[發明專利]一種深海水合物原位立體監測系統

有效

• 申請號: 202110460827.0
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113175951B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 陳家旺;阮東瑞;朱海;翁子欣;郭進;胡曉輝;周航
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 朱瑩瑩;周世駿

1.一種深海水合物原位立體監測系統，包括原位地層長期多參數監測系統，所述原位地層長期多參數監測系統包括剛性監測桿模塊、柔性監測纜模塊、地層孔隙水取樣模塊、中央數據采集及控制模塊；

所述剛性監測桿模塊包括在剛性監測桿上集成有MEMS加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、甲烷傳感器、硫化氫傳感器、溶解氧傳感器和PH傳感器，用于監測地層地球化學多參量參數；

所述柔性監測纜模塊包括在柔性監測纜上集成有MEMS加速度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，用于監測海底地層變形數據；

所述中央數據采集及控制模塊設置在剛性監測桿上，所述中央數據采集及控制模塊用于采集地層地球化學多參量參數以及海底地層變形數據、并通過水聲通信或浮標通信與母船上的中央控制中心與監測設備進行數據傳輸，所述中央控制中心與監測設備還對中央數據采集及控制模塊進行采集控制；

所述地層孔隙水取樣模塊存儲水合物地層孔隙水在剛性監測桿上，每一根剛性監測桿內部存儲有對應深度地層的長期地層孔隙水；

還包括水合物地表智能觀測系統，其包括甲烷判讀定級觀測模塊、地球化學觀測模塊和微地震觀測模塊，

所述甲烷判讀定級觀測模塊包括HD圖像視頻采集模塊、激光散射模塊、以及在所述中央控制中心與監測設備中設置的氣泡溶解擴散模型；所述HD圖像視頻采集模塊依靠ccd高速相機記錄氣泡流運動軌跡，估算大氣泡流動的數量；激光散射模塊捕捉微納米氣泡，對微納米級氣泡進行粒徑、濃度測量；所述氣泡溶解擴散模型用于通過獲取氣泡在不同區域的擴散狀態，結合氣泡粒徑與氣體分子數之間的關系預測甲烷氣體泄露總量；

所述微地震觀測模塊用于獲取水合物地層微震信息；

所述地球化學觀測模塊為集成諸多探測傳感器為一體的海底監測網，用于長期實時監測海底表面溫度、壓力、流體地球化學物質的泄露參數。

2.根據權利要求1所述的深海水合物原位立體監測系統，其特征在于：還包括海底水合物地層鉆進系統，其包括用于剛性監測桿縱向布放的深海地層監測桿布放系統、和用于柔性監測纜橫向布放的海底地層鉆進機器人。

3.根據權利要求2所述的深海水合物原位立體監測系統，其特征在于：所述HD圖像視頻采集模塊：記錄大氣泡上升過程中粒徑、速度、形態變化規律，統計一定時間、環境下，氣泡擴散量；在ccd高速相機的窗口、框架處進行尺度標記，從而定量得到氣泡粒徑。

4.根據權利要求1所述的深海水合物原位立體監測系統，其特征在于：激光散射模塊捕捉微納米氣泡：采用顆粒過濾器對大顆粒進行過濾，并將大氣泡進行破碎分裂，采用光散射對獲取的溶液中微納米氣泡粒徑、濃度進行原位、連續性測量，利用高分辨率相機捕捉微納米氣泡在光散射下的運動狀態。

5.根據權利要求1所述的深海水合物原位立體監測系統，其特征在于：所述氣泡溶解擴散模型建立：使用氣泡溶解模型模擬氣泡因溶解在水柱中而收縮，因上升和氣提過程中靜水壓力降低而膨脹，氣體組分的熱力學和輸運性質從各狀態方程和擴散系數的經驗方程、傳質系數和氣泡上升速度計算，結合壓力、溫度和鹽度條件；基于質量平衡方程、稀釋物質的輸運，建立羽流擴散模型，得到氣泡的擴散狀態。

6.根據權利要求1所述的深海水合物原位立體監測系統，其特征在于：所述氣泡粒徑與氣體分子數量關系：結合同步輻射軟線法、液體桿掃描透射電鏡、原子力顯微鏡等手段對氣泡內部進行表征，建立粒徑與氣體分子關系模型，從而實現對甲烷氣體泄露量的準確預測。

7.根據權利要求1所述的深海水合物原位立體監測系統，其特征在于：所述微地震觀測模塊包括在地表布放多組檢波器，通過檢波器確定破裂發生的位置、獲取水合物區的內部流體運移演化、地層巖體損傷及內部裂紋演化過程。

8.根據權利要求2所述的深海水合物原位立體監測系統，其特征在于：深海地層監測桿布放系統為可自主水下定位并移動的布纜鉆機，用于在地層內布放縱向剛性監測桿。