一种海洋水合物固态流化开采中地质风险监测系统及方法

本发明涉及海洋水合物勘探开发领域的海洋监测系统及方法，尤其涉及一种海洋水合物固态流化开采中地质风险监测系统及方法。

背景技术：

天然气水合物是一种稳定存在于低温、高压环境条件下的笼形晶体化合物，俗称“可燃冰”。作为一种新型的清洁能源，它被认为是21世纪最具潜力的接替能源。其具有储量大、储气密度高、分布范围广等显著特点，主要分布在陆地永久冻土带和陆缘外围海洋的低温、高压环境中。天然气水合物稳定性较为脆弱，当温度和压力条件的改变会导致天然气水合物的分解，天然气水合物开采可能加速表层水合物分解，其释放的气和水增大了空隙压力，可能导致部分区域剪切强度降低，地层承载力不均匀，最终导致地层崩塌，甚至形成气烟囱、泥火山等灾害性地质构造，进而引起海底滑坡及浅层构造变动，诱发海啸、地震等地质灾害，这会大大增加海洋工程的安全风险。

海洋天然气水合物藏固态流化开采的基本思想是：通过钻头高压射流的方式破碎海底水合物储层，获得固态水合物碎屑，采掘破碎过程中混入适量的来自海面的热海水，形成可流动的水合物浆体（流化），然后通过密闭的管道，将水合物浆体从海底输送到海上的开采平台；再由开采平台上（或海底）的密闭容器分解分离水合物浆体，收集逸出的天然气。对于通过水平井及其分支井钻采开发的水合物储层，在开采过程中及开采后都存在因水合物矿体采空和水合物无序分解所导致的地层坍塌等地质风险。所以，开采区在开采过程中及采空后的海底环境和地层稳定性都需要进行监测。目前，海洋天然气水合物尚未实现商业化开采，但我国已率先实施试采工作，国内外针对海洋天然气水合物固态流化开采过程中地质风险的监测装置较少。专利cn106597551a公开了海底天然气水合物开采甲烷泄漏原位电学监测方法与装置，海底天然气水合物原位电学监测方法，只针对沉积层进行监测，获取海底原位环境信息的方式较为单一，无法实现对地质风险预警信息的综合判断，所以亟需一种海洋水合物固态流化开采中地质风险监测系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种海洋水合物固态流化开采中地质风险监测系统，该系统采用坐底式海底潜标对海底环境进行实时监测，明确存在地质风险发生的位置、原因及演变规律，为固态流化法的地质风险评价技术提供依据，具有良好的应用前景。

本发明的另一目的还在于提供利用上述系统对海洋水合物固态流化开采中地质风险进行监测的方法，该方法针对性强，监测范围大，预警性强，能够提供实时的地质风险监测，对海洋天然气水合物固态流化开采中的环境安全具有重要意义。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

本发明通过由甲烷传感器、二氧化碳传感器、溶解氧传感器、ph传感器、温度传感器、压力传感器、倾角传感器、gps（全球定位系统）集成坐底式海底潜标对海底原位进行监测。根据开采区水合物藏的物性参数、力学特征参数和开采过程中水平井及分支井的位置建立开采区有限元模型，通过模拟分析开采区地层的稳定性问题并结合海底环境的具体情况对海底潜标进行排布。通过获得海底环境在时间序列上的变化信息，对比前、中、后期开采区海底环境的物理和化学信息，分析造成这种变化的原因。通过对海底环境的实时监测，明确存在地质风险发生的位置、原因及演变规律，在后期通过地震反演的方式再次进行采空区的安全状态评价。

一种海洋水合物固态流化开采中地质风险监测系统，包括坐底式海底潜标、监测船和海洋中的遥控无人潜水器（rov），所述坐底式海底潜标搭载多种传感器及检测仪器，对海底原位进行监测，获取多种海底环境参数，所述监测船对坐对底式海底潜标进行运输，监测船上的起吊装置与海洋中的遥控无人潜水器对海底潜标进行安装和排布。

所述坐底式海底潜标包括甲烷传感器、二氧化碳传感器、溶解氧传感器、ph传感器、温度传感器、压力传感器和倾角传感器，对海底原位进行监测。甲烷传感器，用于监测海水中甲烷浓度；二氧化碳传感器，用于监测海水中二氧化碳浓度；溶解氧传感器，用于监测海水中溶解氧浓度；ph传感器，用于监测海水ph值；温度传感器，用于监测海水温度；压力传感器，用于测量环境压力；倾角传感器，用于监测海底表层倾角变化。

所述监测船上设有监测平台，监测平台搭载信号发射与接收控制系统，用于接收与发送信号，通过水声通信技术实时收集海底潜标的监测数据对海底环境进行同步监测，对实时数据进行整理、判断，并控制海底潜标的传感器及检测仪器的启动与关闭。

所述坐底式海底潜标搭载信号发射接收装置和信号应答装置。信号发射接收装置用于接收与发送信号；信号应答装置用于启动与关闭多种传感器及检测仪器。

所述坐底式海底潜标搭载其他辅助装置，包括数据储存器、蓄电池、吊环、重物和gps(全球定位系统)。数据储存器用于储存数据；蓄电池为仪器供给电源；吊环用于起吊；重物便于坐底式海底潜标的固定；gps用于海底潜标的定位与回收。

所述坐底式海底潜标具有抗高压性，内部防水，最大使用深度为水下3000米。

所述坐底式海底潜标独立工作，互不影响，可对单个海底潜标进行更换。

所述海底潜标携带大容量电池，电池组数量按工作计划进行增减，可进行长时间的连续观测，覆盖固态流化开采整个周期。

所述遥控无人潜水器搭载水下摄像系统，实时获取开采区的海床形态结构，辅助进行浅层地质灾害的确认，减少监测盲区。

所述监测船上装有物探设备，通过高分辨率的地震地层分析和地震属性反演等物探方法，进一步评价海底之下开采储层及采空区深度范围内的地质风险。

利用上述系统对海洋水合物固态流化开采中地质风险进行监测的方法，包括：根据开采区水合物藏的物性参数、力学特征参数和开采过程中水平井及分支井的位置建立开采区有限元模型，通过模拟分析开采区地层的稳定性，对海底潜标的位置进行排布，通过模拟分析划分低风险位置、高风险位置，对高风险位置进行较高密度的海底潜标排布，需要的数量根据分支井的数量及开采规模而定。

进一步的，在排布时会根据具体海底环境排除海底冷泉等特殊地质构造的干扰，冷泉为海底之下天然气水合物分解后产生的一些流体组分在海底表面的溢出，冷泉的温度与海底周围温度基本一致，由于溢出的流体富含甲烷、硫化氢和二氧化碳等组分，会对海底环境监测产生干扰。

进一步的，在排布时海底潜标的位置按实际工作中的钻采位置排布，排布密度视模拟分析后的风险而定，对高风险位置进行较高密度的海底潜标排布，两个监测点之间的距离不小于30米不大于100米。

优选的，坐底式海底潜标搭载的多种传感器及检测仪器可以在海底高压低温环境长期工作并满足监测所需，监测半径0.5米，其中，甲烷传感器，工作温度：-5~+30℃，监测浓度：30nmol/l~5000mmol/l，检测精度：≤±3%，线性误差：≤±1%。响应时间：≤20秒，零点漂移：≤±1%（f.s/年）；二氧化碳传感器，测量范围：0~3000ppm，分辨率可达：1ppm；溶解氧传感器，分辨率：0.01mg/l，准确度：±0.2mg/l，工作范围：0~20mg/l，响应时间：≤40秒，分辨率：0.01℃，准确度：典型值±0.2℃，校准范围：0~35℃，工作温度：0~40℃；ph传感器，量程：0~14，ph分辨率0.01ph，准确度±0.1ph；温度传感器，测量范围：-50℃~+50℃，测量精度：±0.1℃；压力传感器，综合精度：0.1%fs，工作温度：-20°c~85℃；预热时间：≥5秒钟，工作温度：-50℃~+100℃；倾角传感器，工作温度：-30~65℃，精确度0º~10º：±0.1º、10º~45º：±1%。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

本发明可通过水声通信技术实现将海底环境参数传输回海面监测平台，监测收集、传输数据，对存在或潜在的地质灾害区域进行长期原位监测，可远程操控或按设置程序自动采集，只需供电系统提供电源，自动化程度高，运行成本低。

本发明将多种传感器及检测仪器集成在一起对海洋天然气水合物固态流化开采的储层及采空区的海底环境进行长周期原位观测，通过rov（遥控无人潜水器）辅助监测等手段避免了现有方法可能造成的测量误差。

本发明对水合物固态流化开采的储层及采空区进行监测，针对性强，可操作性强，监测范围大，预警性强，具有良好的应用前景，对天然气水合物固态流化开采中的环境安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所述一种固态流化开采过程中地质风险监测方法的流程示意图。

图2为本发明所述一种固态流化开采过程中地质风险监测系统的结构示意图。

图中：1-监测船、2-海底潜标、3-遥控无人潜水器。

图3为本发明所述一种固态流化开采过程中地质风险监测系统海底潜标的分布示意图。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参看图1、图2、图3。

图1为固态流化开采过程中地质风险监测方法流程示意图。在水合物开采实施之前，由监测船1坐对底式海底潜标2进行运输，通过监测船1上的起吊装置与海洋中的遥控无人潜水器3对海底潜标2进行安装和排布（如图2所示），在排布时会根据具体海底环境排除海底冷泉等特殊地质构造的干扰。海底潜标的位置按实际工作中的钻采位置排布，排布密度视模拟分析后的风险而定。

根据开采区水合物藏的物性参数、力学特征参数和开采过程中水平井及分支井的位置建立开采区有限元模型，通过模拟分析开采区地层的稳定性问题来对海底潜标2的位置进行排布，通过模拟分析划分低风险位置、高风险位置（如图3所示），对高风险位置进行较高密度的海底潜标2排布，两个监测点之间的距离不小于30米不大于100米，需要的数量根据分支井的数量及开采规模而定。

安装好海底潜标2后，通过监测船1的控制平台启动海底潜标2中的多种传感器及检测仪器，监测船1通过信号发射器发射信号，海底潜标2通过信号接收器接收信号并通过信号应答器执行相应的操作，开始测量此时海水的物理和化学参数等，并将所测的数据存储在数据储存器中，海底潜标2通过信号发射装置，将所测的数据实时发送给监测船1。所有海底潜标2利用水声通信技术连接，接收海底潜标2的所有监测数据。

海底潜标2中携带大容量电池，可进行长时间的连续观测。覆盖固态流化开采的整个周期，由海底潜标2携带的电池组供电，电池组的数量要保证海底监测器的持续能力覆盖整个水合物固态流化开采周期，工作制度可按实际状况进行进行增减。如在海底潜标2安装后的前期，针对未开采的储层，可每天工作6次，每隔4个小时工作10分钟；在天然气水合物固态流化的钻采过程中，由于开采活动对地层影响较大，可每天工作12次，每隔2个小时工作20分钟；在钻采结束后，针对储层的采空区，可每天工作6次，每隔4个小时工作10分钟。测装置工作所需电力由蓄电池提供，为了减少能量的消耗，其他时间多种传感器及检测仪器处于待机状态。跨越开采前期、中期、后期的监测周期，可获得海底环境在时间序列上的变化信息，对比前、中、后期开采区海底环境的物理和化学信息对比，分析造成这种变化的原因，可将监测到的环境信息实时传递到监测平台，由平台工作人员对实时数据进行整理并判断发生地质风险的可能性。

在监测过程中，遇特殊状况可通过搭载有水下摄像系统的遥控无人潜水器3进一步确认监测现场状况。当监测船1发现单个海底潜标2出现数据传输或多种传感器及检测仪器工作障碍时，可用备用海底潜标2对单个海底潜标2进行更换，海底潜标2独立工作，互不影响。在海底潜标2结束工作后，由遥控无人潜水器3辅助起吊回收到监测船1上，更换电池，检修后可再次使用。

监测船1搭载物探所需的声波激发及接收装置等，可再次结合地震反演等手段，进一步对井下地质风险状况进行评价。