CN111173506A - 二氧化碳泄漏监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二氧化碳泄漏监测方法及装置，涉及环境监测的技术领域，包括：先获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史压力值和与历史压力值对应的历史二氧化碳浓度；然后将历史压力值和历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系；再利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值；最后基于二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，根据各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。本发明可以适用于地质各层，且工程实施的难度小，可以实现二氧化碳泄漏的连续实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，尤其是涉及一种二氧化碳泄漏监测方法及装置。
背景技术
人类生产和生活过程中排放的废气，导致大气污染和温室效应日益严重，减少温室气体的排放量已成为人类关注的焦点。二氧化碳封存与捕获技术被作为一种有效的减排手段，将处理后的二氧化碳注入到封闭的深部地质构造中，从而减少二氧化碳向大气中排放。二氧化碳驱油封存是将二氧化碳注入到油田以提高原油采收率，同时二氧化碳将会占据原来被采出流体所占据的孔隙空间，溶解于残余的油和地层水中，在提高原油采收率的同时实现了二氧化碳的地质封存。
地质封存可以将二氧化碳长期埋存在深部地层中，然而由于地质构造中可能会存在断层、裂缝等非连续性构造，注入的二氧化碳气体可能会引起地层内部压力升高和应力场改变的现象，从而引起裂缝扩张或断层滑移等，造成二氧化碳泄漏至含水层或大气中，造成环境污染。因此，地质封存中二氧化碳的运移监测是非常重要的工作内容，是保障二氧化碳地质封存的安全性和有效性的必备手段。
目前对地质封存中二氧化碳的监测常用方法主要为两种，一种集中于储层和盖层的监测，采用地球物理探测方法，如三维地震探测和VSP测井技术，对二氧化碳驱替前缘进行监测，在复杂地形地貌区域实施难度大；另一种集中于近地表的含水层和土壤层的监测，采用环境监测方法，如水位和水质等监测方法，目前可以实现在浅部含水层中的监测，但在深度为1000米以下的深部含水层，高温和高压的条件，实时在线监测技术难度大。上述两种检测方法均具有不适用条件且实施难度大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化碳泄漏监测方法及装置，可以适用于地质各层，且工程实施的难度小，可以实现二氧化碳泄漏的连续实时监测。
本发明提供的一种二氧化碳泄漏监测方法，其中，包括：获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史数据；其中，所述历史数据包括：历史压力值和与所述历史压力值对应的历史二氧化碳浓度；将所述历史压力值和所述历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系；利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值；基于所述二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，根据所述各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。
进一步的，所述二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系为：
Xco2＝aP5+bP4+cP3+dP2+eP
其中，Xco2为二氧化碳浓度；P为压力值；a、b、c、d、e均为系数。
进一步的，所述地层包括以下至少一种：土壤层、浅部含水层、深部含水层、盖层、储层。
进一步的，所述分布式光纤压力传感系统包括以下至少一种：光纤压力传感器、光纤调解设备、计算机以及光纤跳线。
进一步的，所述光纤压力传感器为法布里-珀罗腔传感器。
进一步的，利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值包括：将所述布里-珀罗腔传感器从二氧化碳驱油封存区域内指定位置处的所述土壤层经所述浅部含水层、所述深部含水层和所述盖层下放至所述储层，并利用所述布里-珀罗腔传感器获取布里-珀罗腔传感器所在地层的干涉光谱数据；利用所述光纤调解设备对所述干涉光谱数据进行解调处理，得到与所述干涉光谱数据对应的法布里-珀罗腔长信息；利用所述光纤跳线将法布里-珀罗腔长信息发送至计算机进行模数转换，得到各个地层的压力值。
本发明提供的一种二氧化碳泄漏监测装置，其中，包括：获取模块，用于获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史数据；其中，所述历史数据包括：历史压力值和与所述历史压力值对应的历史二氧化碳浓度；数值模拟模块，用于将所述历史压力值和所述历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系；监测模块，用于利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值；计算模块，用于基于所述二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，根据所述各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。
进一步的，所述地层包括以下至少一种：土壤层、浅部含水层、深部含水层、盖层、储层；所述分布式光纤压力传感系统包括以下至少一种：光纤压力传感器、光纤调解设备、计算机以及光纤跳线；所述光纤压力传感器为法布里-珀罗腔传感器；其中，监测模块包括：下放获取单元，用于将所述布里-珀罗腔传感器从二氧化碳驱油封存区域内指定位置处的所述土壤层经所述浅部含水层、所述深部含水层和所述盖层下放至所述储层，并利用所述布里-珀罗腔传感器获取布里-珀罗腔传感器所在地层的干涉光谱数据；解调处理单元，用于利用所述光纤调解设备对所述干涉光谱数据进行解调处理，得到与所述干涉光谱数据对应的法布里-珀罗腔长信息；模数转换单元，用于利用所述光纤跳线将法布里-珀罗腔长信息发送至计算机进行模数转换，得到各个地层的压力值。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的二氧化碳泄漏监测方法。
本发明还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其中，所述程序代码使所述处理器执行所述的二氧化碳泄漏监测方法。
本发明提供的一种二氧化碳泄漏监测方法及装置，先获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史压力值和与历史压力值对应的历史二氧化碳浓度；然后将历史压力值和历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系；再利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值；最后基于二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，根据各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。
本发明采用的分布式光纤测压工艺简单，并可实现各个地层压力的连续实时监测，可解决地球物理探测技术施工难度大和环境监测技术适用地质条件严苛的缺陷。另外，本发明提供的分布式光纤压力传感系统耦合数值模拟方法，无需造价高昂的水质监测传感器或二氧化碳浓度传感器，仅需通过数值模拟方法建立二氧化碳浓度与压力值的函数关系，基于分布式光纤压力传感系统监测实时的压力值，反推得到以压力值为变量的二氧化碳浓度，进而可以得到二氧化碳浓度在各个地层中的分布特征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种二氧化碳泄漏监测方法的流程图；
图2为光纤压力传感器下放至地层的结构图；
图3为图1中步骤S103的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种二氧化碳泄漏监测装置的结构示意图；
图5为图4中监测模块的结构示意图。
图标：
11-获取模块；12-数值模拟模块；13-监测模块；14-计算模块；15-下放获取单元；16-解调处理单元；17-模数转换单元。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。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。
目前对地质封存中二氧化碳的监测常用方法主要为两种，一种集中于储层和盖层的监测，采用地球物理探测方法，如三维地震探测和VSP测井技术，对二氧化碳驱替前缘进行监测，在复杂地形地貌区域实施难度大；另一种集中于近地表的含水层和土壤层的监测，采用环境监测方法，如水位和水质等监测方法，目前可以实现在浅部含水层中的监测，但在深度为1000米以下的深部含水层，高温和高压的条件，实时在线监测技术难度大。上述两种检测方法均具有不适用条件且实施难度大。基于此，本发明实施例提供一种二氧化碳泄漏监测方法及装置，适用于地质各层，且工程实施的难度小，能够实现二氧化碳泄漏的连续实时监测。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种二氧化碳泄漏监测方法进行详细介绍。
实施例一：
参照图1，本发明实施例提供的一种二氧化碳泄漏监测方法，可以包括以下步骤：
步骤S101，获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史数据；其中，历史数据包括：历史压力值和与历史压力值对应的历史二氧化碳浓度。
在本发明实施例中，参照图2，地层从上到下依次是：土壤层(或称为地表)、浅部含水层(距离土壤层一千米以上的位置)、深部含水层(距离土壤层一千米以下的位置)、盖层、储层。
步骤S102，将历史压力值和历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系。
在本发明实施例中，二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系可以为：
Xco2＝aP5+bP4+cP3+dP2+eP
在该函数中，Xco2为二氧化碳浓度，即地层中气态二氧化碳的摩尔质量分数；P为地层中的压力值；a、b、c、d、e均为系数。示例性的，根据获得的历史压力值与历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，推算出的函数关系可以如下所示：
Xco2＝-4×10-28P5+5×10-22P4-3×10-16P3+5×10-11P2-3×10-6P
即a＝-4×10-28，b＝5×10-22，c＝-3×10-16，d＝5×10-11，e＝-3×10-6。上述给出的各个系数的具体数值不一定适应所有情况。因此，本发明实施例对a、b、c、d、e的具体数值不作具体限定。
本发明实施例中的二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系也可以是其他形式的，对函数的具体形式不作具体限定。数值模拟的目的在于建立地层中二氧化碳浓度与光纤实时监测的压力值的定量关系，基于该定量关系，可以通过监测的压力值实现对二氧化碳泄漏的实时响应。
步骤S103，利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值。
在本发明实施例中，分布式光纤压力传感系统包括以下至少一种：光纤压力传感器、光纤调解设备、计算机以及光纤跳线。参照图2，光纤压力传感器可以下放至地层的最底层。其中光纤压力传感器在工作时，串联一个光纤光栅传感器可以实现温度补偿，进而实现压力的精确测量以及高密度的应变测量。光纤压力传感器包括但不限于法布里-珀罗腔传感器。
步骤S104，基于二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，根据各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。
在本发明实施例中，本发明实施例通过采用分布式光纤压力传感系统耦合数值模拟方法，可以连续实时的监测和预测从储层、盖层、深部含水层、浅部含水层到地表的二氧化碳泄漏浓度情况。
本发明实施例提供的一种二氧化碳泄漏监测方法，先获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史压力值和与历史压力值对应的历史二氧化碳浓度；然后将历史压力值和历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系；再利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值；最后基于二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，根据各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。
本发明实施例采用的分布式光纤测压工艺简单，并可实现各个地层压力的连续实时监测，可解决地球物理探测技术施工难度大和环境监测技术适用地质条件严苛的缺陷。另外，本发明实施例提供的分布式光纤压力传感系统耦合数值模拟方法，无需造价高昂的水质监测传感器或二氧化碳浓度传感器，仅需通过数值模拟方法建立二氧化碳浓度与压力值的函数关系，基于分布式光纤压力传感系统监测实时的压力值，反推得到以压力值为变量的二氧化碳浓度，进而可以得到二氧化碳浓度在各个地层中的分布特征。
进一步的，参照图3，步骤S103包括以下步骤：
步骤S201，将布里-珀罗腔传感器从二氧化碳驱油封存区域内指定位置处的土壤层经浅部含水层、深部含水层和盖层下放至储层，并利用布里-珀罗腔传感器获取布里-珀罗腔传感器所在地层的干涉光谱数据。
在本发明实施例中，分布式光纤上携带多个布里-珀罗腔传感器，分布式光纤在土壤层、浅部含水层、深部含水层、盖层和储层等均至少存在一个布里-珀罗腔传感器对所在地层进行测压。地层压力的变化会导致法布里-珀罗腔内的入射光纤和反射光纤间距发生变化，从而可以获取干涉光谱数据。
步骤S202，利用光纤调解设备对干涉光谱数据进行解调处理，得到与干涉光谱数据对应的法布里-珀罗腔长信息。
在本发明实施例中，采用光纤解调设备对干涉光谱数据信息进行解调处理，得到精确的法布里-珀罗腔长信息。
步骤S203，利用光纤跳线将法布里-珀罗腔长信息发送至计算机进行模数转换，得到各个地层的压力值。
在本发明实施例中，法布里-珀罗腔长信息的变化量与压强呈正比，由计算机的DSP数据采集单元进行高速精确数据采样和模数(A/D)转换，最后经信号的进一步处理，可以提高信噪比，进而获得精确可靠的压力值。
在本发明实施例中，法布里-珀罗腔长信息为压力信号。分布式光纤测压是将光纤沿着井筒垂直下放至监测地层底部(储层)，压力传感系统可以实时感应地层压力的变化，将压力信号传输至计算机，即可得到沿光纤长度的压力值，即为沿地层垂向变化的压力值。
分布式光纤测压工艺简单，并可实现地层压力的连续实时监测，可解决地球物理探测技术施工难度大和环境监测技术适用地质条件严苛的缺陷。本发明实施例采用分布式光纤压力传感系统耦合数值模拟方法，能够连续实时的监测和预测从储层、盖层、深部含水层、浅部含水层到地表的二氧化碳泄漏情况。相比较于地球物理探测方法和环境监测方法，工艺简单，工程实施难度较小，可实现从储层到地表的连续实时监测。
实施例二：
参照图4，本发明实施例提供的一种二氧化碳泄漏监测装置，其中，可以包括以下模块：
获取模块11，用于获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史数据；其中，历史数据包括：历史压力值和与历史压力值对应的历史二氧化碳浓度；
数值模拟模块12，用于将历史压力值和历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系；
监测模块13，用于利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值；
计算模块14，用于基于二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，根据各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。
本发明实施例提供的一种二氧化碳泄漏监测装置，先利用获取模块获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史压力值和与历史压力值对应的历史二氧化碳浓度；然后利用数值模拟模块将历史压力值和历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系；再基于监测模块，利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值；最后基于二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，利用计算模块根据各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。
本发明实施例采用的分布式光纤压力传感系统测压工艺简单，并可实现各个地层压力的连续实时监测，可解决地球物理探测技术施工难度大和环境监测技术适用地质条件严苛的缺陷。另外，本发明实施例提供的分布式光纤压力传感系统耦合数值模拟模块，仅需通过数值模拟模块建立二氧化碳浓度与压力值的函数关系，基于分布式光纤压力传感系统监测实时的压力值，可以反推得到以压力值为变量的二氧化碳浓度，进而可以得到二氧化碳浓度在各个地层中的分布特征。
进一步的，地层包括以下至少一种：土壤层、浅部含水层、深部含水层、盖层、储层；分布式光纤压力传感系统包括以下至少一种：光纤压力传感器、光纤调解设备、计算机以及光纤跳线；光纤压力传感器为法布里-珀罗腔传感器；
参照图5，监测模块13包括：
下放获取单元15，用于将布里-珀罗腔传感器从二氧化碳驱油封存区域内指定位置处的土壤层经浅部含水层、深部含水层和盖层下放至储层，并利用布里-珀罗腔传感器获取布里-珀罗腔传感器所在地层的干涉光谱数据；
解调处理单元16，用于利用光纤调解设备对干涉光谱数据进行解调处理，得到与干涉光谱数据对应的法布里-珀罗腔长信息；
模数转换单元17，用于利用光纤跳线将法布里-珀罗腔长信息发送至计算机进行模数转换，得到各个地层的压力值。
在本发明的又一实施例中，还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法实施例所述方法的步骤。
在本发明的又一实施例中，还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行方法实施例所述方法。
在本发明所提供的实施例中，所揭露的方法和装置，也可以通过其它的方式实现。以上实施例的具体说明仅仅是示意性的，附图当中的模块可以独立存在也可以集成存在，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种二氧化碳泄漏监测方法，其特征在于，包括：
获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史数据；其中，所述历史数据包括：历史压力值和与所述历史压力值对应的历史二氧化碳浓度；
将所述历史压力值和所述历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系；
利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值；
基于所述二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，根据所述各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系为：
其中，
为二氧化碳浓度；P为压力值；a、b、c、d、e均为系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地层包括以下至少一种：土壤层、浅部含水层、深部含水层、盖层、储层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分布式光纤压力传感系统包括以下至少一种：光纤压力传感器、光纤调解设备、计算机以及光纤跳线。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述光纤压力传感器为法布里-珀罗腔传感器。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值包括：
将所述布里-珀罗腔传感器从二氧化碳驱油封存区域内指定位置处的所述土壤层经所述浅部含水层、所述深部含水层和所述盖层下放至所述储层，并利用所述布里-珀罗腔传感器获取布里-珀罗腔传感器所在地层的干涉光谱数据；
利用所述光纤调解设备对所述干涉光谱数据进行解调处理，得到与所述干涉光谱数据对应的法布里-珀罗腔长信息；
利用所述光纤跳线将法布里-珀罗腔长信息发送至计算机进行模数转换，得到各个地层的压力值。
7.一种二氧化碳泄漏监测装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取二氧化碳驱油封存区域所有地层内的历史数据；其中，所述历史数据包括：历史压力值和与所述历史压力值对应的历史二氧化碳浓度；
数值模拟模块，用于将所述历史压力值和所述历史二氧化碳浓度作为训练样本进行数值模拟，建立二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系；
监测模块，用于利用分布式光纤压力传感系统监测二氧化碳驱油封存区域内指定位置处各个地层的压力，得到各个地层的压力值；
计算模块，用于基于所述二氧化碳浓度与压力值之间的函数关系，根据所述各个地层的压力值进行计算，得到指定位置处每个地层的二氧化碳浓度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述地层包括以下至少一种：土壤层、浅部含水层、深部含水层、盖层、储层；所述分布式光纤压力传感系统包括以下至少一种：光纤压力传感器、光纤调解设备、计算机以及光纤跳线；所述光纤压力传感器为法布里-珀罗腔传感器；
其中，监测模块包括：
下放获取单元，用于将所述布里-珀罗腔传感器从二氧化碳驱油封存区域内指定位置处的所述土壤层经所述浅部含水层、所述深部含水层和所述盖层下放至所述储层，并利用所述布里-珀罗腔传感器获取布里-珀罗腔传感器所在地层的干涉光谱数据；
解调处理单元，用于利用所述光纤调解设备对所述干涉光谱数据进行解调处理，得到与所述干涉光谱数据对应的法布里-珀罗腔长信息；
模数转换单元，用于利用所述光纤跳线将法布里-珀罗腔长信息发送至计算机进行模数转换，得到各个地层的压力值。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的方法。
10.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行如权利要求1至6任一项所述的方法。
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