实现对海底沉积层甲烷流态泄露或气态泄漏的监测。

7.根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于，各电极分别连接有一电极转换模块，各电极转换模块之间、电极转换模块与采集站之间通过监测电缆连接。

8.根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于，所述电极转换模块包括依次连接的：

接口单元，用于接收采集站发出的指令编码；

译码单元，对接口单元接收的指令编码进行译码处理，并输出处理结果；

指令检测单元，用于从所述译码单元中检测出控制指令并输出；

控制驱动单元，接收所述指令检测单元输出的控制指令，控制与电极转换模块相连接电极的工作状态。

9.根据权利要求6所述的海底天然气水合物原位电学监测装置，其特征在于，采集站包括下述各电路单元：

主处理单元，用于生成控制电极工作状态的控制信号，并且接收电极转换模块发送的电位数据，所述主处理单元接收所述总控平台上位机的指令进行工作，所述主处理单元连接有高精度时钟单元，在脱离所述总控平台上位机时按照预先设定程序进行工作；

电极开关选址单元，与所述主处理单元连接，在主处理单元的控制下发出指令编码至所述电极转换模块的接口单元；

供电回路切换单元，一方面连接电极转换模块的控制驱动单元，另一方面连接电源模块，并在所述主处理单元的控制下确定是否为该电极转换模块的供电回路供电；

数据采集处理单元，与所述电极转换模块的控制驱动单元连接，用于采集并传输电流及电位数据。

10.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，所述采集站还包括数据传输单元，用于通过监控电缆向总控平台上位机传输数据。