CN205352377U - 一种海底地形变化监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海底地形变化监测系统，包括监测系统控制船、监测装置和水下机器人(ROV)；所述的监测系统控制船包括信号发射接收器、信号控制器和尺度索收放器；所述的监测装置包括信号收发器一、信号收发器二、压力计、倾斜计、数据存储器、蓄电池、履带式底座、信号传输应答器、吊环和重物。本实用新型能将对天然气水合物开采区域所在的海底地形进行监测，收集大量海底地形变化数据并传输到监测系统中进行分析，了解海底地形变化趋势，避免天然气水合物开采出现意外情况，保证开采作业顺利持续进行。

Description

一种海底地形变化监测系统

技术领域

本实用新型涉及海洋油气装备领域，特别涉及一种海底地形变化监测系统。

背景技术

天然气水合物又称可燃冰，是一种天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。天然气水合物甲烷含量高，具有污染小、储量大等优势，大规模开发天然气水合物是未来清洁能源的发展趋势之一。天然气水合物大都储集在海洋中，其主要来源是海底的有机物沉淀，经过生物转化，可产生充足的气源。0℃时，在30个大气压下即可生成，且压力越高，水合物越不容易分解。海底同时具备温度、压力和气源，在介质空隙中易于形成天然气水合物，因此天然气水合物广泛分布与全球海域，按照热值当量计算其储量是现有已探明天然气、石油储备的两倍，具有广阔的开发前景。

海洋天然气水合物绝大多数分布在300～3000m水深的海底沉积物中，有些还分布在未固结的淤泥中，勘探和开发难度较大。固结在海底沉积物中的天然气水合物，一旦储集条件发生变化，导致甲烷气体释放，会改变海底沉积物的物理性质和力学性质，使海底软化，出现大规模的海底滑坡，从而诱发海底地质灾害，毁坏海底电缆、海洋石油钻井平台等重要工程设施；同时甲烷是一种重要的温室效应气体，一旦释放到空气中会造成极大的生态灾难，所以在天然气水合物勘探开发的过程中，还要首先解决如何防止天然气水合物的自然崩解、甲烷气的无序泄漏等环境保护方面的关键技术，能监测海底地形的变化，以此调整勘探开发事项，避免造成严重的环境问题。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于：提供一种海底地形变化监测系统，用于监测因天然气开采而造成的海底沉积物的物理性质的变化。从而防范海底地质灾害的发生。本实用新型所述的海底变形的监测装置主要检测海底地形在天然气水合物开采过程中下沉和倾斜两种变化。海底下沉是可通过监测海底的水压力变化而得到。而倾斜的角度通过使用液体电解质传感器的倾斜计来测量。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种海底地形变化监测系统，包括监测系统控制船、监测装置和水下机器人(ROV)；所述的监测系统控制船包括信号发射接收器、信号控制器和尺度索收放器；所述的监测装置包括信号收发器一、信号收发器二、压力计、倾斜计、数据存储器、蓄电池、履带式底座、信号传输应答器、吊环和重物。

优选的，所述监测系统控制船的信号控制器、信号发射接收器以及尺度索收放器，均设置于船体上方，信号发射接收器与信号控制器相连，安装在船体中部；尺度索收放器为吊臂上设置尺度索的起吊装置，下部底座安装于船首处，底座为旋转转盘，吊臂末端工作状态下伸出船体，尺度索总长度为3000m，尺度索材料为不锈钢丝，尺度索底部设有挂钩。

优选的，所述监测装置数量为10～15个，监测装置为正方体结构，长宽高均为1m，内部结构均为防水结构，同时具有抗高压性，最大使用深度为水下3000m。

优选的，所述监测装置为离线脱机工作模式，监测装置中设有蓄电池，在整个监测过程中，蓄电池为监测装置供电；监测装置上设有数据储存器，存储监测装置在监测过程所测量的数据，回收数据储存器并分析其中的测量数据以获得实验数据；监测装置的底座采用履带式底座，以避免海底地形的不平稳造成倾斜计传感器测量的误差；监测装置装配有一定质量的重物，用于在从海面下放到海底时减小监测装置受到的浮力，在海底时减少监测装置受到的海流或轻微地质运动的影响。

优选的，所述压力计选用石英晶体共振器压力计，压力表测量范围为0～14MPa，压力对应深度为0～1400m，分辨率为0.14Pa，对应深度为0.014mm；所述倾斜计选用液体电解质倾斜计，倾斜度测量范围是±30°，分辨率为0.001°。

优选的，所述一种海底地形变化监测系统还设有温度计，用于检测海底水温变化，在天然气水合物开采过程中，海底水温变化过大表示海底出现情况，如地震、海底火山爆发、甲烷泄漏等，海底地形处于实时变化状态。

优选的，所述重物为高密度金属球体，通过重物释放机构固定在履带式底座上；在需要降低监测装置重量时，打开重物释放机构，重物失去固定作用，从履带式底座滚落到海底面，实现降低监测装置重量的作用。

优选的，所述水下机器人在非工作状态下停靠于监测系统控制船侧面吃水线处并与船体柔性固定连接；需要安装监测装置或起吊监测装置时，控制水下机器人下潜至监测装置所在地进行作业，完成作业后上浮至原位并固定。

本实用新型的一种海底地形变化监测系统的使用方法，其测量原理和使用步骤如下：

所述一种海底地形变化监测系统的测量原理为：

通过压力计监测海底水压力的变化，确定海底表面下降的高度；通过测量倾斜计传感器两端导电率的变化来监测出海底地面的倾斜度；

所述一种海底地形变化监测系统的使用步骤为：

监测系统控制船到达开采海域并抛锚，尺度索收放器吊起监测装置并转动到海面上，下放尺度索将监测装置送到海底面，通过水下机器人安装到位，收回尺度索；监测装置在下放过程和安装过程中的信息通过信号收发器一来传输；信号控制器发出信号指令给信号发射接收器，通过信号发射接收器将信号指令发送给监测装置中的信号收发器二，并通过信号传输应答器执行相应的操作，启动监测装置中的压力计、倾斜计以及温度计等，开始测量此时海水的压力、监测装置所处平面的角度、海水的温度等，并将所测的数据存储在数据储存器中，并通过信号收发器二反馈给信号发射接收器，监测装置工作所需电力由蓄电池提供；为了减少能量的消耗，监测装置每隔半个小时测量一次数据并记录，其他时间监测装置处于待机状态；监测作业完成后，再次下放尺度索，水下机器人将监测装置通过吊环连接到尺度索上，通过尺度索收放器回收到海面。

本实用新型的优点在于：

本实用新型能将对天然气水合物开采区域所在的海底地形进行监测，收集大量海底地形变化数据并传输到监测系统中进行分析，了解海底地形变化趋势，避免天然气水合物开采出现意外情况，保证开采作业顺利持续进行。

附图说明

图1是本实用新型的工作示意图；

图2是本实用新型的监测装置结构示意图主视图；

图3是本实用新型的监测装置结构示意图左视图；

图4是本实用新型的监测装置在海底面的平面分布示意图。

图中，1-监测系统控制船、2-监测装置、3-信号发射接收器、4-信号控制器、5-尺度索收放器、6-开采船、7-信号收发器一、8-信号收发器二、9-压力计、10-数据储存器、11-信号传输应答器、12-重物释放机构、13-履带式底座、14-重物、15-倾斜计、16-蓄电池、17-吊环、18-采气井、19-海底变形区域、20-天然气水合物层。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1～图3所示，一种海底地形变化监测系统，包括监测系统控制船1、监测装置2和水下机器人；所述的监测系统控制船1包括信号发射接收器3、信号控制器4和尺度索收放器5；所述的监测装置2包括信号收发器一7、信号收发器二8、压力计9、倾斜计15、数据存储器10、蓄电池16、履带式底座13、信号传输应答器11、吊环17和重物14。

如图2、图3所示，水下监测装置2为本实用新型的核心，其中信号收发器一7和信号收发器二8接收来自监测系统控制船1上的信号发射接收器3的信号并反馈相应的确认信号，两个信号收发器分别在不同的时段工作，信号收发器一7在监测装置下沉到海底以及释放重物回收监测装置时接收/发射信号，信号收发器二8在监测装置在海底测量过程接收/发射信号，信号收发器一7和信号收发器二8可在需要的时候改变工作模式，停止其中的一个工作，开启另一个完成信号收发，保证在其中一个信号收发器出现故障的时候，另一个信号收发器能正常工作。信号通过信号收发器一7和信号收发器二8传输给信号传输应答器11，通过应答器11执行相应的操作或者反馈信息。海底高度通常可与海水压力相联系起来，通过测量海底压力变化即可以监测出海底地形的下降高度。压力计9选用石英晶体共振器压力计，压力测量范围为0～14MPa，分辨率为0.14Pa；倾斜计15选用液体电解质倾斜计，通过倾斜计两侧电极之间导电率的变化即可测出海底的倾斜变化。测量范围是±30°，分辨率为0.001°。监测装置2设计为离线脱机工作系统，以此来避免在线工作系统需要输电线和数据传输线来连接海面和海底之间而产生的不必要的混乱，因此需要蓄电池16为监测装置提供动力，数据储存器10来记录整个监测过程中的测量数据。履带式底座13能保持监测装置2在海底的平稳放置，在遇到不均匀海底面时，履带面能自行调整适应地形，从而维持平衡，保障测量数据的精准性。底座上有一个重物释放机构12，在监测装置2下放到海底前，重物释放机构12将重物14固定在履带式底座13上，克服水中的浮力并保持监测装置2的平衡，在监测装置2回收的过程中，通过信号控制器4发出信号给监测装置2，解除重物14的固定，重物14自行滚落到海底面，减少监测装置2的重量，以方便监测装置2回收。

如图4所示，为了精确测量海底下沉高度及海底的倾斜度的变化，必须获得足够多的两点之间的压力差，在监测过程中，应该选取距离开采船6水平距离不少于100m的地点作为基准点，同时选取多点作为测量点。

整个监测过程包括下方安装、监测、回收和数值分析等所有步骤。监测装置2使用水下机器人来安装和回收，为了精确检测海底的长期变形，监测装置2必须在开采试验前两个月安装到位，并在开采结束后两个月再回收，以此周期内分析数据储存器10上的所有数据进行总体数值分析。

实施例：

本实用新型所述方法的实例流程是：在天然气水合物开采试验前两个月，选取若干个相同监测装置2，通过监测装置2上的吊环17以及控制船上的尺度索收放器5将监测装置2放入海底指定测量点，信号控制器4控制尺度索收放器5下放监测装置2，在监测装置2下放到海底指定测量点的过程中时，信号传输应答器11通过信号收发器一7反馈位置信号给控制船上的信号发射接收器3，进而将信号传递给控制器4，如果监测装置2未到达海底，信号控制器4则控制尺度索收放器5继续下放尺度索，当监测装置2达海底时，通过信号传输应答器11传输信号到信号收发器二8并发馈信号给信号控制器4，信号控制器4停止下放尺度索，尺度索自动打开，脱离吊环17，信号控制器4控制尺度索收放器5来收回尺度索，以释放下一个监测装置2；下放的指定测量点都围绕在采气井18附近，采气井18伸入天然气水合物层20中，从中开采天然气水合物，因此制定测量点所在区域属于海底变形区域19，采用多个监测装置2能更好的对整个区域进行测量；因海底深度较大，从尺度索收放器5下放位置和指定测量点会有一定偏移，对未下放到指定测量点的监测装置2，需要通过ROV再次运送并安装到指定测量点上。当所有监测装置都安装在指定测量点后，即可开始进行测量。

为了降低耗电量，增加电池使用时间，监测装置2放置在指定的测量点时，整个监测装置2处于待机状态，此时蓄电池16不供电。监测装置2的测量周期为30分钟一次，每隔30分钟由信号控制器4发出指令信号，通过信号发射接收器3将指令信号发送给监测装置2上的信号收发器二8，首先监测装置2按照指令信号打开处于工作状态，蓄电池16开始供电，待系统稳定后，压力计9和倾斜计15开始测量数据，其中压力计9所测量的是海底水压力，通过所测得压力值的变化，即可求出相应的海底地面在垂直方向的下降距离。倾斜计15测量出此处海底地形的三维倾斜角度，测量的数据传输到数据储存器10，当数据记录完成后，信号传输应答器11通过信号收发器二8给信号控制器4发送反馈信号，信号控制器4在接收在反馈信号后通过信号发射接收器3发出指令信号，关闭监测装置2以减少电力消耗。在天然气水合物开采过程中重复地实施以上步骤，一直持续到开采试验完成两个月后再回收监测装置2，以获得足够多的测量数据，对海底地形变化进行大数据分析。

监测过程完成后，对监测装置2进行回收作业，首先通过海底机器人将尺度索底部挂钩连在监测装置的吊环17上，信号控制器4通过信号发射接收器3发出指令信号给监测装置2中的重物释放机构12，将监测装置2下部所安装的重物14解除安装，重物14自行滚落到海底面，监测装置2浮力降低，借助海水的浮力通过尺度索的上拉回收监测装置2。监测装置2回收后，将数据储存器10中的测量数据进行大数据对比分析，绘制出相应的三维地形变化趋势动画图，得到海底地形在天然气水合物开采过程中的变形程度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，本实用新型并不局限于上述方式，在不脱离本实用新型原理的前提下，还能进一步改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种海底地形变化监测系统，其特征在于，包括监测系统控制船(1)、监测装置(2)和水下机器人；所述的监测系统控制船(1)包括信号发射接收器(3)、信号控制器(4)和尺度索收放器(5)；所述的监测装置(2)包括信号收发器一(7)、信号收发器二(8)、压力计(9)、倾斜计(15)、数据存储器(10)、蓄电池(16)、履带式底座(13)、信号传输应答器(11)、吊环(17)和重物(14)。

2.根据权利要求1所述的一种海底地形变化监测系统，其特征在于，所述监测系统控制船(1)的信号控制器(4)、信号发射接收器(3)以及尺度索收放器(5)，均设置于船体上方，信号发射接收器(3)与信号控制器(4)相连，安装在船体中部；尺度索收放器(5)为吊臂上设置尺度索的起吊装置，下部底座安装于船首处，底座为旋转转盘，吊臂末端工作状态下伸出船体，尺度索总长度为3000m，尺度索材料为不锈钢丝，尺度索底部设有挂钩。

3.根据权利要求1所述的一种海底地形变化监测系统，其特征在于，所述监测装置(2)数量为10～15个，监测装置(2)为正方体结构，长宽高均为1m，内部结构均为防水结构，同时具有抗高压性，最大使用深度为水下3000m。

4.根据权利要求1所述的一种海底地形变化监测系统，其特征在于，所述监测装置(2)为离线脱机工作模式，监测装置(2)中设有蓄电池(16)，在整个监测过程中，蓄电池(16)为监测装置(2)供电；监测装置(2)上设有数据储存器(10)，存储监测装置(2)在监测过程所测量的数据，回收数据储存器(10)并分析其中的测量数据以获得实验数据；监测装置(2)的底座采用履带式底座(13)，以避免海底地形的不平稳造成倾斜计(15)传感器测量的误差；监测装置(2)装配有一定质量的重物(14)，用于在从海面下放到海底时减小监测装置(2)受到的浮力，在海底时减少监测装置(2)受到的海流或轻微地质运动的影响。

5.根据权利要求1所述的一种海底地形变化监测系统，其特征在于，所述压力计(9)选用石英晶体共振器压力计，压力表测量范围为0～14MPa，压力对应深度为0～1400m，分辨率为0.14Pa，对应深度为0.014mm；所述倾斜计(15)选用液体电解质倾斜计，倾斜度测量范围是±30°，分辨率为0.001°。

6.根据权利要求1所述的一种海底地形变化监测系统，其特征在于，所述一种海底地形变化监测系统设有温度计，用于检测海底水温变化。

7.根据权利要求1所述的一种海底地形变化监测系统，其特征在于，所述重物(14)为高密度金属球体，通过重物释放机构固定在履带式底座(13)上；在需要降低监测装置(2)重量时，打开重物释放机构(12)，重物(14)失去固定作用，从履带式底座(13)滚落到海底面，实现降低监测装置(2)重量的作用。

8.根据权利要求1所述的一种海底地形变化监测系统，其特征在于，所述水下机器人在非工作状态下停靠于监测系统控制船(1)侧面吃水线处并与船体柔性固定连接；需要安装监测装置(2)或起吊监测装置(2)时，控制水下机器人下潜至监测装置(2)所在地进行作业，完成作业后上浮至原位并固定。