CN113216932B - 一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统及方法，在开采井下冻土层、天然气水合物富集层、井底分别设置监测单元；在钻井平台设置1个监测单元，监测大气数据、表层土壤数据及产出气体数据；可以同时实现大气、冻土层、水合物富集层、井底数据立体监测，通过监测单元将可测量物理参数和化学参数多个测量仪集成在一起，既解决了冻土区井下环境难以长周期原位监测的困难，又扩展了监测参数，也有效避免了测量误差，提高了设备的安全和精度，形成立体式的综合环境监测系统，对于研究水合物成藏机制和安全开发具有显著的意义。

Description

一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统及方法

技术领域

本发明属于冻土区甲烷排放开发引起的环境效应研究领域，尤其涉及一种冻土区天然气水合物开发引起甲烷释放的环境效应监测系统和方法。

背景技术

天然气水合物是由水和气体分子（主要是CH₄）在低温、高压等条件下形成的类冰状固体物质，广泛分布于海底沉积物、深湖沉积物和陆地永久冻土层中，天然气水合物能量密度高，在理想状况下，1 m3的天然气水合物可分解出164 m3的甲烷气体和0.8 m3的水，是21世纪极具潜力的新型清洁能源。

同时，天然气水合物还是地壳浅部最重要的碳库，天然气水合物分解释放甲烷往往引发严重的环境效应，有学者认为不同的地质历史时期几次重大缺氧事件可能都与天然气水合物释放的甲烷有关，特别是在冻土区，天然气水合物稳定带深度较海洋和大陆边缘更浅，对气候变化更为敏感，加之冻土区没有巨厚海水覆盖，也没有甲烷的溶解和显著的氧化过程，进入大气圈的甲烷的量几乎和水合物分解释放的甲烷量相等，天然气水合物在全球气候变化过程中扮演着重要的角色。

因此，冻土区天然气水合物试采和开发过程中必须对天然气水合物产生的的甲烷进行实时监测，对可能造成的环境灾害进行评估和预警，确保天然气水合物安全、高效利用。目前针对冻土区天然气水合物环境效应的监测主要有两种，一是取样分析，是采集钻采井气体样品，然后对样品进行分析和测试获取甲烷的浓度，这种方法周期长，时效性不足，很难及时提供预警。二是瞬时监测，将甲烷传感器放置井下，获取井下层位甲烷浓度数据，但是这种方法测量精度比较低，无法获取长期连续监测数据。并且，两种方法都是针对甲烷进行监测，未考虑地层倾斜、土壤物化等参数，监测手段较为简单，在开发过程中容易对自然环境造成破坏。

发明内容

本发明的目的可解决目前环境监测手段简单、参数单一、时效性不足的问题，实现甲烷浓度梯度式原位动态监测，真实反映甲烷浓度、二氧化碳浓度、地层倾斜、土壤温压、土壤盐度的动态联系变化，为研究冻土区水合物开发引起的环境效应提供基本参数。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统，包括位于钻井平台上监测平台、监测单元和保护装置，在天然气水合物开采井由浅到深设置3个监测单元；第1个监测单元设置在冻土层，第2个监测单元设置在天然气水合物赋存层，第3个监测单元设置在井底，用于采集井下数据；所述的传感器集成单元包括甲烷传感器、二氧化碳传感器、温压传感器、盐度传感器、pH传感器、形变监测仪。同时，在井上设置1个监测单元，监测大气数据、表层土壤数据及产出气体数据。

所述的保护装置为双层套装圆柱结构，所述双层套装结构内部填充保温棉，外径不大于钻杆口径，将保护装置置于套管内壁，将传感器沿径向等距固定在保护装置内部。

所述的监测系统还包括监测平台，用于收集井下和井上传感器集成单元的监测数据并对环境效应进行分析预警。

所述的监测系统还包括控制单元，用于控制传感器集成单元在井中沿井壁纵向移动。

所述的监测系统还包括远程传输系统，用于将监测到的数据进行远程传输。

一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测方法，其包括以下步骤：

（1）在开采区内布置开采井，在井口钻井平台上布置监测平台和无线传输设备，实现监测平台与室内监测终端的远程数据传输，可实现开采环境参数变化的远程监控；

（2）测试所有监测单元的工作状态，根据冻土层深度、水合物产出层深度和井底深度将井下的监测单元和保护装置固定在控制单元上的合适位置，并采用传输电缆与监测平台连接，采用驱动装置驱动控制单元将监测单元和保护装置从井口套管放入井下；

（3）在井上设置井上监测单元，用于实时监测开采平台周边甲烷浓度、二氧化碳浓度、大气温度、土壤温压、土壤湿度以及土壤pH，以及井口产出气体的甲烷浓度、二氧化碳浓度以及甲烷碳同位素值，井上监测单元与监测平台电性连接，监测间隔均为1s；

（4）井下的监测单元中的甲烷传感器和二氧化碳传感器，可以测量开采区冻土层、水合物富集层和井底不同深度甲烷和二氧化碳浓度的变化，以及开采前、中、后甲烷和二氧化碳浓度的变化，监测频率为1次/10s；温压传感器、盐度传感器和pH传感器监测钻孔不同深度土壤温压、盐度和土壤pH等数据，监测频率为1次/s，监测开发过程中土壤物理化学特征，所有数据可即时传输到监测平台，为天然气水合物开采提供冻土变化参数，根据开采前、中、后的变化，评价天然气水合物开采对冻土区环境可能引发的影响；形变监测仪监测钻孔形变数据，在钻孔不同位置上开展井下地层微量形变监测，形成小型立体监测网络，通过对地层形变监测数据的处理和解释，可以获得水合物开采过程中对地层影响较大的层位、方位和倾角等数据，初步判断水合物开采是否引起地层沉降，结合不同深度的监测，进而研究水合物开采对地层影响的深度和广度，建立天然气水合物开采与地层形变的关系模型，更精细评估水合物开采的环境效应；

（5）在天然气水合物开采过程中，所有监测单元均可将甲烷浓度、二氧化碳浓度及其他物化参数实时传输到监测平台，并传输到室内进行监测和分析，实现对环境效应的实时监测；当监测平台发现甲烷浓度异常时，可以及时判断甲烷释放的层位、浓度变化速度、甲烷来源等，及时提供预警服务；

（6）根据获取的异常信息和预警服务，指导井场工作人员及时检查并采取相应措施，实现安全生产；

（7）根据所述步骤（3）至步骤（6）的采集数据结合周边钻井采集的数据综合判断冻土区天然气水合物开发的环境效应，直至天然气水合物开采完成。

本发明的有益效果是：本发明可以同时实现大气、冻土层、水合物富集层、井底数据立体监测，通过传感器集成单元将可测量物理参数和化学参数多个测量仪集成在一起，实现实时远程的数据处理、监控和预警，既解决了冻土区井下环境难以长周期原位监测的困难，又扩展了监测参数，也有效避免了测量误差，提高了设备的安全和精度，形成立体式的综合环境监测系统，对于研究水合物成藏机制和安全开发具有显著的意义；结合大数据人工智能技术，可以进一步准确和提前对环境效应的进行预报。

附图说明

图1为本发明所述冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统的结构示意图；

图2为本发明所述冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统的监测单元和保护装置示意图；

图3为本发明所述冻土区天然气水合物开发环境效应监测方法的技术路线图。

附图标记：100-监测平台，101-无线传输设备，102-室内监测终端，103-传输电缆,；201-冻土层监测单元，202-天然气水合物富集层监测单元，203-井底监测单元，204-井上监测单元；301-甲烷传感器301；302-二氧化碳传感器，303-温压传感器，304-盐度传感器，305-pH传感器，306-形变监测仪；401-冻土层监测单元保护装置，402-天然气水合物富集层监测单元保护装置，403-井底监测单元保护装置； 500-控制单元，501-驱动装置。

具体实施方式

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。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。

如图1所示，本发明的一种利用钻井平台上设置监测平台100，所述监测平台100可以通过无线传输设备101与室内监测终端102远程联系，实现数据远距离传输，所述监测平台100通过传输电缆103与环境监测单元电性连接，用于获取所有监测单元的数据信息；其中所述环境监测单元包括在开采钻孔冻土层、天然气水合物富集层、井底分别设置的冻土层监测单元201、天然气水合物富集层监测单元202和井底监测单元203以及布置在井上的井上监测单元204。

所述的冻土层监测单元201、天然气水合物富集层监测单元202和井底监测单元203均包括甲烷传感器301、二氧化碳传感器302、温压传感器303、盐度传感器304、pH传感器305、形变监测仪306，分别用于实时监测甲烷浓度、二氧化碳浓度、土壤温压、土壤盐度、土壤pH、钻孔形变等数据，所有传感器等距离排列，所有监测单元201、202、203均与监测平台100通过传输电缆103电性连接。

在井上设置的井上监测单元204，用于实时监测开采平台周边甲烷浓度、二氧化碳浓度、大气温度、土壤温压、土壤湿度以及土壤pH，井口产出气体的甲烷浓度、二氧化碳浓度以及甲烷碳同位素值，井上监测单元204与监测平台100电性连接，监测间隔均为1s；其中井口甲烷碳同位素值的监控有助于分析甲烷气体的来源，分析水合物的成因。

所述的监测系统还包括冻土层监测单元保护装置401、天然气水合物富集层监测单元保护装置402和井底监测单元保护装置403，分别用于保护井下三个监测单元201、202、203；所述的保护装置401、402、403均为双层套装圆柱结构，所述双层套装结构内部填充保温棉，外径不大于常规钻杆口径，将保护装置置于套管内壁，将传感器沿径向等距分布于保护装置管身；所述的保护装置401、402、403和监测单元201、202、203按照冻土层、水合物层和井底深度分别固定于控制单元500上，置于套管内；通过传输电缆103连接各监测单元，再与监测平台100连接，监测开采井井下数据；所述的保护装置401、402、403沿径向设置等距分布的卡槽，所述的卡槽深度按监测单元的传感器大小设置，使各个传感器固定在保护装置内部，避免损坏；所述的传感器有固定套销，可以固定在卡槽上，如图2所示。

进一步的，在钻孔中具有套管的层段上开设有筛孔，形成花管段，便于各个传感器对井下环境的监测；

进一步的，利用井下的监测单元上的高精度甲烷传感器301和二氧化碳传感器302，可以测量开采区冻土层、水合物富集层和井底不同深度甲烷和二氧化碳浓度的变化。传感器由钻井平台通过传输管线供电，不用考虑耗电问题，大大提高了监测频率和最大连续工作时间，可以监测开采前、中、后甲烷和二氧化碳浓度的变化，监测频率为1次/10s，为准确评价天然气水合物环境效应提供数据。

进一步的，利用所述温压传感器303、盐度传感器304和pH传感器305监测钻孔不同深度土壤温压、盐度和土壤pH等数据，监测频率为1次/s，监测开发过程中土壤物理化学特征，所有数据可即时传输到监测平台100，为天然气水合物开采提供冻土变化参数，根据开采前、中、后的变化，评价天然气水合物开采对冻土区环境可能引发的影响。

进一步的，利用所述形变监测仪306监测钻孔形变数据，在钻孔不同位置上开展井下地层微量形变监测，形成小型立体监测网络，通过对地层形变监测数据的处理和解释，可以获得水合物开采过程中对地层影响较大的层位、方位和倾角等数据，初步判断水合物开采是否引起地层沉降，结合不同深度的监测，进而研究水合物开采对地层扰动影响的深度和广度，建立天然气水合物开采与地层形变的关系模型，更精细评估水合物开采的环境效应。

在开采监测过程中，重点在水合物富集层监测温压变化，通过测井获得的地层孔隙度、饱和度、渗透率等数据，进一步研究天然气水合物储层分解特征、变化特征和动态过程。

在天然气水合物开采过程中，所有监测单元均可将甲烷浓度、二氧化碳浓度及其他物化参数实时传输到监测平台100，实现对环境效应的实时监测。当监测平台100发现甲烷浓度异常时，可以及时判断甲烷释放的层位、浓度变化速度、甲烷来源等，及时提供预警服务，实现安全生产。

在天然气水合物开采过程中，通过开采井布置多层位多参数综合监测手段，采取井下实时监测与室内数据相结合的监测方法，形成了“井下气体浓度——地层形变——表层大气、土壤——产出气体浓度”于一体的综合立体监测系统体系，为天然气水合物的安全开发提供了有利保障。

在另一实施例中，在开采监测过程中，天然气水合物开发环境监测系统也可以与驱动装置501连接，沿钻孔内壁垂向周期性移动，监测全井温度、压力、甲烷浓度等数据，了解天然气水合物开采过程中储层分解特征。

在另一实施例中，可在天然气水合物开采区内多口开采井或勘探井内布置环境效应监测系统，监测数据通过监测平台100和无线传输设备101与室内监测终端102远程联系，实现区域内开发环境的实时远程立体监测。

在另一实施例中，当钻孔中天然气水合物富集层具有多个层位时，可在对应层位分别布置天然气水合物富集层监测单元202，对每一个层位单独监测，随时了解每一层位的动态变化。

所述无线传输设备也可以将数据通过卫星系统传输给安监平台或大数据中心，结合相应的地理信息系统，通过人工智能对大数据进行学习和运算，实现对开采环境的参数变化做出提前预测，实现监测系统的智能化。

如图3所示，本发明还涉及一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测方法，其包括以下步骤：

（1）在开采区内布置开采井，在井口钻井平台上布置监测平台100和无线传输设备101，实现监测平台100与室内监测终端102的远程数据传输，可实现开采环境参数变化的远程监控；

（2）测试所有监测单元的工作状态，根据冻土层深度、水合物产出层深度和井底深度将井下的监测单元和保护装置固定在控制单元500上的合适位置，并采用传输电缆103与监测平台100连接，采用驱动装置501驱动控制单元500将监测单元和保护装置从井口套管放入井下；

（3）在井上设置井上监测单元204，用于实时监测开采平台周边甲烷浓度、二氧化碳浓度、大气温度、土壤温压、土壤湿度以及土壤pH，以及井口产出气体的甲烷浓度、二氧化碳浓度以及甲烷碳同位素值，井上监测单元103与监测平台100电性连接，监测间隔均为1s；

（4）井下的监测单元中的甲烷传感器301和二氧化碳传感器302，可以测量开采区冻土层、水合物富集层和井底不同深度甲烷和二氧化碳浓度的变化，以及开采前、中、后甲烷和二氧化碳浓度的变化，监测频率为1次/10s；温压传感器303、盐度传感器304和pH传感器305监测钻孔不同深度土壤温压、盐度和土壤pH等数据，监测频率为1次/s，监测开发过程中土壤物理化学特征，所有数据可即时传输到监测平台100，为天然气水合物开采提供冻土变化参数，根据开采前、中、后的变化，评价天然气水合物开采对冻土区环境可能引发的影响；形变监测仪306监测钻孔形变数据，在钻孔不同位置上开展井下地层微量形变监测，形成小型立体监测网络，通过对地层形变监测数据的处理和解释，可以获得水合物开采过程中对地层影响较大的层位、方位和倾角等数据，初步判断水合物开采是否引起地层沉降，结合不同深度的监测，进而研究水合物开采对地层影响的深度和广度，建立天然气水合物开采与地层形变的关系模型，更精细评估水合物开采的环境效应；

（5）在天然气水合物开采过程中，所有监测单元均可将甲烷浓度、二氧化碳浓度及其他物化参数实时传输到监测平台100，并传输到室内进行监测和分析，实现对环境效应的实时监测；当监测平台100发现甲烷浓度异常时，可以及时判断甲烷释放的层位、浓度变化速度、甲烷来源等，及时提供预警服务；

（6）根据获取的异常信息和预警服务，指导井场工作人员及时检查并采取相应措施，实现安全生产；

（7）根据所述步骤（3）至步骤（6）的采集数据结合周边钻井采集的数据综合判断冻土区天然气水合物开发的环境效应，直至天然气水合物开采完成；实现了天然气水合物开发前、中、后各个环境的监测和比对。

在步骤（5）中，在开采监测过程时，天然气水合物开发环境监测系统可以通过驱动装置501驱动，沿钻孔内壁垂向周期性移动，监测全井温度、压力、甲烷浓度等数据，了解天然气水合物开采过程中储层分解特征。

根据井口监测单元监测的数据综合判断冻土区天然气水合物开发的环境效应并进行预警，其中设定甲烷浓度预警值为25 ppm，二氧化碳浓度预警值为1000 ppm，钻孔形变浓度预警值为1mm/d。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统，其特征在于：包括布置在钻井平台上的监测平台（100），无线传输设备（101），室内监测终端（102），传输电缆（103）以及环境监测单元，所述监测平台（100）通过传输电缆（103）与环境监测单元电性连接，用于获取环境监测单元的数据信息，所述监测平台（100）可以通过无线传输设备（101）与室内监测终端（102）远程联系，实现数据远距离传输；其中所述环境监测单元包括在开采钻孔冻土层、天然气水合物富集层、井底分别设置的冻土层监测单元（201）、天然气水合物富集层监测单元（202）和井底监测单元（203）以及布置在井上的井上监测单元（204），形成了“井下气体浓度——地层形变——表层大气、土壤——产出气体浓度”于一体的综合立体监测系统体系；所述监测系统还包括冻土层监测单元保护装置（401）、天然气水合物富集层监测单元保护装置（402）和井底监测单元保护装置（403），分别用于保护井下冻土层监测单元（201）、天然气水合物富集层监测单元（202）和井底监测单元（203），所有保护装置和监测单元按照冻土层、水合物层和井底深度分别固定于控制单元（500）上，置于套管内，并通过传输电缆（103）连接各监测单元，再与监测平台（100）连接，监测开采井井下数据；所述冻土层监测单元保护装置（401）、天然气水合物富集层监测单元保护装置（402）和井底监测单元保护装置（403）均为双层套装圆柱结构，所述双层套装圆柱结构内部填充保温棉，外径不大于常规钻杆口径，所有保护装置沿径向设置等距分布的卡槽，所述的卡槽深度按监测单元的传感器大小设置，所有传感器有固定套销，可以固定在卡槽上，使监测单元固定在保护装置内部，避免损坏。

2.根据权利要求1所述的一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统，其特征在于：所述冻土层监测单元（201）、天然气水合物富集层监测单元（202）和井底监测单元（203）均包括甲烷传感器（301）、二氧化碳传感器（302）、温压传感器（303）、盐度传感器（304）、pH传感器（305）和形变监测仪（306），分别用于实时监测甲烷浓度、二氧化碳浓度、土壤温压、土壤盐度、土壤pH和钻孔形变数据，所有传感器等距离排列；所述冻土层监测单元（201）、天然气水合物富集层监测单元（202）和井底监测单元（203）均与监测平台（100）通过传输电缆（103）电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统，其特征在于：所述井上监测单元（204）用于实时监测开采平台周边甲烷浓度、二氧化碳浓度、大气温度、土壤温压、土壤湿度以及土壤pH，井口产出气体的甲烷浓度、二氧化碳浓度以及甲烷碳同位素值，所述井上监测单元（204）与监测平台（100）电性连接，监测间隔均为1s。

4.根据权利要求1所述的一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统，其特征在于：在天然气水合物开采区内多口开采井或勘探井内布置环境效应监测系统，监测数据通过监测平台（100）和无线传输设备（101）与室内监测终端（102）远程联系，实现区域内开发环境的实时远程立体监测。

5.根据权利要求1所述的一种冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统，其特征在于：无线传输设备也可以将数据通过卫星系统传输给安监平台或大数据中心，结合相应的地理信息系统，通过人工智能对大数据进行学习和运算，实现对开采环境的参数变化做出提前预测，实现监测系统的智能化。

6.一种用于权利要求1至5任一项所述冻土区天然气水合物开发环境效应监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在开采区内布置开采井，在井口钻井平台上布置监测平台（100）和无线传输设备（101），实现监测平台（100）与室内监测终端（102）的远程数据传输，可实现开采环境参数变化的远程监控；

（2）测试所有监测单元的工作状态，根据冻土层深度、水合物产出层深度和井底深度将井下的监测单元和保护装置固定在控制单元（500）上的合适位置，并采用传输电缆（103）与监测平台（100）连接，采用驱动装置（501）驱动控制单元（500）将监测单元和保护装置从井口套管放入井下；

（3）在井上设置井上监测单元（204），用于实时监测开采平台周边甲烷浓度、二氧化碳浓度、大气温度、土壤温压、土壤湿度以及土壤pH，以及井口产出气体的甲烷浓度、二氧化碳浓度以及甲烷碳同位素值，井上监测单元（204）与监测平台（100）电性连接，监测间隔均为1s；

（4）井下的监测单元中的甲烷传感器（301）和二氧化碳传感器（302），可以测量开采区冻土层、水合物富集层和井底不同深度甲烷和二氧化碳浓度的变化，以及开采前、中、后甲烷和二氧化碳浓度的变化，监测频率为1次/10s；温压传感器（303）、盐度传感器（304）和pH传感器（305）监测钻孔不同深度土壤温压、盐度和土壤pH数据，监测频率为1次/s，监测开发过程中土壤物理化学特征，所有数据可即时传输到监测平台（100），为天然气水合物开采提供冻土变化参数，根据开采前、中、后的变化，评价天然气水合物开采对冻土区环境可能引发的影响；形变监测仪（306）监测钻孔形变数据，在钻孔不同位置上开展井下地层微量形变监测，形成小型立体监测网络，通过对地层形变监测数据的处理和解释，可以获得水合物开采过程中对地层影响较大的层位、方位和倾角数据，初步判断水合物开采是否引起地层沉降，结合不同深度的监测，进而研究水合物开采对地层影响的深度和广度，建立天然气水合物开采与地层形变的关系模型，更精细评估水合物开采的环境效应；

（5）在天然气水合物开采过程中，所有监测单元均可将甲烷浓度、二氧化碳浓度及其他物化参数实时传输到监测平台（100），并传输到室内进行监测和分析，实现对环境效应的实时监测；当监测平台（100）发现甲烷浓度异常时，可以及时判断甲烷释放的层位、浓度变化速度和甲烷来源，及时提供预警服务；

（6）根据获取的异常信息和预警服务，指导井场工作人员及时检查并采取相应措施，实现安全生产；

（7）根据所述步骤（3）至步骤（6）的采集数据结合周边钻井采集的数据综合判断冻土区天然气水合物开发的环境效应，直至天然气水合物开采完成。

7.根据权利要求6所述的一种监测方法，其特征在于：在步骤（5）中，在开采监测过程时，天然气水合物开发环境监测系统可以通过驱动装置（501）驱动，沿钻孔内壁垂向周期性移动，监测全井温度、压力和甲烷浓度数据，了解天然气水合物开采过程中储层分解特征。

8.根据权利要求6所述的一种监测方法，其特征在于：其中设定甲烷浓度预警值为25ppm，二氧化碳浓度预警值为1000 ppm，钻孔形变浓度预警值为1mm/d。

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