深海水合物原位立體監測系統設計

周 朋 高 峰 梁 濤 方玉平 何 開

（浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021）

0 引言

天然氣水合物是一種非常規天然氣資源，被認為是未來全球最有潛力的替代能源。雖然我國已經對天然氣水合物資源進行了探索性試采、試驗性試采，但是離商業化開采還有較大差距，探索持續、高效以及安全的開采技術仍是天然氣水合物開發的主要目標。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、開采井周邊區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施，而且還會引發海嘯，威脅人們的生命財產安全[1]。

因此，該文設計了一種深海水合物地層原位立體監測系統，發展新技術，研制新裝備，為水合物商業化開發提供監測手段和安全保障，同時為環境影響評估提供數據基礎，為地球化學、地球物理等交叉學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 系統整體設計

該文所設計的深海水合物原位立體監測系統共包括3個系統，海底水合物地層鉆進系統、原位地層長期多參數監測系統和水合物地表智能觀測系統。其中海底水合物地層鉆進系統分為深海地層監測桿布放系統模塊和海底地層鉆進機器人模塊；原位地層長期多參數監測系統分為剛性監測桿模塊、柔性監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分為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。系統整體結構圖如圖1 所示。

圖1 系統整體結構圖

系統中地層原位立體監測的地層鉆進、地層長期監測與取樣以及水合物地表智能觀測系統實現了對地層和地表的原位立體監測。綜合原位監測、取樣和原位智能判別與分析，形成監測、檢測與預測的有機統一。首先基于海底水合物地層鉆進系統，采用深海地層監測桿布放系統和地層自主鉆探機器人相結合的布放方式，將監測設備布放在地層。與此同時，通過連接中央控制中心與監測設備，形成原位地層長期多參數監測系統，基于此獲取地層數據（包括溫度、壓力、變形以及流體地球化學參數等）和地層流體地球化學的運移路徑，分析運移過程，修正監測設備的布放，校準預測模型。最后，與水合物地表智能觀測系統結合分析，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行分析預測的能力，準確預測海底水合物商業化開采對環境的影響。建立真正與海底水合物地層相適應的、能夠解決地層長期多參數監測與分析等重大工程技術問題的監測新手段、預測新模型。

2 關鍵模塊參數設計

2.1 剛性檢測桿模塊設計

剛性監測桿模塊將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 等傳感器集成在監測桿上，監測地層地球化學多參量參數，生成三維溫壓場。

剛性監測桿的結構組成如圖2 所示，其中的技術難點主要體現在孔隙水取樣子模塊、傳感器桿內布放與驅動子模塊和桿間近場通信子模塊。

圖2 剛性監測桿內部示意圖

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驅動取樣裝置插入試采區地層淺層。該模塊的特點是在試采區地層通過高密度布放孔隙過濾毛細管，實現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 個子系統聯合實現，這3 個子系統分別為取樣模塊、導管存放裝置以及抽拉系統。

取樣模塊布置于鉆桿內，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，到達取樣位置后通過位于鉆桿內的電機驅動取樣針管插入土層。

導管存放裝置采取長導管存樣的形式，將長導管內預先充滿去離子水，根據質量傳輸傳質定理，去離子水與孔隙水樣品不會相互發生擴散，最終取樣結束后去離子水全部流進抽拉裝置中的保壓筒內，長導管中全部裝滿孔隙水樣品。

抽拉系統的設計主要為孔隙水取樣提供動力，抽拉系統由電機為存水保壓筒提供動力，由1 個連接支架固定。存水保壓筒內通過活塞和活塞桿與驅動電機進行連接。取樣結束后由電機驅動將取樣針管抽回鉆桿內。

2.1.2 傳感器桿內布放與驅動子模塊

通過改造鉆桿得到監測桿，并通過深海地層監測桿布放系統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，相對應的深海地層監測桿布放系統的尺寸就越大，綜合考慮布放裝置和傳感器的尺寸，將監測桿的外徑設置為76 mm 或附近的常用尺寸。部分傳感器需要進入地層內部進行測量，而部分傳感器的測量需要建立液體或者空腔環境，因此以監測桿為硬件基礎搭建測量環境是目前比較容易實現也是可取的方式。需要與地層直接接觸進行測量的傳感器的側向推出對機械結構的設計提出了要求，需要由特殊設計驅動模塊實現側推。利用水下電機驅動偏心輪旋轉，帶動支撐板進行偏心運動，使傳感器完成側向推出和返回。

2.1.3 桿間近場通信子模塊

電磁耦合技術的水下通信具有環境適應性強、通信距離短、硬件成本低以及電路能耗低等特點。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、泥漿等惡劣環境，在深海作業中只需要為電路做防水耐壓處理即可使用；同時ICL 的發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，可以方便地實現低功耗電路，特別適合于由電池供電的場合。ICL 通信十分適合剛性監測桿之間的數據通信[3]。設計了ICL 通信模塊，其模塊框圖如圖3 所示，包括發射電路與接收電路2 個部分。在發射電路中，探頭中各傳感器數據送入微控制器，電路輸出數字信號進入模擬乘法器和載波信號形成調制信號；經放大電路接入功率放大電路輸出，再經RC 匹配過的發射線圈[4]發射出去。在電路實現上，因磁通隨距離變化，應在發射端采用功率調節，即圖3 中的程控功率放大調節電路，使接收端信號電平相對穩定。

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入解調電路并輸出數字信號，再送入后續電路進行處理運算。其中前置放大電路可根據ICL 理論分析的結果來設計。之所以使用鎖定放大電路，首先是為了降低環境噪聲的干擾，采用ICL 發射信號時也增加了射頻噪聲；其次是信號微弱，要達到足夠的信噪比，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定，溫度、電源電壓的波動均會使濾波器的中心頻率發生變化，最終系統無法穩定工作。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測纜。通過自主鉆探機器人布放于地層內部，使柔性監測纜與泥土充分耦合，獲得地層的溫壓場特征，同時當地層發生傾斜或者移動的時候，監測纜隨著發生彎曲與扭轉，再利用基于傳感陣列的海底地層形變三維重構技術，可以將傳感陣列的彎曲扭轉量轉換為地層真實的變形及傾斜量，并用圖形可視化的方式使其在線顯示出來。主要研究內容包括柔性監測纜集成技術、多通道多數據信號采集技術、溫壓場特征及地層變形重構技術。

2.3 中央數據采集及控制模塊

中央數據采集及控制模塊由地表與地層多參量監測纜多通道數據采集單元、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的控制指令，實現水下采集設置、電源監測等功能；通信及定位單元進行通信數據定義與通信編碼設計，完成對海底監測數據的采集和自動上傳；多通道數據采集測量單元主要采集各監測桿、監測纜和地表智能觀測系統發送的數據，例如原位多參量長期監測設備發送的溫度、壓力、溶解氧濃度以及地形形變等參量數據，并完成數據存儲與原位測試分析，在需要時可以通過水聲通信設備完成系統上傳工作狀態及采集的數據的任務；電池單元主要為系統提供電源，實現智能電源功率分配，具有一定的冗余備份。

通道多數據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，實現溫度、壓力和加速度監測數據的回傳與接收、水下溫壓、地層監測系統的狀態查詢與異常警告以及監測系統工作模式的更改等功能。

監測纜的多通道數據同步采集采用RS485 總線。因為監測范圍較大、監測纜的長度達到幾十米或上千米，信號傳輸距離較長，RS485 總線的通信距離長達1 200 m，通信節點可達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，為組網傳感器節點設置不同的RS485 物理地址，然后采集板依次詢問每個節點的傳感器數據并解析完成后打印在串口上或者存儲在采集卡中，監測桿的多通道多數據采集和監測纜采樣相似的思路。

3 預期目標

3.1 科學目標

創新性研制一套具有國際領先水平的深海水合物試采區原位立體監測系統，研制可以深入海底水合物試采區地層進行實時監測和分析的裝備體系，為水合物商業化開采提供參考標準和風險預測。

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

建立地層中水合物水氣兩相輸移過程和通量的計算模型和深海水體中甲烷逸散濃度的預測模型和評估方法，準確評估與預測水合物商業化開采可能面臨的環境風險并建立相關的風險預防措施。監測開采后的甲烷經由地層到地表，在立體空間重新生成水合物的全過程，預測開采造成的甲烷逸散參數，在工藝上采取對應措施，減少對環境的影響。

3.2 應用目標

研發一套可靈活深入地層、在地層內靈活布置、可長期獲取地層、地表多參數且監測范圍足夠大的海底水合物試采區地層長期立體監測系統，配合地表取樣設備和監測設備，搭建立體監測平臺，形成原位數據分析與處理能力，并且最終使具備試采的環境影響評估與預測能力。

該技術與裝備系統應用將涵蓋從海底水合物試采區長期多參數立體監測、海底原位取樣（地層深部）、原位判定分析與預測等相關領域，為我國水合物安全商業化開發提供從基礎理論、技術研發到工程應用的關鍵技術手段和技術裝備。

4 結論

通過設計可將該系統靈活深入地層，并在地層內靈活布置、可長期獲取地層、地表多參數且監測范圍足夠大，配合地表取樣設備和監測設備，搭建立體監測平臺，形成原位數據分析與處理能力，并且最終具備試采的環境影響評估與預測能力。該技術與裝備系統應用將涵蓋從海底水合物試采區長期多參數立體監測、海底原位取樣（地層深部）、原位判定分析與預測等相關領域，為我國水合物安全商業化開發提供從基礎理論、技術研發到工程應用的關鍵技術手段和技術裝備。