CN107608007A - 一种海洋天然气水合物开发环境监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋天然气水合物开发环境监测系统及方法，在海底以开采点为圆心从内向外设置三个同心圆第一监测圈、第二监测圈和第三监测圈并分别布置原位监测仪、海底潜标监测仪、锚系潜标监测仪。在开发环境中同时监测大气、海底、海水、井下的四维数据，涉及井下沉积物温压/土力学监测、开采区的海底形变监测、海底潜标/锚系潜标的监测、基于ROV的实时观测和监测、开采产物及环境影响监测等。监测手段涵盖海洋地质、工程地质、物理海洋、海洋化学及海洋生物等多学科。形成集“海底沉积物‑海底沉降‑海底边界层位多参数‑海水纵向剖面特征‑表层海水、大气‑产出气、水、砂”于一体的综合环境影响评价技术方案。

Description

一种海洋天然气水合物开发环境监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种海洋环境监测系统，尤其涉及一种海洋天然气水合物开发环境监测的系统。

同时本发明还涉及一种海洋环境监测方法，尤其涉及一种海洋天然气水合物开发环境监测方法。

背景技术

天然气水合物是在高压低温环境下由甲烷、乙烷和二氧化碳等气体与水分子结合形成的固态物质，主要存在于陆地永久冻土带和水深超过300m的海洋沉积物中。全球天然气水合物中含碳总量相当于已知煤、石油和天然气碳储量的两倍，且完全燃烧时只生成几乎无污染的二氧化碳和水，是未来最有潜力的新型绿色能源之一。

但是天然气水合物也具有极强的环境灾害效应，当其赋存区稳定环境遭到破坏，如天然气水合物开采、海平面快速下降、强烈的构造活动、地震等，海底沉积物中的天然气水合物就会分解并在很短时间内大规模排放甲烷气体，进而引发一系列严重的环境问题，如海底地质灾害、海底滑坡、海底地形沉降、海洋生态变化，甚至气候变暖等。

因此，海洋天然气水合物的勘探和开发必须对其环境效应及可能引发的环境灾害进行评估，对开采前后海底环境进行监测，查明海底环境特征，评估潜在的环境风险，并提出科学防治对策，确保以最安全有效且绿色环保、可持续的方式开发和利用天然气水合物。而目前的监测手段较为简单，多为横截面或单一纵度监测，在广域的海区无法形成全方位监测。在开采开发的过程非常容易忽略产生严重事故，无法察觉水合物开采对自然环境造成的巨大破坏。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种海洋天然气水合物开发环境监测系统及方法，其能解决监测不够立体化的问题。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种海洋天然气水合物开发环境监测系统，包括位于海平面上的开采平台和游离于开采平台外部的走航装置，开采平台下方设有一端连接开采平台、另一端连接海底开采点的开采井筒；其特征在于，在海底以开采点为圆心从内向外设置三个同心圆第一监测圈、第二监测圈和第三监测圈；在开采井筒位于开采点的一端设置原位监测仪用于采集原位数据；在第一监测圈和第二监测圈上设置多个海底潜标监测仪用于采集海底数据；在第三监测圈上设置多个锚系潜标监测仪用于采集海水纵向剖面数据，所述的锚系潜标监测仪一端连接海平面、另一端连接第三监测圈的海底；在开采平台上设置平台监测仪用于采集大气数据、表层海水数据及产出水、气和砂的含量数据；所述的走航装置设置走航监测仪用于采集水体数据，所述的走航监测仪沉于海平面下方，通过铰链与走航装置连接。

优选的，所述的开采平台通过电连接在海底设有ROV，用于辅助完成水下作业。

优选的，所述的海底潜标监测仪设有海底形变监测仪，用于监测海底形变数据。

优选的，所述的海底潜标监测仪在第一监测圈和/或第二监测圈上等弧度分布。

优选的，所述的锚系潜标监测仪在第三监测圈上等弧度分布。

一种基于权利要求1至5任一所述海洋天然气水合物开发环境监测系统的海洋天然气水合物开发环境监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)使用原位监测仪监测开采井筒在开采点的原位数据；

b)使用海底潜标监测仪监测第一监测圈和/或第二监测圈的海底数据；所述的海底数据包括海底边界层位海水溶解甲烷、二氧化碳、硫化氢、温度、盐度、压力、溶解氧、pH值、浊度、叶绿素、多普勒声学海流、多普勒声学剖面海流及海底形变数据；

c)使用锚系潜标监测仪监测第三监测圈的海水纵向剖面数据，包括：温度、压力、盐度、浊度、多普勒声学海流、多普勒声学剖面海流；

d)使用平台监测仪监测开采平台所处的大气数据、表层海水数据及产出气、水、砂，包括：大气及海水中的甲烷、二氧化碳、温度；产出气的气体组分、甲烷和二氧化碳的碳同位素值；产出水盐度、浊度；产出砂的粒度；

e)使用组合走航监测仪监测走航装置所处的水体数据，包括：甲烷、二氧化碳、温度；

f)结合原位数据和海底数据进行海底沉积物温压和土力学监测，获取开采开发对海底沉积物物性的影响数据；

g)结合海底数据进行开采区海底形变监测，获取开采开发对海底沉降的影响数据；

h)结合海底数据、海水纵向剖面数据和水体数据，获取开采开发对海洋环境的影响数据；

i)结合大气数据、海水纵向剖面数据和水体数据进行开采产物和环境影响监测，获取开采产物对海水及大气的影响数据；

j)归总所述步骤f至步骤i的影响数据综合预判海洋天然气水合物开发的环境变量。

优选的，所述方法利用ROV辅助完成水下作业。

优选的，所述的海底数据在第一监测圈和/或第二监测圈上等弧度采集。

优选的，所述的海水纵向剖面数据在第三监测圈上等弧度采集。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：在开发环境中同时监测大气、海底、海水、井下的四维数据，涉及井下沉积物温压/土力学监测、开采区的海底形变监测、海底潜标/锚系潜标的监测、基于ROV(Remote Operated Vehicle即遥控无人潜水器)的实时观测和监测、开采产物及环境影响监测等。监测手段涵盖海洋地质、工程地质、物理海洋、海洋化学及海洋生物等多学科。形成集“海底沉积物——海底沉降——海底边界层位多参数(海底潜标&ROV)——海水纵向剖面特征(锚系潜标)——表层海水、大气——产出气、水、砂”于一体的综合环境影响评价技术方案。

附图说明

图1为本发明所述一种海洋天然气水合物开发环境监测系统的结构示意图；

图2为本发明所述一种海洋天然气水合物开发环境监测方法的技术路线图。

图中：100-海平面、101-第一监测圈、102-第二监测圈、103-第三监测圈、210-开采平台、211-开采井筒、212-ROV、220-走航装置、301-平台监测仪、302-组走航监测仪、303-锚系潜标监测仪、304-原位监测仪、305-海底潜标监测仪。

具体实施方式

下面，结合附图1、2以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：在海平面100上设置开采平台210和游离于开采平台210附近的走航装置220，开采平台210在海平面100下方设置开采井筒211到达海底开采点。以开采点为中心，在海底由内到外设置三个同心圆：第一监测圈101、第二监测圈102和第三监测圈103。在开采井筒211底端设置原位监测仪304用于采集原位数据；在第一监测圈101和第二监测圈102上设置多个海底潜标监测仪305；在第三监测圈103上设置多个锚系潜标监测仪303，锚系潜标监测仪303顶端到达海平面100、底端连接海底。所述的海底潜标监测仪305和锚系潜标监测仪303可以是等弧度分布在各自的监测圈上，也可以根据实际地形和实际监测手段在对应监测圈上指定安插设置。在开采平台(210)上设置平台监测仪301；然后再通过电连接，例如通过同轴电缆或脐带缆连接海平面100下方的ROV212。在走航装置220设置铰链，铰链顶端连接走航装置220的牵引电机、底端连接沉于海平面100下方的走航监测仪302。

本发明所述的一种海洋天然气水合物开发环境监测系统工作原理是同时立体监测大气、海水、海底和井下原位的四维数据，涉及井下沉积物温压/土力学监测、开采区的海底形变监测、海底潜标/锚系潜标的监测、基于ROV的实时观测和监测、开采产物及环境影响监测等。监测手段涵盖海洋地质、工程地质、物理海洋、海洋化学及海洋生物等多学科。形成集“海底沉积物——海底沉降——海底边界层位多参数(海底潜标&ROV)——海水纵向剖面特征(锚系潜标)——表层海水、大气——产出气、水、砂”于一体的综合环境影响评价技术方案。

具体为：

1.0、大气环境实施监测及评价技术

主要内容包括：海表大气甲烷、二氧化碳含量。

安装在开采平台210上的平台监测仪301开采过程中实时监测开采平台210周边大气甲烷、二氧化碳含量。或利用走航装置220上的走航甲烷传感器和走航二氧化碳传感器测量，不接进水管在空气中运行，实时测量平台周边大气甲烷、二氧化碳含量；测量间隔均为1s。

2.0、海水环境监测及评价技术

主要内容包括：表层海水溶解甲烷、二氧化碳含量，全水柱溶解甲烷含量，海水物理海洋(波、流特征)、海洋化学特征(营养盐等)，叶绿素a、初级生产力、浮游生物等特征。

2.1、表层海水甲烷、二氧化碳含量特征

表层海水测量采用Contros高精度走航甲烷传感器(量程200-1000μatm，分辨率＜1μatm)和走航二氧化碳传感器(量程0～3000ppm,分辨率可达1ppm)，测量频率1—5s每次。在走航装置220航行过程中(航速不高于8节)，通过蠕动泵将表层(0～25m深度)海水吸入走航甲烷传感器和走航二氧化碳传感器，通过RS232串口连接电脑，使用配套Detect软件进行参数设置并采集数据，实时监测记录海水中甲烷、二氧化碳含量等参数。

2.2、水体海水物理化学特征

2.2.1、温盐深测量及海水取样与分析

海水温盐深测量及取样采用SBE 917plus温盐深仪(CTD)，设置在走航监测仪302内，同时采集不同水层水样。需记录海水温度、盐度、压力、电导率、溶解氧、叶绿素等参数，采集水样每站不少于9层，每层(管)取样量为5000ml。

现场需对海水样品测试项目主要包括：pH值、温度、盐度、营养盐5项(硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐及氨氮)溶解氧(DO)及叶绿素a、初级生产力和微型浮游生物。样品测试按相关标准要求执行。

2.2.2、海水甲烷、二氧化碳含量测量

2.2.2.1、表层海水甲烷、二氧化碳含量测量。采用Contros高精度走航传感器(监测下限为1nmol/L，测量精度为0.1nmol/L)，安装在开采平台210的平台监测仪301内，抽取并测量表层海水溶解甲烷含量，测量频率1～5s/次。

2.2.2.2、水体甲烷含量测量。在走航监测仪302内设置CTD系统和METs(甲烷传感器)，海水溶解甲烷测量采用Franatech METs甲烷传感器与SBE 917plus CTD联用，利用CTD系统对METs进行供电和数据采集。作业过程中，在CTD探头下放前，应在海表感温1～3分钟，牵引电机速度稳定在1～1.5m/s左右，CTD探头下放速度约为100cm/s。CTD下放到底层后停15分钟，回收的速度控制在0.5～0.8m/s，在下放和回收过程中牵引电机的速度稳定。

2.2.2.3、开采过程中，将Franatech METS甲烷传感器固定在ROV上，ROV作业期间，测量井口附近以及整个剖面海水甲烷含量。测量频率为1s。

2.2.3、海水物理海洋(波、流特征)

利用锚系潜标监测仪303，监测第三监测圈(103)的海水纵向剖面数据，包括：温度、压力、盐度、浊度、多普勒声学海流、多普勒声学剖面海流等；所有数据采用自容或指令传输模式，监测海水物理化学特征监测，为水合物开采提供开采区海洋环境参数，为开采船/平台作业提供指导；根据开采前后数据对比分析，评价水合物开采对海洋化学环境的可能影响。

3.0、海底环境监测及评价技术

主要内容包括：开采井周边海水甲烷、二氧化碳含量及温度、盐度、溶解氧、浊度、海流等环境参数，海底沉降和海底滑坡等地质灾害。

3.1、海底物理海洋及海水化学环境监测

利用海底潜标监测仪305进行观测，对研究区海洋环境进行综合测量研究，主要测量海水中溶存甲烷、CO₂含量等环境参数测量，研究天然气水合物区海水中溶解甲烷及CO₂从海底到海面的垂向变化规律；结合水文化学、水化学及海洋微生物方面的成果，研究天然气水合物区海水甲烷及CO₂扩散的影响因素，并评估天然气水合物区甲烷渗漏对环境的影响。

监测参数有：CH₄、CO₂、溶解氧(DO)、pH值、温度、盐度、水体浊度、底流及海底剖面流场等，其中CH₄为一级指标，其他均为二级指标。数据采集频率：6h/次，每次测量60min，预热20min，归零5min，冲洗5min，测量30min，每5s记录一个数据；具体数据采集频率可根据需求设置。

3.2、海底沉积物温压、土力学实时监测

3.2.1、根据开采点工程地质条件和监测需求，利用ROV212的精确布放作业技术，进行原位监测仪304的布放。基于获取的监测数据，开展海洋土力学参数反演与开采过程土力学性质变化规律分析。

3.2.2、在开采点进行原位监测，获得浅层沉积物电阻率、孔压、声速、声衰减等参数变化，根据观测的开采点浅表沉积物力学及温压参数，评价天然气水合物开采活动对沉积物工程地质影响。

3.3、天然气水合物开采海底沉降、形变监测

3.3.1、在海底潜标监测仪305内设置海底基座水平仪，开采期间，不定期的利用ROV212在海底进行观测作业，观测开采钻井、固井、完井、开采作业及弃井等作业对海底的扰动情况；并在原位监测仪304上安装水平仪，以判断开采过程中井口设备的稳定性，初步判断开采是否引起海底沉降等。

3.3.2、海底形变/沉降仪观测。在海底潜标监测仪305上集成一体化海底变形/静水压监测仪，在天然气水合物生产井外围预期沉降区域的不同测位上开展开采区海底形变监测，形成小型海底沉降监测网络系统，对第一监测圈101和第二监测圈102各自围闭的开采区进行系统监测。布设在开采井筒211外围20m～30m范围内的不同测位上对海底的微量形变进行连续监测记录。多个海底潜标监测仪305构成如图1所示的二维监测阵列，对开采区海底微软形变进行监测。通过以上对海底形变监测数据的处理与解释，可以获得天然气水合物开采过程对海底影响区域的展布、位置、方位、倾角等信息，进而分析天然气水合物分解对海底形变的影响范围和程度，建立开采过程中海底沉降的评估模型，为天然气水合物开发的海底环境评价提供科学依据和技术规范。

4.0、井下原位监测及评价技术

主要内容包括：开采井筒211关键层位温度、压力，监测井温度、压力及随钻测井参数(LWD)。开采井筒211主要通过生产测试过程中，监测储层温度、压力变化，进一步研究天然气水合物储层生产、分解特征，获得科学研究资料。监测井主要通过实施12-1/4寸裸眼随钻电测井，获取地层孔隙度、饱和度、渗透率及温压条件，研究分析生产期间天然气水合物储层变化特征。

通过在开采井筒211安装直读式温压传感器(储层处、泵吸入口处、电泵出口处、双密封封隔器上部气路/液路处)，在生产测试过程中，实时读取温度、压力数据；同时，在开采井筒211安装温度光纤(分布范围：井底到井口，每1米1个温度点)，监测全井段温度数据，了解天然气水合物储层分解特征。各直读式温压传感器数据及温度光纤数据整合到原位监测仪304。

监测井通过在钻具组合中随钻测量工具(GEO Vision/SONIC Vision/Telescope/Pro Vision/AND Vision)测量地层孔渗饱及温压条件，分析天然气水合物层分解特点及分解前缘。

综合以上各监测手段，从海洋地质、工程地质、物理海洋、海洋化学及海洋生物等多学科出发，采取野外实时监测与室内分析测试相结合获取环境参数的多手段综合探测技术，形成集“海底沉积物——海底沉降——海底边界层位多参数(海底潜标&ROV)——海水纵向剖面特征(锚系潜标)——表层海水、大气——产出气、水、砂”于一体的综合环境监测技术，发展多学科多手段环境评价技术、立体环境监测技术和井下原位实时测量技术，建立集大气、海水、海底及井下四位一体天然气水合物环境监测体系，为商业性天然气水合物开发环境评价提供标准。

通过天然气水合物试采，评价天然气水合物开发的地质灾害和环境影响，提升天然气水合物资源与环境研究水平，消除民众对天然气水合物利用可能带来的环境问题的疑虑，为天然气水合物新型能源的开发提供工程安全、环境保护等有利保障。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海洋天然气水合物开发环境监测系统，包括位于海平面(100)上的开采平台(210)和游离于开采平台(210)外部的走航装置(220)，开采平台(210)下方设有一端连接开采平台(210)、另一端连接海底开采点的开采井筒(211)；其特征在于，在海底以开采点为圆心从内向外设置三个同心圆第一监测圈(101)、第二监测圈(102)和第三监测圈(103)；在开采井筒(211)位于开采点的一端设置原位监测仪(304)用于采集原位数据；在第一监测圈(101)和第二监测圈(102)上设置多个海底潜标监测仪(305)用于采集海底数据；在第三监测圈(103)上设置多个锚系潜标监测仪(303)用于采集海水纵向剖面数据，所述的锚系潜标监测仪(303)一端连接海平面(100)、另一端连接第三监测圈(103)的海底；在开采平台(210)上设置平台监测仪(301)用于采集大气数据及表层海水数据；所述的走航装置(220)设置走航监测仪(302)用于采集水体数据，所述的走航监测仪(302)沉于海平面(100)下方，通过铰链与走航装置(220)连接。

2.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物开发环境监测系统，其特征在于，所述的开采平台(210)通过电连接在海底设有ROV(212)，用于辅助完成水下作业。

3.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物开发环境监测系统，其特征在于，所述的海底潜标监测仪(305)设有海底形变监测仪，用于监测海底形变数据。

4.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物开发环境监测系统，其特征在于，所述的海底潜标监测仪(305)在第一监测圈(101)和/或第二监测圈(102)上等弧度分布。

5.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物开发环境监测系统，其特征在于，所述的锚系潜标监测仪(303)在第三监测圈(103)上等弧度分布。

6.一种基于权利要求1至5任一所述海洋天然气水合物开发环境监测系统的海洋天然气水合物开发环境监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)使用原位监测仪(304)监测开采井筒(211)在开采点的原位数据；

b)使用海底潜标监测仪(305)监测第一监测圈(101)和/或第二监测圈(102)的海底数据；所述的海底数据包括海底边界层位海水溶解甲烷、二氧化碳、硫化氢、温度、盐度、压力、溶解氧、pH值、浊度、叶绿素、多普勒声学海流、多普勒声学剖面海流及海底形变数据；

c)使用锚系潜标监测仪(303)监测第三监测圈(103)的海水纵向剖面数据，包括：温度、压力、盐度、浊度、多普勒声学海流、多普勒声学剖面海流；

d)使用平台监测仪(301)监测开采平台(210)所处的大气数据、表层海水数据及产出气、水、砂，包括：大气及海水中的甲烷、二氧化碳、温度；产出气的气体组分、甲烷和二氧化碳的碳同位素值；产出水盐度、浊度；产出砂的粒度；

e)使用组合走航监测仪(302)监测走航装置(220)所处的水体数据，包括：甲烷、二氧化碳、温度；

f)结合原位数据和海底数据进行海底沉积物温压和土力学监测，获取开采开发对海底沉积物物性的影响数据；

g)结合海底数据进行开采区海底形变监测，获取开采开发对海底沉降的影响数据；

h)结合海底数据、海水纵向剖面数据和水体数据，获取开采开发对海洋环境的影响数据；

i)结合大气数据、海水纵向剖面数据和水体数据进行开采产物和环境影响监测，获取开采产物对海水及大气的影响数据；

j)归总所述步骤f至步骤i的影响数据综合预判海洋天然气水合物开发的环境变量。

7.根据权利要求6所述的海洋天然气水合物开发环境监测方法，其特征在于，利用ROV辅助完成水下作业。

8.根据权利要求6所述的海洋天然气水合物开发环境监测方法，其特征在于，所述的海底数据在第一监测圈(101)和/或第二监测圈(102)上等弧度采集。

9.根据权利要求6所述的海洋天然气水合物开发环境监测方法，其特征在于，所述的海水纵向剖面数据在第三监测圈(103)上等弧度采集。