本發(fā)明涉及現(xiàn)代海底天然氣水合物資源勘探和開采技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及水合物開采過程中的海洋環(huán)境監(jiān)測、評估和預(yù)測。

背景技術(shù)：

天然氣水合物是由天然氣分子和水分子結(jié)合在一起形成的固態(tài)冰狀物質(zhì)，當(dāng)前已經(jīng)被認(rèn)為是一種具有極大潛力的新型能源，其中最主要的成分是可燃燒的甲烷，因此也經(jīng)常被稱為“甲烷水合物”。

當(dāng)前，加拿大、美國和日本等國已經(jīng)先后在陸地上和海洋上開展了甲烷水合物試開采工作，而對于我國這樣的能源消費(fèi)大國，深入開展天然氣水合物的科學(xué)理論、資源評價(jià)、技術(shù)方法、試采和示范、商業(yè)化開發(fā)等方面的工作具有重大的戰(zhàn)略意義，也是保障我國能源儲備安全的可靠手段。然而，在全球能源需求持續(xù)增加和碳排放逐漸升高的背景下，天然氣水合物既是一種儲量巨大的潛在能源資源，又是一種重要的溫室氣體來源，同時(shí)，由于99％的水合物資源儲存于海域環(huán)境中，在勘探和開發(fā)過程中，不可避免地會造成海底甲烷泄漏、海床位移和沉陷、生物群落受損、水體污染甚至海底滑坡等風(fēng)險(xiǎn)。因此，在天然氣水合物開采過程中，又必須建立一整套完善的環(huán)境保護(hù)、評價(jià)、預(yù)測體系，以達(dá)到“綠色、安全、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)”地利用這種資源。

基于一系列國家專項(xiàng)的實(shí)施，我國將在近期開展天然氣水合物試開采工作，井場環(huán)境監(jiān)測問題已經(jīng)成為一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù)提到中國科學(xué)家的議事日程上來。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對海洋天然氣水合物開采過程中海洋環(huán)境立體化監(jiān)測方面的技術(shù)空白，提供一種面向海域水合物開采環(huán)境立體化監(jiān)測系統(tǒng)。

本發(fā)明是采用以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：海域水合物開采環(huán)境立體化監(jiān)測系統(tǒng)，包括鉆井平臺、以主生產(chǎn)井為圓心而布設(shè)的內(nèi)核心監(jiān)測圈、外核心監(jiān)測圈和位于外核心監(jiān)測圈之外的圈外巡航監(jiān)測區(qū)；所述內(nèi)核心監(jiān)測圈內(nèi)包括圍繞主生產(chǎn)井布設(shè)的環(huán)境監(jiān)測副井、坐底式海底工作站和地形形變監(jiān)測裝置；所述坐底式海底工作站沿內(nèi)核心監(jiān)測圈圓周均勻布設(shè)有多個，以監(jiān)測環(huán)境參數(shù)變化；所述環(huán)境監(jiān)測副井用以監(jiān)測溫度差、壓力差和電阻率差等，測試水合物開采過程中分解溫度的擾動以及流體組成性質(zhì)變化，以距離主生產(chǎn)井的平面距離為10m—25m相對布設(shè)兩個；所述地形形變監(jiān)測裝置包括兩條成正十字交叉的測量纜，測量纜上均勻設(shè)有多個監(jiān)測點(diǎn)，且每個監(jiān)測點(diǎn)設(shè)有壓力傳感器和三軸加速度計(jì)，地形形變監(jiān)測裝置主站位于主生產(chǎn)井井口5m—10m,以全面監(jiān)測主生產(chǎn)井井場的地形形變；

所述外核心監(jiān)測圈沿其圓周均勻布設(shè)有多個錨系潛標(biāo)工作站，用以進(jìn)行甲烷含量、濁度異常、流向流速、溫度、鹽度、溶解氧環(huán)境參數(shù)監(jiān)測；且所述錨系潛標(biāo)工作站與坐底式海底工作站交錯布置；所述圈外巡航監(jiān)測區(qū)設(shè)有海底接駁平臺以及自主式水下潛航器(auv)，海底接駁平臺在錨系潛標(biāo)工作站圈外，作為電力統(tǒng)一供給和調(diào)配裝置，分別與上述坐底式海底工作站、地形形變監(jiān)測裝置、錨系潛標(biāo)工作站通過電纜連接。

進(jìn)一步的，所述鉆井平臺設(shè)置有低空大氣采樣監(jiān)測儀和無人遙控潛水器(rov)；低空大氣采樣監(jiān)測儀以進(jìn)行大氣污染物監(jiān)測；無人遙控潛水器(rov)以鉆井平臺為母體，以進(jìn)行水下維護(hù)與維修。

進(jìn)一步的，所述坐底式海底工作站和錨系潛標(biāo)工作站的數(shù)量均為4站，且錨系潛標(biāo)工作站與最近的兩個相鄰坐底式海底工作站組成等腰直角三角形，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙合理，滿足最佳需求。

進(jìn)一步的，所述坐底式海底工作站集成甲烷傳感器、硫化氫傳感器、溶解氧傳感器、多普勒流速剖面儀(adcp)、溫鹽深儀(ctd)和沉降儀，以監(jiān)測甲烷、硫化氫泄漏、溶解氧和溫度、鹽度、ph值、二氧化碳等。

進(jìn)一步的，所述自主式水下潛航器(auv)集成甲烷傳感器、溫鹽深儀(ctd)、濁度計(jì)、高清照相機(jī)、高清攝像機(jī)，且只在外核心監(jiān)測圈界限50m之外巡邏監(jiān)測，以防止與錨系潛標(biāo)工作站發(fā)生纏繞，auv不但能監(jiān)測甲烷含量、流向流速、溫度、鹽度、溶解氧等環(huán)境參數(shù)，還可以對外核心監(jiān)測圈層之外的生物生態(tài)和地形地貌進(jìn)行定期觀測，以記錄異常變動，增加環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的廣度。

進(jìn)一步的，所述內(nèi)核心監(jiān)測圈以主生產(chǎn)井為圓心，半徑為100m的覆蓋范圍，所述外核心監(jiān)測圈以主生產(chǎn)井為圓心，半徑為200m，綜合考慮確定合適的監(jiān)測范圍，在保證監(jiān)測精度與數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)時(shí)性的前提下，獲得豐富監(jiān)測數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，：所述測量纜的長度為400m，以使地形形變監(jiān)測裝置延伸到內(nèi)核心監(jiān)測圈和外核心監(jiān)測圈之間，以更好地監(jiān)測更大范圍內(nèi)的地形移位和沉陷。

進(jìn)一步的，所述海底錨系潛標(biāo)工作站包括水聲應(yīng)答器、主浮球、副浮球、傳感器集成艙、供電通訊電纜、錨定重塊、錨鏈和聲學(xué)釋放器，所述主浮球和副浮球用以提供浮力，錨定重塊提供固定支撐，水聲應(yīng)答器執(zhí)行水下定位和信號發(fā)射的任務(wù)，聲學(xué)釋放器完成最終的設(shè)備回收，所述錨鏈長度由工區(qū)作業(yè)水深決定，所述傳感器集成艙在離底50m和200m處各設(shè)置一個，以記錄該水深的環(huán)境參數(shù)變化情況。

進(jìn)一步的，所述傳感器集成艙集成甲烷傳感器、濁度計(jì)、溶解氧傳感器、多普勒流速剖面儀(adcp)、溫鹽深儀(ctd)，用以監(jiān)測甲烷含量、濁度異常、流向流速、溫度、鹽度、溶解氧等環(huán)境參數(shù)。

進(jìn)一步的，所述坐底式海底工作站、地形形變監(jiān)測裝置、錨系潛標(biāo)工作站均通過電纜與接駁平臺相連，且所述電纜布設(shè)時(shí)埋藏到海底沉積物之下，統(tǒng)一接到接駁平臺上，以防止供電和通訊電纜在海底形變和底流沖刷下發(fā)生纏繞。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：

本發(fā)明所述的環(huán)境立體化監(jiān)測系統(tǒng)，由深入海底內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)測副井、海床基坐底式海底工作站、具有離底300m以上的錨系潛標(biāo)工作站(離底50m和200m兩個固定深度)以及在垂向上具有無限水深自由的自主式水下潛航器(簡稱auv)；此外，在鉆井平臺上還可以布設(shè)低空大氣采樣監(jiān)測儀，這樣，就構(gòu)成了從儲層到海表的一整套環(huán)境監(jiān)測體系。在電源供應(yīng)不間斷的情況下，各坐底式海底工作站和錨系潛標(biāo)工作站的使用壽命均要求在三年以上，因此，可以對于儲層、沉積物、水體和大氣進(jìn)行多介質(zhì)全覆蓋實(shí)時(shí)、長期監(jiān)測，以保證水合物開采的環(huán)境安全，同時(shí)可以全方位地獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)；

全面考慮了水合物開采過程中可能引發(fā)的水體污染、生物損害和地質(zhì)災(zāi)害的等各方面因素，根據(jù)“指標(biāo)上夠用、技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理”的原則，從海床、水體、井筒等各個位置科學(xué)合理地布設(shè)監(jiān)測單元，獲得水合物開采過程中的環(huán)境效應(yīng)的科學(xué)數(shù)據(jù)體系，做到全面有效地評價(jià)水合物開采活動的環(huán)境效應(yīng)，提前預(yù)警潛在的環(huán)境災(zāi)害，為商業(yè)化開采水合物提供環(huán)境方面的科學(xué)評價(jià)體系。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述水合物開采環(huán)境立體化監(jiān)測系統(tǒng)平面示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述水合物開采環(huán)境立體化監(jiān)測系統(tǒng)立面示意圖；

圖3為圖2中所述海底錨系潛標(biāo)工作站示意圖；

其中：1、主生產(chǎn)井；2、環(huán)境監(jiān)測副井；3、坐底式海底工作站；4、錨系潛標(biāo)工作站；5、地形形變監(jiān)測裝置；6、接駁平臺；7、電纜；8、自主式水下潛航器(auv)；9、無人遙控潛水器rov；10、鉆井平臺；11、主供電電纜；12、外核心監(jiān)測圈；13、內(nèi)核心監(jiān)測圈；41、水聲應(yīng)答器；42、主浮球；43、副浮球；44、傳感器集成艙；45、供電通訊電纜；46、錨定重塊；47、錨鏈；48、聲學(xué)釋放器。

具體實(shí)施方式

為了能夠更加清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1和圖2所示的水合物開采環(huán)境立體化監(jiān)測系統(tǒng)，用以監(jiān)測水合物開采過程中的海洋環(huán)境變化，包括鉆井平臺10、以主生產(chǎn)井1為圓心而布設(shè)的內(nèi)核心監(jiān)測圈13、外核心監(jiān)測圈12和位于外核心監(jiān)測圈12之外為統(tǒng)一供電、數(shù)據(jù)采集和不定期巡邏的圈外巡航監(jiān)測區(qū)14，所述內(nèi)核心監(jiān)測圈13內(nèi)包括圍繞主生產(chǎn)井布設(shè)的環(huán)境監(jiān)測副井2(以檢測溫度差、壓力差、電阻率差等)、坐底式海底工作站3和地形形變監(jiān)測裝置5，坐底式海底工作站3(集成甲烷傳感器、硫化氫傳感器、溶解氧傳感器、adcp、ctd和沉降儀)；所述外核心監(jiān)測圈12沿其圓周均勻布設(shè)有4站錨系潛標(biāo)工作站4(集成甲烷傳感器、濁度計(jì)、溶解氧傳感器、adcp和ctd)；圈外監(jiān)測區(qū)域14內(nèi)布設(shè)統(tǒng)一供電并且方便無人遙控潛水器(rov)9、采集數(shù)據(jù)的接駁平臺6以及自主式水下潛航器(簡稱auv)，自主式水下潛航器(簡稱auv)8(集成甲烷傳感器、ctd、濁度計(jì)、高清照相機(jī)、高清攝像機(jī))，無人遙控潛水器(rov)通過接駁平臺6進(jìn)行數(shù)據(jù)回收和充電，接駁平臺6通過主供電電纜11與擔(dān)負(fù)生產(chǎn)、供電、數(shù)據(jù)終端的鉆井平臺10相連，以獲得不間斷電源供應(yīng)。

坐底式海底工作站3沿內(nèi)核心監(jiān)測圈13圓周均勻布設(shè)4站；所述環(huán)境監(jiān)測副井2以距離主生產(chǎn)井1的平面距離為10m—25m相對布設(shè)兩個，本實(shí)施例優(yōu)選20m,所述地形形變監(jiān)測裝置5包括兩條成正十字交叉的測量纜，測量纜上均勻設(shè)有多個監(jiān)測點(diǎn)，且每個監(jiān)測點(diǎn)設(shè)有壓力傳感器和三軸加速度計(jì)，地形形變監(jiān)測裝置主站位于主生產(chǎn)井1井口5m—10m,優(yōu)選8m,以全面監(jiān)測主生產(chǎn)井井場的地形形變；所述外核心監(jiān)測圈12沿其圓周均勻布設(shè)有4站錨系潛標(biāo)工作站，且所述錨系潛標(biāo)工作站4與坐底式海底工作站交錯布置，錨系潛標(biāo)工作站與最近的兩個相鄰坐底式海底工作站組成等腰直角三角形。

從平面上看，參考圖1，共分為三個監(jiān)測區(qū)域，均以生產(chǎn)主井1為圓心，內(nèi)核心監(jiān)測圈13半徑為100m，主要進(jìn)行海底地形形變(傾斜和下沉等)、甲烷、硫化氫泄漏、溶解氧和溫度、鹽度監(jiān)測等；外核心監(jiān)測圈半徑為200m，主要進(jìn)行甲烷含量、濁度異常、流向流速、溫度、鹽度、溶解氧等環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。為使地形形變監(jiān)測裝置5延伸到內(nèi)核心監(jiān)測圈13和外核心監(jiān)測圈12之間，以更好地監(jiān)測更大范圍內(nèi)的地形移位和沉陷，所述十字交叉的測量纜的長度為400m。外核心監(jiān)測圈12之外的區(qū)域?yàn)榻y(tǒng)一供電、數(shù)據(jù)采集和不定期巡邏式圈外巡邏監(jiān)測區(qū)域14，主要進(jìn)行甲烷含量、流向流速、溫度、鹽度、溶解氧等環(huán)境參數(shù)。為防止供電和通訊電纜在海底形變和底流沖刷下發(fā)生纏繞，布設(shè)時(shí)，利用工程機(jī)器人將電纜埋藏到沉積物之下，統(tǒng)一接到外核心監(jiān)測圈12之外的接駁平臺6上。

在立面上，參考圖2，為了獲得更廣的監(jiān)測范圍，所述鉆井平臺設(shè)置有低空大氣采樣監(jiān)測儀和無人遙控潛水器(rov)9；低空大氣采樣監(jiān)測儀以進(jìn)行大氣污染物監(jiān)測；無人遙控潛水器(rov)以鉆井平臺為母體，以進(jìn)行水下維護(hù)與維修，從環(huán)境監(jiān)測副井2、坐底式海底工作站3與地形形變監(jiān)測裝置5、錨系潛標(biāo)工作站4、到可游弋到海表的auv8，最終到鉆井平臺10上設(shè)置的低空大氣監(jiān)測裝置，構(gòu)成了從儲層、海底、水體到大氣的立面上的監(jiān)測系統(tǒng)。

本實(shí)施例所述系統(tǒng)所需要的各種甲烷傳感器、硫化氫傳感器、溶解氧傳感器、adcp、ctd、濁度計(jì)、沉降儀、高清照相機(jī)和高清攝像機(jī)等均為成熟的產(chǎn)品，auv根據(jù)需要進(jìn)行模塊化開發(fā)，統(tǒng)一供電、數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|也為比較成熟的產(chǎn)品，地形形變監(jiān)測裝置為依托國家專項(xiàng)自行開發(fā)的專用儀器設(shè)備。rov為作業(yè)級成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，并可根據(jù)具體工作任務(wù)進(jìn)行適應(yīng)性改造。設(shè)備的數(shù)據(jù)采集利用以鉆井平臺10為基地的rov9定期進(jìn)行，同時(shí)統(tǒng)一供電、數(shù)據(jù)存儲與rov接駁平臺6與鉆井平臺10以供電、通訊電纜連接，以保證所有設(shè)備的統(tǒng)一供電從鉆井平臺10獲得。

如圖3所示，海底錨系潛標(biāo)工作站4由水聲應(yīng)答器41、主浮球42、副浮球43、傳感器集成艙44、供電通訊電纜45、錨定重塊46、錨鏈47、聲學(xué)釋放器48等主要部件構(gòu)成，其中在離底50m和200m水深，各設(shè)置同樣型號的傳感器集成艙44一個，集成艙內(nèi)集成甲烷傳感器、濁度計(jì)、溶解氧傳感器、adcp和ctd，對本層位的水體介質(zhì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測。海底錨系工作平臺4的供電、數(shù)據(jù)傳輸由電纜與統(tǒng)一供電、數(shù)據(jù)存儲與rov接駁平臺6相連后進(jìn)行。布設(shè)時(shí)，利用工程船舶精確定位后從甲板投放。整個系統(tǒng)以主浮球42、副浮球43提供浮力、錨定重塊46提供固定支撐，水聲應(yīng)答器41執(zhí)行水下定位和信號發(fā)射的任務(wù)，利用供電通訊電纜45從統(tǒng)一供電、數(shù)據(jù)存儲與rov接駁平臺6獲得電力并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用聲學(xué)釋放器48完成最終的設(shè)備回收，而錨鏈47的長短則需根據(jù)工區(qū)具體的水深來靈活調(diào)節(jié)。

rov9除了定期采集數(shù)據(jù)之外，也可以對整個監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行攝像、照相等可視化監(jiān)視和進(jìn)行必要的維修維護(hù)工作。auv不得進(jìn)入外核心監(jiān)測圈12界限之內(nèi)，以防止與生產(chǎn)主井1、錨系潛標(biāo)工作站4等纏繞或相互碰撞，造成不必要的損失。但在錨系潛標(biāo)工作站4錨鏈47長度范圍之上的海水水體內(nèi)，可以進(jìn)行巡游，以監(jiān)測上層水體內(nèi)的環(huán)境參數(shù)異常，與鉆井平臺10上的大氣監(jiān)測裝置共同監(jiān)測逃逸到上層水體和大氣系統(tǒng)中的流體通量。auv還可執(zhí)行外核心監(jiān)測圈12層界限之外的海底生物系統(tǒng)、微地貌的照相和攝像功能，以增加該系統(tǒng)監(jiān)測范圍的廣度和深度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實(shí)施例應(yīng)用于其它領(lǐng)域，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。