CN109915117A

CN109915117A - 一种冻土区远程管式地温观测装置及其观测方法

Info

Publication number: CN109915117A
Application number: CN201910183695.4A
Authority: CN
Inventors: 庞守吉; 蒋观利; 祝有海; 王平康; 刘晖; 张帅; 肖睿; 卢振权; 伍新和; 汪锐; 李英烈
Original assignee: CHINA GEOLOGICAL SURVEY OIL GAS RESOURCE SURVEY CENTER
Current assignee: CHINA GEOLOGICAL SURVEY OIL GAS RESOURCE SURVEY CENTER
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: CN109915117B

Abstract

本发明实施例公开了一种冻土区远程管式地温观测装置，包括温度监测装置、数据采集仪、无线传输设备，还包括用于供电的太阳能供电装置和用于远程监控的监测终端，其观测方法包括，向冻土区的钻井中埋设套管的外管和内管以及轴温管；设置套管中不同深度温度传感器初始位置，并依次进行冻土回填，连接温度传感器、轴温管与数据采集仪电性连接，通过温度传感器获取环境温度对表层冻土的温度渗透影响速率，并通过温度渗透影响速率计算不同深度的温度传感器的监测数据采集周期；进行温度传感器的既定周期微调，对温度传感器的采集数据进行统计分析。

Description

一种冻土区远程管式地温观测装置及其观测方法

技术领域

本发明实施例涉及天然气水合物采集技术领域，具体涉及一种冻土区远程管式地温观测装置及其观测方法。

背景技术

天然气水合物(NaturalGasHydrate)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(MethaneHydrate)。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，燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多，而且储量丰富，全球储量足够人类使用1000年，因而被各国视为未来石油天然气的替代能源。而地球上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。

伴随着天然气水合物勘探开发研究的进一步深入，对影响天然气水合物产出层位和储量计算的综合体系，特别是地质体的重要性已然引起越来越多科学家的重视。在多年冻土区，地表温度、冻土层地温梯度、冻土层之下地温梯度与天然气水合物温压相平衡边界所限定的区域为水合物的热力学稳定区，即天然气水合物稳定带。地温梯度与相平衡边界的上交点为稳定带顶界，下交点为稳定带底界，两交点之间的稳定带为理论上的天然气水合物形成区间。天然气水合物稳定带的计算，控制着天然气水合物纵向、横向上的分布范围以及矿藏资源潜力的大小，而天然气水合物稳定带的厚度，可用于预测目标区天然气水合物资源量，在天然气水合物资源量评价体系中起着决定性作用。

在冻土区，针对冻土分布范围和温压条件分析时，仅研究程度相对较高的地区有温度测井数据，其他大多采用简易测温数据近似求取地温梯度。而且，即便当下技术最为成熟、数据相对可靠的温度测井，其测量需在钻井液为液态时进行，而测量过程中，钻井液为液态，容易冻结，所以此类钻井在使用一次之后，由于钻井液的冻结而无法再次使用。同时，该测量结果仅仅测量的是钻井液的变化趋势，而钻井液在不同深层位置，容易存在温度传递，所以温度测量结果为估测结果，准确性不够高，对天然气水合物稳定带的计算影响较大，从而影响到我国冻土区天然气水合物资源潜力评价和资源量的计算。

因此，提供一种能够准确测量天然气水合物稳定带厚度的方法和系统，为本领域亟待解决的问题。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种冻土区远程管式地温观测装置及其观测方法，通过套管的多角度温度监测仪温度监测位置可调以解决现有技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种冻土区远程管式地温观测装置，包括：

温度监测装置，安装在封闭钻井内用于观测天然气水合物稳定带温度；

数据采集仪，设置在地面上获取并处理温度监测装置的传输的温度数据；

无线传输设备，用于将温度数据信息进行远程无线传输；

还包括用于供电的太阳能供电装置和用于远程监控的监测终端。

本发明实施例的特征还在于，所述数据采集仪和所述温度监测装置电性连接，所述远程无线传输设备与监测终端无线通信连接。

本发明实施例的特征还在于，所述温度监测装置包括嵌设在钻井内壁上的套管，所述套管为双层套装结构，所述套管的内部设置有轴温管。

本发明实施例的特征还在于，所述套管的管身上竖向等间距分布有位移槽，所述位移槽中的每个槽均安装有差位板传感装置，所述差位板传感装置包括固定套销以及依次套装在固定套销上的导向板，所述导向板的底部设置有温度传感器，所述套管的顶部设置有封盖，且所述封盖和固定套销相配合，套管的每组位移槽的底部侧壁中埋设有电阻管，且所述电阻管贯穿套管的内壁电性连接太阳能供电装置。

本发明实施例的特征还在于，所述封盖上设置有进行导向板位置调节的驱动装置，所述驱动装置包括微型马达，所述微型马达的输出轴上设置有绕线辊，且所述绕线辊上的线材连接在导向板的顶端。

本发明实施例的特征还在于，所述位移槽有四组，均匀设置在套管的管身上，且所述导向板包括0～10m的深度板A、10～30m的深度板B和30～100m的深度板C。

本发明实施例的特征还在于，所述深度板A、深度板B和深度板C上等间距设置温度传感器，且深度板A、深度板B和深度板C上温度传感器的距离分别为0.5m、1.0m和5.0m。

一种冻土区远程管式地温观测方法，包括如下步骤：

S100、向冻土区的钻井中埋设套管的外管和内管以及轴温管；

S200、设置套管中不同深度温度传感器初始位置，并依次进行冻土回填，连接温度传感器、轴温管与数据采集仪电性连接；

S300、通过温度传感器获取环境温度对表层冻土的温度渗透影响速率，并通过温度渗透影响速率计算不同深度的温度传感器的监测数据采集周期；

S400、进行温度传感器的既定周期微调；

S500、对温度传感器的采集数据进行统计分析。

本发明实施例的特征还在于，在步骤S300中，设定距离地面0～10m表层深度的温度传感器和轴温管以2min/次的监测周期进行数据采集表层温度，并通过监测终端进行数据分析，判断外界环境温度对地面冻土温度的渗透影响，并获取渗透影响的速率，同时得到速率中值，根据表层温度的变化的中值，分别计算，深度为10-30m、30-100m的监测数据采集周期。

本发明实施例的特征还在于，在轴温管上每隔15m设置一个温度传感器，并以轴温度管的检测温度数据和温度传感器的温度采集数据进行求差值数据，并以差值数据为误差数据带入logistics模型进行数据分析。

本发明实施例具有如下优点：

1.本发明能够实现长期以及不同冻土深度的低温监测，同时避免了钻井的钻井液冻结影响温度传感器设备的正常工作，并且能够保证对冻土区温度变化进行准确的测量，减少了施工次数以及降低了维护保养的难度。

2.本发明通过套管的内套管和外套管的套装使用，并通过内套管中测温轴对钻井中的冷冻液温度变化进行实时的测量，以测温轴的温度变化与温度传感设置的冻土区温度测量进行误差分析，能够提高冻土区温度测量的准确性和真实性。

3.本发明通过该观测方法，能够清楚的了解冻土区0～100m深度范围内的温度详细变化情况，从而得出有效的冻土区水合物的分布成型情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明的一种冻土区远程管式地温观测方法流程图；

图2为本发明的一种冻土区远程管式地温观测装置的系统结构示意图；

图3为本发明的一种冻土区远程管式地温观测装置的钻井结构示意图；

图4为本发明的一种冻土区远程管式地温观测装置的套管部分结构示意图；

图中：

101-温度监测装置；102-数据采集仪；103-无线传输设备；104-太阳能供电装置；105-监测终端；

1-套管；2-位移槽；3-差位板传感装置；4-封盖；5-轴温管；6-驱动装置；7-电阻管；

301-固定套销；302-导向板；303-温度传感器；

601-微型马达；602-绕线辊。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图2、图3和图4所示，本发明提供了，一种冻土区远程管式地温观测装置，包括：

温度监测装置101，安装在封闭钻井内用于观测天然气水合物稳定带温度；

数据采集仪102，设置在地面上获取并处理温度监测装置101的传输的温度数据；

无线传输设备103，用于将温度数据信息进行远程无线传输；

还包括用于供电的太阳能供电装置104和用于远程监控的监测终端105。

数据采集仪102和温度监测装置101电性连接，远程无线传输设备103与监测终端105无线通信连接。

温度监测装置包括嵌设在钻井内壁上的套管1，套管1为双层套装结构，套管1的内部设置有轴温管7。

太阳能供电装置104采用现有的太阳能电池板供电技术进行供电，并配合锂电池进行电量的存储。

本发明通过在密封的钻井中设置温度监测装置101，通过温度监测装置101以以及轴温管7的双重测温以及误差温度分析，温度监测装置101能够对冻土区的地温进行准确且真实的检测，数据采集仪收集的检测的数据通过无线传输设备103进行发射，并通过监测终端105进行处理分析，以及对温度监测装置101的监测调整，减少了研究人员的实地查看监测时间。

远程无线传输设备103是基于GPRS/2G/3G/4G等公网无线传输，并通过PLC、RTU等检测终端进行无线通信连接。

套管1的管身上竖向等间距分布有位移槽2，位移槽2中的每个槽均安装有差位板传感装置3，差位板板传感装置3包括固定套销301以及依次套装在固定套销301上的导向板302，导向板302的底部设置有温度传感器303，套管1的顶部设置有封盖4，且封盖4和固定套销301相配合，套管的每组位移槽2的底部侧壁中埋设有电阻管8，且电阻管8贯穿套管的内壁电性连接太阳能供电装置104。

封盖4上设置有进行导向板302位置调节的驱动装置6，驱动装置6包括微型马达601，微型马达601的输出轴上设置有绕线辊602，且绕线辊602上的线材连接在导向板302的顶端。

位移槽2有四组，均匀设置在套管1的管身上，且导向板302包括0～10m的深度板A、10～30m的深度板B和30～100m的深度板C。

深度板A、深度板B和深度板C上等间距设置温度传感器303，且深度板A、深度板B和深度板C上温度传感器303的距离分别为0.5m、1.0m和5.0m.

套管1的管身上竖向等间距分布有位移槽2，位移槽2中的每个槽均安装有差位板传感装置3，位移槽2有四组，均匀设置在套管1的管身上。

本发明中的套管1包括内套管和外套管，其中外套管在钻井后，嵌设在钻井内壁上，内套管和差位板传感装置3通过位移槽2套装在外套管内，所述轴温管5设置在内套管中。

本发明中的差位板传感装置3包括固定套销301以及依次套装在固定套销301上的导向板302，固定套销301固定连接在内套管上，且位于内套管的顶部位置。

套管1的内套管和外套管表面均涂覆有硅丙乳液和水性氟碳乳液复合材料成膜物质，用于进行钻孔后，冷冻液与冻土区之间的温度隔离，保证温度传感器303对冻土温度采集的准确性。

导向板302的底部设置有温度传感器303，且导向板302包括0～10m的深度板A、10～30m的深度板B和30～100m的深度板C。

本发明通过导向板302进行限定距离的温度传感器303的安装，能够在安装完成后进行温度传感器303的连接测试，并且能够进行方便的更换，现有的套管1在进行安装测试后，发现损坏的温度传感器303则选择放弃或者套管1的整体取出，这样影响和施工测量效率，由于二次钻孔的能量带入，影响钻井中冻土区监测附近的温度测量。

通过四组导向板302，则可以在安装的过程中进行及时的与数据采集仪进行电性连接，测试温度传感器的工作状态，同时可将导向板及时的取出进行损坏的温度传感器303的更换。

通过在同一位移槽2中设置不同深度的导向板302，能够在测量时定周期的进行导向板302的微调，从而获取不同位置处的冻土温度测量数据。

当某一深度位置的地温检测趋于长时间的稳定时，通过对电阻8加热，使得通过钻井液冻结的温度传感器303位置的解冻，同时关闭温度传感器303的温度数据采集，并通过驱动装置6进行导向板302的位置改变，从而改变温度传感器303的相对位置，进行进一步的不同深度的温度监测。

深度板A、深度板B和深度板C上等间距设置温度传感器303，且深度板A、深度板B和深度板C上温度传感器303的距离分别为0.5m、1.0m和5.0m。

通过不同间距的温度传感器303的设置，获得不同区间范围内的多组测温数据，能够在获得有效的数据时，减少大量时候传感器造成的资源浪费，以及重复数据的采集。

套管1的顶部设置有封盖4，且封盖4和固定套销301相配合，套管1内部轴向设置有轴温管5；

微型马达601驱动绕线辊602，使得绕线辊602上的线材拉动导向板302进行准确的深度定位，同时在更换时也能够动导向板至最高出，从而进行更换。

相对于深度板A、深度板B和深度板C底端的套管1的外侧壁上套装有碟环组，且深度板A、深度板B和深度板C上的温度传感器303位置恰好位于碟环组中相邻碟环中间，且套管1上设置有与碟环组相配合的限位销，其中每个限位销是通过扭簧铰接在深度板A、深度板B和深度板C相应的槽道顶部。

进行冻土回填时，每进行一次分层的回填则套装一层碟环，并通过定位销进行定位，从而在回填时能够保证外套管的固定，同时避免外套管发生偏移.

实施例2：

如图1所示，一种冻土区远程管式地温观测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、向冻土区的钻井中埋设套管的外管和内管以及轴温管；

S400、进行温度传感器的既定周期微调；

S500、对温度传感器的采集数据进行统计分析。

在步骤S300中，设定距离地面0～10m表层深度的温度传感器和轴温管以2min/次的监测周期进行数据采集表层温度，并通过监测终端进行数据分析，判断外界环境温度对地面冻土温度的渗透影响，并获取渗透影响的速率，同时得到速率中值，根据表层温度的变化的中值，分别计算，深度为10-30m、30-100m的监测数据采集周期。

在进行0～10m的冻土表层深度的温度监测时，温度传感器以0.5m设置，同时轴温管上的温度传感器同样以间隔0.5m设置，两者的数量相对应，首先计算相邻温度传感器的温度差值，并计算单位时间的外界环境变化下，相邻温度传感器的动态变化范围，并通过建模方式得出温度变化影响速率和范围；

同时通过轴温管上的温度变化，确定冻结钻井液在外界温度变化下的温度影响，同时通过轴温管上的温度传感器确定冷却液的温度随深度的变化曲线，从而得出钻井液的温度与冻土区温度的差异，便于后期对钻井液冻结温度对冻土区地温检测的直观影响的观测；

在进行10～30m以及30～100m的温度监测时，轴温管上每隔15m设置一个温度传感器，并以轴温度管的检测温度数据和温度传感器的温度采集数据进行求差值数据，并以差值数据为误差数据带入logistics模型进行数据分析。

地下0-10m深度，相邻两个温度传感器的间距为0.5m；地下10-30m深，相邻两个温度传感器的间距为1.0m。地下30-100m深，相邻两个温度传感器的间距为5.0m；0-100米，为冻土层，其中可能含冰，主要为保护层，其中有可能有水合物，也可能不含水合物；

补充说明的是，0-15米的深度受地表温度变化影响显著，温度的变化频繁些，因此设置间距相对较小。地下100-400m深度，相邻两个测温传感器的间距为10m；地下400-600m时，相邻两个测温传感器的间距为30m。靠近地表的位置，由于受到大气温度的影响，其温度变化较快，因此，需要设置相对较多个温度传感器，以随时监测其温度变化；

100m以下，温度变化的范围小，所以相邻两个温度传感器的间距较大。100-600m，可能都是天然气水合物稳定带，也就是能形成水合物的深度范围，顶深一般指的是冻土层底界，底深是根据冻土层厚度计算的；600m以下，如果超过天然气水合物稳定带范围，也就不存在水合物了；继续向下随着深度的增加，地温缓慢升高，根据天然气水合物稳定带计算公式，若超过天然气水合物稳定带底界，该深度下已无法形成天然气水合物，不需要再进行监测。

进行数据实时采集，开展地温真值、梯度变化计量分析，判断区域冻土温度变化，配合工作区天然气水合物钻探和试开采工作，实时监测垂向上参数变化，对采集的数据按深度进行时间排序，并进行统计分析。即在不破坏原位环境的前提下，反映冻土区天然气水合物稳定带内地温的真实变化。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种冻土区远程管式地温观测装置，其特征在于，包括：

温度监测装置(101)，安装在封闭钻井内用于观测天然气水合物稳定带温度；

数据采集仪(102)，设置在地面上获取并处理温度监测装置的传输的温度数据；

无线传输设备(103)，用于将温度数据信息进行远程无线传输；

还包括用于供电的太阳能供电装置(104)和用于远程监控的监测终端(105)。

2.根据权利要求1所述一种冻土区远程管式地温观测装置，其特征在于，所述数据采集仪(102)和所述温度监测装置(101)电性连接，所述远程无线传输设备(103)与监测终端(105)无线通信连接。

3.根据权利要求1所述一种冻土区远程管式地温观测装置，其特征在于，所述温度监测装置(101)包括嵌设在钻井内壁上的套管(1)，所述套管(1)为双层套装结构，所述套管(1)的内部设置有轴温管(5)。

4.根据权利要求3所述一种冻土区远程管式地温观测装置，其特征在于，所述套管(1)的管身上竖向等间距分布有位移槽(2)，所述位移槽(2)中的每个槽均安装有差位板传感装置(3)，所述差位板传感装置(3)包括固定套销(301)以及依次套装在固定套销(301)上的导向板(302)，所述导向板(302)的底部设置有温度传感器(303)，所述套管(1)的顶部设置有封盖(4)，且所述封盖(4)和固定套销(301)相配合，套管(1)上的每组位移槽(2)底部侧壁中均埋设有电阻管(7)，且所述电阻管(7)贯穿套管(1)的内壁与太阳能供电装置(104)电性连接。

5.根据权利要求4所述一种冻土区远程管式地温观测装置，其特征在于，所述封盖(4)上设置有进行导向板(302)位置调节的驱动装置(6)，所述驱动装置(6)包括微型马达(601)，所述微型马达(601)的输出轴上设置有绕线辊(602)，且所述绕线辊(602)上的线材连接在导向板(302)的顶端。

6.根据权利要求4所述一种冻土区远程管式地温观测装置，其特征在于，所述位移槽(2)有四组，四组所述位移槽(2)均匀设置在套管(1)的管身上，且所述导向板(302)包括0～10m的深度板A、10～30m的深度板B和30～100m的深度板C。

7.根据权利要求6所述一种冻土区远程管式地温观测装置，其特征在于，所述深度板A、深度板B和深度板C上等间距设置温度传感器(303)，且深度板A、深度板B和深度板C上温度传感器(303)的距离分别为0.5m、1.0m和5.0m。

8.一种冻土区远程管式地温观测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、向冻土区的钻井中埋设套管的外管和内管以及轴温管；

S200、设置套管中不同深度温度传感器的初始位置并依次安装，安装后进行冻土回填，并与轴温管、数据采集仪电性连接；

S400、对温度传感器的既定周期进行微调；

S500、对温度传感器的采集数据进行统计分析。

9.根据权利要求8所述一种冻土区远程管式地温观测方法，其特征在于，在步骤S300中，设定距离地面0～10m表层深度的温度传感器和轴温管以2min/次的监测周期进行数据采集表层温度，并通过监测终端进行数据分析，判断外界环境温度对地面冻土温度的渗透影响，并获取渗透影响的速率，同时得到速率中值，根据表层温度的变化的中值，分别计算，深度为10-30m、30-100m的监测数据采集周期。

10.根据权利要求8所述一种冻土区远程管式地温观测方法，其特征在于，在轴温管上每隔15m设置一个温度传感器，并以轴温度管的检测温度数据和温度传感器的温度采集数据进行求差值数据，并以差值数据为误差数据带入logistics模型进行数据分析。