一种深海水合物原位立体监测系统技术方案

本发明专利技术公开一种深海水合物原位立体监测系统，包括原位地层长期多参数监测系统，其包括：刚性监测杆模块：在刚性监测杆上集成有MEMS加速度传感器、温度传感器、压力传感器、甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器和PH传感器，用于监测地层地球化学多参量参数；柔性监测缆模块：在柔性监测缆上集成有MEMS加速度传感器、温度传感器和压力传感器，用于监测海底地层变形数据；中央数据采集及控制模块用于采集地层地球化学多参量参数和海底地层变形数据、并通过水声或浮标通信与母船上中央控制中心与监测设备进行数据传输及采集控制；地层孔隙水取样模块存储水合物地层孔隙水在刚性监测杆，每一根刚性监测杆内部存储对应深度地层的长期地层孔隙水。

【技术实现步骤摘要】
一种深海水合物原位立体监测系统
本专利技术是关于深海监测
，具体涉及一种深海水合物原位立体监测系统。
技术介绍
随着经济的发展和科技的进步，资源问题在国际社会中不断进行讨论，世界能源需求逐年递增。地球上石油、煤炭等不可再生能源的随着不断的开采日益枯竭，目前有约70％能源消耗来自化石能源(石油、天然气和煤炭)，与石油和煤炭相比天然气更清洁，是未来主要的能源需求增长点。海洋沉积物中储量丰富的天然气水合物被认为是未来洁净的战略接替能源，自上世纪八十年代就引起了国际社会的广泛关注与重视。天然气水合物是一种非常规天然气资源，保守估计其含碳量是其他化石能源含碳量的两倍，被认为是全球未来最有潜力的替代能源。根据地震数据初步预测，我国南海天然气水合物资源量约800亿吨油当量，开发南海天然气水合物是国家能源长期发展战略。虽然我国的天然气水合物资源已进行了探索性试采、试验性试采，但离商业化开采还有较大差距，探索持续、高效、安全的开采技术仍是天然气水合物开发的主要目标。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，设计一种深海水合物原位立体监测系统，实现深海底层长期多参数监测。一种深海水合物原位立体监测系统，包括原位地层长期多参数监测系统，所述原位地层长期多参数监测系统包括刚性监测杆模块、柔性监测缆模块、地层孔隙水取样模块、中央数据采集及控制模块；所述刚性监测杆模块包括在刚性监测杆上集成有MEMS加速度传感器、温度传感器、压力传感器、甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器和PH传感器，用于监测地层地球化学多参量参数；所述柔性监测缆模块包括在柔性监测缆上集成有MEMS加速度传感器、温度传感器和压力传感器，用于监测海底地层变形数据；所述中央数据采集及控制模块设置在刚性监测杆上，所述中央数据采集及控制模块用于采集地层地球化学多参量参数以及海底地层变形数据、并通过水声通信或浮标通信与母船上的中央控制中心与监测设备进行数据传输，中央控制中心与监测设备将数据存储在存储中心，所述中央控制中心与监测设备还对中央数据采集及控制模块进行采集控制；所述地层孔隙水取样模块存储水合物地层孔隙水在刚性监测杆上，每一根刚性监测杆内部存储有对应深度地层的长期地层孔隙水。优选的，还包括海底水合物地层钻进系统，其包括用于刚性监测杆纵向布放的深海地层监测杆布放系统、和用于柔性监测缆横向布放的海底地层钻进机器人。优选的，还包括水合物地表智能观测系统，其包括甲烷判读定级观测模块、地球化学观测模块和微地震观测模块，所述甲烷判读定级观测模块包括HD图像视频采集模块、激光散射模块、以及在所述中央控制中心与监测设备中设置的气泡溶解扩散模型；所述HD图像视频采集模块依靠cdd高速相机记录气泡流运动轨迹，估算大气泡流动的数量；激光散射模块捕捉微纳米气泡，对微纳米级气泡进行粒径、浓度测量；所述气泡溶解扩散模型用于通过获取气泡在不同区域的扩散状态，结合气泡粒径与气体分子数之间的关系预测甲烷气体泄露总量；所述微地震观测模块用于获取水合物地层微震信息；所述地球化学观测模块为集成诸多探测传感器为一体的海底监测网，用于长期实时监测海底表面温度、压力、流体地球化学物质的泄露参数。优选的，所述HD图像视频采集模块：记录大气泡上升过程中粒径、速度、形态变化规律，统计一定时间、环境下，气泡扩散量；在cdd高速相机的窗口、框架处进行尺度标记，从而定量得到气泡粒径。优选的，激光散射模块捕捉微纳米气泡：采用颗粒过滤器对大颗粒进行过滤，并将大气泡进行破碎分裂，采用光散射对获取的溶液中微纳米气泡粒径、浓度进行原位、连续性测量，利用高分辨率相机捕捉微纳米气泡在光散射下的运动状态。优选的，所述气泡溶解扩散模型建立：使用气泡溶解模型模拟气泡因溶解在水柱中而收缩，因上升和气提过程中静水压力降低而膨胀，气体组分的热力学和输运性质从各状态方程和扩散系数的经验方程、传质系数和气泡上升速度计算，结合压力、温度和盐度条件；基于质量平衡方程、稀释物质的输运，建立羽流扩散模型，得到气泡的扩散状态。优选的，所述气泡粒径与气体分子数量关系：结合同步辐射软线法、液体杆扫描透射电镜、原子力显微镜等手段对气泡内部进行表征，建立粒径与气体分子关系模型，从而实现对甲烷气体泄露量的准确预测。优选的，所述微地震观测模块包括在地表布放多组检波器，通过检波器确定破裂发生的位置、获取水合物区的内部流体运移演化、地层岩体损伤及内部裂纹演化过程。优选的，深海地层监测杆布放系统为可自主水下定位并移动的布缆钻机，用于在地层内布放纵向刚性监测杆。下面对本申请做进一步说明：研制一整套适合深海水合物地层原位立体监测的地层钻进、地层长期监测与取样和水合物地表智能观测系统，实现地层和地表的原位立体监测。综合原位监测、取样和原位智能判别与分析，形成监测、检测与预测的有机统一。首先基于海底水合物地层钻进系统，采用深海地层监测杆布放系统和地层自主钻探机器人相结合的布放方式，将监测设备布放在地层。与此同时，通过连接中央控制中心与监测设备，形成原位地层长期多参数监测系统，基于此获取地层数据，包括：温度、压力、变形、流体地球化学参数等，获取地层流体地球化学的运移路径，分析运移过程，修正监测设备的布放，校准预测模型。最后，与水合物地表智能观测系统结合分析，研究地层、地表之间的互相影响，形成及时获取海底活动并分析预测的能力，准确预测海底水合物商业化开采对环境的影响。建立真正和海底水合物地层相适应的，能够解决地层长期多参数监测与分析等重大工程技术问题的监测新手段、预测新模型。因此，设计一种深海水合物地层原位立体监测系统，发展新技术，研制新装备，为水合物商业化开发提供监测手段、安全保障，同时为环境影响评估提供数据基础，为地球化学、地球物理等交叉学科的研究探索提供必要的支撑，具有一定的普适性和推广前景。为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：提供一种深海水合物原位立体监测系统，共包括3大系统，海底水合物地层钻进系统、原位地层长期多参数监测系统和水合物地表智能观测系统。海底水合物地层钻进系统由两个模块组成：深海地层监测杆布放系统和海底地层钻进机器人，模块之间协同合作完成地层钻进任务。深海地层监测杆布放系统为可自主水下定位并移动的布缆钻机，用于在地层内布放纵向刚性监测杆，重点研发监测杆接卸存储系统、回旋钻进系统和水下自主定位与移动系统，共计3个子系统。地层自主钻探机器人为海底地层柔性监测缆布放装置，采用中空结构、海底电驱，线性模块化设计可根据地层情况增加钻进推力，采用仿生蠕动的运动方式可在土壤中灵活转弯、前进，可实现监测缆在海底地层内的任意姿态布放。地层自主钻探机器人布放的监测缆由于为柔性细缆，布放的地层阻力较小，又由于地层自主钻探机器人的自身尺寸较小，可以实现在底层内的低扰动布放，针对地层某深度进行小范围的高精度水平监测网布放。水合物试采区原位地层长期多参数监测系统可分为四大模块：刚性监测杆模块、柔性监测缆模块、中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深海水合物原位立体监测系统，包括原位地层长期多参数监测系统，所述原位地层长期多参数监测系统包括刚性监测杆模块、柔性监测缆模块、地层孔隙水取样模块、中央数据采集及控制模块；/n所述刚性监测杆模块包括在刚性监测杆上集成有MEMS加速度传感器、温度传感器、压力传感器、甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器和PH传感器，用于监测地层地球化学多参量参数；/n所述柔性监测缆模块包括在柔性监测缆上集成有MEMS加速度传感器、温度传感器和压力传感器，用于监测海底地层变形数据；/n所述中央数据采集及控制模块设置在刚性监测杆上，所述中央数据采集及控制模块用于采集地层地球化学多参量参数以及海底地层变形数据、并通过水声通信或浮标通信与母船上的中央控制中心与监测设备进行数据传输，所述中央控制中心与监测设备还对中央数据采集及控制模块进行采集控制；/n所述地层孔隙水取样模块存储水合物地层孔隙水在刚性监测杆上，每一根刚性监测杆内部存储有对应深度地层的长期地层孔隙水。/n

【技术特征摘要】
20210323 CN 20211030705231.一种深海水合物原位立体监测系统，包括原位地层长期多参数监测系统，所述原位地层长期多参数监测系统包括刚性监测杆模块、柔性监测缆模块、地层孔隙水取样模块、中央数据采集及控制模块；
所述刚性监测杆模块包括在刚性监测杆上集成有MEMS加速度传感器、温度传感器、压力传感器、甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器和PH传感器，用于监测地层地球化学多参量参数；
所述柔性监测缆模块包括在柔性监测缆上集成有MEMS加速度传感器、温度传感器和压力传感器，用于监测海底地层变形数据；
所述中央数据采集及控制模块设置在刚性监测杆上，所述中央数据采集及控制模块用于采集地层地球化学多参量参数以及海底地层变形数据、并通过水声通信或浮标通信与母船上的中央控制中心与监测设备进行数据传输，所述中央控制中心与监测设备还对中央数据采集及控制模块进行采集控制；
所述地层孔隙水取样模块存储水合物地层孔隙水在刚性监测杆上，每一根刚性监测杆内部存储有对应深度地层的长期地层孔隙水。


2.根据权利要求1所述的深海水合物原位立体监测系统，其特征在于：还包括海底水合物地层钻进系统，其包括用于刚性监测杆纵向布放的深海地层监测杆布放系统、和用于柔性监测缆横向布放的海底地层钻进机器人。


3.根据权利要求1所述的深海水合物原位立体监测系统，其特征在于：还包括水合物地表智能观测系统，其包括甲烷判读定级观测模块、地球化学观测模块和微地震观测模块，
所述甲烷判读定级观测模块包括HD图像视频采集模块、激光散射模块、以及在所述中央控制中心与监测设备中设置的气泡溶解扩散模型；所述HD图像视频采集模块依靠cdd高速相机记录气泡流运动轨迹，估算大气泡流动的数量；激光散射模块捕捉微纳米气泡，对微纳米级气泡进行粒径、浓度测量；所述气泡溶解扩散模型用于通过获取气泡在不同区域的扩散状态，结合气泡粒径与气体分子数之间的关系预测甲烷气体泄露总量；
所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈家旺，阮东瑞，朱海，翁子欣，郭进，胡晓辉，周航，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33