CN107462685B - 一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统,其实现冻土层以下天然气水合物稳定带内对水溶性甲烷进行梯度式原位动态监测，解决了冻土层下原位含溶解甲烷孔隙水采集困难、冻土冰层融冰导致水体原位状态改变等难题，在不破坏上覆冻土层和原位水体的前提下，真实反映天然气水合物稳定带内溶解性甲烷含量的变化，为研究冻土区环境下水合物赋存条件变化、甲烷溶解、甲烷迁移等科学问题提供基本参数。其包括：传感器集成单元、传输电缆、控制系统、采集系统、远程遥控单元、供电单元。还提供一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测方法。

Description

一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统及方法
技术领域
本发明涉及天然气水合物研究的技术领域，具体地涉及一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统及方法。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrate)是在低温高压下由水与小客体气体分子组成的类冰、非化学计量、笼形固体化合物，俗称“可燃冰”，因其中的气体成分主要为甲烷，故又称甲烷水合物(Methane Hydrate)。天然气水合物能量密度高，在理想状况下，1m3的天然气水合物可分解出164m3的甲烷气体和0.8m3的水。而地球上天然气水合物蕴藏量十分丰富，天然气体水合物广泛分布于多年冻土区、大陆架边缘的深海沉积物和深湖泊沉积物中，估计全球天然气水合物中的碳储量为2×1016m3，相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的两倍以上。上世纪90年代以来，世界上发达国家和一些发展中国家纷纷制订各自的开发研究计划，对天然气水合物进行全面的、系统的调查和研究。
天然气水合物的地球化学研究对于认识天然气水合物的物质组成、物化性质及其来源、产出条件、形成机制，分布规律、环境效应、资源量评价等具有重要的意义，是天然气水合物探测的最重要的手段之一。国际上对天然气水合物的地球化学研究表明，在天然气水合物富集区，由于水合物形成或分解过程中释放的流体和微渗逸烃可在其上覆海底沉积物及其孔隙水以及底层海水中形成烃类异常和其他地球化学异常效应，这些异常可用于指示天然气水合物的存在。目前，天然气水合物地层孔隙水中Cl-质量浓度异常和SO4 2-质量浓度梯度已成为两项重要的地球化学指标，而水体中溶解性甲烷浓度的含量则更直观的指示了天然气水合物的存在和分解变化。
天然气水合物溶解发生在天然气水合物本身稳定但未饱和的水体中，溶解过程与NaCl、CaSO4·2H2O在水中溶解相似，主要由于外因(如存在水)不稳定引起，相反过程是天然气水合物在过饱和时析出。水合物溶解度随温度增加而增大，随盐度和压力增加而减小，温度对溶解的影响比压力对溶解的影响敏感。水合物分解成水和甲烷气是水合物自身不稳定引起的，分解过程与冰融化过程相似，可以发生在沉积物中或水体中，与水是否存在无关，但水存在会加快水合物分解速度。水合物分解受温度、压力和甲烷含量影响，相反过程是甲烷气和水结晶成水合物。甲烷气在上升穿越水体的过程中，在气泡和水合物界面处会出现短暂的水合物再形成现象。水合物溶解和分解是两个不同的过程，控制水合物溶解的动力学因素是物质转换，而控制水合物分解的则是热转换。由于热转换速率大于物质转换速率，因此水合物分解过程比溶解过程要快得多。
伴随天然气水合物勘探开发过程，水体中溶解性甲烷浓度的含量对地层中天然气水合物存在状态的指示愈发重要。一方面，可对天然气水合物含量进行评估；另一方面，可对天然气水合物产生的甲烷进行实时监测，以免对环境造成灾害性影响。目前，对冻土区固结岩层内天然气水合物开采过程中，地层水中天然气水合物含量变化的监测已引起广大学者的重视，但监测系统却寥寥无几。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统,其实现冻土层以下天然气水合物稳定带内对水溶性甲烷进行梯度式原位动态监测，解决了冻土层下原位含溶解甲烷孔隙水采集困难、冻土冰层融冰导致水体原位状态改变等难题，在不破坏上覆冻土层和原位水体的前提下，真实反映天然气水合物稳定带内溶解性甲烷含量的变化，为研究冻土区环境下水合物赋存条件变化、甲烷溶解、甲烷迁移等科学问题提供基本参数。
本发明的技术解决方案是：这种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其包括：传感器集成单元、传输电缆、控制系统、采集系统、远程遥控单元、供电单元；传感器集成单元包括垂直排列的甲烷传感器、温度传感器、盐度传感器、深度传感器、pH值传感器，传感器集成单元与远程遥控单元连接；远程遥控单元、供电单元布置在井中水体底部，远程遥控单元通过传输控制电缆连接传感器集成单元，并控制传感器集成单元在水体中纵向周期性游动；传输电缆的一端与远程遥控单元连接且另一端与控制系统、采集系统连接；控制系统、采集系统布置在井口处。
还提供了一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测方法，其包括以下步骤：
(1)将甲烷传感器、温度传感器、盐度传感器、深度传感器、pH值传感器垂向排列，集成于保护框架中；
(2)在冻土层下，组建控制系统、采集系统、远程遥控单元、传感器集成单元，以及连接各单元的传输电缆；
(3)铺设冻土层下水合物稳定带内溶解性甲烷传感设备：下放传感器集成单元、供电单元和远程遥控单元，以及连接各单元的传输电缆，再与井口的控制系统、采集系统连接；
(4)水底调试：各部件安装完成后，对监测系统整体进行调试；
(5)进行数据实时采集，开展水体溶解性甲烷梯度计量分析：配合工作区天然气水合物钻探和试开采工作，实时监测垂向上各参数变化，对采集的数据按深度进行时间排序，对各参数进行统计分析。
本发明通过下放传感器集成单元、供电单元和远程遥控单元，以及连接各单元的传输电缆，再与井口的控制系统、采集系统连接，进行数据实时采集，开展水体溶解性甲烷梯度计量分析，从而能够实现冻土层以下天然气水合物稳定带内对水溶性甲烷进行梯度式原位动态监测，解决了冻土层下原位含溶解甲烷孔隙水采集困难、冻土冰层融冰导致水体原位状态改变等难题，在不破坏上覆冻土层和原位水体的前提下，真实反映天然气水合物稳定带内溶解性甲烷含量的变化，为研究冻土区环境下水合物赋存条件变化、甲烷溶解、甲烷迁移等科学问题提供基本参数。
附图说明
图1是根据本发明的冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统的结构示意图。
图2是根据本发明的冻土区井下水体溶解甲烷长期监测方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，这种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其包括：传感器集成单元1、传输电缆2、控制系统3、采集系统4、远程遥控单元5、供电单元6；传感器集成单元包括垂直排列的甲烷传感器、温度传感器、盐度传感器、深度传感器、pH值传感器，传感器集成单元与远程遥控单元连接；远程遥控单元、供电单元布置在井中水体底部，远程遥控单元通过传输控制电缆8连接传感器集成单元，并控制传感器集成单元在水体中纵向周期性游动；传输电缆的一端与远程遥控单元连接且另一端与控制系统、采集系统连接；控制系统、采集系统布置在井口7处。
另外，所述传感器集成单元具有保护框架，其套在所述传感器集成单元外。这样可以使传感器集成单元免于损伤，而且能够保证传感器更好地垂直布置。
另外，所述传输电缆固定于布满孔隙的不锈钢套管内，不锈钢套管贴在井壁上。从而避免阻碍传感器集成单元的垂向游动，而且能够使传输电缆受到损害减少，延长传输电缆的使用寿命。
另外，所述保护框架的整体尺寸小于冻土钻井内部直径。这样能够容易地下入井中。
另外，所述传感器集成单元为温盐深甲烷pH测量仪。
可以采用RBRconcerto C.T.D.PH.Mets(一种温盐深甲烷pH测量仪)。其可以测量温度、电导(盐度、声速)、深度、甲烷、PH。内存可存储3000万组数据，16节锂电，标配1Hz采样率(可升级到6Hz快速采样，并增加软开关临界启动功能，可选磁开关，可选无线WiFi数据传输)，钛合金外壳耐压6000米，长260/390mm，直径63.5mm，测量温度(准确度(Accuracy)±0.002℃)、电导(盐度，准确度(Accuracy)±0.003mS/cm)、深度(准确度(Accuracy)±0.05％)、溶解氧(准确度(Accuracy)小于0.4％)。RBRconcerto还可以根据客户需求，集成任意3到5种传感器。
RBR公司的温盐深剖面仪XR-420CTD深受海洋界用户好评，在此基础上，RBR公司新推出了全新的RBRconcerto C.T.D，该产品的内部结构进行了重新设计，是目前海洋仪器领域测量温度、盐度、深度最佳产品之一。该仪器不受海洋恶劣环境的干扰，准确测量温度、盐度、深度潮位(水位)、波高、浊度等多种参数。该产品在产品设计和测量参数上更加灵活，高准确度(Accuracy)和高分辨率，24位数模转换，体积很小，能方便的安装于各种物体上，如海底、栈桥、码头、锚系，广泛应用于海洋科学研究、海洋工程勘察等。
还提供了一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测方法，其包括以下步骤：
(1)将甲烷传感器、温度传感器、盐度传感器、深度传感器、pH值传感器垂向排列，集成于保护框架中；
(2)在冻土层9(冻土层的外面是布满裂隙的围岩11)下，组建控制系统、采集系统、远程遥控单元、传感器集成单元，以及连接各单元的传输电缆；
(3)铺设冻土层下水合物稳定带内溶解性甲烷传感设备：下放传感器集成单元、供电单元和远程遥控单元，以及连接各单元的传输电缆，再与井口的控制系统、采集系统连接；
(4)水底调试：各部件安装完成后，对监测系统整体进行调试；
(5)进行数据实时采集，开展水体溶解性甲烷梯度计量分析：配合工作区天然气水合物钻探和试开采工作，实时监测垂向上各参数变化，对采集的数据按深度进行时间排序，对各参数进行统计分析。
本发明通过下放传感器集成单元、供电单元和远程遥控单元，以及连接各单元的传输电缆，再与井口的控制系统、采集系统连接，进行数据实时采集，开展水体溶解性甲烷梯度计量分析，从而能够实现冻土层以下天然气水合物稳定带内对水溶性甲烷进行梯度式原位动态监测，解决了冻土层下原位含溶解甲烷孔隙水10采集困难、冻土冰层融冰导致水体原位状态改变等难题，在不破坏上覆冻土层和原位水体的前提下，真实反映天然气水合物稳定带内溶解性甲烷含量的变化，为研究冻土区环境下水合物赋存条件变化、甲烷溶解、甲烷迁移等科学问题提供基本参数。
另外，所述步骤(1)中，保护框架的整体尺寸小于冻土钻井内部直径。
另外，所述步骤(2)中，远程遥控单元在水体底部，控制传感器集成单元在水体中纵向周期性游动，实现水体中各参数垂向上的梯度式变化监测。
另外，所述步骤(3)中，传输电缆固定于布满孔隙的不锈钢套管内。
另外，所述步骤(4)中，进行远程遥控单元的调试，使其满足上部冻土层冻结后，下部孔隙水层进行无障碍纵向梯度式实时监测水体中甲烷浓度、温度、盐度、深度和pH值这些参数的变化。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于：其包括：传感器集成单元（1）、传输电缆（2）、控制系统（3）、采集系统（4）、远程遥控单元（5）、供电单元（6）；传感器集成单元包括垂直排列的甲烷传感器、温度传感器、盐度传感器、深度传感器、pH值传感器，传感器集成单元与远程遥控单元连接；远程遥控单元、供电单元布置在井中水体底部，远程遥控单元通过传输控制电缆（8）连接传感器集成单元，并控制传感器集成单元在水体中纵向周期性游动；传输电缆的一端与远程遥控单元连接且另一端与控制系统、采集系统连接；控制系统、采集系统布置在井口（7）处。
2.根据权利要求1所述的冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于：所述传感器集成单元具有保护框架，其套在所述传感器集成单元外。
3.根据权利要求2所述的冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于：所述传输电缆固定于布满孔隙的不锈钢套管内，不锈钢套管贴在井壁上。
4.根据权利要求3所述的冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于：所述保护框架的整体尺寸小于冻土钻井内部直径。
5.根据权利要求4所述的冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于：所述传感器集成单元为温盐深甲烷pH测量仪。
6.一种采用如权利要求1所述的冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统对冻土区井下水体溶解甲烷长期监测的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
将甲烷传感器、温度传感器、盐度传感器、深度传感器、pH值传感器垂向排列，集成于保护框架中；
在冻土层下，组建控制系统、采集系统、远程遥控单元、传感器集成单元，以及连接各单元的传输电缆；
铺设冻土层下水合物稳定带内溶解性甲烷传感设备：下放传感器集成单元、供电单元和远程遥控单元，以及连接各单元的传输电缆，再与井口的控制系统、采集系统连接；
水底调试：各部件安装完成后，对监测系统整体进行调试；
进行数据实时采集，开展水体溶解性甲烷梯度计量分析：配合工作区天然气水合物钻探和试开采工作，实时监测垂向上各参数变化，对采集的数据按深度进行时间排序，对各参数进行统计分析。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，保护框架的整体尺寸小于冻土钻井内部直径。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，远程遥控单元在水体底部，控制传感器集成单元在水体中纵向周期性游动，实现水体中各参数垂向上的梯度式变化监测。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，传输电缆固定于布满孔隙的不锈钢套管内。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤（4）中，进行远程遥控单元的调试，使其满足上部冻土层冻结后，下部孔隙水层进行无障碍纵向梯度式实时监测水体中甲烷浓度、温度、盐度、深度和pH值这些参数的变化。
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