CN106646633A - 水域走航式探测海底气体喷发的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水域走航式探测海底气体喷发的系统及方法，所述系统包括：拖船，在所述拖船上设置有总控机；测量装置，包括有主机箱、漂浮缆、固定在所述漂浮缆上的供电电极线和测量电极线，所述主机箱与所述拖船通过缆绳连接；所述供电电极线上设置有两个供电电极，所述测量电极线上设置有多个测量电极，所述供电电极和所述测量电极与所述主机箱中的主机模块连接；在所述漂浮缆上设置有配重和浮球；定位装置，用于对所述测量装置进行定位。应用本发明，能够实现水域走航式气体喷发的原位探测，探测过程简单、快捷、准确、成本低，且可以实时、反复进行探测。

Description

水域走航式探测海底气体喷发的系统及方法

技术领域

本发明属于海洋探测技术领域，具体地说，是涉及海底气体喷发的探测，更具体地说，是涉及水域走航式探测海底气体喷发的系统及方法。

背景技术

海底普遍存在着不同规模的气泡（群）溢出，其来源主要是通过热分解和生物降解后产生的一些气体组分，包含水、碳氢化合物、硫化氢或二氧化碳等成分，其中以碳氢化合物为主。当前海底钻井平台失稳事故的最大诱因便是海底气体喷发导致的海床失稳，因此，研究海底气体喷发对钻井平台的安全至关重要。而且，由于气泡群喷发的气体主要是温室气体，因此，准确掌握海底气体喷出路径、规模等要素在全球碳循环和温室效应研究中亦占重要地位。此外，研究气体喷出过程也为海洋生物、海洋地球化学和海洋生态过程等科学研究提供重要证据。

当前研究海底气体喷发的手段已有较多方法，主要包括体积排空法、光学测量法和声学测量法。体积排空法是利用容积式悬浮收集器测量冷泉区域气泡喷出量，以此确定气体喷出速率、喷出规模等。光学测量法是采用高分辨率CCD摄像装置获取气泡流动图像，运用图像处理软件计算气泡的直径，进行气泡的光学测量，分辨率高，可识别15-5000um尺寸气泡。声学测量方法较多，例如，主动声纳法可利用气泡柱反射回波的强度间接检测海洋中的气体的流量,适合于流量充足、集中的场合；利用水听器记录气体流经收集器上方的喷嘴的声音信号,并用小波方法处理声信号数据反演气泡流量，可确定气体喷出规模；多波束扫描声纳装置可观测海底冷泉气泡群渗漏随海流的时空变化，能有效观测海域的渗漏区释放的气泡群三维动态分布,但难以测量释放气泡群量；利用透射声波与气泡液体的互相作用关系,可以计算出渗漏气泡流量借此确定海底气体喷出规模等。

上述的各种方法存在着探测条件要求高、干扰因素多、探测成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种水域走航式探测海底气体喷发的系统及方法，解决现有技术存在的结构和方法复杂、干扰因素多及成本高等的缺点。

为实现上述发明目的，本发明提供的系统采用下述技术方案予以实现：

一种水域走航式探测海底气体喷发的系统，所述系统包括：

拖船，作为系统的海上机构，用于提供走航动力和海上工作平台，在所述拖船上设置有总控机；

测量装置，作为系统的水下测量机构，包括有主机箱、与所述主机箱连接的漂浮缆、固定在所述漂浮缆上的供电电极线和测量电极线，所述主机箱内设置有主机模块和电源模块，所述主机模块包括有数据传输单元，所述数据传输单元与所述总控机通过数据传输线连接，所述主机箱与所述拖船通过缆绳连接；所述供电电极线上设置有两个供电电极，所述测量电极线上设置有多个测量电极，所述供电电极通过所述供电电极线与所述主机模块中的供电单元连接，所述测量电极通过所述测量电极线与所述主机模块中的电位采集单元连接；在所述漂浮缆上设置有配重和浮球；

定位装置，用于对所述测量装置进行定位，并将定位数据传输至所述总控机。

如上所述的系统，所述测量电极线上的所述多个测量电极等间距设置在所述测量电极线上，所述多个测量电极中距离所述主机箱最近的为第一测量电极，所述供电电极线上的所述两个供电电极中距离所述主机箱远的为第二供电电极，所述第一测量电极与所述主机箱的距离大于所述第二供电电极与所述主机箱的距离。

优选的，所述两个供电电极的距离为1m，所述第一测量电极与所述第二供电电极的距离为1m，所述多个测量电极中相邻两个测量电极的距离为0.05m。

优选的，所述测量电极线上设置有八个所述测量电极。

如上所述的系统，所述定位装置包括GPS定位模块和超短基线定位模块，所述GPS定位模块位于所述拖船上，所述超短基线定位模块包括有声学换能器和应答器，所述声学换能器设置在所述拖船的船底部，所述应答器至少包括有设置在所述主机箱上的第一应答器、设置在所述供电电极线上的第二应答器及设置在所述测量电极线上的第三应答器。

如上所述的系统，所述系统还包括形成在所述主机箱上的障碍探测装置，所述障碍物探测装置与所述主机模块中的所述数据传输单元连接。

为实现前述发明目的，本发明提供的方法采用下述技术方案予以实现：

一种基于上述的水域走航式探测海底气体喷发的系统实现水域走航式探测海底气体喷发的方法，所述方法包括：

所述系统中的拖船通过与所述系统中的测量装置连接的缆绳拖动所述测量装置在海水中移动；所述测量装置在所述测量装置中的漂浮缆的作用下、以距离海底一定距离的形式水平漂浮在海水中；

在所述测量装置移动过程中，利用所述测量装置中的供电单元为所述测量装置中的两个供电电极供电，形成电场，并获取所述供电单元为两个所述供电电极供电的电流值；

利用所述测量装置中的电位采集单元采集所述测量装置中的多个测量电极中相邻两个测量电极在所述电场中产生的电位差，获得多个采集点电位差；

同时，利用所述系统中的定位装置获取采集每个所述采集点电位差时所述供电电极的位置及形成该电位差的所述相邻两个测量电极的位置，利用所述供电电极的位置和所述相邻两个测量电极的位置确定出每个所述采集点电位差所对应的采集点位置；

根据所述电流和所述采集点电位差计算采集点视电阻率，根据所述采集点视电阻率和所述采集点位置构建视电阻率剖面图；

对所述视电阻率剖面图作反演计算，获得真电阻率剖面图；

根据所述真电阻率剖面图判定气体喷发的规模及速度。

如上所述的方法，所述利用所述供电电极的位置和所述相邻两个测量电极的位置确定出每个所述采集点电位差所对应的采集点位置，具体包括：

根据所述供电电极的位置确定两个所述供电电极的连线的中点，根据所述相邻两个测量电极的位置确定所述相邻两个测量电极的连线的中点，确定所述供电电极的连线的中点与所述测量电极的连线的中点之间的连线，作为中点连线，将所述中点连线的中点沿所述测量装置的移动方向上相对于初始点的位移确定为采集点横坐标，将所述中点连线的长度的设定百分比所对应的数值确定为采集点纵坐标，所述采集点横坐标和所述采集点纵坐标构成所述采集点位置。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

利用本发明提供的系统及方法实现水域走航式探测海底气体喷发，系统结构简单，便于操作，系统中的测量装置体积小，便于携带使用；基于电位差和电流所形成的电阻率式的探测，不易受到干扰因素的影响，探测准确性高；通过调整供电电极和测量电极的极距，能够实现不同体积目标体和不同深度水域的气体喷发的精确探测；可满足对具有实时性要求的科研及工程的应用需求。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是基于本发明水域走航式探测海底气体喷发的系统一个实施例的结构示意图；

图2是图1实施例的电路原理图；

图3是基于本发明水域走航式探测海底气体喷发的方法一个实施例的流程图；

图4至图6分别为基于图3的方法获得的、不同水域的真电阻率剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

首先，简要说明本发明的理论基础：

海底气泡群喷出时，气体占据海水体积，在空间形成气液两相体。理论研究表明，气液两相体的电阻率随气体喷出的规模及速度呈现一定变化规律。具体来说，电阻率越大，气体喷出的速度也越大。本发明基于该理论，设计了一种水域走航式探测海底气体喷发的系统，并基于该系统提出了一种水域走航式探测海底气体喷发的方法。

请参见图1和图2示出的基于本发明水域走航式探测海底气体喷发的系统的一个实施例，其中，图1是该实施例的结构示意图，图2是该实施例的电路原理图。

如图1所示，同时结合图2所示意，该实施例的水域走航式探测海底气体喷发的系统包括有拖船100、测量装置200、缆绳及数据传输线300及定位装置。

其中，拖船100作为系统的海上机构，不仅用于提供走航动力引导，还为整个探测过程提供海上工作平台。拖船100上设置有总控机，用于进行采集指令下发、采集参数选择、数据采集、数据处理及数据和处理结果的保存等。

测量装置200作为系统的水下测量机构，包括有主机箱21、与主机箱21连接的漂浮缆22、固定在漂浮缆22上的供电电极线25和测量电极线26。

其中，主机箱21通过缆绳及数据传输线300中的缆绳与拖船100连接。缆绳为承力绳，具备较高强度，在拖船100上通过缆绳将测量装置200下放到海中，在走航过程中，拖船100通过缆绳拉动测量装置200移动。主机箱21作为测量装置200的核心部件，其内设置有主机模块和电源模块，电源模块为主机模块提供工作电源，主机模块实现对海底电阻率数据的采集，主机模块的所包括的电路结构及工作原理参见后面的描述。

漂浮缆22悬挂在主机箱21后方，由浮力较大的塑料组成。在漂浮缆22上设置有配重23和浮球24。具体来说，配重23可以锚，悬挂在漂浮缆22的尾端；浮球24为多个，分散固定在漂浮缆22的缆体上。通过配重23和浮球24的调节来实现漂浮缆既能沉入到接近海底，又能以近乎水平状态漂浮于海床面500上方的某一深度位置。

供电电极线25和测量电极线26也悬挂在主机箱21后方，并分别固定在漂浮缆22上。供电电极线25包括有承力轴、紧密包裹在承力轴外硬度较高的塑料管、位于塑料管内部的导线以及两个供电电极C1和C2。其中，供电电极C1作为第一供电电极，靠近主机箱21，与主机箱21的距离为h1；供电电极C2作为第二供电电极，远离主机箱21，供电电极C1与供电电极C2的距离为C2。测量电极线26包括有承力轴、紧密包裹在承力轴外硬度较高的塑料管、位于塑料管内部的导线以及八个测量电极P1-P8。八个测量电极以等间距的形式依次设置在测量电极线26上。其中，八个测量电极中，第一测量电极P1距离主机箱21最近，其与主机箱21的距离为h3；八个测量电极中，每相邻的两个测量电极的距离为h4。在这些距离中，优选的，h1=1m，h2=1m，h3=3m，h4=0.05m，因此，第一测量电极P1也第二供电电极C2的距离也为1m。在该实施例中，两个供电电极的距离远大于相邻两个测量电极的距离，原因在于：

供电电极用来产生电场，在所建立的电场内才能进行有效采集，而所建立的电场的范围与供电电极间的距离、也即供电电极极距成正相关。为保证足够的电场范围，供电电极距不能太小。而与之相反，测量电极间的距离、也即测量电极极距越大，测量装置200的分辨率越差，需要小极距的测量电极才能对小尺度气泡串有良好的分辨。经数值模拟与实验验证，0.05m的测量电极极距是能够对气泡串进行有效探测的合理测量电极极距。

而之所以选择在测量电极线26上设置八个测量电极，是因为通过数值模拟和实验得到一个结论，直流电阻率法在海水中只能采集七层数据，所以我们做八个极，采集P1P2、P2P3、P3P4、P4P5、P5P6、P6P7、P7P8这七个电位，获得七层数据。所谓层，是指在电场建立后，两个测量电极的电位差受二者中间整体区域的电阻率的影响，其中由于电流在介质中的分布规律，两个测量电极的电位差主要反映了二者之间一定深度位置的电阻率情况，深度的不同即为不同的层，且深度位置与测量电极和供电电极的距离呈正相关。

当然，上述具体数量及距离的选择为优选的，但并不局限于上述结构，也可以采用更少数量的测量电极，或者其他的极距。

定位装置用来对测量装置200进行定位，并将定位数据传输至拖船100上的总控机，以便通过数据处理获取到测量装置200的位置。具体来说，定位装置包括GPS定位模块（图中未示出）和超短基线定位模块。其中，GPS定位模块位于拖船100上。而超短基线定位模块包括有声学换能器411和应答器，声学换能器411设置在拖船100的船底部，而应答器设置在测量装置200上，至少包括有设置在主机箱21上的第一应答器412、设置在供电电极线25上的第二应答器413及设置在测量电极线26上的第三应答器414。利用GPS定位模块和超短基线定位模块，结合测量装置200中各供电电极、各测量电极及主机箱21的相对位置，可以获取到供电电极线25上的各供电电极和测量电极线26上的各测量电极的位置。同时，还可以获得测量电极线26的姿态，以便实现对测量电极位置的监控及在测量电极线26的姿态不合适时通过拖船100的拖行速度加以调整。

此外，在主机箱21上设置有障碍探测装置27，障碍探测装置27与主机箱21中的主机模块连接，主机模块可以获取到障碍探测装置27的探测数据信息。具体而言，障碍探测装置27可以为摄像机和/或声学探测装置，可对走航过程中主机箱21前方的地形状况或障碍物状况进行实时探测。

请参见图3，该图所示为基于本发明水域走航式探测海底气体喷发的方法一个实施例的流程图，具体来说，是根据上述水域走航式探测海底气体喷发的系统实现海底气体喷发探测的方法。

如图3所示意，同时结合图1和图2的系统结构图及电路原理图，该实施例实现水域走航式海底气体喷发探测的方法包括：

步骤31：拖船通过与缆绳拖动测量装置在海水中移动，利用测量装置中的供电单元为测量装置中的两个供电电极供电，形成电场，并获取供电单元为两个供电电极供电的电流值。

具体来说，在使用水域走航式探测海底气体喷发的系统探测海底气体喷发时，首先利用导航系统指导船体到达设定探测位置。探测位置可以是根据其它调查手段（如海洋地震方法或声学方法调查）所得结果的异常区，也可以是工程、科研或其他领域所要求的关键区。到达设定探测位置之后，进行系统安装、测量装置的布放和稳定性测试。然后设定系统工作形式、供电电极所需的电流强度、供电周期等参数。在将测量装置通过缆绳布放到海底时，通过已知的海床面500深度，调整漂浮缆上的配重和浮球，使得测量装置距离海底一定距离而水平漂浮。例如，如图1中，测量装置距离海床面500的距离H为5m左右，目的在于防止采集到海床面500下方的沉积层600的电阻率信息而影响气体探测的准确度，同时还不错过、不漏采海底喷发出的气体700的电阻率信息。

将测量装置在海底布放完毕、拖船开始拖动测量装置移动的起始位置作为初始点，根据定位装置确定初始点的位置坐标，并将该位置坐标作为后续数据处理坐标系中的原点作为。

测量装置的主机模块包括有供电单元和中央控制单元，供电单元分别与测量装置中的电源模块和供电电极线上的两个供电电极连接，测量开始之后，拖船拖动测量装置在海水中移动的过程中，供电电元在中央控制单元的控制，将电源模块提供的电流转化为供电电极所需的直流电而施加到两个供电电极上。从而，在供电电极周围形成电场。在供电的同时，中央控制单元能够获取供电单元为两个供电电极所供电的电流值，该电流值将通过主机模块中的数据传输单元传输至拖船上的总控机。

步骤32：利用测量装置中的电位采集单元采集测量装置中的多个测量电极中相邻两个测量电极在电场中产生的电位差，获得多个采集点电位差。

主机模块中包括有采集单元和电极转换单元所构成的电位采集单元，在供电电极供电形成电场之后、测量装置的移动过程中，电极转换单元在中央控制单元的控制下，切换多个测量电极中相邻两个测量电极作为当前工作测量电极，采集单元将采集作为当前工作测量电极在电场中所产生的电位差，获得多个采集点电位差。

以具有P1-P8共八个测量电极的上述系统为例，将轮流测量P₁P₂、P₂P₃、P₃P₄、P₄P₅、P₅P₆、P₆P₇、P₇P₈的电位差。采集点电位差将通过数据传输单元传输至总控机中。

步骤33：利用定位装置获取采集每个采集点电位差时供电电极的位置及形成该电位差的相邻两个测量电极的位置，利用供电电极的位置和相邻两个测量电极的位置确定出每个采集点电位差所对应的采集点位置。

步骤12中的每个采集点电位差对应着一个采集点，利用系统中的定位装置获取采集每个采集点电位差时供电电极的位置及形成该电位差的相邻两个测量电极的位置。然后，根据供电电极的位置和相邻两个测量电极的位置确定出每个采集点电位差所对应的采集点位置。

具体来说，作为优选的实施方式，利用供电电极的位置和相邻两个测量电极的位置确定出每个采集点电位差所对应的采集点位置，具体包括：

根据定位装置确定的供电电极的位置确定两个供电电极的连线的中点，根据定位装置确定的相邻两个测量电极的位置确定相邻两个测量电极的连线的中点；然后，根据这两个中点确定供电电极的连线的中点与测量电极的连线的中点之间的连线，作为中点连线；将中点连线的中点沿测量装置的移动方向上相对于初始点的位移确定为采集点横坐标，将中点连线的长度的设定百分比所对应的数值确定为采集点纵坐标，采集点横坐标和采集点纵坐标构成采集点位置。优选的，设定百分比为25%。那么，采集点横坐标表征的是电位采集点相对于初始点的横向位移，而采集点纵坐标表征的是电位采集点处所对应的、测量电极线所在海水面下方的特定深度

步骤34：根据电流值和采集点电位差计算采集点视电阻率，根据采集点视电阻率和采集点位置构建视电阻率剖面图。

根据上述的电流值及采集点电位差计算出采集点视电阻率，根据采集点视电阻率和步骤33获取的采集点位置构建视电阻率剖面图。由于采集点位置包括有横坐标和纵坐标，为二维位置，二维位置结合每个位置的视电阻率数据，可以构建出水下视电阻率剖面图。具体构建过程可以参考现有来实现。

步骤35：对视电阻率剖面图作反演计算，获得真电阻率剖面图；根据真电阻率剖面图判定气体喷发的规模及速度。

反映计算获取真电阻率剖面图的具体实现过程可以采用现有技术。根据真电阻率剖面图即可对气体喷发的规模及速度进行定性判定。具体来说，是根据真电阻率剖面图中异常区电阻率值、尤其是高电阻率的值的来判断气体喷发区的规模及气体喷发速度。

图4、图5和图6示出了采用图3实施例的方法所获得的不同水域的真电阻率剖面图，且为一个测量周期内的真电阻率剖面图。

在图4中，真电阻率剖面图中的电阻率异常区（也即高阻带）主要位于横坐标为4-7m的范围内。根据该剖面图，可以判定在探测区域存在着气体喷发，且气体喷发区的范围小于八个测量电极的长度。气体喷发的速度根据电阻率的大小来判定。

在图5中，真电阻率剖面图中的电阻率异常区（也即高阻带）主要位于横坐标大于6m的区域内。根据该剖面图，可以判定在探测区域存在着气体喷发，且气体喷发区的范围大于八个测量电极的长度。气体喷发的速度根据电阻率的大小来判定。

在图6中，真电阻率剖面图中整个探测区域内均为电阻率异常区，也即全断面均为高阻带。根据该剖面图，可以判定在探测区域存在着气体喷发，且气体喷发区的范围大于八个测量电极的长度。气体喷发的速度根据电阻率的大小来判定。

采用上述实例的系统和方法，能够实现水域走航式气体喷发的原位探测，探测过程简单、快捷、准确、成本低，且可以实时、反复进行探测。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种水域走航式探测海底气体喷发的系统，其特征在于，所述系统包括：

拖船，作为系统的海上机构，用于提供走航动力和海上工作平台，在所述拖船上设置有总控机；

测量装置，作为系统的水下测量机构，包括有主机箱、与所述主机箱连接的漂浮缆、固定在所述漂浮缆上的供电电极线和测量电极线，所述主机箱内设置有主机模块和电源模块，所述主机模块包括有数据传输单元，所述数据传输单元与所述总控机通过数据传输线连接，所述主机箱与所述拖船通过缆绳连接；所述供电电极线上设置有两个供电电极，所述测量电极线上设置有多个测量电极，所述供电电极通过所述供电电极线与所述主机模块中的供电单元连接，所述测量电极通过所述测量电极线与所述主机模块中的电位采集单元连接；在所述漂浮缆上设置有配重和浮球；

定位装置，用于对所述测量装置进行定位，并将定位数据传输至所述总控机。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量电极线上的所述多个测量电极等间距设置在所述测量电极线上，所述多个测量电极中距离所述主机箱最近的为第一测量电极，所述供电电极线上的所述两个供电电极中距离所述主机箱远的为第二供电电极，所述第一测量电极与所述主机箱的距离大于所述第二供电电极与所述主机箱的距离。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述两个供电电极的距离为1m，所述第一测量电极与所述第二供电电极的距离为1m，所述多个测量电极中相邻两个测量电极的距离为0.05m。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述测量电极线上设置有八个所述测量电极。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述定位装置包括GPS定位模块和超短基线定位模块，所述GPS定位模块位于所述拖船上，所述超短基线定位模块包括有声学换能器和应答器，所述声学换能器设置在所述拖船的船底部，所述应答器至少包括有设置在所述主机箱上的第一应答器、设置在所述供电电极线上的第二应答器及设置在所述测量电极线上的第三应答器。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括形成在所述主机箱上的障碍探测装置，所述障碍物探测装置与所述主机模块中的所述数据传输单元连接。

7.一种基于上述权利要求1至6中任一项所述的水域走航式探测海底气体喷发的系统实现水域走航式探测海底气体喷发的方法，其特征在于，所述方法包括：

所述系统中的拖船通过与所述系统中的测量装置连接的缆绳拖动所述测量装置在海水中移动；所述测量装置在所述测量装置中的漂浮缆的作用下、以距离海底一定距离的形式水平漂浮在海水中；

在所述测量装置移动过程中，利用所述测量装置中的供电单元为所述测量装置中的两个供电电极供电，形成电场，并获取所述供电单元为两个所述供电电极供电的电流值；

利用所述测量装置中的电位采集单元采集所述测量装置中的多个测量电极中相邻两个测量电极在所述电场中产生的电位差，获得多个采集点电位差；

同时，利用所述系统中的定位装置获取采集每个所述采集点电位差时所述供电电极的位置及形成该电位差的所述相邻两个测量电极的位置，利用所述供电电极的位置和所述相邻两个测量电极的位置确定出每个所述采集点电位差所对应的采集点位置；

根据所述电流值和所述采集点电位差计算采集点视电阻率，根据所述采集点视电阻率和所述采集点位置构建视电阻率剖面图；

对所述视电阻率剖面图作反演计算，获得真电阻率剖面图；

根据所述真电阻率剖面图判定气体喷发的规模及速度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用所述供电电极的位置和所述相邻两个测量电极的位置确定出每个所述采集点电位差所对应的采集点位置，具体包括：

根据所述供电电极的位置确定两个所述供电电极的连线的中点，根据所述相邻两个测量电极的位置确定所述相邻两个测量电极的连线的中点，确定所述供电电极的连线的中点与所述测量电极的连线的中点之间的连线，作为中点连线，将所述中点连线的中点沿所述测量装置的移动方向上相对于初始点的位移确定为采集点横坐标，将所述中点连线的长度的设定百分比所对应的数值确定为采集点纵坐标，所述采集点横坐标和所述采集点纵坐标构成所述采集点位置。