CN218003401U - 一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，传感器合成单元设置在钻井冻土层下的孔隙水体中，传感器合成单元上设置有压潜机构，压潜机构通过排水或抽水来实现传感器合成单元在钻井冻土层下的孔隙水体中的上浮或下沉；远程遥控单元与传感器合成单元、压潜机构连接，信息采集与处理装置与传感器合成单元连接；信息采集与处理装置用于采集传感器合成单元检测的参数值，并对采集的参数值进行梯度式计量分析。本实用新型实现在无动力作用下监测装置在井体内的悬停与上浮，或在少量动力的作用下在井体内的上浮与下沉，有效减少电能的消耗，延长装置在一个作业周期内的使用时间，减少回收充能的次数，实现对井体内液体的长期监测。

Description

一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统

技术领域

本实用新型涉及天然气水合物技术领域，具体涉及一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统。

背景技术

目前，天然气水合物地层孔隙水中氯离子质量浓度异常和硫酸根离子质量浓度梯度已成为两项重要的地球化学指标，而水体中溶解性甲烷浓度的含量则更直观的指示了天然气水合物的存在和分解变化。且水合物分解受温度、压力和甲烷含量影响，水合物溶解度随温度增加而增大，随盐度和压力增加而减小，温度对溶解的影响比压力对溶解的影响敏感。

伴随天然气水合物勘探开发过程，水体中溶解性甲烷浓度的含量对地层中天然气水合物存在状态的指示愈发重要。一方面，可对天然气水合物含量进行评估；另一方面，可对天然气水合物产生的甲烷进行实时监测，以免对环境造成灾害性影响。

目前，对冻土区固结岩层内天然气水合物开采过程中，地层水中天然气水合物含量变化的监测已引起广泛重视，现有一种地层水中天然气水合物含量变化实时监测设备，此仪器在监测时通过上下周期性移动来对水体的多个深度的天然气水合物含量进行检测，在此过程中为了提供仪器上浮的力，需要耗费较多的电能，且当需要仪器悬停在某一点时，也需要通过消耗电能来维持此深度。由于在设备浮动的过程中，很难为仪器充电，设备往往难以维持长期的监测过程。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，以解决现有技术中监测设备在浮动过程中耗能较大、监测时间短的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型具体提供下述技术方案：

本实用新型提供了一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，包括传感器合成单元、远程遥控单元和信息采集与处理装置，所述传感器合成单元设置在钻井冻土层下的孔隙水体中，所述传感器合成单元上设置有压潜机构，所述压潜机构通过排水或抽水来实现所述传感器合成单元在钻井冻土层下的孔隙水体中的上浮或下沉；

所述远程遥控单元设置在所述钻井中孔隙层的底部，且所述远程遥控单元与所述传感器合成单元、所述压潜机构连接，所述信息采集与处理装置与所述传感器合成单元连接；

所述信息采集与处理装置用于采集所述传感器合成单元检测的参数值，并对采集的参数值进行梯度式计量分析。

作为本实用新型的一种优选方案，所述压潜机构包括安装在所述传感器合成单元上的空泡，所述空泡内设置有密封阀，所述密封阀上安装有泵体，当所述密封阀打开时，所述泵体向所述空泡内抽入或抽出设置在钻井冻土层下的孔隙中的液体，所述泵体的涡轮转动方向以及转速通过所述远程遥控单元控制。

作为本实用新型的一种优选方案，所述泵体内的涡轮在正向旋转时将液体吸入所述空泡，所述传感器合成单元在所述钻井内下沉；所述泵体内的涡轮在反向旋转时将液体从所述空泡内抽出，所述传感器合成单元在所述钻井内上浮；当所述密封阀密闭时，所述空泡内的液体总含量不变，所述传感器合成单元在所述钻井内悬停。

作为本实用新型的一种优选方案，所述传感器合成单元的外周包裹设置有外壳，所述空泡安装在所述外壳的外壁上。

作为本实用新型的一种优选方案，所述外壳为双层外壳，所述双层外壳的两层壳体之间设置有支撑杆，相邻的支撑杆之间设置有空腔。

本实用新型与现有技术相比较具有如下有益效果：

本实用新型在监测装置上设置了抽水与排水的压潜机构，实现在无动力作用下监测装置在井体内的悬停与上浮，甚至在少量动力的作用下在井体内的上浮与下沉，减少电能的消耗，延长装置在一个作业周期内的使用时间，减少回收充能的次数，实现对井体内液体的长期监测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本实用新型提供冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型提供压潜机构的俯视结构示意图。

图中的标号分别表示如下：

1-传感器合成单元；2-远程遥控单元；3-信息采集与处理装置；4-壳体；5-传输电缆；6-传输控制电缆；7-冻土层；8-孔隙水体；9-压潜机构；10-支撑杆；11-空腔；

901-空泡；902-密封阀；903-泵体。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1与图2所示，本实用新型提供了一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，包括传感器合成单元1、远程遥控单元2和信息采集与处理装置3，传感器合成单元1设置在钻井冻土层下的孔隙水体中，传感器合成单元1上设置有压潜机构9，压潜机构9通过排水或抽水来实现传感器合成单元1在钻井冻土层下的孔隙水体中的上浮或下沉；

远程遥控单元2设置在钻井中孔隙层的底部，且远程遥控单元2与传感器合成单元1、压潜机构9连接，信息采集与处理装置3与传感器合成单元1连接。

信息采集与处理装置3安装在钻井的口处，信息采集与处理装置3用于采集传感器合成单元1检测的参数值，并对采集的参数值进行梯度式计量分析。

其中，远程遥控单元2和信息采集与处理装置3不限制具体的形式，均为常规能够实现远程遥控以及信息采集处理的电学模块。

具体的，传感器合成单元1、信息采集与处理装置3和远程遥控单元2，传感器合成单元1设置在钻井冻土层7下的孔隙水体8中，远程遥控单元2设置在钻井中孔隙层的底部，且远程遥控单元2与传感器合成单元1通过传输控制电缆6连接，信息采集与处理装置3与传感器合成单元1连接。

其中，传感器合成单元1包括多个传感器，包括甲烷传感器、压力传感器、温度传感器、盐度传感器、水深传感器和PH传感器，用于检测孔隙水体8中包括甲烷含量、压力、温度、盐度、水体深度和酸碱度参数值。

为了监测水体中参数值变化，本实用新型通过远程遥控单元2控制压潜机构9的排水与抽水动作，来控制传感器合成单元1在水体中纵向的周期性游动，以检测水体纵向不同深度位置上的参数值，以实现水体中各参数垂直向上的梯度式变化监测，信息采集与处理装置3用于采集传感器合成单元1检测的参数值，并对采集的参数值进行梯度式计量分析。

具体的，压潜机构9包括安装在传感器合成单元1周侧的空泡901，空泡901内设置有密封阀902，密封阀902上安装有泵体903，当密封阀902打开时，泵体903向空泡901内抽入或抽出设置在钻井冻土层下的孔隙中的液体，泵体903的涡轮转动方向以及转速通过远程遥控单元2控制。空泡901、密封阀902以及泵体903的抽水排水原理与潜艇的抽水排水相似。

在本实施例中，泵体903内的涡轮在正向旋转时将液体吸入空泡901，此时空泡901的重量上升，由于传感器合成单元1与空泡901连接在一起，此时传感器合成单元1的重力大于浮力，传感器合成单元1在钻井内下沉；泵体903内的涡轮在反向旋转时将液体从空泡901内抽出，此时传感器合成单元1的浮力大于重力，传感器合成单元1在钻井内上浮；当密封阀902密闭时，空泡901内的液体总含量不变，空泡901与传感器合成单元1在某一个高度，保持重力与浮力相等的状态，此时传感器合成单元1在钻井内悬停。

优选的，泵体903为吸排一体的微型水泵，由于空泡901内的空气具有一定的体积，当泵体903在吸水时，空泡901内的空气被不断压缩，压强增大，故此时泵体903的涡轮功率也需要逐渐增大来克服空气的气压，装置重力的匀速增加，可便于控制传感器合成单元1的下降速度；当泵体903在排水时，空泡901内的气压在排水初期最大，在排水时内的液体最容易溢出，仅将密封阀902打开即可，故此时泵体903的涡轮功率较小，甚至可以处在停止的状态，当空泡901内的气压逐渐减少时，随着泵体903的涡轮速率的逐渐增大，装置重力的匀速减小，可便于控制传感器合成单元1的上升速度。

由上述可知，可以通过控制空泡901内液体的排出或抽入量来控制传感器合成单元1的上升与下降速度，从而控制传感器合成单元1的监测过程。

优选的，为了避免水体水体对传感器工作造成影响，传感器合成单元1的外周包裹设置有外壳4，空泡901安装在外壳4的外壁上。

优选的，外壳4为双层外壳，双层外壳的两层壳体之间设置有支撑杆10，相邻的支撑杆10之间设置有空腔11，空腔11可减少装置的自身重量，提高传感器合成单元1的悬停效果。

为了便于对上述动态监测过程进行理解，本实用新型实施方式，步骤如下：

(1)集成传感器合成单元1：

针对冻土区井下空间有限的弊端，将高精度水溶性甲烷传感器，以及温度、盐度、深度、pH等传感器垂向排列，集成于壳体4中，壳体4的整体尺寸小于冻土钻井内部直径。

(2)组建电缆、控制系统和采集系统等不同单元：

冻土区钻井内，上部为冻土层7，厚约100m，下部为自由孔隙水。孔内下放设备后，为有效监测孔内水体中溶解性甲烷随不同深度的原位变化，组建控电系统、远程遥控单元2以及连接各单元的控制传输电缆。

其中，远程遥控单元2在水体底部，主要用于控制传感器合成单元1在水体中纵向周期性游动以及泵体903的涡轮转动状态，实现水体中各参数垂向上的梯度式变化监测。

(3)铺设冻土层下水合物稳定带内溶解性甲烷传感设备：

下放传感器合成单元1、供电系统和远程遥控单元2以及连接各单元的传输电缆，最后与井口的信息采集和处理单元连接。

其中，信息采集与处理装置3通过传输电缆5与远程遥控单元2连接，且传输电缆5固定于布满孔隙的不锈钢套管中，以避免阻碍传感器合成单元1垂直游动。

(4)水底调试，特别是远程遥控单元的调试：

各部件安装完成后，对设备整体进行调试，以满足上部冻土层冻结后，下部孔隙水体8进行无障碍纵向梯度式实时监测水体中甲烷浓度、温度、盐度、深度和pH等各参数变化。

(5)进行数据实时采集，开展水体溶解性甲烷梯度计量分析：

配合工作区天然气水合物钻探和试开采工作，实时监测垂向上各参数变化，对采集的数据按深度进行时间排序，对各参数进行统计分析。

通过本实施例的冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，可以实现在无动力作用下监测装置在井体内的悬停与上浮，甚至在少量动力的作用下在井体内的上浮与下沉，减少电能的消耗，延长装置在一个作业周期内的使用时间，减少回收充能的次数。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于，

包括传感器合成单元(1)、远程遥控单元(2)和信息采集与处理装置(3)，所述传感器合成单元(1)设置在钻井冻土层下的孔隙水体中，所述传感器合成单元(1)上设置有压潜机构(9)，所述压潜机构(9)通过排水或抽水来实现所述传感器合成单元(1)在钻井冻土层下的孔隙水体中的上浮或下沉；

所述远程遥控单元(2)设置在所述钻井中孔隙层的底部，且所述远程遥控单元(2)与所述传感器合成单元(1)、所述压潜机构(9)连接，所述信息采集与处理装置(3)与所述传感器合成单元(1)连接；

所述信息采集与处理装置(3)用于采集所述传感器合成单元(1)检测的参数值，并对采集的参数值进行梯度式计量分析。

2.根据权利要求1所述的一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于，

所述压潜机构(9)包括安装在所述传感器合成单元(1)上的空泡(901)，所述空泡(901)内设置有密封阀(902)，所述密封阀(902)上安装有泵体(903)，当所述密封阀(902)打开时，所述泵体(903)向所述空泡(901)内抽入或抽出设置在钻井冻土层下的孔隙中的液体，所述泵体(903)的涡轮转动方向以及转速通过所述远程遥控单元(2)控制。

3.根据权利要求2所述的一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于，

所述泵体(903)内的涡轮在正向旋转时将液体吸入所述空泡(901)，所述传感器合成单元(1)在所述钻井内下沉；

所述泵体(903)内的涡轮在反向旋转时将液体从所述空泡(901)内抽出，所述传感器合成单元(1)在所述钻井内上浮；

当所述密封阀(902)密闭时，所述空泡(901)内的液体总含量不变，所述传感器合成单元(1)在所述钻井内悬停。

4.根据权利要求2所述的一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于，

所述传感器合成单元(1)的外周包裹设置有外壳(4)，所述空泡(901)安装在所述外壳(4)的外壁上。

5.根据权利要求4所述的一种冻土区井下水体溶解甲烷长期监测系统，其特征在于，

所述外壳(4)为双层外壳，所述双层外壳的两层壳体之间设置有支撑杆(10)，相邻的支撑杆(10)之间设置有空腔(11)。

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