深海水合物原位立體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 朋 高 峰 梁 濤 方玉平 何 開

（浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021）

0 引言

天然氣水合物是一種非常規(guī)天然氣資源，被認(rèn)為是未來全球最有潛力的替代能源。雖然我國已經(jīng)對天然氣水合物資源進(jìn)行了探索性試采、試驗(yàn)性試采，但是離商業(yè)化開采還有較大差距，探索持續(xù)、高效以及安全的開采技術(shù)仍是天然氣水合物開發(fā)的主要目標(biāo)。針對海底開采天然氣可能會帶來一系列的問題，例如海床的變形沉降失穩(wěn)、開采井周邊區(qū)域地層的破壞坍塌以及海底滑坡等問題，不但會破壞深海油氣鉆探、輸油管道以及海底電纜等海底工程設(shè)施，而且還會引發(fā)海嘯，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。

因此，該文設(shè)計(jì)了一種深海水合物地層原位立體監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)展新技術(shù)，研制新裝備，為水合物商業(yè)化開發(fā)提供監(jiān)測手段和安全保障，同時為環(huán)境影響評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為地球化學(xué)、地球物理等交叉學(xué)科的研究探索提供必要的支撐，具有一定的普適性和推廣前景。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該文所設(shè)計(jì)的深海水合物原位立體監(jiān)測系統(tǒng)共包括3個系統(tǒng)，海底水合物地層鉆進(jìn)系統(tǒng)、原位地層長期多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)和水合物地表智能觀測系統(tǒng)。其中海底水合物地層鉆進(jìn)系統(tǒng)分為深海地層監(jiān)測桿布放系統(tǒng)模塊和海底地層鉆進(jìn)機(jī)器人模塊；原位地層長期多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)分為剛性監(jiān)測桿模塊、柔性監(jiān)測纜模塊和地層孔隙水取樣模塊；水合物地表智能觀測系統(tǒng)分為甲烷判讀定級觀測模塊、地球化學(xué)觀測模塊和微地震觀測模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中地層原位立體監(jiān)測的地層鉆進(jìn)、地層長期監(jiān)測與取樣以及水合物地表智能觀測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對地層和地表的原位立體監(jiān)測。綜合原位監(jiān)測、取樣和原位智能判別與分析，形成監(jiān)測、檢測與預(yù)測的有機(jī)統(tǒng)一。首先基于海底水合物地層鉆進(jìn)系統(tǒng)，采用深海地層監(jiān)測桿布放系統(tǒng)和地層自主鉆探機(jī)器人相結(jié)合的布放方式，將監(jiān)測設(shè)備布放在地層。與此同時，通過連接中央控制中心與監(jiān)測設(shè)備，形成原位地層長期多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，基于此獲取地層數(shù)據(jù)（包括溫度、壓力、變形以及流體地球化學(xué)參數(shù)等）和地層流體地球化學(xué)的運(yùn)移路徑，分析運(yùn)移過程，修正監(jiān)測設(shè)備的布放，校準(zhǔn)預(yù)測模型。最后，與水合物地表智能觀測系統(tǒng)結(jié)合分析，研究地層、地表之間的相互影響，形成及時獲取海底活動并對其進(jìn)行分析預(yù)測的能力，準(zhǔn)確預(yù)測海底水合物商業(yè)化開采對環(huán)境的影響。建立真正與海底水合物地層相適應(yīng)的、能夠解決地層長期多參數(shù)監(jiān)測與分析等重大工程技術(shù)問題的監(jiān)測新手段、預(yù)測新模型。

2 關(guān)鍵模塊參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 剛性檢測桿模塊設(shè)計(jì)

剛性監(jiān)測桿模塊將MEMS 加速度傳感器[2]、溫度傳感器、壓力傳感器、甲烷傳感器、硫化氫傳感器、溶解氧傳感器以及pH 等傳感器集成在監(jiān)測桿上，監(jiān)測地層地球化學(xué)多參量參數(shù)，生成三維溫壓場。

剛性監(jiān)測桿的結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示，其中的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在孔隙水取樣子模塊、傳感器桿內(nèi)布放與驅(qū)動子模塊和桿間近場通信子模塊。

圖2 剛性監(jiān)測桿內(nèi)部示意圖

2.1.1 孔隙水取樣子模塊

孔隙水取樣子模塊主要是借助水下鉆桿自身攜帶的電機(jī)驅(qū)動取樣裝置插入試采區(qū)地層淺層。該模塊的特點(diǎn)是在試采區(qū)地層通過高密度布放孔隙過濾毛細(xì)管，實(shí)現(xiàn)對海底時間序列化的空間層位的高分辨化孔隙水保壓取樣。該功能主要由組成裝置的3 個子系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，這3 個子系統(tǒng)分別為取樣模塊、導(dǎo)管存放裝置以及抽拉系統(tǒng)。

取樣模塊布置于鉆桿內(nèi)，取樣鉆桿長300 cm，在豎直方向上每隔30 cm 水平布放1 根取樣針管。為了讓取樣針管在鉆桿貫入沉積物土層時不受其他土層的污染，需要保證在鉆桿插入土層前，取樣針管一直位于鉆桿內(nèi)，到達(dá)取樣位置后通過位于鉆桿內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動取樣針管插入土層。

導(dǎo)管存放裝置采取長導(dǎo)管存樣的形式，將長導(dǎo)管內(nèi)預(yù)先充滿去離子水，根據(jù)質(zhì)量傳輸傳質(zhì)定理，去離子水與孔隙水樣品不會相互發(fā)生擴(kuò)散，最終取樣結(jié)束后去離子水全部流進(jìn)抽拉裝置中的保壓筒內(nèi)，長導(dǎo)管中全部裝滿孔隙水樣品。

抽拉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要為孔隙水取樣提供動力，抽拉系統(tǒng)由電機(jī)為存水保壓筒提供動力，由1 個連接支架固定。存水保壓筒內(nèi)通過活塞和活塞桿與驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行連接。取樣結(jié)束后由電機(jī)驅(qū)動將取樣針管抽回鉆桿內(nèi)。

2.1.2 傳感器桿內(nèi)布放與驅(qū)動子模塊

通過改造鉆桿得到監(jiān)測桿，并通過深海地層監(jiān)測桿布放系統(tǒng)將其布放至指定位置，鉆桿具有一般適用的尺寸。另外，鉆桿尺寸越大，相對應(yīng)的深海地層監(jiān)測桿布放系統(tǒng)的尺寸就越大，綜合考慮布放裝置和傳感器的尺寸，將監(jiān)測桿的外徑設(shè)置為76 mm 或附近的常用尺寸。部分傳感器需要進(jìn)入地層內(nèi)部進(jìn)行測量，而部分傳感器的測量需要建立液體或者空腔環(huán)境，因此以監(jiān)測桿為硬件基礎(chǔ)搭建測量環(huán)境是目前比較容易實(shí)現(xiàn)也是可取的方式。需要與地層直接接觸進(jìn)行測量的傳感器的側(cè)向推出對機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了要求，需要由特殊設(shè)計(jì)驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)側(cè)推。利用水下電機(jī)驅(qū)動偏心輪旋轉(zhuǎn)，帶動支撐板進(jìn)行偏心運(yùn)動，使傳感器完成側(cè)向推出和返回。

2.1.3 桿間近場通信子模塊

電磁耦合技術(shù)的水下通信具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、通信距離短、硬件成本低以及電路能耗低等特點(diǎn)。電磁耦合通信能夠在磁場可以穿透的任何地方使用，包括海水、泥漿等惡劣環(huán)境，在深海作業(yè)中只需要為電路做防水耐壓處理即可使用；同時ICL 的發(fā)信線圈與受信線圈之間的距離較近，因此非接觸式通信的耦合效率較高，且傳輸時所需要的能量較小，使整個電路對能耗的要求也很小，可以方便地實(shí)現(xiàn)低功耗電路，特別適合于由電池供電的場合。ICL 通信十分適合剛性監(jiān)測桿之間的數(shù)據(jù)通信[3]。設(shè)計(jì)了ICL 通信模塊，其模塊框圖如圖3 所示，包括發(fā)射電路與接收電路2 個部分。在發(fā)射電路中，探頭中各傳感器數(shù)據(jù)送入微控制器，電路輸出數(shù)字信號進(jìn)入模擬乘法器和載波信號形成調(diào)制信號；經(jīng)放大電路接入功率放大電路輸出，再經(jīng)RC 匹配過的發(fā)射線圈[4]發(fā)射出去。在電路實(shí)現(xiàn)上，因磁通隨距離變化，應(yīng)在發(fā)射端采用功率調(diào)節(jié)，即圖3 中的程控功率放大調(diào)節(jié)電路，使接收端信號電平相對穩(wěn)定。

圖3 ICL 原理圖

接收電路部分，先由接收線圈接收信號送入鎖定放大電路（Lock—in amplifier，LIA）；鎖定放大電路包括前置放大電路、模擬開關(guān)PSD、參考移相電路以及帶通濾波電路；信號由鎖定放大電路輸出進(jìn)入解調(diào)電路并輸出數(shù)字信號，再送入后續(xù)電路進(jìn)行處理運(yùn)算。其中前置放大電路可根據(jù)ICL 理論分析的結(jié)果來設(shè)計(jì)。之所以使用鎖定放大電路，首先是為了降低環(huán)境噪聲的干擾，采用ICL 發(fā)射信號時也增加了射頻噪聲；其次是信號微弱，要達(dá)到足夠的信噪比，則帶通濾波器的帶寬必須非常窄，Q值必須非常高，但Q值太高的帶通濾波器往往不太穩(wěn)定，溫度、電源電壓的波動均會使濾波器的中心頻率發(fā)生變化，最終系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作。而使用鎖定放大電路可以很好地解決上述問題[4]。

2.2 柔性監(jiān)測纜模塊

天然氣水合物的分解及開采所釋放的甲烷氣體上升至海底淺層沉積物，會引起海底淺層沉積物的溫度、壓力特征變化[5]。因此將MEMS 加速度傳感器、溫度傳感器以及壓力傳感器集成為柔性監(jiān)測纜。通過自主鉆探機(jī)器人布放于地層內(nèi)部，使柔性監(jiān)測纜與泥土充分耦合，獲得地層的溫壓場特征，同時當(dāng)?shù)貙影l(fā)生傾斜或者移動的時候，監(jiān)測纜隨著發(fā)生彎曲與扭轉(zhuǎn)，再利用基于傳感陣列的海底地層形變?nèi)S重構(gòu)技術(shù)，可以將傳感陣列的彎曲扭轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換為地層真實(shí)的變形及傾斜量，并用圖形可視化的方式使其在線顯示出來。主要研究內(nèi)容包括柔性監(jiān)測纜集成技術(shù)、多通道多數(shù)據(jù)信號采集技術(shù)、溫壓場特征及地層變形重構(gòu)技術(shù)。

2.3 中央數(shù)據(jù)采集及控制模塊

中央數(shù)據(jù)采集及控制模塊由地表與地層多參量監(jiān)測纜多通道數(shù)據(jù)采集單元、綜合控制單元、通信及定位單元和電池艙組成，綜合控制單元主要接收水面綜合控制與解析軟件系統(tǒng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)水下采集設(shè)置、電源監(jiān)測等功能；通信及定位單元進(jìn)行通信數(shù)據(jù)定義與通信編碼設(shè)計(jì)，完成對海底監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和自動上傳；多通道數(shù)據(jù)采集測量單元主要采集各監(jiān)測桿、監(jiān)測纜和地表智能觀測系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，例如原位多參量長期監(jiān)測設(shè)備發(fā)送的溫度、壓力、溶解氧濃度以及地形形變等參量數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)存儲與原位測試分析，在需要時可以通過水聲通信設(shè)備完成系統(tǒng)上傳工作狀態(tài)及采集的數(shù)據(jù)的任務(wù)；電池單元主要為系統(tǒng)提供電源，實(shí)現(xiàn)智能電源功率分配，具有一定的冗余備份。

通道多數(shù)據(jù)信號采集是通過多總線多通道采集溫度、壓力與加速度3 個分量的信息，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力和加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)的回傳與接收、水下溫壓、地層監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)查詢與異常警告以及監(jiān)測系統(tǒng)工作模式的更改等功能。

監(jiān)測纜的多通道數(shù)據(jù)同步采集采用RS485 總線。因?yàn)楸O(jiān)測范圍較大、監(jiān)測纜的長度達(dá)到幾十米或上千米，信號傳輸距離較長，RS485 總線的通信距離長達(dá)1 200 m，通信節(jié)點(diǎn)可達(dá)60 多個，所以采用半雙工的方式，增加了通信的可靠性。基于RS485 總線，擬采用問詢式的采集方式，為組網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的RS485 物理地址，然后采集板依次詢問每個節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)并解析完成后打印在串口上或者存儲在采集卡中，監(jiān)測桿的多通道多數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測纜采樣相似的思路。

3 預(yù)期目標(biāo)

3.1 科學(xué)目標(biāo)

創(chuàng)新性研制一套具有國際領(lǐng)先水平的深海水合物試采區(qū)原位立體監(jiān)測系統(tǒng)，研制可以深入海底水合物試采區(qū)地層進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和分析的裝備體系，為水合物商業(yè)化開采提供參考標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。

該文研究甲烷在地層內(nèi)的水氣兩相輸移機(jī)制及其關(guān)鍵影響因素，對海底表層的甲烷逸散進(jìn)行判讀定級，探索深海地層和地表之間的耦合作用機(jī)理及甲烷濃度在海底立體空間的分布規(guī)律。

建立地層中水合物水氣兩相輸移過程和通量的計(jì)算模型和深海水體中甲烷逸散濃度的預(yù)測模型和評估方法，準(zhǔn)確評估與預(yù)測水合物商業(yè)化開采可能面臨的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)并建立相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施。監(jiān)測開采后的甲烷經(jīng)由地層到地表，在立體空間重新生成水合物的全過程，預(yù)測開采造成的甲烷逸散參數(shù)，在工藝上采取對應(yīng)措施，減少對環(huán)境的影響。

3.2 應(yīng)用目標(biāo)

研發(fā)一套可靈活深入地層、在地層內(nèi)靈活布置、可長期獲取地層、地表多參數(shù)且監(jiān)測范圍足夠大的海底水合物試采區(qū)地層長期立體監(jiān)測系統(tǒng)，配合地表取樣設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備，搭建立體監(jiān)測平臺，形成原位數(shù)據(jù)分析與處理能力，并且最終使具備試采的環(huán)境影響評估與預(yù)測能力。

該技術(shù)與裝備系統(tǒng)應(yīng)用將涵蓋從海底水合物試采區(qū)長期多參數(shù)立體監(jiān)測、海底原位取樣（地層深部）、原位判定分析與預(yù)測等相關(guān)領(lǐng)域，為我國水合物安全商業(yè)化開發(fā)提供從基礎(chǔ)理論、技術(shù)研發(fā)到工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)手段和技術(shù)裝備。

4 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)可將該系統(tǒng)靈活深入地層，并在地層內(nèi)靈活布置、可長期獲取地層、地表多參數(shù)且監(jiān)測范圍足夠大，配合地表取樣設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備，搭建立體監(jiān)測平臺，形成原位數(shù)據(jù)分析與處理能力，并且最終具備試采的環(huán)境影響評估與預(yù)測能力。該技術(shù)與裝備系統(tǒng)應(yīng)用將涵蓋從海底水合物試采區(qū)長期多參數(shù)立體監(jiān)測、海底原位取樣（地層深部）、原位判定分析與預(yù)測等相關(guān)領(lǐng)域，為我國水合物安全商業(yè)化開發(fā)提供從基礎(chǔ)理論、技術(shù)研發(fā)到工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)手段和技術(shù)裝備。