CN106841311B

CN106841311B - 一种海床基多点原位长期观测系统

Info

Publication number: CN106841311B
Application number: CN201710036787.0A
Authority: CN
Inventors: 郭磊; 孙治雷; 叶思源; 王利波; 曹红; 耿威; 刘莉萍
Original assignee: Qingdao Institute of Marine Geology
Current assignee: Qingdao Institute of Marine Geology
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2017-09-22
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: ES2788774T3; EP3351973A1; JP2018127207A; HRP20200682T1; JP6386653B2; EP3351973B1; CN106841311A

Abstract

本发明涉及一种海床基多点原位长期观测系统，包括平台框架、浮体材料、水声通讯机、信标机、监测舱、控制舱、释放控制舱、中央回转台、配重块和微电极探测系统；所述平台框架主体为圆柱体形状，从上至下共四层，第一层安装浮体材料、水声通讯机及信标机，第二层安装监测舱、控制舱和释放控制舱，第三层安装中央回转台，第四层安装配重块。本发明有效地实现了多点精确定位功能，进而可以根据需要获取探测区域内多个探测点的数据，最终能够分析获得有源扩散场的空间分布信息为石油泄漏、水合物分解过程的海洋环境效应评估给予重要的数据支撑，从而为海底石油开采、天然气水合物试采等重大工程实施提供支撑及服务。

Description

一种海床基多点原位长期观测系统

技术领域

本发明涉及一种海床基多点原位长期观测系统，属于海洋观测技术领域。

背景技术

海洋资源是国家海洋权益的重要组成部分，深海石油和天然气水合物等资源的争夺成为国际能源焦点。海底天然气水合物开采过程中，由于温度、压力、外接扰动等因素，使得水合物自发分解，产生诸如CH₄、H₂、H₂S、O₂等多种副产物，进而可能使海床稳定性、海洋工程基础建设、海洋及大气环境等受到严重的影响。因此，对天然气水合物开采过程进行有效、全面地长期监测，对于推动水合物资源勘探和开采以及相关的环境效应的调查评价具有重要的促进作用。

目前，对于天然气水合物分解过程的监测、探测、观测手段，主要包括海洋地球物理探测、潜标观测、取样分析、海床基观测等。海洋地球物理探测方法又可分为以多波束探测等手段为代表的海水环境探测、以地震和浅剖等手段为代表的海底沉积物环境探测。而物探方法缺乏时间上的连续性且精度较低，大多以勘探为主，难以实现长期连续观测。潜标观测能够获取海水环境剖面的大量数据，具有良好的连续性与垂向数据分布密度，但对于来自于海底沉积物内部的水合物分解过程，在海水环境的观测效果会相对滞后。取样分析法能够很好的获取足够范围、深度的沉积物样品，但该方法既无法满足实时观测要求，也无法获取动态变化过程，同时对样品不可避免的扰动也会严重影响分析结果。相对而言，海床基观测方法能够同时对海水和沉积物进行长期观测，是最为理想的方式。

海床基观测由来已久，美国华盛顿大学(1965)首次使用海床基三脚架来观测和研究PugetSound潮汐水道中的底边界层水沙运动。此后，美国国家地质调查局、弗吉尼亚海洋研究所、美国国家海洋和大气管理局等分别独立海床基观测系统，并组织参与了一系列大型的观测项目。此外，Oceanscience、Technicap、MSI等公司纷纷将坐底式观测平台的成熟技术进行产业化，如Sea Spider、CAGE EN PEHD等一些列简易、实用的海底观测平台陆续推出。在国内，中国海洋大学、中山大学、华东师范大学、中国科学院海洋研究所、国家海洋技术中心、国家海洋局第三海洋研究所等单位的坐底式观测平台陆续研制成功并得到推广应用。同济大学海洋地质国家重点实验室和美国地质调查局合作研制“自由下降三脚架”，运用多种海底仪器观测底层海流和沉积搬运的连续时间变化序列，研究南海东北部底层海流分布和沉积搬运的动力学过程。

然而，上述海床基观测系统全部针对于海洋动力参数观测，如温度、盐度、波浪、潮汐、海流、悬浮泥沙、重力、磁力、叶绿素、DO、pH值、CO、甲烷、营养盐、H₂S等等，并不能对海底沉积物内部进行探测。中国海洋大学研制“复杂深海工程地质原位长期观测设备”于2015年正式启动，该设备不仅能够对海水环境进行综合观测，还可以对海底沉积物内部的电阻率、声波、孔隙水压力进行长期观测。但该设备尚处于研制状态，且为静止的定点观测。

由于海底的石油、天然气水合物泄露或分解过程会在有限范围内形成一个由内而外、由大到小的有源扩散场，特别是在深海底相对稳定的环境下，仅在有源场内进行范围不大的多点探测，也足以根据扩散场的分布特性确定源的位置、距离，各个观测要素的扩散过程及源的泄露/分解量，具有重要的实际意义与研究价值。但显然，目前的装备水平不足以对于石油、天然气水合物泄露或分解过程开展长期观测。

发明内容

本发明目的是提供一种海床基多点原位长期观测系统，能够对本装备覆盖范围内的沉积物进行高精度多点立体观测，并可进行高精度定位沉积物取样。

一种海床基多点原位长期观测系统，包括平台框架、浮体材料、水声通讯机、信标机、监测舱、控制舱、释放控制舱、中央回转台、配重块和微电极探测系统；所述平台框架主体为圆柱体形状，从上至下共四层，第一层安装浮体材料、水声通讯机及信标机，第二层安装监测舱、控制舱和释放控制舱，第三层安装中央回转台，第四层安装配重块；

所述第二层的监测舱内设有姿态传感器和高度计，控制舱内设有水下控制及数据采集系统，释放控制舱内设有水下声学释放器；

所述第三层安装中央回转台，包括回转导轨、回转盘、微电极探测系统和拉伸机构，所述中央回转台上设置圆周形回转导轨，回转盘设置在回转导轨的中央并可沿回转导轨滑动，回转盘由伺服电机I驱动；回转盘上沿径向设置滑槽，微电极探测系统可在拉伸机构的控制下在滑槽内滑动，拉伸机构包括伺服电机II和丝杠II，伺服电机II带动丝杠II转动，丝杠II与微电极探测系统螺纹连接。

该观测系统通过伺服电机控制回转盘转动、拉伸机构控制微电极探测系统滑动，可实现360°范围内任意半径的回转定位，完成微电极探测系统的可控定位探测/取样。

进一步地，平台框架采用316L不锈钢材料制作。

进一步地，所述微电极探测系统可在升降机构的控制下上下移动，升降机构包括伺服电机III和丝杠III，伺服电机III带动丝杠III转动，丝杠III与微电极探测系统螺纹连接。

更进一步地，结合微电极响应快、搅拌敏感度低、空间分辨率高的特点，设计垂直升降机构定位精度为1mm。

进一步地，所述回转盘上还设置沉积物取样器，用于对所观测沉积物进行采样。

进一步地，为便于安装，所述浮体材料设计为4-8等分，组合后的形状体积与平台框架相契合。水声释放器将缆绳控制挂钩打开，即可抛弃配重，在抛弃配重后，浮体材料可以帮助平台浮出水面。

进一步地，所述微电极探测系统包括基座及设置在基座上的静力触探(CPT)探头和八个微电极，所述静力触探探头设置在基座的中央，所述八个微电极围绕静力触探探头均匀排布，静力触探探头与每一个微电极的距离为3-5cm，距离太小，静力触探探头占据微电极被测介质的空间，可能会影响到微电极的测量结果。距离太大，静力触探探头探测到的阈值点对微电极的保护效果会大打折扣。静力触探探头锥尖的长度比微电极锥尖的长度长4-8cm，存在长度差既可保证在贯入沉积物的过程中静力触探探头先接触未知强度的沉积物，保护微电极；长度差不宜过大，否则无法保证贯入深度。所述八个微电极(24)分别探测CH₄、O₂、pH、Redox、H₂、H₂S、NO、NO₂指标。

由于微电极机械强度较差，为防止在刺穿沉积物的过程中被破坏，本微电极探测系统在基座上安装一套比微电极更长的深水静力触探探头，用来测量微电极下插过程中沉积物的强度的变化。通过对微电极模具开展重复破坏性实验，获取各个微电极极限破坏强度，取各个微电极的破坏强度的最小值，假设为S，根据S值大小设置静力触探的阈值，静力触探的阈值可设置为0.7-0.9S。当静力触探探头检测到的锥尖阻力大于等于静力触探的阈值时，停止继续穿刺，以保护微电极不受伤害，实现在原位观测过程中对微电极的可靠保护。通过将微电极群与静力触探探头结合，设置极限阈值，既可以保证贯入深度，又能够保证设备安全。

可进一步提高微电极测量的响应时间及高分辨。通过进一步改进信号放大、数据采集技术，获得高精度、高分辨率的多参量探测数据。

本发明的另一个目的是提供上述海床基多点原位长期观测系统的控制系统，包括甲板单元及水下单元(水下控制及数据采集系统)；

所述甲板单元包括主控制台、数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元，所述主控制台分别连接数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元；

所述水下控制及数据采集系统包括总控系统、信标机、水声通讯机、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I、回转盘、伺服电机II、丝杠II、伺服电机III、丝杠III、微电极探测系统、数据采集单元、沉积物取样器、高度计和姿态传感器；所述总控系统分别连接信标机、水声通讯机、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I、伺服电机II、伺服电机III、数据采集单元、高度计和姿态传感器，所述伺服电机I、伺服电机II、伺服电机III分别通过连接回转盘、丝杠II、丝杠III，从而驱动微电极探测系统和沉积物取样器，所述微电极探测系统与数据采集单元连接；

所述信标定位单元与信标机无线连接、水声通信单元与水声通讯机无线连接、声学释放单元与声学释放器无线连接。

水下控制及数据采集系统由电池供电，包括软件和硬件两部分，主要控制中央回转台回转定位、微电极探测系统和沉积物取样器的拉伸定位以及垂直升降定位，采集各微电极、高度计及姿态传感器等探测仪器的数据，并存储到数据存储器II中，同时通过水声通讯机将数据传输到甲板单元。水声通讯机还可以将平台水下状态及仪器采集的数据等参数传输到甲板接受单元。声学释放器接收甲板单元发出的释放讯号后，打开钩锁，与配重相分离，从而使得海床基多点原位长期观测系统在浮体材料的驱动下浮向海面。在海床基多点原位长期观测系统上浮到海面后，信标机发送GPS实时位置，指导海面船只通过导航迅速锁定海床基多点原位长期观测系统的实际位置与漂流走向，顺利完成追踪以及海面打捞回收。

本发明针对海底石油、天然气水合物泄露或分解过程，通过原位长期观测及沉积物取样，获取观测区域海底沉积物立体空间范围内地球化学指标的动态分布，从而分析获得有源扩散场的源位置、扩散过程等信息，为石油泄漏、水合物分解过程的海洋环境效应评估给予重要的数据支撑，从而为海底石油开采、天然气水合物试采等重大工程实施提供支撑及服务。

本发明的优势在于：

1.在传统海床基基础上，通过中央回转平台的回转机构、拉伸机构，有效地实现了多点精确定位功能，进而可以根据需要获取探测区域内多个探测点的数据，最终能够分析获得有源扩散场的空间分布信息；

2.将升降机构引入到中央回转平台，实现探针的贯入、拔出功能，进而将多点探测进一步发展为立体探测，从而将海床面平面的有源扩散场扩展为空间立体的有源扩散场，进而保证最终结果的直观性与可靠性。

附图说明

图1实施例1-2海床基多点原位长期观测系统结构示意图；

图2实施例1-2中央回转台结构示意图；

图3实施例2微电极探测系统结构示意图；

图4实施例2微电极探测系统结构示意图；

图5实施例1-2控制系统示意图；

图6实施例1-2控制系统结构示意图；

图7实施例1-2观测系统对有源扩散场的探测方法示意图；

图1-7中：1-信标机；2-监测舱；3-微电极探测系统；4-吊环；5-水声通讯机；6-浮体材料；7-控制舱；8-释放控制舱；9-配重块；10-中央回转台；11-平台框架；12-伺服电机I；13-伺服电机II；14-伺服电机III；15-回转导轨；16-回转盘；17-沉积物取样器；18-甲板单元；19-海平面；20-海床基多点原位长期观测系统；21-海床面；22-丝杠III；23-基座；24-微电极；25-静力触探探头；26-丝杠II；27-滑槽；28-探测点；29-探测区域；30-扩散场；31-扩散点。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

如图1所示的海床基多点原位长期观测系统，包括平台框架11、浮体材料6、水声通讯机5、信标机1、监测舱2、控制舱7、释放控制舱8、中央回转台10、配重块9和微电极探测系统3。平台框架11主体为圆柱体形状，从上至下共四层。

第一层安装浮体材料6、水声通讯机5、信标机1及吊环4，其中浮体材料6为便于安装，设计为六等分，安置在框架内，水声通讯机5、信标机1和吊环4均设置在平台框架11的顶部。

第二层安装监测舱2、控制舱7和释放控制舱8。监测舱2内设有姿态传感器和高度计，控制舱7内设有水下控制及数据采集系统，释放控制舱8内设有水下声学释放器。

第三层安装中央回转台10，包括回转导轨15、回转盘16、微电极探测系统3、拉伸机构和垂直升降机构(图2)。中央回转台10上设置圆周形回转导轨15，回转盘16设置在回转导轨15的中央并可沿回转导轨15滑动，回转盘16由伺服电机I 12驱动。回转盘16上沿径向设置滑槽27，微电极探测系统3可在拉伸机构的控制下在滑槽27内滑动，拉伸机构包括伺服电机II 13和丝杠II 26，伺服电机II 13带动丝杠II 26转动，丝杠II 26与微电极探测系统3螺纹连接。微电极探测系统3可在升降机构的控制下实现在垂直方向的上下移动，升降机构包括伺服电机III 14和丝杠III 22，伺服电机III 14带动丝杠III 22转动，丝杠III 22与微电极探测系统3螺纹连接(图3)。

第四层均匀安装四块配重块9。

上述海床基多点原位长期观测系统通过如图5、6所示的控制系统进行控制，包括甲板单元18及水下单元(水下控制及数据采集系统)20。

甲板单元18包括主控制台、数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元，主控制台分别连接数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元。

水下控制及数据采集系统20包括总控系统、信标机1、水声通讯机5、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I 12、回转盘16、伺服电机II 13、丝杠II 26、伺服电机III 14、丝杠III 22、微电极探测系统3、数据采集单元、沉积物取样器17、高度计和姿态传感器。总控系统分别连接信标机1、水声通讯机5、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I 12、伺服电机II 13、伺服电机III 14、数据采集单元、高度计和姿态传感器，其中伺服电机I 12、伺服电机II 13、伺服电机III 14分别通过连接回转盘16、丝杠II 26、丝杠III 22，从而驱动微电极探测系统3和沉积物取样器17，微电极探测系统3与数据采集单元连接；

信标定位单元与信标机1无线连接、水声通信单元与水声通讯机5无线连接、声学释放单元与声学释放器无线连接。

上述观测系统的平台框架11采用316L不锈钢材料制作，直径为2m。通过船舶将该观测系统运送至欲观测地点，船载铠装缆末端挂有声学释放器II，声学释放器II与吊环4相连。通过释放铠装缆，将上述观测系统下放到海床面，而后通过该声学释放器控制单元发出信号，打开钩锁，与海床基安全分离，从而完成布放。

水下观测系统布放好后，操作人员从甲板单元向水下单元的总控系统发送指令，开启姿态、高度以及微电极的多点探测。通过伺服电机I 12、伺服电机II 13、伺服电机III14分别控制中央回转台10的回转、微电极探测系统3的拉伸及升降，实现360°范围内任意半径(0.2m≤R≤1m)的回转定位，完成电微电极探测系统的可控定位探测/取样。

对有源扩散场的探测方法如图7所示，观测系统的微电极探测系统3在探测区域29内进行多点探测，得到多个探测点28的数据，根据数值的大小绘制扩散场30，最终得到扩散点31的位置信息。

观测完成后，回收海床基多点原位长期观测系统20：声学释放器接收甲板单元18发出的释放讯号后，打开钩锁，与配重块9相分离，从而使得海床基多点原位长期观测系统20在浮体材料6的驱动下浮向海面。在海床基多点原位长期观测系统20上浮到海面后，信标机1发送GPS实时位置，指导海面船只通过导航迅速锁定海床基多点原位长期观测系统20的实际位置与漂流走向，顺利完成追踪以及海面打捞回收。

实施例2

与实施例1不同的是，微电极探测系统3包括基座23及设置在基座23上的静力触探探头25和八个微电极24，静力触探探头25设置在基座23的中央，八个微电极24围绕静力触探探头25均匀排布，静力触探探头25的长度比微电极24的长度长5cm，如图3-4所示。

静力触探探头25和八个微电极24分别与数据采集单元连接，数据采集单元与总控系统连接，由总控系统完成静力触探探头25和八个微电极24的数据采集。

上述微电极探测系统3在组装前，分别对各个微电极模具开展重复破坏性实验，获取微电极24的极限破坏强度，取各个微电极24的破坏强度的最小值，假设为S，根据S值大小设置静力触探的阈值，本实施例中将静力触探阈值设置为0.8S。

在微电极探测系统3贯入沉积物的过程中，若静力触探锥尖阻力达到0.8S，则立即停止贯入；否则，会贯入直至贯入极限深度(例如1m)。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种海床基多点原位长期观测系统，其特征在于，包括平台框架(11)、浮体材料(6)、水声通讯机(5)、信标机(1)、监测舱(2)、控制舱(7)、释放控制舱(8)、中央回转台(10)、配重块(9)和微电极探测系统(3)；所述平台框架(11)主体为圆柱体形状，从上至下共四层，第一层安装浮体材料((6)、水声通讯机(5)及信标机(1)，第二层安装监测舱(2)、控制舱(7)和释放控制舱(8)，第三层安装中央回转台(10)，第四层安装配重块(9)；

所述第二层的监测舱(2)内设有姿态传感器和高度计，控制舱(7)内设有水下控制及数据采集系统，释放控制舱(8)内设有水下声学释放器；

所述第三层安装中央回转台(10)，包括回转导轨(15)、回转盘(16)、微电极探测系统(3)和拉伸机构，所述中央回转台(10)上设置圆周形回转导轨(15)，回转盘(16)设置在回转导轨(15)的中央并可沿回转导轨(15)滑动，回转盘(16)由伺服电机I (12)驱动；回转盘(16)上沿径向设置滑槽(27)，微电极探测系统(3)可在拉伸机构的控制下在滑槽(27)内滑动，拉伸机构包括伺服电机II (13)和丝杠II (26)，伺服电机II (13)带动丝杠II (26)转动，丝杠II(26)与微电极探测系统(3)螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的海床基多点原位长期观测系统，其特征在于，所述微电极探测系统(3)可在升降机构的控制下上下移动，升降机构包括伺服电机III (14)和丝杠III(22)，伺服电机III (14)带动丝杠III (22)转动，丝杠III (22)与微电极探测系统(3)螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的海床基多点原位长期观测系统，其特征在于，所述升降机构定位精度为lmm。

4.根据权利要求2所述的海床基多点原位长期观测系统，其特征在于，所述回转盘(16)上还设置沉积物取样器(17)。

5.根据权利要求1或2所述的海床基多点原位长期观测系统，其特征在于，所述浮体材料((6)设计为4-8等分，组合后的形状体积与平台框架(11)相契合。

6.根据权利要求1或2所述的海床基多点原位长期观测系统，其特征在于，平台框架(11)采用316L不锈钢材料制作。

7.根据权利要求1所述的海床基多点原位长期观测系统，其特征在于，所述微电极探测系统(3)包括基座(23)及设置在基座(23)上的静力触探探头(25)和八个微电极(24)，所述静力触探探头(25)设置在基座(23)的中央，所述八个微电极(24)围绕静力触探探头(25)均匀排布，静力触探探头(25)与每一个微电极(24)的距离为3-5cm，静力触探探头(25)锥尖的长度比微电极(24)锥尖的长度长4-8cm，所述八个微电极(24)分别探测CH₄、O₂、pH、Redox、H₂、H₂S、NO、NO₂指标。

8.根据权利要求4所述海床基多点原位长期观测系统的控制系统，其特征在于，包括甲板单元(18)的及水下单元(20)；

所述甲板单元(18)包括主控制台、数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元，所述主控制台分别连接数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元；

所述水下单元(20)包括总控系统、信标机(1)、水声通讯机(5)、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I(12)、回转盘(16)、伺服电机II(13)、丝杠II(26)、伺服电机III(14)、丝杠III(22)、微电极探测系统(3)、数据采集单元、沉积物取样器(17)、高度计和姿态传感器；所述总控系统分别连接信标机(1)、水声通讯机(5)、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I(12)、伺服电机II(13)、伺服电机III(14)、数据采集单元、高度计和姿态传感器，所述伺服电机I(12)、伺服电机II(13)、伺服电机III(14)分别通过连接回转盘(16)、丝杠II (26)、丝杠III(22)，从而驱动微电极探测系统(3)和沉积物取样器(17)，所述微电极探测系统(3)与数据采集单元连接；

所述信标定位单元与信标机(1)无线连接、水声通信单元与水声通讯机(5)无线连接、声学释放单元与声学释放器无线连接。