CN110702473A - 一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测方法及装置，采气柱依次经多通道阀门与多通道的二氧化碳红外监测装置连接，每条通道上均设置有采气泵，多通道阀门和采气泵均与阀‑泵动作控制器连接，二氧化碳红外监测装置经数据传输模块与工作站连接，数据传输模块分别连接地表气象条件记录模块和土壤温度水分含量记录模块，土壤温度水分含量记录模块与采气柱连接用于对采气柱所处的土壤环境条件进行监测；采气泵、阀‑泵动作控制器、地表气象条件记录模块、土壤温度水分含量记录模块、二氧化碳红外监测装置、数据传输模块和工作站均与太阳能电池模块连接。本发明可自动的、精确的实现多点位包气带土壤二氧化碳通量的同步监测。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测方法及装置。
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。
目前，常用的土壤气释放通量监测方法具有地表土壤环境和空气背景环境干扰较大、样品采集过程中使用抽气泵造成采样管内形成负压并引发土壤CO2的溢出效应等缺陷。发明人申请了专利“一种注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量监测方法和装置”来解决上述问题。经过现场实地应用的检验，取得了较为精准的监测结果，提高了对地层二氧化碳泄漏监测预警的精度。
然而，该发明装置目前只适合对单点位、定深度的土壤气二氧化碳释放通量进行持续监测。在一定范围内对不同地层深度土壤气二氧化碳释放通量进行监测时则需要多台设备联合使用，或者单台设备多次定点监测。此种工况条件下检测仪器需要反复校正，工作繁琐、劳动强度大、检测结果受操作人员素质影响较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测方法及装置,自动化程度高、监测点位及地层深度多样，测量结果精确、环境背景干扰小，数据获取的频率高。
本发明采用以下技术方案：
一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测装置，包括采气柱，采气柱依次经多通道阀门与多通道的二氧化碳红外监测装置连接，每条通道上均设置有采气泵，多通道阀门和采气泵均与阀-泵动作控制器连接，二氧化碳红外监测装置经数据传输模块与工作站连接，用于将检测的二氧化碳通量信息通过数据传输模块传输至工作站进行数据分析，数据传输模块还分别连接地表气象条件记录模块和土壤温度水分含量记录模块，地表气象条件记录模块用于采集监测点的气象资料；土壤温度水分含量记录模块与采气柱连接用于对采气柱所处的土壤环境条件进行监测；采气泵、阀-泵动作控制器、地表气象条件记录模块、土壤温度水分含量记录模块、二氧化碳红外监测装置、数据传输模块和工作站均与太阳能电池模块连接。
具体的，采气柱包括三组平行的采气单元，每组采气单元均设置有参比空气接口及包气带土壤气收集接口。
进一步的，多通道阀门为六通阀，六通阀包括固定端和可动端，固定端设置有6个接口，6个接口分别连接三组采气单元的参比空气接口及包气带土壤气收集接口，可动端的三个接口分别通过管路与采气泵连接。
更进一步的，其特征在于，可动端为可旋转式结构，可动端的接口能够分别与包气带土壤气收集接口或参比空气接口连接。
具体的，采气柱底部设置有温湿度检测仪器，温湿度检测仪器与土壤温度水分含量记录模块连接。
具体的，采气泵为多通路蠕动泵或容积式计量泵，各个通路采集到的气体流量差均小于2％。
本发明的另一个技术方案是，一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测方法，包括以下步骤：
S1、在需要监测土壤二氧化碳通量的点位进行开孔，达到目标深度后将三组采气柱安装在特定深度的位置，根据监测要求，进行同一点位不同深度、不同点位同一深度以及不同点位不同深度的土壤二氧化碳通量；
S2、将三组采气柱的集气管与背景比对空气管分别接入六通阀的进口处，六通阀的出口与采气泵连接，经采气泵计量后接入三组平行的二氧化碳红外监测装置；
S3、由泵-阀动作控制器控制六通阀的工作状态，首先对三组采气柱处进行背景校正，随后进入样品检测状态；二氧化碳红外监测装置的监测结果经数据传输模块发送至工作站进行数据分析；
S4、将三组采气柱底部的温湿度传感器接入土壤温度水分含量记录模块，同时，利用地表气象记录模块对监测点位处的地表气象资料进行监测；两部分检测结果通过数据传输模块发送至工作站，用于对监测结果的修正；
S5、对比地表温度条件与采气柱底部温度检测结果，偏差处于±2℃以内时，直接进行步骤S6的通量分析计算；否则需要对采气管路进行保温或者在数据分析时增加修正因子；
S6、在工作站的数据分析过程中，利用预设的系统参数自动进行积分计算，获得不同监测点位的土壤二氧化碳通量值；
S7、根据三组采样柱内土壤气体温度和土壤水分检测数据以及校正状态下测量的空气温度和气压对土壤通量计算结果进行修正，以保证CO2通量监测结果的准确度。
具体的，步骤S3中，泵-阀动作控制器采用积分控制器；控制流程为：
首先开启采气泵并连续切换背景比对状态和样品检测状态，确保在同一抽气速率下两种状态的采气量平衡；
随后，控制六通阀处于背景比对状态并进行参比校正操作，直至二氧化碳红外监测装置的检测结果波动幅度小于0.5％后完成背景比对程序；
接着，将六通阀切换至样品检测状态进行二氧化碳浓度分析并取检测结果的平均值；
最后，恢复六通阀至背景比对状态再次进行校正操作，取3min内检测结果的平均值并与前述背景比对程序二氧化碳背景浓度测量结果对比，差值小于2％则认为样品分析检测结果可靠。
进一步的，抽气速率为0.5～0.8L/min，二氧化碳浓度分析的持续时间为3～5min。
具体的，步骤S7中，土壤通量的修正计算如下：
其中，k为浓度转换系数；V为采样柱的采气箱体积；A为采样截面积；p为瞬时气压；P0为标准气压；Cw为土壤含水率；Ts为土壤气体温度；Tref为环境背景温度；cs为瞬时土壤释放CO2浓度；cref为瞬时背景CO2浓度；t为采样时间。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测装置，运用拥有多个采气单元的采样柱来收集不同点位、不同地层深度或者同一点位、不同地层深度的土壤气；通过可自动切换样品检测和背景对比工况的六通阀、采气泵以及泵-阀控制模块共同作用，实现参比校正和样品检测状态下抽气速率的动态平衡，消除土壤CO2通量长时间连续采样的气压扰动影响；将平行采集的土壤气送至多通路红外气体分析仪进行二氧化碳浓度的连续实时测定，信号通过数据传输模块接入数据分析仪进行通量分析，完成包气带土壤气体的在线连续采集和通量分析；通过在采样柱底部设置土壤温湿度传感器、采样柱地表设置气象条件监测模块，实现土壤气样品和参比空气的背景温度、水分、气压等数据的实时测量，用于修正监测环境背景因素对CO2通量测定精度的干扰，成套化装置，可实现多点位同步监测的标准化操作流程，易于检测人员掌握。
进一步的，通过参比空气接口及包气带土壤气收集接口同步完成背景空气比对，提升检测精度与效率。
进一步的，通过六通阀快速完成多点位监测过程的背景比对与通量检测状态的自动切换。
进一步的，通过设置可旋转式结构来方便的实现监测状态的转换。
进一步的，采气柱底部设置有温湿度检测仪器，掌握不同点位温湿度信息参数，以此为基础将不同点位实际气体流量修正为标准状态下的气体流量，使得通量监测值更加精准。
进一步的，采气泵为多通路蠕动泵或容积式计量泵，实现多通路气体独立、精确的采集和监测。
本发明一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测方法，在对多点位包气带土壤二氧化碳通量同步监测的过程中，依次自动的实现了不同点位采集气背景空气比对、气体温湿度参数修正和二氧化碳通量积分计算，使得本发明专利的监测过程更智能、监测结果更精确。
进一步的，通过积分控制，选取积分时长内监测结果的平均值来判定，排除了个别点位监测结果波动引起的误差；与此同时，在样品通量监测前后进行两次背景比对，当两次背景比对结果相同时才判定样品通量监测有效，提高了监测结果的准确度和精确度。
进一步的，通过土壤通量的修正计算明确的给出了气体温湿度参数修正具体计算过程。
综上所述，本发明可自动的、精确的实现多点位包气带土壤二氧化碳通量的同步监测。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明装置连接示意图。
其中：1.采气柱；2.六通阀；3.采气泵；4.泵-阀动作控制器；5.地表气象记录模块；6.土壤温度水分含量记录模块；7.二氧化碳红外监测装置；8.数据传输模块；9.工作站；10.太阳能电池模块。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测方法及装置，运用拥有多个采气单元的采样柱来收集不同点位、不同地层深度或者同一点位、不同地层深度的土壤气；通过可自动切换样品检测和背景对比工况的六通阀、采气泵以及泵-阀控制模块共同作用，实现参比校正和样品检测状态下抽气速率的动态平衡，消除土壤CO2通量长时间连续采样的气压扰动影响；将平行采集的土壤气送至多通路红外气体分析仪进行二氧化碳浓度的连续实时测定，信号通过数据传输模块接入数据分析仪进行通量分析，完成包气带土壤气体的在线连续采集和通量分析；通过在采样柱底部设置土壤温湿度传感器、采样柱地表设置气象条件监测模块，实现土壤气样品和参比空气的背景温度、水分、气压等数据的实时测量，用于修正监测环境背景因素对CO2通量测定精度的干扰。
请参阅图1，本发明一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测装置，包括三个采气单元的采气柱1、连接采气柱出口的六通阀2、位于六通阀2后采气管道上的采气泵3、地表气象条件记录模块5、土壤温度水分含量记录模块6、二氧化碳红外监测装置7、数据传输模块8、工作站9和太阳能电池/市电接口10，三个采气单元的采气柱1出口分别经六通阀2连接二氧化碳红外监测装置7，六通阀2和二氧化碳红外监测装置7之间的每支管道上均设置有采气泵3，六通阀2与采气泵3由阀-泵动作控制器4控制运行，利用采气泵3将采集到的气体通过气体管道输送至多通路的二氧化碳红外监测装置7，二氧化碳红外监测装置7经数据传输模块8与工作站9连接，用于将检测的二氧化碳通量信息通过数据传输模块8传输至工作站9进行数据分析，数据传输模块8还分别连接地表气象条件记录模块5和土壤温度水分含量记录模块6，地表气象条件记录模块5用于采集监测点的气象资料；土壤温度水分含量记录模块6与采气柱1底部设置的温湿度检测仪器连接，用于对采气柱所处的土壤环境条件进行监测；采气泵3、阀-泵动作控制器4、地表气象条件记录模块5、土壤温度水分含量记录模块6、二氧化碳红外监测装置7、数据传输模块8和工作站9均由太阳能电池模块10供电。
采气柱1包括三组平行的采气单元，每组采气单元包含两个接口：参比空气接口及包气带土壤气收集接口，分别用于监测系统的参比校正和样品检测；采气单元底部设置有土壤温湿度监测模块测量采集到的土壤气体温度、水分，用于对不同深度条件下气体采样体积的修正。
六通阀2包括固定端和可动端，固定端设置有6个接口，6个接口分别连接三组采气单元的参比空气接口及包气带土壤气收集接口，可动端的三个接口通过管路与采气泵3连接并输送至二氧化碳红外监测装置7。
六通阀2通过可动端的旋转切换，可实现采集气体的背景比对与样品检测；具体的，当固定端的土壤气收集接口与可动端的接口对应时，整个装置处于样品检测状态；当固定端的参比空气接口与可动端的接口对应时，整个装置处于背景比对状态。
采气泵3采用多通路的蠕动泵或者容积式计量泵，各个通路采集到的气体流量差需小于2％。
泵-阀动作控制器4采用积分控制器(PID)；控制流程为：
首先开启采气泵并连续切换背景比对状态和样品检测状态，确保在同一速率下两种状态的采气量平衡，抽气速率控制在0.5～0.8L/min；
随后，控制六通阀处于背景比对状态并进行参比校正操作，直至IRGA的检测结果波动幅度小于0.5％后完成背景比对程序；
接着，将六通阀切换至样品检测状态进行二氧化碳浓度分析，持续时间3～5min并取检测结果的平均值；
最后，恢复六通阀至背景比对状态再次进行校正操作，取3min内检测结果的平均值并与前述背景比对程序二氧化碳背景浓度测量结果对比，差值小于2％则认为样品分析检测结果可靠。
本发明一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测方法，包括以下步骤：
S1、在需要监测土壤二氧化碳通量的点位进行开孔，达到目标深度后将三组采气柱安装在特定深度的位置，根据监测要求，进行同一点位不同深度、不同点位同一深度以及不同点位不同深度的土壤二氧化碳通量；
S2、将三组采气柱的集气管与背景比对空气管分别接入六通阀的进口处，六通阀2的出口与采气泵3连接，经采气泵3计量后接入三组平行的二氧化碳红外监测装置7(IRGA)；
S3、由泵-阀动作控制器4按照预设的程序控制六通阀2的工作状态，首先对三组采气柱1处进行背景校正，随后进入样品检测状态；二氧化碳红外监测装置7的监测结果经数据传输模块8发送至工作站9进行数据分析；
S4、将三组采气柱1底部的温湿度传感器接入土壤温度水分含量记录模块6，同时，利用地表气象记录模块5对监测点位处的地表气象资料进行监测；两部分检测结果通过数据传输模块8发送至工作站9，用于对监测结果的修正；
S5、对比地表温度条件与采气柱底部温度检测结果，偏差处于±2℃以内时，可以直接进行步骤S6的通量分析计算；否则需要对采气管路进行保温或者在数据分析时增加修正因子；
S6、在工作站9的数据分析过程中，利用预设的系统参数自动进行积分计算，获得不同监测点位的土壤二氧化碳通量值；
S7、根据三组采样柱内土壤气体温度和土壤水分检测数据以及校正状态下测量的空气温度和气压对土壤通量计算结果进行修正，以保证CO2通量监测结果的准确度。
土壤通量的修正计算公式如下：
其中，k为浓度转换系数，一般取值为1.96，mg/m3；V为采样柱的采气箱体积，m3；A为采样截面积，m2；p为瞬时气压，Pa；P0为标准气压，Pa；Cw为土壤含水率，mmol/mol；Ts为土壤气体温度，℃；Tref为环境背景温度，℃；cs为瞬时土壤释放CO2浓度，μmol/mol；cref为瞬时背景CO2浓度，μmol/mol；t为采样时间，min。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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
用于某二氧化碳驱油井场的包气带土壤CO2通量多点位同步监测方法。
首先，需要监测土壤CO2通量的采样井场点位(三个采样点)划定1m×1m采样平面，清除采样点地面的植被和砾石等杂物，利用原状土取样器在采样平面垂直向下进行土壤开孔，达到不同的目标深度(例如-0.5m，-1.5m和-2.5m)后，迅速将采气柱插入孔中，并用力将土壤含水率传感器的触针完全插入土中。
其次，将三组采气柱1的集气罩分别与六通阀2对应监测点位连接，将采气柱1的参比空气管与气压平衡阀同样接入六通阀2的参比空气对应点位；再依次连接至采气泵3和红外气体分析仪7；将采气柱内的温度传感器、土壤水分传感器接入数据记录模块6；六通阀2和采气泵3由阀-泵动作控制器4预设的程序自动控制；地表气象记录模块5、数据记录模块6通过数据传输模块8和工作站9连接；打开电源预热红外气体分析仪10min以上。
接着，由阀-泵动作控制器4预设的操作程序控制开启采气泵5，连续切换六通阀的样品检测状态和参比较正状态(每种状态维持2min)，调节采气柱1的参比空气调节阀，保证采样集气管、参比空气管内的流量保持一致(误差不超过±2％)时，完成系统的采气调试工作并进入样品监测工作，对土壤采集气体和参比空气内CO2浓度进行监测并通过数据传输模块8将检测结果导入工作站9；同时，利用采气柱内的温度传感器、土壤水分传感器对监测点位不同地层深度条件下的温度、水分进行情况进行测量。
随后，利用气象条件记录模块对监测点位处的地表气象资料进行监测；对比地表温度条件与采气柱底部温度检测结果，偏差处于±2℃以内时，可以直接在工作站的数据分析过程中，利用预设的系统参数自动进行积分计算，获得不同监测点位的土壤二氧化碳通量值。
当对比地表温度条件与采气柱底部温度检测结果偏差大于±2℃时，在数据分析时增加修正因子。
不同层深土壤CO2通量监测结果见表1
本发明方法可在对多点位包气带土壤二氧化碳通量同步监测的过程中，依次自动实现不同点位地表背景温度、采集气体温湿度参数修正和二氧化碳通量积分计算，使得整个监测过程更智能，最终的监测修正结果更精确。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测装置，其特征在于，包括采气柱(1)，采气柱(1)依次经多通道阀门与多通道的二氧化碳红外监测装置(7)连接，每条通道上均设置有采气泵(3)，多通道阀门和采气泵(3)均与阀-泵动作控制器(4)连接，二氧化碳红外监测装置(7)经数据传输模块(8)与工作站(9)连接，用于将检测的二氧化碳通量信息通过数据传输模块(8)传输至工作站(9)进行数据分析，数据传输模块(8)还分别连接地表气象条件记录模块(5)和土壤温度水分含量记录模块(6)，地表气象条件记录模块(5)用于采集监测点的气象资料；土壤温度水分含量记录模块(6)与采气柱(1)连接用于对采气柱所处的土壤环境条件进行监测；采气泵(3)、阀-泵动作控制器(4)、地表气象条件记录模块(5)、土壤温度水分含量记录模块(6)、二氧化碳红外监测装置(7)、数据传输模块(8)和工作站(9)均与太阳能电池模块(10)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，采气柱(1)包括三组平行的采气单元，每组采气单元均设置有参比空气接口及包气带土壤气收集接口。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，多通道阀门为六通阀(2)，六通阀(2)包括固定端和可动端，固定端设置有6个接口，6个接口分别连接三组采气单元的参比空气接口及包气带土壤气收集接口，可动端的三个接口分别通过管路与采气泵(3)连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，可动端为可旋转式结构，可动端的接口能够分别与包气带土壤气收集接口或参比空气接口连接。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，采气柱(1)底部设置有温湿度检测仪器，温湿度检测仪器与土壤温度水分含量记录模块(6)连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，采气泵(3)为多通路蠕动泵或容积式计量泵，各个通路采集到的气体流量差均小于2％。
7.一种根据权利要求1至6中任一项所述装置的包气带土壤二氧化碳通量多点位同步监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在需要监测土壤二氧化碳通量的点位进行开孔，达到目标深度后将三组采气柱安装在特定深度的位置，根据监测要求，进行同一点位不同深度、不同点位同一深度以及不同点位不同深度的土壤二氧化碳通量；
S2、将三组采气柱的集气管与背景比对空气管分别接入六通阀的进口处，六通阀的出口与采气泵连接，经采气泵计量后接入三组平行的二氧化碳红外监测装置；
S3、由泵-阀动作控制器控制六通阀的工作状态，首先对三组采气柱处进行背景校正，随后进入样品检测状态；二氧化碳红外监测装置的监测结果经数据传输模块发送至工作站进行数据分析；
S4、将三组采气柱底部的温湿度传感器接入土壤温度水分含量记录模块，同时，利用地表气象记录模块对监测点位处的地表气象资料进行监测；两部分检测结果通过数据传输模块发送至工作站，用于对监测结果的修正；
S5、对比地表温度条件与采气柱底部温度检测结果，偏差处于±2℃以内时，直接进行步骤S6的通量分析计算；否则需要对采气管路进行保温或者在数据分析时增加修正因子；
S6、在工作站的数据分析过程中，利用预设的系统参数自动进行积分计算，获得不同监测点位的土壤二氧化碳通量值；
S7、根据三组采样柱内土壤气体温度和土壤水分检测数据以及校正状态下测量的空气温度和气压对土壤通量计算结果进行修正，以保证CO2通量监测结果的准确度。
8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，步骤S3中，泵-阀动作控制器采用积分控制器；控制流程为：
首先开启采气泵并连续切换背景比对状态和样品检测状态，确保在同一抽气速率下两种状态的采气量平衡；
随后，控制六通阀处于背景比对状态并进行参比校正操作，直至二氧化碳红外监测装置的检测结果波动幅度小于0.5％后完成背景比对程序；
接着，将六通阀切换至样品检测状态进行二氧化碳浓度分析并取检测结果的平均值；
最后，恢复六通阀至背景比对状态再次进行校正操作，取3min内检测结果的平均值并与前述背景比对程序二氧化碳背景浓度测量结果对比，差值小于2％则认为样品分析检测结果可靠。
9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于，抽气速率为0.5～0.8L/min，二氧化碳浓度分析的持续时间为3～5min。
10.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，步骤S7中，土壤通量的修正计算如下：
其中，k为浓度转换系数；V为采样柱的采气箱体积；A为采样截面积；p为瞬时气压；P0为标准气压；Cw为土壤含水率；Ts为土壤气体温度；Tref为环境背景温度；cs为瞬时土壤释放CO2浓度；cref为瞬时背景CO2浓度；t为采样时间。
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