CN111942550B - 一种海域水合物开采环境立体化移动监测系统 - Google Patents

一种海域水合物开采环境立体化移动监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种海域水合物开采环境立体化移动监测系统，包括移动监测平台及其控制单元，移动监测平台包括主舱体、以及设置在主舱体上用以监测钻井平台周围环境以及地形变化的环境参数监测单元、地形参数监测单元、巡航监测单元、采样单元；主舱体后方还设有锚系潜标工作单元，锚系潜标工作单元用以进行甲烷含量、浊度异常等环境参数监测，锚系潜标工作单元在绕线车的转动下任意高度停留监测。本方案实现以各个生产井为圆心在周向上、垂向上全方位立体化的进行各种环境等参数的监测，避免了海底铺设各种电缆或是建立工作站的情况，实现全面有效地评价水合物开采活动的环境效应，提前预警潜在的环境灾害，为商业化开采水合物提供环境方面的科学评价体系。

Description

一种海域水合物开采环境立体化移动监测系统
技术领域
本发明涉及海底天然气水合物资源勘探和开采技术领域，尤其涉及水一种海域水合物开采环境立体化移动监测系统，实现合物开采过程中的海洋环境监测、评估和预测。
背景技术
天然气水合物是由天然气分子和水分子结合在一起形成的固态冰状物质，当前已经被认为是一种具有极大潜力的新型能源，其中最主要的成分是可燃烧的甲烷，因此也经常被称为“甲烷水合物”。
当前，加拿大、美国和日本等国已经先后在陆地上和海洋上开展了甲烷水合物试开采工作，而对于我国这样的能源消费大国，深入开展天然气水合物的科学理论、资源评价、技术方法、试采和示范、商业化开发等方面的工作具有重大的战略意义，也是保障我国能源储备安全的可靠手段。然而，在全球能源需求持续增加和碳排放逐渐升高的背景下，天然气水合物既是一种储量巨大的潜在能源资源，又是一种重要的温室气体来源，同时，由于99％的水合物资源储存于海域环境中，在勘探和开发过程中，不可避免地会造成海底甲烷泄漏、海床位移和沉陷、生物群落受损、水体污染甚至海底滑坡等风险。因此，在天然气水合物开采过程中，又必须建立一整套完善的环境保护、评价、预测体系，以达到“绿色、安全、经济、科学”地利用这种资源。
发明内容
本发明提出一种面向海域水合物开采环境立体化移动监测系统，实现合物开采过程中的海洋环境监测、评估和预测。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种海域水合物开采环境立体化移动监测系统，包括多方位立体化移动监测平台及其控制单元，所述移动监测平台自由穿梭于各生产井之间；
所述移动监测平台包括主舱体、带动主舱体做任意方向运动的动力单元、设置在主舱体上用以监测钻井平台周围环境以及地形变化的环境参数监测单元和地形参数监测单元，以及进行圈外巡航监测的巡航监测单元和进行样品采集的采样单元；所述动力单元、环境参数监测单元、地形参数监测单元、巡航监测单元、采样单元和锚系潜标工作单元均与控制单元电连接；
所述主舱体的后方设有锚系潜标工作单元，锚系潜标工作单元包括潜标浮球、传感器集成舱、主缆绳、锚链、声学释放器和绕线车，传感器集成舱上方通过主缆绳与潜标浮球连接，潜标浮球用于携带传感器集成舱在水中垂直移动，传感器集成舱下方通过主缆绳与绕线车连接，通过绕线车控制传感器集成舱升起高度并对其进行回收；主缆绳缠绕在绕线车上，主缆绳末端与锚链相连接，所述锚链安装在声学释放器上，声学释放器用以控制锚链打开或关闭，从而控制主缆绳与锚链断开连接。
进一步的，所述巡航监测单元为自主式水下潜航器，集成甲烷传感器、温盐深仪、浊度计、高清照相机和高清摄像机，以主舱体为核心实现巡逻监测。
进一步的，所述采样单元包括静力触探单元以及沉积物取样单元，所述静力触探单元包括探测机械手和微电极探针，沉积物取样单元包括取样机械手和沉积物取样管；所述取样机械手和探测机械手分置于主舱体前方两侧。
进一步的，所述控制单元包括主控模块以及与主控模块相连的运行模式模块、原位探测模块、水下定位模块、行进状态监测模块和水声通讯模块，分别对应的实现运行模式选择、原位探测、水下定位、行进状态监测及通讯功能。
进一步的，所述传感器集成舱内安装有甲烷传感器、浊度计、溶解氧传感器、多普勒流速剖面仪和温盐深仪，分别对应的用以监测甲烷含量、浊度异常、流向流速、温度、盐度和溶解氧环境参数。
进一步的，所述环境参数监测单元包括甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、多普勒流速剖面仪、温盐深仪和沉降仪。
进一步的，所述地形参数监测单元包括高程传感器和位移传感器。
进一步的，所述动力单元包括设置在主舱体内部的移动电源、推进器以及设置在主舱体两侧的自适应履带，所述推进器包括前置后向推进器、底部举升推进器和后置前向推进器。
进一步的，在自适应履带中间还设有减震轮。
进一步的，所述主舱体的前、后方均设有照明灯和摄像头。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案所述的环境立体化移动监测系统，可以以各个生产井为圆心在周向上、垂向上全方位立体化的进行各种环境等参数的监测，无需在纵向、横向铺设采样点，避免了海底铺设各种电缆或是建立工作站的情况，采用一个移动平台就可以实现多种参数的监控与监测；自带电源，在电源供应不间断的情况下，可以对于储层、沉积物、水体和大气进行多介质全覆盖实时、长期监测，以保证水合物开采的环境安全，同时可以全方位地获取第一手数据；
此外，在钻井平台上还可以布设低空大气采样监测仪，这样，就构成了从储层到海表的一整套环境监测体系，无需担心海底变形以及底流的冲刷，应用范围广泛，适应性更强；全面考虑了水合物开采过程中可能引发的水体污染、生物损害和地质灾害的等各方面因素，根据“指标上够用、技术上可行、经济上合理”的原则，获得水合物开采过程中的环境效应的科学数据体系，做到全面有效地评价水合物开采活动的环境效应，提前预警潜在的环境灾害，为商业化开采水合物提供环境方面的科学评价体系。
附图说明
图1为本发明实施例所述移动监测平台的前视立体结构示意图；
图2为本发明实施例所述移动监测平台的后视立体结构示意图；
图3为图1中所述移动监测平台的主视图；
图4为图1中所述移动监测平台的右视图；
图5为图1中所述移动监测平台的后视图；
图6为图1中所述移动监测平台的仰视图；
图7为图1中所述移动监测平台的俯视图；
图8为图1中所述移动监测平台的0半径转弯示意图；
图9为本发明实施例锚系潜标工作单元工作示意图；
图10为本发明实施例锚系潜标工作单元回收方式示意图；
图11为本发明实施例所述主舱体的控制原理示意图；
其中：1、主舱体；2、微型AUV；3、原位探测传感器；4、探测机械手；41、微电极探针；42、静力触探；5、取样机械手；51、沉积物取样管；52、作业工具箱；6、推进器；7、自适应履带；71、减震轮；8、后向声呐；9、超短基线；10、潜标浮球；11、传感器集成舱；12、照明灯；13、摄像头；14、信标机；15、声学释放器；16、ADCP。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种水合物开采环境立体化移动监测系统，包括多方位立体化移动监测平台及其控制单元，所述移动监测平台可自由穿梭于各生产井之间，如图1-7所示，移动监测平台包括主舱体1、带动主舱体1做任意方向运动的动力单元、设置在主舱体1上用以监测钻井平台周围环境以及地形变化的环境参数监测单元和地形参数监测单元，以及进行圈外巡航监测的巡航监测单元和进行样品采集的采样单元，主舱体1的前、后方均设有照明灯12和摄像头13；图11为主体舱的控制原理示意图。
所述动力单元包括设置在主舱体内部的移动电源、以及设置在主舱体两侧的自适应履带7，所述推进器包括前置后向推进器、底部举升推进器和后置前向推进器，如图8所示，前置后向推进器、底部举升推进器和后置前向推进器两个为一组，分别设置在主舱体前侧底部、主舱体底部两履带之间以及主舱体后侧底部，可以单独使用履带前进后退，可以单独使用推进器前进后退、上升，如图8所示，履带协作完成0半径转弯换向示意图，为了提高其灵活度高和适应性，如图6所示，在自适应履带中间还设有减震轮71，在海底面作业，适应性更强；
所述环境参数监测单元包括甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、多普勒流速剖面仪(ADCP)、温盐深仪(CTD)和沉降仪，所述地形参数监测单元包括高程传感器和位移传感器，所述巡航监测单元为自主式水下潜航器(AUV)，集成甲烷传感器、温盐深仪(CTD)、浊度计、高清照相机和高清摄像机，以主舱体为核心实现圈界限50m之外巡逻监测；AUV可以以主舱体为中心进行巡游，以监测上层水体内的环境参数异常，与钻井平台上的大气监测装置共同监测逃逸到上层水体和大气系统中的流体通量，AUV还可监测海底生物系统、微地貌的照相和摄像功能，以增加该系统监测范围的广度和深度，提高经济效益；
所述采样单元包括静力触探单元以及沉积物取样单元，所述静力触探单元包括探测机械手4、微电极探针41；沉积物取样单元包括取样机械手5和沉积物取样管51；所述取样机械手5和探测机械手4分置于主舱体1前方两侧，其中与取样机械手5配合设有作业工具箱52，作业工具箱52内设有多个土质取样管，与探测机械手4配合设有静力触探针41，以勘探某处地质情况是否适合取样或者是否适合进一步操作，取样机械手和探测机械手可各自独立作业，也可协调作业。
所述主舱体1的后方设有锚系潜标工作单元，锚系潜标工作单元包括浅标浮球10、传感器集成舱11、主缆绳、锚链、声学释放器15和绕线车，浅标浮球10下端的缆绳穿过传感器集成舱11，将潜标浮球10与传感器集成舱11连接在一起之后缆绳与主缆绳连接，主缆绳缠绕在绕线车上，绕线车由电机控制旋转，缆绳末端为锚链，锚链与声学释放器通过连接环连接，声学释放器打开连接环后，可使得锚链与立体化移动监测平台分离，因此浮球可携带传感器集成舱上升至海面，锚系潜标工作单元在绕线车的转动下任意高度停留监测，传感器集成舱集成甲烷传感器、浊度计、溶解氧传感器、多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)，用以监测甲烷含量、浊度异常、流向流速、温度、盐度和溶解氧环境参数。
为了进一步了解其工作过程，下面对其操作流程说明如下：
1、多方位立体化移动监测平台的主舱体可在海底进行任意移动，通过定点控制，将主舱体移动到指定位置；
2、传感器集成舱内的传感器工作，获取近底环境的甲烷含量、浊度、流向流速、温度、盐度和溶解氧等环境参数；
3、电动机控制绕线车转动，主缆绳放线。传感器集成舱在潜标浮力作用下带动上升，到达指定高度；在上升过程中，传感器继续工作，到达指定高度后，传感器集成舱将停留一段时间，获取该层各类环境参数；
4、绕线车继续转动，主缆绳放线，直到传感器集成舱到达下一指定高度；
5、重复步骤3、4，直至完成整个海洋垂直剖面的测量过程(图9)；
6、完成剖面测量后，电控机控制绕线车转动，回收缆绳，将潜标与传感器集成舱拖回近海底层；
7、多方位立体化移动监测平台的主舱体继续移动，到达下一制定点位，重复步骤3、4、5、6，完成该点位垂直剖面海洋环境的测量；
8、所有点位观测完成后，有两种回收方式(如图10)：其中一种是声学释放器打开，释放锚链，主缆绳与锚链断开连接，此时潜标携带传感器集成舱上升到海面，由海面上停泊船只进行直接回收潜标与传感器集成舱；也可由绕线车将潜标及传感器集成舱收回至近海底层，多方位立体化移动监测平台继续进行其他工作，其他工作全部完成后，将锚系潜标工作单元连同多方位立体化移动监测平台一起回收。
本实施例所述系统所需要的各种甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、ADCP、CTD、浊度计、沉降仪、高清照相机和高清摄像机等均为成熟的产品；另外还可以根据需要在主舱体上增加相应的传感器或是其他检测设备，平台内部控制单元自带存储与数据交换功能，自带定位功能，如GPRS、GPS、声呐、声学释放器等，此功能为现有技术成熟商业化产品，在此不做详述。
本发明通过锚系潜标工作单元的设计，及其与移动监测平台的结合，可以实现围绕生产井进行周向的环形监测，同时也可以对垂向进行纵向监测，监测范围灵活调整，同时可以实现自动采样与地质探测，并且具有越障功能，可适应崎岖的海底地形，有利于扩大监测范围，降低海底地形对监测效果的影响。
本系统可以以海底为平面做围绕生产井的周向监测，可以准确的探测到地形的形变，对变形进行实时监测，同时可以在在监测的时候停留采样，随着环形周向以及垂向的监测可以随时通过传感器获得甲烷、硫化氢泄漏、溶解氧和温度、盐度监测等，随着活动范围的扩大可以在理论上获得无限大范围的监测，对以生产井为中心向外逐步扩大监测范围，在半径为200m的范围内，主要进行甲烷含量、浊度异常、流向流速、温度、盐度、溶解氧等环境参数监测。在超过200m的范围主要进行甲烷含量、流向流速、温度、盐度、溶解氧等环境参数监测。同时根对地形地貌的变化进行探测监测，可以实现0半径换向，灵活机动性好，除了定期采集数据之外，也可以对整个监测系统进行摄像、照相等可视化监视和进行必要的维修维护工作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种海域水合物开采环境立体化移动监测系统，其特征在于，包括多方位立体化移动监测平台及其控制单元，所述移动监测平台自由穿梭于各生产井之间；
所述移动监测平台包括主舱体、带动主舱体做任意方向运动的动力单元、设置在主舱体上用以监测钻井平台周围环境以及地形变化的环境参数监测单元和地形参数监测单元，以及进行圈外巡航监测的巡航监测单元和进行样品采集的采样单元，钻井平台上还布设低空大气采样监测仪；所述动力单元、环境参数监测单元、地形参数监测单元、巡航监测单元、采样单元和锚系潜标工作单元均与控制单元电连接；
所述主舱体的后方设有锚系潜标工作单元，锚系潜标工作单元包括潜标浮球、传感器集成舱、主缆绳、锚链、声学释放器和绕线车，传感器集成舱上方通过主缆绳与潜标浮球连接，潜标浮球用于携带传感器集成舱在水中垂直移动，传感器集成舱下方通过主缆绳与绕线车连接，通过绕线车控制传感器集成舱升起高度并对其进行回收；主缆绳缠绕在绕线车上，主缆绳末端与锚链相连接，所述锚链安装在声学释放器上，声学释放器用以控制锚链打开或关闭，从而控制主缆绳与锚链断开连接；
所述控制单元包括主控模块以及与主控模块相连的运行模式模块、原位探测模块、水下定位模块、行进状态监测模块和水声通讯模块，分别对应的实现运行模式选择、原位探测、水下定位、行进状态监测及通讯功能。
2.根据权利要求1所述的海域水合物开采环境立体化移动监测系统，其特征在于：所述巡航监测单元为自主式水下潜航器，集成甲烷传感器、温盐深仪、浊度计、高清照相机和高清摄像机，以主舱体为核心实现巡逻监测。
3.根据权利要求1所述的海域水合物开采环境立体化移动监测系统，其特征在于：所述采样单元包括静力触探单元以及沉积物取样单元，所述静力触探单元包括探测机械手和微电极探针，沉积物取样单元包括取样机械手和沉积物取样管；所述取样机械手和探测机械手分置于主舱体前方两侧。
4.根据权利要求1所述的海域水合物开采环境立体化移动监测系统，其特征在于：所述传感器集成舱内安装有甲烷传感器、浊度计、溶解氧传感器、多普勒流速剖面仪和温盐深仪，分别对应的用以监测甲烷含量、浊度异常、流向流速、温度、盐度和溶解氧环境参数。
5.根据权利要求1所述的海域水合物开采环境立体化移动监测系统，其特征在于：所述环境参数监测单元包括甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、多普勒流速剖面仪、温盐深仪和沉降仪。
6.根据权利要求1所述的海域水合物开采环境立体化移动监测系统，其特征在于：所述地形参数监测单元包括高程传感器和位移传感器。
7.根据权利要求1所述的海域水合物开采环境立体化移动监测系统，其特征在于：所述动力单元包括设置在主舱体内部的移动电源、推进器以及设置在主舱体两侧的自适应履带，所述推进器包括前置后向推进器、底部举升推进器和后置前向推进器。
8.根据权利要求7所述的海域水合物开采环境立体化移动监测系统，其特征在于：在自适应履带中间还设有减震轮。
9.根据权利要求1所述的海域水合物开采环境立体化移动监测系统，其特征在于：所述主舱体的前、后方均设有照明灯和摄像头。
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