CN107727063A - 一种水合物开采过程中海底变形的实时监控装置 - Google Patents

一种水合物开采过程中海底变形的实时监控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水合物开采过程中海底变形的实时监控装置，包括主框架、探测装置和传感及无线数据传输装置。本发明能实时监测海底微小变形同时能判断变形类型及变形程度且原理简单易实现；可以实时监测海底沉降及海底地震，保证开采安全。

Description

一种水合物开采过程中海底变形的实时监控装置
技术领域
本发明属于能源开采技术领域，具体涉及一种水合物开采过程中海底变形的实时监控装置。
背景技术
天然气水合物是一种由天然气与水在低温高压下形成的结晶物质，外形似冰，可燃烧，俗称“可燃冰”，广泛存在于永久冻土和海底。据估计，自然界天然气水合物中的碳含量为其他化石能源碳含量总量的2倍，是一种潜在的能源资源。
目前已提出三种主要的开采方式,包括降压开采法、注热开采法、注化学抑制剂开采法。其中海底天然气水合物的开采条件苛刻，开采难度更大。海底天然气水合物储层对海底地层有一定的承载作用，天然气水合物的存在可以使海底沉积物力学强度增强。在开采过程中，由于天然气水合物的大量分解，天然气水合物沉积物储层的力学强度降低，原本胶结在一起的沉积物失去稳定性，在高压海水的作用下发生滑移或崩塌，诱发海底滑坡，威胁开采安全。其次在开采过程中如果遇到海底地震，也会诱发天然气水合物的大量分解，直接或间接地影响开采。进一步地由于开采或者自然灾害使得海底地层失稳，引发天然气水合物分解，这部分分解的气体会使海洋酸化，溢出到大气的天然气会加剧全球变暖。
综上所述，在海底天然气水合物开采过程中，对海底地层沉降及变形，海底地震的监测显得尤为重要。目前全世界没有国家实现海底天然气水合物的大规模商业开采，试开采的相关资料也处于保密阶段，在开采过程中，海底地层沉降及变形尤其是微小变形及变形类型以及海底地震监测的技术较为少见。
发明内容
本发明的目的是提供一种水合物开采过程中海底变形的实时监控装置，可实现海底地层的沉降，微小变形及变形类型的实时监测。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种水合物开采过程中海底变形的实时监控装置，包括主框架、探测装置和传感及无线数据传输装置；
所述主框架上方设有倒U形手柄，所述主框架四周设有至少两个可活动套管和至少两个杠杆固定杆；
所述探测装置包括至少两根不同方向的探测直杆，所述探测直杆通过所述可活动套管与所述主框架相连接，用于横向伸缩，所述探测直杆下端设有至少两个与所述探测直杆垂直均匀分布的固定支架，用于固定整个装置，所述探测直杆的上方设有可活动杠杆，用于放大监测到的实际形变量，所述可活动杠杆通过所述杠杆固定杆与所述主框架相连接，所述可活动杠杆的上端设有一可伸缩弹簧；
所述传感及无线数据传输装置包括至少两个不同方向的拉压应力传感器、陀螺仪传感器、无线数据传输发射器和电源，均安装在所述主框架内，所述拉压应力传感器通过所述可伸缩弹簧与所述可活动杠杆相连接，通过监测所述可伸缩弹簧的拉压应力进而得到海底的微小形变响应，同时拉压应力的数值变化可判断海底形变的类型，所述陀螺仪传感器位于所述主框架的正中心可监测海底的沉降及大幅震动响应，所述无线数据传输发射器实现监测数据的实时传输。。
进一步地，所述主框架为球形机构，由耐压抗腐蚀性材料制成。
进一步地，所述拉压应力传感器、所述陀螺仪传感器和所述无线数据传输发射器高压防水。
进一步地，所述倒U形手柄的上端设有手柄起吊线，所述探测直杆的上方还设有保护缆线固定杆和保护缆线，所述保护缆线通过保护缆线固定杆与所述手柄起吊线一起支撑整个装置。
本发明的优点是：
(1)能实时监测海底微小变形同时能判断变形类型及变形程度且原理简单易实现；
(2)可以实时监测海底沉降及海底地震，保证开采安全。
附图说明
图1为本发明的正视结构示意图；
图2是本发明的球形主体结构示意图；
图3是本发明的俯视图；
图中附图标记含义：1、主框架，2、可活动套管，3、无线数据传输发射器，4、倒U形手柄，5、可伸缩弹簧，6、杠杆固定杆，7、可活动杠杆，8、保护缆线固定杆，9、保护缆线，10、手柄起吊线，11、探测直杆，12、固定支架，13、电源，14、拉压应力传感器，15、陀螺仪传感器。
具体实施方式
实施例
参阅图1至图3，一种水合物开采过程中海底变形的实时监控装置，包括主框架1、探测装置和传感及无线数据传输装置；
所述主框架1上方设有倒U形手柄4，所述主框架1四周设有至少两个可活动套管2和至少两个杠杆固定杆6；
所述探测装置包括至少两根不同方向的探测直杆11，所述探测直杆11通过所述可活动套管2与所述主框架1相连接，用于横向伸缩，所述探测直杆11下端设有至少两个与所述探测直杆11垂直均匀分布的固定支架12，用于固定整个装置，所述探测直杆11的上方设有可活动杠杆7，用于放大监测到的实际形变量，所述可活动杠杆7通过所述杠杆固定杆6与所述主框架1相连接，所述可活动杠杆7的上端设有一可伸缩弹簧5；
所述传感及无线数据传输装置包括至少两个不同方向的拉压应力传感器14、陀螺仪传感器15、无线数据传输发射器3和电源13，均安装在所述主框架1内，所述拉压应力传感器14通过所述可伸缩弹簧5与所述可活动杠杆7相连接，通过监测所述可伸缩弹簧5的拉压应力进而得到海底的微小形变响应，同时拉压应力的数值变化(应力变小表示膨胀，应力变大表示压缩)可判断海底形变的类型，所述陀螺仪传感器15位于所述主框架1的正中心，可监测海底的沉降及大幅震动响应，所述无线数据传输发射器3实现监测数据的实时传输。
其中，所述主框架1为球形机构，由耐压抗腐蚀性材料制成。所述拉压应力传感器14、所述陀螺仪传感器15和所述无线数据传输发射器3高压防水。所述倒U形手柄4的上端设有手柄起吊线10，所述探测直杆11的上方还设有保护缆线固定杆8和保护缆线9，所述保护缆线9通过保护缆线固定杆8与所述手柄起吊线10一起支撑整个装置。
在本实施例中水深1200m，所述主框架1直径为50cm，可承受20MPa的外力。所述探测直杆11长5m，所述固定支架12长60cm，暴露在海水中的部件均采用防腐蚀材料制成。所述可伸缩弹簧5长120cm，可伸缩范围为±60cm，可承受应力范围为0-500N。所述拉压应力传感器14监测应力信号范围为0-20KN，灵敏度为1N。测量海底变形精度为1mm。所述电子陀螺仪传感器15采用三维角度传感器，姿态测量精度0.01度。无线传输采用FSK调频水下无线收发模块，工作频率为27.095MHz，额定电压1.3V～9V。所述电源13采用锂电源组，可供设备正常使用2年。
使用时，在水面组装完装置后，利用缆绳挂住倒U行手柄4的手柄起吊线10，此时探测直杆11的保护缆线9通过保护缆线固定杆8与手柄起吊线10一起支撑整个装置，开始投向预定海底位置。待装置到达预定区域，利用其自身重力在固定在海底，固定支架12在重力的作用下插入海底覆盖层。此时由于海底水压会使拉压应力传感器14有一定的初始值，其次可能投放过程中装置不能保证完全水平，所以在投放完毕后首先应对传感器信号进行清零操作。当海底由于天然气水合物的开采造成地层沉降或者诱发海底地震时，陀螺仪传感器15会及时监测到相关信号，以便工作平台可以迅速反应；当地层出现收缩时，探测直杆11会通过可活动套管2收缩，进而通过可活动杠杆7使可伸缩弹簧5发生拉伸，拉压应力传感器14得到拉伸信号，并实时传输，此时可判断海底形变类型为收缩，通过不同方向的应力信号，可判断海底收缩方向，通过应力变化大小，可判断其收缩程度；同样地，当海底发生拉伸变形时，可根据相应的应力信号对其进行判断。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种水合物开采过程中海底变形的实时监控装置，其特征在于，包括主框架(1)、探测装置和传感及无线数据传输装置；
所述主框架(1)上方设有倒U形手柄(4)，所述主框架(1)四周设有至少两个可活动套管(2)和至少两个杠杆固定杆(6)；
所述探测装置包括至少两根不同方向的探测直杆(11)，所述探测直杆(11)通过所述可活动套管(2)与所述主框架(1)相连接，所述探测直杆(11)下端均设有至少两个与所述探测直杆(11)垂直均匀分布的固定支架(12)，所述探测直杆(11)的上方设有可活动杠杆(7)，所述可活动杠杆(7)通过所述杠杆固定杆(6)与所述主框架(1)相连接，所述可活动杠杆(7)的上端设有一可伸缩弹簧(5)；
所述传感及无线数据传输装置包括至少两个不同方向的拉压应力传感器(14)、陀螺仪传感器(15)、无线数据传输发射器(3)和电源(13)，均安装在所述主框架(1)内，所述拉压应力传感器(14)通过所述可伸缩弹簧(5)与所述可活动杠杆(7)相连接，所述陀螺仪传感器(15)位于所述主框架(1)的正中心。
2.根据权利要求1所述的水合物开采过程中海底变形的实时监控装置，其特征在于，所述主框架(1)为球形机构，由耐压抗腐蚀性材料制成。
3.根据权利要求1所述的水合物开采过程中海底变形的实时监控装置，其特征在于，所述拉压应力传感器(14)、所述陀螺仪传感器(15)和所述无线数据传输发射器(3)高压防水。
4.根据权利要求1所述的水合物开采过程中海底变形的实时监控装置，其特征在于，所述倒U形手柄(4)的上端设有手柄起吊线(10)。
5.根据权利要求1所述的水合物开采过程中海底变形的实时监控装置，其特征在于，所述探测直杆(11)的上方还设有保护缆线固定杆(8)和保护缆线(9)。
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