周 朋 高 峰 梁 濤 方玉平 何 開(kāi)

（浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021）

0 引言

天然氣水合物是一種非常規(guī)天然氣資源，被認(rèn)為是未來(lái)全球最有潛力的替代能源。雖然我國(guó)已經(jīng)對(duì)天然氣水合物資源進(jìn)行了探索性試采、試驗(yàn)性試采，但是離商業(yè)化開(kāi)采還有較大差距，探索持續(xù)、高效以及安全的開(kāi)采技術(shù)仍是天然氣水合物開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)。針對(duì)海底開(kāi)采天然氣可能會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，例如海床的變形沉降失穩(wěn)、開(kāi)采井周邊區(qū)域地層的破壞坍塌以及海底滑坡等問(wèn)題，不但會(huì)破壞深海油氣鉆探、輸油管道以及海底電纜等海底工程設(shè)施，而且還會(huì)引發(fā)海嘯，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。

因此，該文設(shè)計(jì)了一種深海水合物地層原位立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)展新技術(shù)，研制新裝備，為水合物商業(yè)化開(kāi)發(fā)提供監(jiān)測(cè)手段和安全保障，同時(shí)為環(huán)境影響評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為地球化學(xué)、地球物理等交叉學(xué)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(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該文所設(shè)計(jì)的深海水合物原位立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共包括3個(gè)系統(tǒng)，海底水合物地層鉆進(jìn)系統(tǒng)、原位地層長(zhǎng)期多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和水合物地表智能觀測(cè)系統(tǒng)。其中海底水合物地層鉆進(jìn)系統(tǒng)分為深海地層監(jiān)測(cè)桿布放系統(tǒng)模塊和海底地層鉆進(jìn)機(jī)器人模塊；原位地層長(zhǎng)期多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為剛性監(jiān)測(cè)桿模塊、柔性監(jiān)測(cè)纜模塊和地層孔隙水取樣模塊；水合物地表智能觀測(cè)系統(tǒng)分為甲烷判讀定級(jí)觀測(cè)模塊、地球化學(xué)觀測(cè)模塊和微地震觀測(cè)模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中地層原位立體監(jiān)測(cè)的地層鉆進(jìn)、地層長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與取樣以及水合物地表智能觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地層和地表的原位立體監(jiān)測(cè)。綜合原位監(jiān)測(cè)、取樣和原位智能判別與分析，形成監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與預(yù)測(cè)的有機(jī)統(tǒng)一。首先基于海底水合物地層鉆進(jìn)系統(tǒng)，采用深海地層監(jiān)測(cè)桿布放系統(tǒng)和地層自主鉆探機(jī)器人相結(jié)合的布放方式，將監(jiān)測(cè)設(shè)備布放在地層。與此同時(shí)，通過(guò)連接中央控制中心與監(jiān)測(cè)設(shè)備，形成原位地層長(zhǎng)期多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于此獲取地層數(shù)據(jù)（包括溫度、壓力、變形以及流體地球化學(xué)參數(shù)等）和地層流體地球化學(xué)的運(yùn)移路徑，分析運(yùn)移過(guò)程，修正監(jiān)測(cè)設(shè)備的布放，校準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型。最后，與水合物地表智能觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)合分析，研究地層、地表之間的相互影響，形成及時(shí)獲取海底活動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行分析預(yù)測(cè)的能力，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)海底水合物商業(yè)化開(kāi)采對(duì)環(huán)境的影響。建立真正與海底水合物地層相適應(yīng)的、能夠解決地層長(zhǎng)期多參數(shù)監(jiān)測(cè)與分析等重大工程技術(shù)問(wèn)題的監(jiān)測(cè)新手段、預(yù)測(cè)新模型。

2 關(guān)鍵模塊參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 剛性檢測(cè)桿模塊設(shè)計(jì)

剛性監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)桿上，監(jiān)測(cè)地層地球化學(xué)多參量參數(shù)，生成三維溫壓場(chǎng)。

剛性監(jiān)測(cè)桿的結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示，其中的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在孔隙水取樣子模塊、傳感器桿內(nèi)布放與驅(qū)動(dòng)子模塊和桿間近場(chǎng)通信子模塊。

圖2 剛性監(jiān)測(cè)桿內(nèi)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(jī)驅(qū)動(dòng)取樣裝置插入試采區(qū)地層淺層。該模塊的特點(diǎn)是在試采區(qū)地層通過(guò)高密度布放孔隙過(guò)濾毛細(xì)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底時(shí)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(gè)子系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，這3 個(gè)子系統(tǒng)分別為取樣模塊、導(dǎo)管存放裝置以及抽拉系統(tǒng)。

取樣模塊布置于鉆桿內(nèi)，取樣鉆桿長(zhǎng)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(shí)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(nèi)，到達(dá)取樣位置后通過(guò)位于鉆桿內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)取樣針管插入土層。

導(dǎo)管存放裝置采取長(zhǎng)導(dǎo)管存樣的形式，將長(zhǎng)導(dǎo)管內(nèi)預(yù)先充滿去離子水，根據(jù)質(zhì)量傳輸傳質(zhì)定理，去離子水與孔隙水樣品不會(huì)相互發(fā)生擴(kuò)散，最終取樣結(jié)束后去離子水全部流進(jìn)抽拉裝置中的保壓筒內(nèi)，長(zhǎng)導(dǎo)管中全部裝滿孔隙水樣品。

抽拉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要為孔隙水取樣提供動(dòng)力，抽拉系統(tǒng)由電機(jī)為存水保壓筒提供動(dòng)力，由1 個(gè)連接支架固定。存水保壓筒內(nèi)通過(guò)活塞和活塞桿與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行連接。取樣結(jié)束后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)將取樣針管抽回鉆桿內(nèi)。

2.1.2 傳感器桿內(nèi)布放與驅(qū)動(dòng)子模塊

通過(guò)改造鉆桿得到監(jiān)測(cè)桿，并通過(guò)深海地層監(jiān)測(cè)桿布放系統(tǒng)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(duì)應(yīng)的深海地層監(jiān)測(cè)桿布放系統(tǒng)的尺寸就越大，綜合考慮布放裝置和傳感器的尺寸，將監(jiān)測(cè)桿的外徑設(shè)置為76 mm 或附近的常用尺寸。部分傳感器需要進(jìn)入地層內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，而部分傳感器的測(cè)量需要建立液體或者空腔環(huán)境，因此以監(jiān)測(cè)桿為硬件基礎(chǔ)搭建測(cè)量環(huán)境是目前比較容易實(shí)現(xiàn)也是可取的方式。需要與地層直接接觸進(jìn)行測(cè)量的傳感器的側(cè)向推出對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了要求，需要由特殊設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)側(cè)推。利用水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)支撐板進(jìn)行偏心運(yùn)動(dòng)，使傳感器完成側(cè)向推出和返回。

2.1.3 桿間近場(chǎng)通信子模塊

電磁耦合技術(shù)的水下通信具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、通信距離短、硬件成本低以及電路能耗低等特點(diǎn)。電磁耦合通信能夠在磁場(chǎng)可以穿透的任何地方使用，包括海水、泥漿等惡劣環(huán)境，在深海作業(yè)中只需要為電路做防水耐壓處理即可使用；同時(shí)ICL 的發(fā)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(shí)所需要的能量較小，使整個(gè)電路對(duì)能耗的要求也很小，可以方便地實(shí)現(xiàn)低功耗電路，特別適合于由電池供電的場(chǎng)合。ICL 通信十分適合剛性監(jiān)測(cè)桿之間的數(shù)據(jù)通信[3]。設(shè)計(jì)了ICL 通信模塊，其模塊框圖如圖3 所示，包括發(fā)射電路與接收電路2 個(gè)部分。在發(fā)射電路中，探頭中各傳感器數(shù)據(jù)送入微控制器，電路輸出數(shù)字信號(hào)進(jìn)入模擬乘法器和載波信號(hào)形成調(diào)制信號(hào)；經(jīng)放大電路接入功率放大電路輸出，再經(jīng)RC 匹配過(guò)的發(fā)射線圈[4]發(fā)射出去。在電路實(shí)現(xiàn)上，因磁通隨距離變化，應(yīng)在發(fā)射端采用功率調(diào)節(jié)，即圖3 中的程控功率放大調(diào)節(jié)電路，使接收端信號(hào)電平相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 ICL 原理圖

接收電路部分，先由接收線圈接收信號(hào)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(kāi)關(guān)PSD、參考移相電路以及帶通濾波電路；信號(hào)由鎖定放大電路輸出進(jìn)入解調(diào)電路并輸出數(shù)字信號(hào)，再送入后續(xù)電路進(jìn)行處理運(yùn)算。其中前置放大電路可根據(jù)ICL 理論分析的結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)。之所以使用鎖定放大電路，首先是為了降低環(huán)境噪聲的干擾，采用ICL 發(fā)射信號(hào)時(shí)也增加了射頻噪聲；其次是信號(hào)微弱，要達(dá)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(wěn)定，溫度、電源電壓的波動(dòng)均會(huì)使濾波器的中心頻率發(fā)生變化，最終系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定工作。而使用鎖定放大電路可以很好地解決上述問(wèn)題[4]。

2.2 柔性監(jiān)測(cè)纜模塊

天然氣水合物的分解及開(kāi)采所釋放的甲烷氣體上升至海底淺層沉積物，會(huì)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(jiān)測(cè)纜。通過(guò)自主鉆探機(jī)器人布放于地層內(nèi)部，使柔性監(jiān)測(cè)纜與泥土充分耦合，獲得地層的溫壓場(chǎng)特征，同時(shí)當(dāng)?shù)貙影l(fā)生傾斜或者移動(dòng)的時(shí)候，監(jiān)測(cè)纜隨著發(fā)生彎曲與扭轉(zhuǎn)，再利用基于傳感陣列的海底地層形變?nèi)S重構(gòu)技術(shù)，可以將傳感陣列的彎曲扭轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換為地層真實(shí)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(lái)。主要研究?jī)?nèi)容包括柔性監(jiān)測(cè)纜集成技術(shù)、多通道多數(shù)據(jù)信號(hào)采集技術(shù)、溫壓場(chǎng)特征及地層變形重構(gòu)技術(shù)。

2.3 中央數(shù)據(jù)采集及控制模塊

中央數(shù)據(jù)采集及控制模塊由地表與地層多參量監(jiān)測(cè)纜多通道數(shù)據(jù)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(tǒng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)水下采集設(shè)置、電源監(jiān)測(cè)等功能；通信及定位單元進(jìn)行通信數(shù)據(jù)定義與通信編碼設(shè)計(jì)，完成對(duì)海底監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和自動(dòng)上傳；多通道數(shù)據(jù)采集測(cè)量單元主要采集各監(jiān)測(cè)桿、監(jiān)測(cè)纜和地表智能觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，例如原位多參量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送的溫度、壓力、溶解氧濃度以及地形形變等參量數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與原位測(cè)試分析，在需要時(shí)可以通過(guò)水聲通信設(shè)備完成系統(tǒng)上傳工作狀態(tài)及采集的數(shù)據(jù)的任務(wù)；電池單元主要為系統(tǒng)提供電源，實(shí)現(xiàn)智能電源功率分配，具有一定的冗余備份。

通道多數(shù)據(jù)信號(hào)采集是通過(guò)多總線多通道采集溫度、壓力與加速度3 個(gè)分量的信息，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力和加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回傳與接收、水下溫壓、地層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)查詢(xún)與異常警告以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作模式的更改等功能。

監(jiān)測(cè)纜的多通道數(shù)據(jù)同步采集采用RS485 總線。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)范圍較大、監(jiān)測(cè)纜的長(zhǎng)度達(dá)到幾十米或上千米，信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，RS485 總線的通信距離長(zhǎng)達(dá)1 200 m，通信節(jié)點(diǎn)可達(dá)60 多個(gè)，所以采用半雙工的方式，增加了通信的可靠性?；赗S485 總線，擬采用問(wèn)詢(xún)式的采集方式，為組網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的RS485 物理地址，然后采集板依次詢(xún)問(wèn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)并解析完成后打印在串口上或者存儲(chǔ)在采集卡中，監(jiān)測(cè)桿的多通道多數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)纜采樣相似的思路。

3 預(yù)期目標(biāo)

3.1 科學(xué)目標(biāo)

創(chuàng)新性研制一套具有國(guó)際領(lǐng)先水平的深海水合物試采區(qū)原位立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研制可以深入海底水合物試采區(qū)地層進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析的裝備體系，為水合物商業(yè)化開(kāi)采提供參考標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

該文研究甲烷在地層內(nèi)的水氣兩相輸移機(jī)制及其關(guān)鍵影響因素，對(duì)海底表層的甲烷逸散進(jìn)行判讀定級(jí)，探索深海地層和地表之間的耦合作用機(jī)理及甲烷濃度在海底立體空間的分布規(guī)律。

建立地層中水合物水氣兩相輸移過(guò)程和通量的計(jì)算模型和深海水體中甲烷逸散濃度的預(yù)測(cè)模型和評(píng)估方法，準(zhǔn)確評(píng)估與預(yù)測(cè)水合物商業(yè)化開(kāi)采可能面臨的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)并建立相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施。監(jiān)測(cè)開(kāi)采后的甲烷經(jīng)由地層到地表，在立體空間重新生成水合物的全過(guò)程，預(yù)測(cè)開(kāi)采造成的甲烷逸散參數(shù)，在工藝上采取對(duì)應(yīng)措施，減少對(duì)環(huán)境的影響。

3.2 應(yīng)用目標(biāo)

研發(fā)一套可靈活深入地層、在地層內(nèi)靈活布置、可長(zhǎng)期獲取地層、地表多參數(shù)且監(jiān)測(cè)范圍足夠大的海底水合物試采區(qū)地層長(zhǎng)期立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，配合地表取樣設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備，搭建立體監(jiān)測(cè)平臺(tái)，形成原位數(shù)據(jù)分析與處理能力，并且最終使具備試采的環(huán)境影響評(píng)估與預(yù)測(cè)能力。

該技術(shù)與裝備系統(tǒng)應(yīng)用將涵蓋從海底水合物試采區(qū)長(zhǎng)期多參數(shù)立體監(jiān)測(cè)、海底原位取樣（地層深部）、原位判定分析與預(yù)測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域，為我國(guó)水合物安全商業(yè)化開(kāi)發(fā)提供從基礎(chǔ)理論、技術(shù)研發(fā)到工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)手段和技術(shù)裝備。

4 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)可將該系統(tǒng)靈活深入地層，并在地層內(nèi)靈活布置、可長(zhǎng)期獲取地層、地表多參數(shù)且監(jiān)測(cè)范圍足夠大，配合地表取樣設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備，搭建立體監(jiān)測(cè)平臺(tái)，形成原位數(shù)據(jù)分析與處理能力，并且最終具備試采的環(huán)境影響評(píng)估與預(yù)測(cè)能力。該技術(shù)與裝備系統(tǒng)應(yīng)用將涵蓋從海底水合物試采區(qū)長(zhǎng)期多參數(shù)立體監(jiān)測(cè)、海底原位取樣（地層深部）、原位判定分析與預(yù)測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域，為我國(guó)水合物安全商業(yè)化開(kāi)發(fā)提供從基礎(chǔ)理論、技術(shù)研發(fā)到工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)手段和技術(shù)裝備。