CN108871876B - 用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱，包括土壤水分传感器、温度传感器、动态采气箱、深度定位杆、排空阀、集气罩、多孔板、压力平衡阀和记录模块；所述的动态采气箱上端与深度定位杆连接，动态采气箱内侧下部设有集气罩和多孔板，多孔板位于集气罩下方，所述的土壤水分传感器、温度传感器和压力平衡阀均设置在集气罩下部，压力平衡阀上端通过管线与排空阀连接；土壤水分传感器、温度传感器与记录模块通过电缆连接。通过在动态采气箱内设置压力平衡阀，使得在测定二氧化碳通量的气体采集过程中避免了负压的形成、提高了监测精度；还可同步测定对目标点位处温度及土壤水分信息。

Description

用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱

技术领域

本发明属于环境监测领域，涉及土壤中CO₂的释放通量监测，具体涉及一种用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱。

背景技术

二氧化碳气驱强化采油(CO₂-EOR)技术是利用二氧化碳在油和水中均具有较高溶解度的特点，将高纯度的CO₂气体利用相关技术注入到油层中，抽提原油中C²⁰以下的轻质成分或使其气化，在地层中利于快速形成混相，混相段扩大了波及体积并驱动了更多的地层油，可有效提升原油的采收率。CO₂-EOR会将大量的CO₂封存于地下，该过程可能存在两种泄漏：一是突发泄漏，如注入井破裂导致的泄漏或通过废油井的泄漏以及CO₂气窜突破油层等；二是缓慢泄漏，即通过断层、断裂或泄漏的油井等发生的泄漏。泄露入大气的CO₂可能对井场周边的生态环境造成影响，此外还可能对油田一线生产员工的人身安全造成威胁，因此监测井场包气带土壤二氧化碳释放通量，为二氧化碳气驱采油区块的环境生态效应和风险评估提供基础资料，同时还可对CO₂驱油封存的泄漏风险进行预警，为油田的安全生产提供有力的支撑。

现有的监测方法一般是利用倒锥形集气罩对已经扩散至地面上的CO₂气体进行监测，该方法具有技术成熟、装置简单、测量精确度高的优点，但该方法不能提前对地层的CO₂泄露进行预警；针对土壤内CO₂通量的监测是将采样管打入土层，管内土壤取出后采用抽气泵对采样管进行抽吸来取得气体样品，该方法会在采样管内形成负压，引起CO₂的溢出效应，导致监测结果出现偏差、测量精度较低。

发明内容

为了克服现有监测结果出现偏差、测量精度较低的问题，本发明提供一种用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱。通过在动态采气箱内设置压力平衡阀，使得在测定二氧化碳通量的气体采集过程中避免了负压的形成、提高了监测精度；而深度定位杆的首尾搭接则可实现对较大深度范围内土壤层的二氧化碳通量测定，还可同步测定对目标点位处温度及土壤水分信息。

本发明采用的技术方案是：

用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱，包括土壤水分传感器、温度传感器、动态采气箱、深度定位杆、排空阀、集气罩、多孔板、压力平衡阀和记录模块；所述的动态采气箱上端与深度定位杆连接，动态采气箱内侧下部设有集气罩和多孔板，多孔板位于集气罩下方，所述的土壤水分传感器、温度传感器和压力平衡阀均设置在集气罩下部，压力平衡阀上端通过管线与排空阀连接；土壤水分传感器、温度传感器与记录模块通过电缆连接。

所述的深度定位杆与动态采气箱通过气密螺纹连接。

所述深度定位杆采用不锈钢材质，杆体由下至上设有刻度，深度定位杆长度为1~3m，深度定位杆两端均设有丝扣。

所述动态采气箱采用有机玻璃材质，厚度15~20mm，动态采气箱直径为50~100mm；动态采气箱一侧下部内壁和底部加工两个圆孔，温度传感器和土壤水分传感器分别位于两个圆孔内；动态采样箱另一侧下部径向开有的凹槽，压力平衡阀位于凹槽中；凹槽上端的动态采样箱内壁上竖直方向上开有通孔，通孔上端通过管线连接有排空阀。

所述多孔板采用有机玻璃材质，厚度2~5mm，板上均匀加工圆孔，开孔率为3~10%。

所述集气罩为倒漏斗状，采用有机玻璃材质，厚度2~5mm，集气罩漏斗斜面与水平方向夹角不小于40°，集气罩顶部的集气管内径为5~10mm；集气管上端连接有流量计。

所述压力平衡阀至少包括平衡阀活门和平衡阀铰链，平衡阀活门位于凹槽中，平衡阀活门上端通过平衡阀铰链固定在动态采样箱的凹槽上。

所述的平衡阀活门材质为蒙乃尔合金，厚度为5~8mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明具有监测结果偏差小、精度高、监测信息全面等优点，

2、本发明能实现对较深土壤层二氧化碳通量的测定，为及早预警封存的二氧化碳泄露风险提供了有力支撑。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2为压力平衡阀结构示意图。

1、水分传感器；2、温度传感器；3、动态采气箱；4、深度定位杆；5、排空阀；6、气密螺纹；7、集气罩；701、集气管；8、多孔板；9、压力平衡阀；901、平衡阀活门；902、平衡阀铰链；10、凹槽；11、通孔；12、记录模块。

具体实施方式

实施例1：

为了克服现有监测结果出现偏差、测量精度较低的问题，本发明提供一种如图1所示的用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱，通过在动态采气箱内设置压力平衡阀，使得在测定二氧化碳通量的气体采集过程中避免了负压的形成、提高了监测精度；而深度定位杆的首尾搭接则可实现对较大深度范围内土壤层的二氧化碳通量测定，还可同步测定对目标点位处温度及土壤水分信息。

用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱，包括土壤水分传感器1、温度传感器2、动态采气箱3、深度定位杆4、排空阀5、集气罩7、多孔板8、压力平衡阀9和记录模块12；所述的动态采气箱3上端与深度定位杆4连接，动态采气箱3内侧下部设有集气罩7和多孔板8，多孔板8位于集气罩7下方，所述的土壤水分传感器1、温度传感器2和压力平衡阀9均设置在集气罩7下部，压力平衡阀9上端通过管线与排空阀5连接；土壤水分传感器1、温度传感器2与记录模块12通过电缆连接。

本发明通过在动态采气箱3内设置压力平衡阀9，排空阀5向压力平衡阀9内通入空气，使得在测定二氧化碳通量的气体采集过程中避免了负压的形成、提高了监测精度；同时还为及早预警封存的二氧化碳泄露风险提供了有力支撑。而深度定位杆4的首尾搭接则可实现对较大深度范围内土壤层的二氧化碳通量测定，还可同步测定对目标点位处温度及土壤水分信息。

本发明具有监测结果偏差小、精度高、监测信息全面等优点，本发明能实现对较深土壤层二氧化碳通量的测定，为及早预警封存的二氧化碳泄露风险提供了有力支撑。

实施例2：

基于上述实施例的基础上，本实施例中，所述的深度定位杆4与动态采气箱3通过气密螺纹6连接。

所述深度定位杆4采用不锈钢材质，杆体由下至上设有刻度，深度定位杆4长度为1~3m，深度定位杆4两端均设有丝扣。

所述深度定位杆4采用不锈钢材质，杆体由下至上设有刻度，可以直观读出动态采样箱的设置深度。深度定位杆4长度为1~3m，深度定位杆4两端均设有丝扣，可将多个定位杆首尾相接以扩大定位杆的使用范围。

所述动态采气箱3采用有机玻璃材质，厚度15~20mm，动态采气箱3直径为50~100mm；动态采气箱3一侧下部内壁和底部加工两个圆孔，温度传感器2和土壤水分传感器1分别位于两个圆孔内；动态采样箱3另一侧下部径向开有的凹槽10，压力平衡阀9位于凹槽10中；凹槽10上端的动态采样箱3内壁上竖直方向上开有通孔11，通孔11上端通过管线连接有排空阀5。本实施例中动态采气箱3一侧下部内壁和底部加工两个∅5mm圆孔，温度传感器2和土壤水分传感器1分别位于两个圆孔内。

箱法是目前应用最广泛的测量土壤中微量气体通量的方法，箱法技术主要分为静态箱、密闭式动态箱和开放式动态箱三种类型。静态箱和密闭式动态箱均采用密闭箱体设置于土壤表面，通过连续测定箱内气体浓度随时间的变化率来计算待测土壤气体的通量，由于改变了土壤表面的空气流动状态和气体压力，对土壤与大气之间的待测气体交换速率受到明显影响而造成较大测量误差。本发明所采用的开放式动态采气箱可以通过平衡阀保持箱内外气压的平衡，避免了气压不平衡导致的待测气体浓度变化偏离真实情况的干扰，提供了更准确的气体通量测定环境。

本发明中采用的温度传感器2和土壤水分传感器1均为现有市场可直接购买的。本发明采用的各种模块也均为现有技术，可以在市场上直接购买，本实施例中将不再进行详细说明。

本发明通过在动态采气箱3内设置压力平衡阀9，使得在测定二氧化碳通量的气体采集过程中避免了负压的形成、提高了监测精度；而深度定位杆4的首尾搭接则可实现对较大深度范围内土壤层的二氧化碳通量测定，还可同步测定对目标点位处温度及土壤水分信息；温度传感器2和土壤水分传感器1采集的信息通过电缆传输到记录模块12进行记录。

所述多孔板8采用有机玻璃材质，厚度2~5mm，板上均匀加工圆孔，开孔率为3~10%。本实施例中所述多孔板8上均匀加工∅5mm圆孔，开孔率为3~10%。

土壤释放的CO₂通过多孔板8上的圆孔进入集气罩7，集气罩7上端的集气管上端连接流量计，可以实时检测流量。

所述集气罩7为倒漏斗状，采用有机玻璃材质，厚度2~5mm，集气罩7漏斗斜面与水平方向夹角不小于40°，集气罩7顶部的集气管701内径为5~10mm；集气管701上端连接有流量计。集气罩7漏斗斜面与水平方向夹角不小于40°保证了土壤释放的CO₂全部集收再集气罩7内。

如图2所示，所述压力平衡阀9至少包括平衡阀活门901和平衡阀铰链902，平衡阀活门901位于凹槽10中，平衡阀活门901上端通过平衡阀铰链902固定在动态采样箱3的凹槽10上。当集气罩7下方的CO₂过多，压迫压力平衡阀9打开，这样会形成负压的状况下，本申请打开排空阀5，向压力平衡阀9内注入空气，这样保证压力平衡阀9保证平衡，保证土壤释放的CO₂没有泄漏。

所述的平衡阀活门901材质为蒙乃尔合金，厚度为5~8mm。

采用本发明测定CO₂标准气体的通量：

将采气柱集气罩7顶端与流量计和检测系统连接好，将采气柱采样末端与容积为1L的模拟通量箱密封连接，采用浓度为1000 mg/m³的标准CO₂气体以200 mL/min速率持续通入通量箱，启动采样程序，设定采气泵初始速率为200 mL/min。运行10min待通量测定结果稳定后，记录参比池和检测池测得气体浓度，依据背景空气CO₂浓度为994 mg/m³，求算相对通量值F₀为1.036。调整采气泵的采气速率，以40%步长递增或递减，分别设定采气速率为320、280、240、200、160、120 mL/min，每个采气速率下平行实验7次，测定相对通量数据，如表1所示。

表1 采气速率改变对CO₂通量测定的影响

采气速率（mL/min）	相对通量	标准偏差（n=7）
			320	1.071	0.0011
280	1.049	0.0027
			240	1.040	0.0009
200	1.036	0.0016
			160	1.033	0.0012
120	1.024	0.0020

结果表明，降低采气速率后，通量箱内CO2气体可能通过采样柱压力平衡阀9溢出，但采气速率以平衡点为基准变化在60%~160%时，相对偏差为-1.15%~3.38%之间，说明本发明的采气柱对因采样速率改变造成气室内外压差带来的通量测定偏移情况，均能起到较好的抑制作用。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本发明中未详细说明的装置结构或者模块均为现有技术，本发明中将不再进行一一说明。

Claims (5)

1.用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱，其特征在于：包括土壤水分传感器（1）、温度传感器（2）、动态采气箱（3）、深度定位杆（4）、排空阀（5）、集气罩（7）、多孔板（8）、压力平衡阀（9）和记录模块（12）；所述的动态采气箱（3）上端与深度定位杆（4）连接，动态采气箱（3）内侧下部设有集气罩（7）和多孔板（8），多孔板（8）位于集气罩（7）下方，所述的土壤水分传感器（1）、温度传感器（2）和压力平衡阀（9）均设置在集气罩（7）下部，压力平衡阀（9）上端通过管线与排空阀（5）连接；排空阀（5）处并联设有两路进气口，其中一路进气口与压力平衡阀（9）连接；土壤水分传感器（1）、温度传感器（2）与记录模块（12）通过电缆连接；所述的动态采气箱（3）采用有机玻璃材质，厚度15~20mm，动态采气箱（3）直径为50~100mm；动态采气箱（3）一侧下部内壁和底部加工两个圆孔，温度传感器（2）和土壤水分传感器（1）分别位于两个圆孔内；动态采气箱（3）另一侧下部径向开有的凹槽（10），压力平衡阀（9）位于凹槽（10）中；凹槽（10）上端的动态采气箱（3）内壁上竖直方向上开有通孔（11），通孔（11）上端通过管线连接有排空阀（5）；所述多孔板（8）采用有机玻璃材质，厚度2~5mm，板上均匀加工圆孔，开孔率为3~10%；所述集气罩（7）为倒漏斗状，集气罩（7）漏斗斜面与水平方向夹角不小于40°，集气罩（7）顶部的集气管（701）内径为5~10mm；集气管（701）上端连接有流量计；所述压力平衡阀（9）至少包括平衡阀活门（901）和平衡阀铰链（902），平衡阀活门（901）位于凹槽（10）中，平衡阀活门（901）上端通过平衡阀铰链（902）固定在动态采气箱（3）的凹槽（10）上。

2.根据权利要求1所述的用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱，其特征在于：所述的平衡阀活门（901）材质为蒙乃尔合金，厚度为5~8mm。

3.根据权利要求1所述的用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱，其特征在于：所述深度定位杆（4）采用不锈钢材质，杆体由下至上设有刻度，深度定位杆（4）长度为1~3m，深度定位杆（4）两端均设有丝扣。

4.根据权利要求1所述的用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱，其特征在于：所述的深度定位杆（4）与动态采气箱（3）通过气密螺纹（6）连接。

5.根据权利要求1所述的用于监测注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量的采气柱，其特征在于：所述集气罩（7）采用有机玻璃材质，厚度2~5mm。

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