基于沉積法的海底天然氣滲漏活動特征檢測

王曉光，姜立芳，尹建國，劉榮波，朱紹東

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)大隊，山東 濰坊 261021)

在能源日益枯竭的今天，海底天然氣成為緩解能源問題的重要內(nèi)容，其滲漏活動會產(chǎn)生大量的可燃冰(天然氣水合物)，為人類的生產(chǎn)提供新的能源。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，天然氣水合物對于全球氣候變暖的敏感度過高，其發(fā)展物態(tài)變化時會釋放大量的甲烷，引起復(fù)雜的海洋生物地球化學(xué)循環(huán)活動[1-2]。為了更好地獲取新型能源、保護(hù)海洋環(huán)境，在以往的研究中，海洋領(lǐng)域與石油領(lǐng)域的專家學(xué)者提出了海底天然氣滲漏活動特征檢測方法，通過研究海底天然氣滲漏活動特征的形式，深入研究天然氣水合物的形成問題，為后續(xù)的能源開采與保護(hù)提供技術(shù)支持。

近年來，隨著海洋開發(fā)活動的推動，海底環(huán)境逐漸呈現(xiàn)出復(fù)雜化發(fā)展的趨勢，傳統(tǒng)的海底天然氣滲漏活動特征檢測方法檢測精度已經(jīng)無法滿足人們的需求，為此需要設(shè)計一種新型方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，完成檢測工作。為了獲取使用效果更佳的檢測方法，在本次研究中對大量文獻(xiàn)進(jìn)行分析，為本次研究提供幫助。在文獻(xiàn)[3]中提出了一種應(yīng)用CSEM探測技術(shù)的海底天然氣水合物檢測方法，此方法的計算能力較好，可有效提升檢測速度，但其檢測精度相對較差，無法提供高精度結(jié)果以供后續(xù)分析。

針對此問題，設(shè)計基于沉積法的海底天然氣滲漏活動特征檢測方法，希望應(yīng)用沉積法改進(jìn)當(dāng)前方法的不足，為日后的海洋開發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，海底檢測的技術(shù)也不斷成型，本文設(shè)計新型海底天然氣滲漏活動特征檢測方法通過在海底投放小型移動式觀測平臺對海底沉積物與水合物信息進(jìn)行收集，測量甲烷濃度、二氧化碳濃度、pH值、溶解氧濃度等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳感器回收信息傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)值分析海底沉積物與水合物信息，判斷海底天然氣滲漏位置。檢測方法總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 檢測方法總體結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Overall structure design of detection method

通過對海底沉積物與水合物中的甲烷濃度、二氧化碳濃度、pH值、溶解氧濃度的檢測，判斷當(dāng)前位置是否為天然氣滲漏地點，以此作為依據(jù)采取相應(yīng)的措施。

2 海底天然氣滲漏活動特征檢測方法設(shè)計

2.1 確定海底天然氣滲漏位置

在本次研究中為了更好地完成海底天然氣滲漏活動特征檢測，首先需要確定海底天然氣滲漏位置。在對大量的文獻(xiàn)展開研究后，在海底投放小型移動式觀測平臺，此平臺中含有回收與監(jiān)測兩部分，觀測平臺參數(shù)見表1。使用上述參數(shù)組建海底觀測平臺，并使用此平臺采集海底信息，對海底天然氣滲漏情況加以分析。在本次研究中將主要對海底化學(xué)數(shù)據(jù)展開計算與處理，根據(jù)此數(shù)據(jù)確定天然氣滲漏點。根據(jù)以往研究結(jié)果，選擇甲烷濃度、二氧化碳濃度、pH值、溶解氧濃度[4-6]作為測定指標(biāo)。具體數(shù)據(jù)處理過程設(shè)定如下。

表1 海底觀測平臺參數(shù)Tab.1 Parameters of seabed observation platform

(1)甲烷濃度。根據(jù)觀測平臺獲取甲烷濃度，直接讀取數(shù)據(jù)即可，保留數(shù)據(jù)至32位，無需計算。

(2)二氧化碳濃度。直接讀取傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保留至33位，無需計算。

(3)pH值。根據(jù)預(yù)設(shè)公式，通過平臺電壓與溫度計算得到海底水流的pH值，具體計算過程：

(1)

式中，T為數(shù)據(jù)采集周期長度；U為觀測平臺輸出電壓；x0為計算中的線性回歸函數(shù)[7]；x1為計算中的斜率回歸公式；N為計算過程校正因子[8-9]。

根據(jù)此公式可得到f(T)計算式，則有：

f(T)=x0+x1(T)+x2(T)2

(2)

使用此公式可對測定周期中的單一pH值展開計算，將式(2)代入式(1)中，得到最終的pH值輸出結(jié)果。

(4)溶解氧濃度。根據(jù)以往研究中的計算公式，對本次使用的計算公式展開設(shè)定，則有：

D=O2RWTP

(3)

其中，O2為觀測平臺輸出電壓；R為測量前設(shè)定的斜率回歸函數(shù)；P為實際的大氣壓強；T為測量時的海底溫度。

使用上述參數(shù)對海底實際化學(xué)參數(shù)展開分析，并根據(jù)化學(xué)參數(shù)分析結(jié)果結(jié)合物理參數(shù)確定海底天然氣滲漏位置。

2.2 測定天然氣水合產(chǎn)物化學(xué)成分

在確定海底天然氣滲漏位置后，獲取當(dāng)?shù)睾５讟颖荆褂贸练e法對天然氣水合物展開測定。在水合物測定環(huán)節(jié)中所需設(shè)備設(shè)定見表2；確定水合產(chǎn)物的測定儀器后，選擇合適的試劑完成分析過程，試劑選擇結(jié)果見表3。

表2 水合產(chǎn)物測定儀器Tab.2 Hydrated product measuring instrument

表3 水合產(chǎn)物測定試劑Tab.3 Reagents for determination of hydration products

使用上述設(shè)定的試劑與儀器完成沉積物的測定過程。研究中將沉積物設(shè)定為生物硅與活性硅[10-11]2部分，在此2部分測定完成后，對沉積物元素組成進(jìn)行分析。并對水合物的氯離子濃度與氧元素展開測定。

(1)氯離子濃度。

(4)

式中，pH為天然氣水合物酸堿度；Cli與Clj為海水中實測的氯離子濃度與天然氣水合物的氯離子濃度。

(2)氧元素濃度。根據(jù)觀測平臺獲取氧元素濃度物理量，直接讀取數(shù)據(jù)即可。根據(jù)此2種參數(shù)對水合物質(zhì)量進(jìn)行分析，確定天然氣水合物化學(xué)成分。

2.3 天然氣滲漏活動特征分析

根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果可知，天然氣滲漏活動主要由甲烷釋放活動為主，同期伴有海底沉降物。在本次研究中為了更好地完成海底天然氣滲漏活動分析工作，在確定水合物活性后，對采集到的沉積物進(jìn)行物理特征分析，以此確定天然氣滲漏活動特征。為獲取可靠性更高的分析結(jié)果，對沉積物的粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，過程：

α=-lgE

(5)

式中，E為顆粒物直徑。

根據(jù)顆粒物直徑計算結(jié)果，對沉積物的形式展開分析。同時，求取沉積顆粒物直徑平均值：

(6)

以平均值計算結(jié)果作為后續(xù)分析中的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并對沉積物中的有機碳[12-13]含量進(jìn)行測定：

(7)

(8)

式中，Q為沉積物有機碳含量；u(FeSO4)為測定過程中使用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液[14]濃度；Vi與Vj為測定組滴入的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度；O為沉積物稱取量；FH2O為風(fēng)干沉積物含水量。

根據(jù)上述兩部分可確定沉積物的元素組成，由此可對海底天然氣滲漏活動情況展開初步分析，為了更好地確定天然氣滲漏活動特征，需要對第2部分采集到的水合物進(jìn)行二次分析，確定水合物的資源量，具體公式如下：

G=G1+G2+G3

(9)

式中，G為水合物總體含量；G1為天然氣水合物分解生成的氣體總量；G2為游離天然氣總量；G3為可溶性氣體總量。

根據(jù)此公式可得到的計算內(nèi)容，具體如下：

G1=UK=ΔC×α×L×X

(10)

式中，U為天然氣水合物中的甲烷含量；K為天然氣水合物中的甲烷聚集度[15-16]；L為氣體回收量；X為氣體分解資源量。

根據(jù)上述公式可對海底可溶性氣體的含量與變動進(jìn)行分析，并得到甲烷變化量。由此公式計算結(jié)果，可以確定海底天然氣滲漏活動的強度，并得到天然氣滲漏活動特征。

將文中使用的儀器、試劑以及計算過程進(jìn)行整理，即將其傳統(tǒng)的海底天然氣滲漏活動特征檢測方法相結(jié)合，至此，基于沉積法的海底天然氣滲漏活動特征檢測方法設(shè)計完成。

3 實驗分析

3.1 實驗操作環(huán)境設(shè)定

由于實驗過程具有復(fù)雜性，因在實際海域模擬海底天然氣泄露會污染海水，為了提高實驗的真實性，驗證提出的基于沉積法的海底天然氣滲漏活動特征檢測方法的有效性，以山東省日照市海水養(yǎng)殖總場為實驗對象，設(shè)定部分區(qū)域為此次實驗區(qū)域，構(gòu)建實驗環(huán)節(jié)對其檢測效果展開分析(圖2)。

圖2 海水養(yǎng)殖總場實驗位置Fig.2 Experimental location of general sea water culture farm

在此區(qū)域內(nèi)對海底天然氣滲漏過程進(jìn)行實驗，并使用沉積方法與傳統(tǒng)方法作對比，共同對實驗中的天然氣滲漏活動特征進(jìn)行檢測，根據(jù)實驗結(jié)果完成對比過程，并分析兩者的不同。實驗中需要使用大量的傳感器完成實驗過程，傳感器型號以及用途設(shè)定見表4。

表4 實驗傳感器型號設(shè)定Tab.1 Experimental sensor model setting

實驗中所使用的方法均使用上述傳感器完成數(shù)據(jù)采集過程，并根據(jù)各自設(shè)定的檢測內(nèi)容獲取各自的檢測結(jié)果，將檢測結(jié)果存儲在計算機數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的實驗結(jié)果分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 實驗方案設(shè)定

為提升實驗結(jié)果的可靠性，共設(shè)定10組天然氣滲漏活動作為實驗組。在每個實驗組中都設(shè)置MYPIN定時器與科威納氣動執(zhí)行器，如圖3所示。

圖3 MYPIN定時器與科威納氣動執(zhí)行器Fig.3 MYPIN timer and Corvina pneumatic actuator

定時釋放天然氣用以模擬實際天然氣泄漏的場景，通過傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸至實驗計算機進(jìn)行分析。實驗過程如圖4所示。

圖4 實驗流程設(shè)定Fig.4 experiment flow setting

按照方案設(shè)定完成實驗過程，獲取實驗結(jié)果。通過文獻(xiàn)研究，將實驗對比指標(biāo)設(shè)定為3部分，分別為天然氣滲漏活動特征劃分精度、水合物特征數(shù)據(jù)計算精度以及檢測成本。此次實驗立足于檢測精度與成本兩部分，對沉積方法與傳統(tǒng)方法的檢測效果與性能加以分析。實驗中計算量較大，在運算過程中需要保證計算精度，避免由于誤差造成實驗結(jié)果失真的問題。

3.3 實驗結(jié)果分析

由上述圖像可以看出，實驗中沉積方法對于天然氣滲漏活動特征的劃分精度相對較高，在多次實驗中基本控制在86%以上，此種特征劃分結(jié)果在后續(xù)的研究中具有較好的使用效果。

與沉積方法相比，傳統(tǒng)方法對于天然氣滲漏活動特征的劃分精度相對較低。對圖像進(jìn)行分析(圖5)可以看出，傳統(tǒng)方法的圖像波動較大，可見其對不同種類天然氣滲漏活動的特征提取能力具有差異，證實了此方法的適用性較低。綜合上述實驗結(jié)果可知，沉積方法使用后可得到人們預(yù)期的檢測結(jié)果。

圖5 天然氣滲漏活動特征劃分精度Fig.5 Classification accuracy of natural gas leakage activity characteristics

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，在對水合物特征數(shù)據(jù)進(jìn)行計算時，3種實驗方法所得結(jié)果差異較大。對不同方法的組成內(nèi)容展開研究后可以發(fā)現(xiàn)，由于沉積方法中應(yīng)用沉積法對水合物與沉積物的粒度進(jìn)行了計算與控制，在一定程度上提升了水合物特征提取結(jié)果精度。傳統(tǒng)方法并未對水合物與沉積

物的粒度展開計算，只是按照測定順序?qū)λ衔锏奈锢硖卣髡归_分析，并根據(jù)此結(jié)果得到水合物特征數(shù)據(jù)。其計算過程較為單一，過程中變量較多，影響了分析結(jié)果的計算精度(表5)。

表5 水合物特征數(shù)據(jù)計算精度Tab.5 Calculation accuracy of hydrate characteristic data

在本次研究中，由于實驗海水具有流動性易產(chǎn)生差異，故將檢測成本實驗結(jié)果體現(xiàn)為檢測成本波動性數(shù)據(jù)。對此部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以看出，在對相同的樣本進(jìn)行分析時，沉積方法的檢測成本控制能力優(yōu)于傳統(tǒng)方法，此方法在實驗中有效降低檢測成本，控制其波動性。為此在日后的實際研究中，為保證檢測方法的經(jīng)濟性，應(yīng)選擇沉積方法完成處理過程(圖6)。

圖6 天然氣滲漏活動特征檢測成本Fig.6 Cost of detection of natural gas leakage activity characteristics

對研究中選擇的3組實驗結(jié)果進(jìn)行綜合分析可以看出，沉積法應(yīng)用后海底天然氣滲漏檢測方法的使用性能與檢測效果得到了明顯提升，在今后的研究中可多使用此方法對海底天然氣展開分析。

4 結(jié)語

研究通過測量海底沉積物與水合物的形式，構(gòu)建了新型海底天然氣滲漏活動特征檢測方法，并有效解決了當(dāng)前方法檢測精度較低以及成本過高的問題。由于技術(shù)上的限制，此方法在設(shè)計過程中還存在相應(yīng)的問題，在日后的實際應(yīng)用過程中還需對其進(jìn)行優(yōu)化與完善，為后續(xù)的海底天然氣開采提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與來源。