[發明專利]一種凍土區天然氣水合物開發環境效應監測系統及方法

有效

• 申請號: 202110515352.0
• 申請日: 2021-05-12
• 公開（公告）號: CN113216932B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 張富貴;王惠艷;周亞龍;張舜堯;楊志斌
• 申請（專利權）人: 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所
• 主分類號: E21B47/00
• 分類號: E21B47/00;E21B43/00;G01D21/02
• 代理公司: 江蘇銀創律師事務所 32242
• 代理人: 何震花

本發明涉及一種凍土區天然氣水合物開發環境效應監測系統及方法，在開采井下凍土層、天然氣水合物富集層、井底分別設置監測單元；在鉆井平臺設置1個監測單元，監測大氣數據、表層土壤數據及產出氣體數據；可以同時實現大氣、凍土層、水合物富集層、井底數據立體監測，通過監測單元將可測量物理參數和化學參數多個測量儀集成在一起，既解決了凍土區井下環境難以長周期原位監測的困難，又擴展了監測參數，也有效避免了測量誤差，提高了設備的安全和精度，形成立體式的綜合環境監測系統，對于研究水合物成藏機制和安全開發具有顯著的意義。

技術領域

本發明屬于凍土區甲烷排放開發引起的環境效應研究領域，尤其涉及一種凍土區天然氣水合物開發引起甲烷釋放的環境效應監測系統和方法。

背景技術

天然氣水合物是由水和氣體分子（主要是CH₄）在低溫、高壓等條件下形成的類冰狀固體物質，廣泛分布于海底沉積物、深湖沉積物和陸地永久凍土層中，天然氣水合物能量密度高，在理想狀況下，1 m3的天然氣水合物可分解出164 m3的甲烷氣體和0.8 m3的水，是21世紀極具潛力的新型清潔能源。

同時，天然氣水合物還是地殼淺部最重要的碳庫，天然氣水合物分解釋放甲烷往往引發嚴重的環境效應，有學者認為不同的地質歷史時期幾次重大缺氧事件可能都與天然氣水合物釋放的甲烷有關，特別是在凍土區，天然氣水合物穩定帶深度較海洋和大陸邊緣更淺，對氣候變化更為敏感，加之凍土區沒有巨厚海水覆蓋，也沒有甲烷的溶解和顯著的氧化過程，進入大氣圈的甲烷的量幾乎和水合物分解釋放的甲烷量相等，天然氣水合物在全球氣候變化過程中扮演著重要的角色。

因此，凍土區天然氣水合物試采和開發過程中必須對天然氣水合物產生的的甲烷進行實時監測，對可能造成的環境災害進行評估和預警，確保天然氣水合物安全、高效利用。目前針對凍土區天然氣水合物環境效應的監測主要有兩種，一是取樣分析，是采集鉆采井氣體樣品，然后對樣品進行分析和測試獲取甲烷的濃度，這種方法周期長，時效性不足，很難及時提供預警。二是瞬時監測，將甲烷傳感器放置井下，獲取井下層位甲烷濃度數據，但是這種方法測量精度比較低，無法獲取長期連續監測數據。并且，兩種方法都是針對甲烷進行監測，未考慮地層傾斜、土壤物化等參數，監測手段較為簡單，在開發過程中容易對自然環境造成破壞。

發明內容

本發明的目的可解決目前環境監測手段簡單、參數單一、時效性不足的問題，實現甲烷濃度梯度式原位動態監測，真實反映甲烷濃度、二氧化碳濃度、地層傾斜、土壤溫壓、土壤鹽度的動態聯系變化，為研究凍土區水合物開發引起的環境效應提供基本參數。

為了實現上述發明目的，本發明實施例提供了以下技術方案：

一種凍土區天然氣水合物開發環境效應監測系統，包括位于鉆井平臺上監測平臺、監測單元和保護裝置，在天然氣水合物開采井由淺到深設置3個監測單元；第1個監測單元設置在凍土層，第2個監測單元設置在天然氣水合物賦存層，第3個監測單元設置在井底，用于采集井下數據；所述的傳感器集成單元包括甲烷傳感器、二氧化碳傳感器、溫壓傳感器、鹽度傳感器、pH傳感器、形變監測儀。同時，在井上設置1個監測單元，監測大氣數據、表層土壤數據及產出氣體數據。

所述的保護裝置為雙層套裝圓柱結構，所述雙層套裝結構內部填充保溫棉，外徑不大于鉆桿口徑，將保護裝置置于套管內壁，將傳感器沿徑向等距固定在保護裝置內部。

所述的監測系統還包括監測平臺，用于收集井下和井上傳感器集成單元的監測數據并對環境效應進行分析預警。

所述的監測系統還包括控制單元，用于控制傳感器集成單元在井中沿井壁縱向移動。

所述的監測系統還包括遠程傳輸系統，用于將監測到的數據進行遠程傳輸。

一種凍土區天然氣水合物開發環境效應監測方法，其包括以下步驟：