CN107490544A - 采出水逸散温室气体的原位测定装置及其测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采出水逸散温室气体的原位测定装置及其测定方法，其涉及石油开采行业温室气体控制领域，采出水逸散温室气体的原位测定装置包括：具有开孔的漂浮件；设置在漂浮件上的气体收集件，收集件内具有与开孔连通的空腔，收集件上开设有第一开口和第二开口；温室气体检测器，温室气体检测器具有与第一开口连接的进气口和与第二开口连接的出气口；温度传感器，温度传感器用于对气体收集件内的温度进行测量；信号处理单元，信号处理单元用于记录和存储温度传感器测量的时间和温度数据。本发明中的采出水逸散温室气体的原位测定装置及其测定方法能够对采出水温室气体的逸散过程进行准确检测，且能实时原位监控逸散温室气体的浓度。

Description

采出水逸散温室气体的原位测定装置及其测定方法

技术领域

本发明涉及石油开采行业温室气体控制领域，特别涉及一种采出水逸散温室气体的原位测定装置及其测定方法。

背景技术

在页岩气开发过程中会进行压裂返排作业，在此过程中会使用地表淡水或地下水加入至压裂液中进行压裂操作，在返排过程中会带出页岩缝隙中的部分孔隙水，这部分孔隙水具有高氯根、高碳酸盐等特点。同时，页岩层中的甲烷气体也会部分溶解于返排液中，甲烷气体随着返排液回到地表，由于地下/地表较大的温度、压力差异等因素，返排液中所含的二氧化碳与甲烷会从返排液中溢出。在美国国家环保署2011年公布的估测中，其每年国内压裂返排过程中产生的甲烷气体逸散量已经达到65.4万吨。在我国国内页岩气/煤层气开采区，对于采出水大多采取露天敞口的方式存放，因此，对于采出水产生的温室气体的准确测定将能够准确的评估页岩气开采生命周期的温室气体逸散量，以明确非常规能源开发的清洁能源属性。

对于采出水逸散温室气体的检测在国内尚未见相关研究报道，而在美国页岩气生产过程中，部分研究人员在露天返排液池通过加塑料布覆盖，然后在出口处加管路以测定气体逸出速度与气体浓度。上述方法中存在的问题主要在于：由于返排液池面积在4至6m²左右，加布覆盖的方式较为费时费力，且需开展气密性检测，否则无法实现采出水逸散温室气体的快速、准确测定。因此，亟需一种装置以满足现有检测过程中的迫切需求。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种采出水逸散温室气体的原位测定装置及其测定方法，其能够对采出水温室气体的逸散过程进行准确检测，且能实时原位监控逸散温室气体的浓度。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种采出水逸散温室气体的原位测定装置，所述采出水逸散温室气体的原位测定装置包括：

漂浮件，所述漂浮件具有开孔，所述漂浮件能够漂浮在水面上；

设置在所述漂浮件上的气体收集件，所述收集件内具有与所述开孔连通的空腔，所述收集件上开设有第一开口和第二开口；

温室气体检测器，所述温室气体检测器具有与所述第一开口连接的进气口和与所述第二开口连接的出气口；

温度传感器，所述温度传感器用于对所述气体收集件内的温度进行测量；

信号处理单元，所述信号处理单元用于记录和存储所述温度传感器测量的时间和温度数据。

在一种优选的实施方式中，所述信号处理单元包括用于计算时间的计时器、用于存储数据的存储器、用于提供电源的电池、用于处理数据的运算器。

在一种优选的实施方式中，所述气体收集件的内壁具有聚四氟乙烯涂层或有机玻璃层或不锈钢层。

在一种优选的实施方式中，所述温室气体检测器为温室气体激光检测器。

在一种优选的实施方式中，所述温室气体检测器的所述进气口通过管路与所述气体收集件的所述第一开口相连接，所述温室气体检测器的所述出气口通过管路与所述气体收集件的所述第二开口相连接，所述管路能对所述气体收集件进行牵引。

在一种优选的实施方式中，所述气体收集件上连接有绳体。

在一种优选的实施方式中，所述温度传感器设置在所述气体收集件上，所述信号处理单元设置在所述气体收集件上。

在一种优选的实施方式中，所述气体收集件由具有密封性的材料制成，所述气体收集件与所述漂浮件相密封连接。

一种如上述的采出水逸散温室气体的原位测定装置的测定方法，其包括如下步骤：

对所述温度传感器进行校准，并修正所述信号处理单元中的时间；

将所述采出水逸散温室气体的原位测定装置放置在采出水储集池的水面上；

启动所述采出水逸散温室气体的原位测定装置，采集和记录温度数据和相应温度数据下的时间；

通过温室气体检测器对所述气体收集件空腔中的气体进行测量以获取对应时间下的气体浓度数据；

基于所述温度数据、所述温度数据下的时间和对应时间下的气体浓度数据获取采出水中逸散温室气体的释放通量。

在一种优选的实施方式中，在所述基于所述温度数据、所述温度数据下的时间和对应时间下的气体浓度数据获取采出水中逸散温室气体的释放通量的步骤中，其包括：

根据所述温度数据、所述温度数据下的时间和对应时间下的气体浓度数据得到相应时间下标准状态下的气体浓度数据；

基于相应时间下标准状态下的气体浓度数据通过一元线性回归模拟得到采出水中逸散温室气体的释放速率；

基于所述采出水中逸散温室气体的释放速率计算得到所述采出水中逸散温室气体的释放通量。

在一种优选的实施方式中，在所述基于所述采出水中逸散温室气体的释放速率计算得到所述采出水中逸散温室气体的释放通量的步骤中，其具体计算公式为：

G_flux＝v*h*24

其中，v表示采出水中逸散温室气体的释放速率，单位为mg/(m³·h)，h表示采出水储集池的深度，单位为m，G_flux表示采出水中逸散温室气体的释放通量。

在一种优选的实施方式中，在所述基于相应时间下标准状态下的气体浓度数据通过一元线性回归模拟得到采出水中逸散温室气体的释放速率的步骤中，具体为基于相应时间下标准状态下的气体浓度数据通过一元线性回归模拟得到一元线性方程，该一元线性方程如下：

a_n＝v·t_n+b

其中，a_n表示相应时间下标准状态下的气体浓度，t_n表示相应时间，b表示常数，v表示采出水中逸散温室气体的释放速率。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

1、在整个检测过程中，通过温室气体检测器测定气体收集件中收集的温室气体的浓度，由于整个检测过程气体收集件能够不断累积的收集采出水储集池中溢出的温室气体，因此，通过温室气体检测器测定后能实时原位监控逸散温室气体的浓度。

2、在温室气体检测器测定气体收集件中收集的温室气体的浓度时，其会将测定后的气体收集件中收集的温室气体返排至气体收集件中，不损耗收集件中收集的温室气体，因此该装置可以实现在水面上持续收集固定的水面面积中溢出的温室气体，且能够持续的在测定时间范围内不断的进行测定固定的水面面积中溢出的温室气体的浓度，进而可以准确计算得到采出水中逸散温室气体的释放通量，所以通过本申请中的采出水逸散温室气体的原位测定装置能够对采出水温室气体的逸散过程进行准确检测。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中采出水逸散温室气体的原位测定装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中采出水逸散温室气体的原位测定装置的剖面示意图。

以上附图的附图标记：

1、漂浮件；11、开孔；2、气体收集件；21、空腔；3、信号处理单元；4、温度传感器；5、管路；6、温室气体检测器。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够对采出水温室气体的逸散过程进行准确检测，且能实时原位监控逸散温室气体的浓度，从而满足现有检测过程中的迫切需求，在本申请中提出一种采出水逸散温室气体的原位测定装置，图1为本发明实施例中采出水逸散温室气体的原位测定装置的结构示意图，图2为本发明实施例中采出水逸散温室气体的原位测定装置的剖面示意图，如图1、图2所示，本采出水逸散温室气体的原位测定装置包括：漂浮件1，漂浮件1具有开孔11，漂浮件1能够漂浮在水面上；设置在漂浮件1上的气体收集件2，收集件内具有与开孔11连通的空腔21，收集件上开设有第一开口和第二开口；温室气体检测器6，温室气体检测器6具有与第一开口连接的进气口和与第二开口连接的出气口；温度传感器4，温度传感器4用于对气体收集件2内的温度进行测量；信号处理单元3，信号处理单元3用于记录和存储温度传感器4测量的时间和温度数据。

当需要对采出水逸散温室气体进行原位测定时，将漂浮件1和气体收集件2放置在采出水储集池中的水面上，漂浮件1使得气体收集件2漂浮在水面上，气体收集件2则收集从采出水储集池中溢出的温室气体。在整个检测过程中，通过温室气体检测器6测定气体收集件2中收集的温室气体的浓度，由于整个检测过程气体收集件2能够不断累积的收集采出水储集池中溢出的温室气体，同时在温室气体检测器6测定气体收集件2中收集的温室气体的浓度时，其会将测定后的气体收集件2中收集的温室气体返排至气体收集件2中，不损耗收集件中收集的温室气体，因此该装置可以实现在水面上持续收集固定的水面面积中溢出的温室气体，且能够持续的在测定时间范围内不断的进行测定固定的水面面积中溢出的温室气体的浓度，进而可以计算得到采出水中逸散温室气体的释放通量。所以通过本申请中的采出水逸散温室气体的原位测定装置能够对采出水温室气体的逸散过程进行准确检测，能实时原位监控逸散温室气体的浓度。

为了能够更好的了解本申请中的采出水逸散温室气体的原位测定装置，下面将对其做进一步解释和说明。如图1所示，漂浮件1由密度小于水的材料制成，漂浮件1放置在采出水储集池中时所产生的浮力需要能够浮起漂浮件1、气体收集件2以及相应连接在气体收集件2上的温度传感器4、信号处理单元3的重量。漂浮件1的中间具有一个较大的开孔11，该开孔11可以使得采出水储集池中该开孔11面积大小下的水面溢出的温室气体进入气体收集件2中。通过上述结构可以保证气体收集件2在持续收集温室气体过程中，始终为固定面积下水面溢出的温室气体，从而保证最终计算采出水中逸散温室气体的释放通量的准确性。

如图2所示，气体收集件2设置在漂浮件1上，其具有与开孔11连通的空腔21。该空腔21用于收集漂浮件1开孔11面积下的水面溢出的温室气体。例如，气体收集件2的底部直径可以为70cm左右，高度为70cm左右，内部空腔21的总体积在1L左右。为了保证气体收集件2的密封性，气体收集件2的内壁可以具有聚四氟乙烯涂层或有机玻璃层或不锈钢层等。同时，气体收集件2由具有密封性的材料制成，气体收集件2与漂浮件1相密封连接。收集件上开设有第一开口和第二开口，该第一开口和第二开口用于与温室气体检测器6相连通，以向温室气体检测器6输出和回收气体收集件2空腔21中的气体。

如图1所示，温室气体检测器6具有与第一开口连接的进气口和与第二开口连接的出气口，当需要对采出水逸散温室气体进行原位测定时，温室气体检测器6将气体收集件2中的气体自进气口吸入，以对气体中的温室气体进行检测。同时检测后的气体自出气口排出，返流至气体收集件2的空腔21中。具体而言，温室气体检测器6的进气口可以通过管路5与气体收集件2的第一开口相连接，温室气体检测器6的出气口可以通过管路5与气体收集件2的第二开口相连接，管路5能对气体收集件2进行牵引。进行输气管路5能在一定程度上对漂浮在采出水储集池水面上的气体收集件2进行固定，防止气体收集件2随意飘动出现意外而影响收集效果。在一种优选的实施方式中，气体收集件2上还可以连接有绳体，通过绳体将气体收集件2绑定在采出水储集池的某一位置处。

通过上述方式，在每一次对气体收集件2中的气体进行检测时，并不消耗气体收集件2中的气体，可以使得气体收集件2中原有的气体继续与采出水逸散的温室气体相混合，进而使气体中温室气体的浓度会不断上升，根据浓度的上升速度在后期便可以方便的计算得到采出水中逸散温室气体的释放通量。为了能在少量的吸入气体量下便能够测出气体中温室气体的浓度，温室气体检测器6选用温室气体激光检测器，温室气体激光检测器具有高精度和需要被测气体的量较小的特点，可以满足本方案中的要求。

温度传感器4用于对气体收集件2内的温度进行测量。信号处理单元3用于记录和存储温度传感器4测量的时间和温度数据，信号处理单元3可以包括用于计算时间的计时器、用于存储数据的存储器、用于提供电源的电池、用于处理数据的运算器。在一种实施方式中，如图2所示，温度传感器4可以设置在气体收集件2上，温度传感器4的测量温度部件伸入气体收集件2的内部以测量气体收集件2的空腔21中气体的温度，信号处理单元3也可以设置在气体收集件2上，其可以与温度传感器4通过放大电路相连接，以采集温度传感器4的信号。信号处理单元3上可以具有数据输出接口，其可以与计算机相连接，进而可使用计算机设备接入信号处理单元3进行数据读取、记录等操作。

本申请中的采出水逸散温室气体的原位测定装置的测定方法具体可以如下：

S100：对温度传感器4进行校准，并修正信号处理单元3中的时间。为了对采出水逸散温室气体进行原位测定，首先需要对温度传感器4进行校准，并使得温室气体检测器6与信号处理单元3中计时器的时间相同步。确认温室气体检测器6气路与气体收集件2之间的畅通，温室气体检测器6能够正常响应。校准后将温度传感器4装配在信号处理单元3上。为了便于对数据的采集可以通过计算机连接信号处理单元3，测试温度数据以及时间数据是否读取畅通。

S200：将采出水逸散温室气体的原位测定装置放置在采出水储集池的水面上。在本步骤中，可以通过温室气体检测器6与气体收集件2之间连接的管路5对气体收集件2进行一定的固定或牵引住，防止气体收集件2在采出水储集池的水面上任意飘动以影响气体收集件2对采出水逸散温室气体的收集。当然的，也可以使用绳体对气体收集件2进行固定。

S300：启动采出水逸散温室气体的原位测定装置，采集和记录温度数据和相应温度数据下的时间。在本步骤中，可以通过温度传感器4和信号处理单元3获取相应的温度数据和每个温度数据下的时间，并进行记录。

S400：通过温室气体检测器6对气体收集件2空腔21中的气体进行测量以获取对应时间下的气体浓度数据。在本实施方式中，可以每隔一段时间通过温室气体检测器6对气体收集件2空腔21中的气体进行测量以获取该时间点下的气体浓度数据。每隔一段时间可以是每隔相同的时间间隔，例如半小时；也可以是不同的时间间隔。整个气体收集件2需要漂浮在采出水储集池的水面数个小时以慢慢收集采出水逸散温室气体。当整个过程气体收集件采集完成后，回收采出水储集池的水面上的采出水逸散温室气体的原位测定装置，导出信号处理单元和温室气体检测器中的相应数据，并关闭电源。

S500：基于温度数据、温度数据下的时间和对应时间下的气体浓度数据获取采出水中逸散温室气体的释放通量。在本步骤中，其可以包括以下步骤：

S501：根据温度数据、温度数据下的时间和对应时间下的气体浓度数据得到相应时间下标准状态下的气体浓度数据。

S502：基于相应时间下标准状态下的气体浓度数据通过一元线性回归模拟得到采出水中逸散温室气体的释放速率。在本步骤中，可以基于相应时间下标准状态下的气体浓度数据通过一元线性回归模拟得到一元线性方程，该一元线性方程如下：

a_n＝v·t_n+b

其中，a_n表示相应时间下标准状态下的气体浓度，t_n表示相应时间，b表示常数，v表示采出水中逸散温室气体的释放速率。

S503：基于采出水中逸散温室气体的释放速率计算得到采出水中逸散温室气体的释放通量。在本步骤中，可以基于采出水中逸散温室气体的释放速率计算得到采出水中逸散温室气体的释放通量，其具体计算公式可以为：

G_flux＝v*h*24

其中，v表示采出水中逸散温室气体的释放速率，单位为mg/(m³·h)，h表示采出水储集池的深度，单位为m，G_flux表示采出水中逸散温室气体的释放通量。

本申请中的采出水逸散温室气体的原位测定方法可以对采出水逸散温室气体实现实时原位测定，并且能够在不损耗收集件中收集的温室气体的情况下，实现在水面上持续收集固定的水面面积中溢出的温室气体，并持续的在测定时间范围内不断的进行测定固定的水面面积中溢出的温室气体的浓度，进而能准确计算得到采出水中逸散温室气体的释放通量。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种采出水逸散温室气体的原位测定装置，其特征在于，所述采出水逸散温室气体的原位测定装置包括：

漂浮件，所述漂浮件具有开孔，所述漂浮件能够漂浮在水面上；

设置在所述漂浮件上的气体收集件，所述收集件内具有与所述开孔连通的空腔，所述收集件上开设有第一开口和第二开口；

温室气体检测器，所述温室气体检测器具有与所述第一开口连接的进气口和与所述第二开口连接的出气口；

温度传感器，所述温度传感器用于对所述气体收集件内的温度进行测量；

信号处理单元，所述信号处理单元用于记录和存储所述温度传感器测量的时间和温度数据。

2.根据权利要求1所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置，其特征在于，所述信号处理单元包括用于计算时间的计时器、用于存储数据的存储器、用于提供电源的电池、用于处理数据的运算器。

3.根据权利要求1所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置，其特征在于，所述气体收集件的内壁具有聚四氟乙烯涂层或有机玻璃层或不锈钢层。

4.根据权利要求1所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置，其特征在于，所述温室气体检测器为温室气体激光检测器。

5.根据权利要求1所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置，其特征在于，所述温室气体检测器的所述进气口通过管路与所述气体收集件的所述第一开口相连接，所述温室气体检测器的所述出气口通过管路与所述气体收集件的所述第二开口相连接，所述管路能对所述气体收集件进行牵引。

6.根据权利要求1所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置，其特征在于，所述气体收集件上连接有绳体。

7.根据权利要求1所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置，其特征在于，所述温度传感器设置在所述气体收集件上，所述信号处理单元设置在所述气体收集件上。

8.根据权利要求1所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置，其特征在于，所述气体收集件由具有密封性的材料制成，所述气体收集件与所述漂浮件相密封连接。

9.一种如权利要求1所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置的测定方法，其特征在于，其包括如下步骤：

对所述温度传感器进行校准，并修正所述信号处理单元中的时间；

将所述采出水逸散温室气体的原位测定装置放置在采出水储集池的水面上；

启动所述采出水逸散温室气体的原位测定装置，采集和记录温度数据和相应温度数据下的时间；

通过温室气体检测器对所述气体收集件空腔中的气体进行测量以获取对应时间下的气体浓度数据；

基于所述温度数据、所述温度数据下的时间和对应时间下的气体浓度数据获取采出水中逸散温室气体的释放通量。

10.根据权利要求9所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置的测定方法，其特征在于，在所述基于所述温度数据、所述温度数据下的时间和对应时间下的气体浓度数据获取采出水中逸散温室气体的释放通量的步骤中，其包括：

根据所述温度数据、所述温度数据下的时间和对应时间下的气体浓度数据得到相应时间下标准状态下的气体浓度数据；

基于相应时间下标准状态下的气体浓度数据通过一元线性回归模拟得到采出水中逸散温室气体的释放速率；

基于所述采出水中逸散温室气体的释放速率计算得到所述采出水中逸散温室气体的释放通量。

11.根据权利要求10所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置的测定方法，其特征在于，在所述基于所述采出水中逸散温室气体的释放速率计算得到所述采出水中逸散温室气体的释放通量的步骤中，其具体计算公式为：

G_flux＝v*h*24

其中，v表示采出水中逸散温室气体的释放速率，单位为mg/(m³·h)，h表示采出水储集池的深度，单位为m，G_flux表示采出水中逸散温室气体的释放通量。

12.根据权利要求10所述的采出水逸散温室气体的原位测定装置的测定方法，其特征在于，在所述基于相应时间下标准状态下的气体浓度数据通过一元线性回归模拟得到采出水中逸散温室气体的释放速率的步骤中，具体为基于相应时间下标准状态下的气体浓度数据通过一元线性回归模拟得到一元线性方程，该一元线性方程如下：

a_n＝v·t_n+b

其中，a_n表示相应时间下标准状态下的气体浓度，t_n表示相应时间，b表示常数，v表示采出水中逸散温室气体的释放速率。