深海水合物原位立体监测系统设计

周 朋 高 峰 梁 涛 方玉平 何 开

（浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021）

0 引言

天然气水合物是一种非常规天然气资源，被认为是未来全球最有潜力的替代能源。虽然我国已经对天然气水合物资源进行了探索性试采、试验性试采，但是离商业化开采还有较大差距，探索持续、高效以及安全的开采技术仍是天然气水合物开发的主要目标。针对海底开采天然气可能会带来一系列的问题，例如海床的变形沉降失稳、开采井周边区域地层的破坏坍塌以及海底滑坡等问题，不但会破坏深海油气钻探、输油管道以及海底电缆等海底工程设施，而且还会引发海啸，威胁人们的生命财产安全[1]。

因此，该文设计了一种深海水合物地层原位立体监测系统，发展新技术，研制新装备，为水合物商业化开发提供监测手段和安全保障，同时为环境影响评估提供数据基础，为地球化学、地球物理等交叉学科的研究探索提供必要的支撑，具有一定的普适性和推广前景。

1 系统整体设计

该文所设计的深海水合物原位立体监测系统共包括3个系统，海底水合物地层钻进系统、原位地层长期多参数监测系统和水合物地表智能观测系统。其中海底水合物地层钻进系统分为深海地层监测杆布放系统模块和海底地层钻进机器人模块；原位地层长期多参数监测系统分为刚性监测杆模块、柔性监测缆模块和地层孔隙水取样模块；水合物地表智能观测系统分为甲烷判读定级观测模块、地球化学观测模块和微地震观测模块。系统整体结构图如图1 所示。

图1 系统整体结构图

系统中地层原位立体监测的地层钻进、地层长期监测与取样以及水合物地表智能观测系统实现了对地层和地表的原位立体监测。综合原位监测、取样和原位智能判别与分析，形成监测、检测与预测的有机统一。首先基于海底水合物地层钻进系统，采用深海地层监测杆布放系统和地层自主钻探机器人相结合的布放方式，将监测设备布放在地层。与此同时，通过连接中央控制中心与监测设备，形成原位地层长期多参数监测系统，基于此获取地层数据（包括温度、压力、变形以及流体地球化学参数等）和地层流体地球化学的运移路径，分析运移过程，修正监测设备的布放，校准预测模型。最后，与水合物地表智能观测系统结合分析，研究地层、地表之间的相互影响，形成及时获取海底活动并对其进行分析预测的能力，准确预测海底水合物商业化开采对环境的影响。建立真正与海底水合物地层相适应的、能够解决地层长期多参数监测与分析等重大工程技术问题的监测新手段、预测新模型。

2 关键模块参数设计

2.1 刚性检测杆模块设计

刚性监测杆模块将MEMS 加速度传感器[2]、温度传感器、压力传感器、甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器以及pH 等传感器集成在监测杆上，监测地层地球化学多参量参数，生成三维温压场。

刚性监测杆的结构组成如图2 所示，其中的技术难点主要体现在孔隙水取样子模块、传感器杆内布放与驱动子模块和杆间近场通信子模块。

图2 刚性监测杆内部示意图

2.1.1 孔隙水取样子模块

孔隙水取样子模块主要是借助水下钻杆自身携带的电机驱动取样装置插入试采区地层浅层。该模块的特点是在试采区地层通过高密度布放孔隙过滤毛细管，实现对海底时间序列化的空间层位的高分辨化孔隙水保压取样。该功能主要由组成装置的3 个子系统联合实现，这3 个子系统分别为取样模块、导管存放装置以及抽拉系统。

取样模块布置于钻杆内，取样钻杆长300 cm，在竖直方向上每隔30 cm 水平布放1 根取样针管。为了让取样针管在钻杆贯入沉积物土层时不受其他土层的污染，需要保证在钻杆插入土层前，取样针管一直位于钻杆内，到达取样位置后通过位于钻杆内的电机驱动取样针管插入土层。

导管存放装置采取长导管存样的形式，将长导管内预先充满去离子水，根据质量传输传质定理，去离子水与孔隙水样品不会相互发生扩散，最终取样结束后去离子水全部流进抽拉装置中的保压筒内，长导管中全部装满孔隙水样品。

抽拉系统的设计主要为孔隙水取样提供动力，抽拉系统由电机为存水保压筒提供动力，由1 个连接支架固定。存水保压筒内通过活塞和活塞杆与驱动电机进行连接。取样结束后由电机驱动将取样针管抽回钻杆内。

2.1.2 传感器杆内布放与驱动子模块

通过改造钻杆得到监测杆，并通过深海地层监测杆布放系统将其布放至指定位置，钻杆具有一般适用的尺寸。另外，钻杆尺寸越大，相对应的深海地层监测杆布放系统的尺寸就越大，综合考虑布放装置和传感器的尺寸，将监测杆的外径设置为76 mm 或附近的常用尺寸。部分传感器需要进入地层内部进行测量，而部分传感器的测量需要建立液体或者空腔环境，因此以监测杆为硬件基础搭建测量环境是目前比较容易实现也是可取的方式。需要与地层直接接触进行测量的传感器的侧向推出对机械结构的设计提出了要求，需要由特殊设计驱动模块实现侧推。利用水下电机驱动偏心轮旋转，带动支撑板进行偏心运动，使传感器完成侧向推出和返回。

2.1.3 杆间近场通信子模块

电磁耦合技术的水下通信具有环境适应性强、通信距离短、硬件成本低以及电路能耗低等特点。电磁耦合通信能够在磁场可以穿透的任何地方使用，包括海水、泥浆等恶劣环境，在深海作业中只需要为电路做防水耐压处理即可使用；同时ICL 的发信线圈与受信线圈之间的距离较近，因此非接触式通信的耦合效率较高，且传输时所需要的能量较小，使整个电路对能耗的要求也很小，可以方便地实现低功耗电路，特别适合于由电池供电的场合。ICL 通信十分适合刚性监测杆之间的数据通信[3]。设计了ICL 通信模块，其模块框图如图3 所示，包括发射电路与接收电路2 个部分。在发射电路中，探头中各传感器数据送入微控制器，电路输出数字信号进入模拟乘法器和载波信号形成调制信号；经放大电路接入功率放大电路输出，再经RC 匹配过的发射线圈[4]发射出去。在电路实现上，因磁通随距离变化，应在发射端采用功率调节，即图3 中的程控功率放大调节电路，使接收端信号电平相对稳定。

图3 ICL 原理图

接收电路部分，先由接收线圈接收信号送入锁定放大电路（Lock—in amplifier，LIA）；锁定放大电路包括前置放大电路、模拟开关PSD、参考移相电路以及带通滤波电路；信号由锁定放大电路输出进入解调电路并输出数字信号，再送入后续电路进行处理运算。其中前置放大电路可根据ICL 理论分析的结果来设计。之所以使用锁定放大电路，首先是为了降低环境噪声的干扰，采用ICL 发射信号时也增加了射频噪声；其次是信号微弱，要达到足够的信噪比，则带通滤波器的带宽必须非常窄，Q值必须非常高，但Q值太高的带通滤波器往往不太稳定，温度、电源电压的波动均会使滤波器的中心频率发生变化，最终系统无法稳定工作。而使用锁定放大电路可以很好地解决上述问题[4]。

2.2 柔性监测缆模块

天然气水合物的分解及开采所释放的甲烷气体上升至海底浅层沉积物，会引起海底浅层沉积物的温度、压力特征变化[5]。因此将MEMS 加速度传感器、温度传感器以及压力传感器集成为柔性监测缆。通过自主钻探机器人布放于地层内部，使柔性监测缆与泥土充分耦合，获得地层的温压场特征，同时当地层发生倾斜或者移动的时候，监测缆随着发生弯曲与扭转，再利用基于传感阵列的海底地层形变三维重构技术，可以将传感阵列的弯曲扭转量转换为地层真实的变形及倾斜量，并用图形可视化的方式使其在线显示出来。主要研究内容包括柔性监测缆集成技术、多通道多数据信号采集技术、温压场特征及地层变形重构技术。

2.3 中央数据采集及控制模块

中央数据采集及控制模块由地表与地层多参量监测缆多通道数据采集单元、综合控制单元、通信及定位单元和电池舱组成，综合控制单元主要接收水面综合控制与解析软件系统的控制指令，实现水下采集设置、电源监测等功能；通信及定位单元进行通信数据定义与通信编码设计，完成对海底监测数据的采集和自动上传；多通道数据采集测量单元主要采集各监测杆、监测缆和地表智能观测系统发送的数据，例如原位多参量长期监测设备发送的温度、压力、溶解氧浓度以及地形形变等参量数据，并完成数据存储与原位测试分析，在需要时可以通过水声通信设备完成系统上传工作状态及采集的数据的任务；电池单元主要为系统提供电源，实现智能电源功率分配，具有一定的冗余备份。

通道多数据信号采集是通过多总线多通道采集温度、压力与加速度3 个分量的信息，实现温度、压力和加速度监测数据的回传与接收、水下温压、地层监测系统的状态查询与异常警告以及监测系统工作模式的更改等功能。

监测缆的多通道数据同步采集采用RS485 总线。因为监测范围较大、监测缆的长度达到几十米或上千米，信号传输距离较长，RS485 总线的通信距离长达1 200 m，通信节点可达60 多个，所以采用半双工的方式，增加了通信的可靠性。基于RS485 总线，拟采用问询式的采集方式，为组网传感器节点设置不同的RS485 物理地址，然后采集板依次询问每个节点的传感器数据并解析完成后打印在串口上或者存储在采集卡中，监测杆的多通道多数据采集和监测缆采样相似的思路。

3 预期目标

3.1 科学目标

创新性研制一套具有国际领先水平的深海水合物试采区原位立体监测系统，研制可以深入海底水合物试采区地层进行实时监测和分析的装备体系，为水合物商业化开采提供参考标准和风险预测。

该文研究甲烷在地层内的水气两相输移机制及其关键影响因素，对海底表层的甲烷逸散进行判读定级，探索深海地层和地表之间的耦合作用机理及甲烷浓度在海底立体空间的分布规律。

建立地层中水合物水气两相输移过程和通量的计算模型和深海水体中甲烷逸散浓度的预测模型和评估方法，准确评估与预测水合物商业化开采可能面临的环境风险并建立相关的风险预防措施。监测开采后的甲烷经由地层到地表，在立体空间重新生成水合物的全过程，预测开采造成的甲烷逸散参数，在工艺上采取对应措施，减少对环境的影响。

3.2 应用目标

研发一套可灵活深入地层、在地层内灵活布置、可长期获取地层、地表多参数且监测范围足够大的海底水合物试采区地层长期立体监测系统，配合地表取样设备和监测设备，搭建立体监测平台，形成原位数据分析与处理能力，并且最终使具备试采的环境影响评估与预测能力。

该技术与装备系统应用将涵盖从海底水合物试采区长期多参数立体监测、海底原位取样（地层深部）、原位判定分析与预测等相关领域，为我国水合物安全商业化开发提供从基础理论、技术研发到工程应用的关键技术手段和技术装备。

4 结论

通过设计可将该系统灵活深入地层，并在地层内灵活布置、可长期获取地层、地表多参数且监测范围足够大，配合地表取样设备和监测设备，搭建立体监测平台，形成原位数据分析与处理能力，并且最终具备试采的环境影响评估与预测能力。该技术与装备系统应用将涵盖从海底水合物试采区长期多参数立体监测、海底原位取样（地层深部）、原位判定分析与预测等相关领域，为我国水合物安全商业化开发提供从基础理论、技术研发到工程应用的关键技术手段和技术装备。