CN107269270B - 一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其利用冻土区第四系沉积物季节性冻融和基岩的具体特性，优化埋设测斜管和设备升级，实现地层变形的双向监测和数据的实时传输记录，既能监测水平方向地层横向位移，又能监测垂直方向地层纵向沉降，为天然气水合物钻探和试采过程中地层安全性提供有效的数字化记录和技术支撑。其包括：(1)对冻土层进行斜孔钻探；(2)优化测斜仪探头和测斜管；(3)测斜管接口密封；(4)已密封测斜管倾斜安装；(5)用测斜仪进行初值测定；(6)定期进行数据采集，开展横向位移、纵向沉降计量分析。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物研究的技术领域，具体地涉及一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrate)是在低温高压下由水与小客体气体分子组成的类冰、非化学计量、笼形固体化合物，俗称“可燃冰”，因其中的气体成分主要为甲烷，故又称甲烷水合物(Methane Hydrate)。天然气水合物能量密度高，在理想状况下，1m3的天然气水合物可分解出164m3的甲烷气体和0.8m3的水。而地球上天然气水合物蕴藏量十分丰富，天然气体水合物广泛分布于多年冻土区、大陆架边缘的深海沉积物和深湖泊沉积物中，估计全球天然气水合物中的碳储量为2×1016m3，相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的两倍以上。然而，天然气水合物在给人类带来新的美好能源前景的同时，对人类生存环境也提出了严峻的挑战，其潜在的灾害和环境效应不容忽视。天然气水合物的稳定性与温度和压力关系密切，一旦周围的温度和压力发生改变就会引起其分解，从而成为海底滑坡等地质灾害重要诱因；另外，天然气水合物分解能释放出大量温室效应极强的甲烷气体，其导致的温室效应相当于同等重量CO2的20倍。
天然气水合物通常赋存于甲烷与水相变的边界温压条件下，因此温度和压力的任何改变都极有可能诱发气水合物的分解和气体逸散，若有不慎，让海底天然气水合物中的甲烷气逃逸到大气中去，从而导致灾难性的后果。而且固结在海底沉积物中的水合物，一旦条件变化，海平面的下降或是海洋底层水温度的升高都有可能造成天然气水合物的分解，使甲烷气从水合物中释出，还会改变沉积物的物理性质，极大地降低海底沉积物的工程力学特性，使海底软化，出现大规模的海底滑坡，毁坏海底工程设施，如：海底输电或通讯电缆和海洋石油钻井平台等。而若滑坡发生在相当大的尺度范围内，则有可能引发海啸等地质灾害。
由于天然气水合物可能带来的诸多不安全因素，广大学者在进行天然气水合物勘探开发过程中，表现的慎之又慎，亦在实验室内进行了大量的模拟、分析。但作为开采过程中可能带来的安全问题，在野外工作现场进行的安全性监测却很少。而作为形成于固结岩层，位于低纬度、高海拔冻土区天然气水合物开采过程中可能带来的地质灾害问题的研究，尚未见报道。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种区天然气冻土水合物地层稳定态监测方法,其利用冻土区第四系沉积物季节性冻融和基岩的具体特性，优化埋设测斜管和设备升级，实现地层变形的双向监测和数据的实时传输记录，既能监测水平方向地层横向位移，又能监测垂直方向地层纵向沉降，为天然气水合物钻探和试采过程中地层安全性提供有效的数字化记录和技术支撑。
本发明的技术解决方案是：这种冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其包括以下步骤：
(1)对冻土层进行斜孔钻探；
(2)优化测斜仪探头和测斜管；
(3)测斜管接口密封；
(4)已密封测斜管倾斜安装；
(5)用测斜仪进行初值测定；
(6)定期进行数据采集，开展横向位移、纵向沉降计量分析。
本发明通过优化测斜仪探头和测斜管，密封测斜管并倾斜安装，用测斜仪进行初值测定，定期进行数据采集，开展横向位移、纵向沉降计量分析，从而能够利用冻土区第四系沉积物季节性冻融和基岩的具体特性，优化埋设测斜管和设备升级，实现地层变形的双向监测和数据的实时传输记录，既能监测水平方向地层横向位移，又能监测垂直方向地层纵向沉降，为天然气水合物钻探和试采过程中地层安全性提供有效的数字化记录和技术支撑。
附图说明
图1是根据本发明的冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法的流程图。
图2是根据本发明的测斜仪的安装示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，这种冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其包括以下步骤：
(1)对冻土层进行斜孔钻探；
(2)优化测斜仪探头和测斜管5；
(3)测斜管接口密封；
(4)已密封测斜管倾斜安装；
(5)用测斜仪进行初值测定；
(6)定期进行数据采集，开展横向位移、纵向沉降计量分析。
本发明通过优化测斜仪探头和测斜管，密封测斜管并倾斜安装，用测斜仪进行初值测定，定期进行数据采集，开展横向位移、纵向沉降计量分析，从而能够利用冻土区第四系沉积物季节性冻融和基岩的具体特性，优化埋设测斜管和设备升级，实现地层变形的双向监测和数据的实时传输记录，既能监测水平方向地层横向位移，又能监测垂直方向地层纵向沉降，为天然气水合物钻探和试采过程中地层安全性提供有效的数字化记录和技术支撑。
另外，如图1所示，所述步骤(1)中，根据冻土区地层的软硬程度和产状倾角设置钻井的倾斜角度，井孔直径与测斜仪导管匹配，采用小型钻机进行钻探，钻进方向与水平方向呈50°-70°的夹角，以保证受水平、垂向不同方向的受力监测；钻进深度方面，穿过地表季节性冻融层、冻土层1、非冻土层2、天然气水合物层3和基岩4。
另外，所述步骤(2)中，将测斜仪探头改装为塑性传感探头、测斜管由常规的圆形导槽管改为圆形光滑管，测斜仪探头在测斜管中上下测量时，对地层变形引起的导管局部变形进行360°的数据记录，从而监测水平方向地层横向位移和垂直方向地层纵向沉降的变化。
另外，所述步骤(3)中，连接下放到钻孔中的测斜管，做好接口和管底密封，并在深水中进行密封和压力试验，确保测斜管密封完好，埋入地层无渗漏。
另外，所述步骤(4)中，完钻井孔内布置安装空心圆柱形测斜仪导管，导管内径与测斜仪匹配，导管由3m管对接组装，并完成防腐和密封，导管一端在地表，一端固定在基岩。
另外，所述步骤(5)中，测斜仪导管安装后，将测斜仪在管内上下滑动，手动控制测斜仪移动至不同井深，深度间隔受拉动测斜仪探头的带深度缆线控制，精度可达0.1mm；测斜仪导管局部变形通过测斜仪塑性传感探头进行监测记录，安装后初次测定数据为初值。
另外，所述步骤(6)中，若监测冻土区气温变化对地层稳定态的影响，则按季度获取监测数据；若监测天然气水合物开采、试采过程对地层稳定态的影响，则按天获取监测数据。
另外，所述步骤(6)中，进行多钻孔布置，形成三维立体网络式地层稳定态监测技术，通过测斜管局部变形后采集的监测数据，与初次测量的初值进行对比，监测地层受冻土冻融、天然气水合物合成分解因素引起的地质灾害。
具体地，测斜装置的埋设技术主要是钻孔和导管连接技术，其关键在于：
1.定位准确。测斜导管应埋设于地基土体水平位移最大的平面位置，一般埋设于路堤边坡坡趾或边沟上口外缘1.0m左右的位置。
2.在选定的部位钻孔，孔径以大于测斜导管最大外径40mm为宜，钻孔的铅直度偏差不大于正负1度。孔深达无水平位移处，即应埋入硬土层或基岩中不少于2m。由于护壁泥浆的沉淀，钻孔深度要比导管设计深度大20％左右。
3.接长管道时，应使导向槽严格对正，不得偏扭。为正常发挥测斜导管对其周围土体变形的监测作用，测斜管管体必须具有适应沉降变形的能力，因此管体接头处应预留沉降段。每节管道的沉降段长度不大于10cm，当不能满足预估的沉降量时，应缩小每节管长。
4.测斜导管底部要装有底盖，底盖及各测斜导管连接处应进行封闭处理，以防泥浆渗入管内。
5.埋设过程如下：将有底盖的测斜导管放入钻孔内，用管接头将测斜导管连接，量好预留段长度，然后逐根边铆接、边封闭边下入孔内，注意应使测斜导管内的一对导槽向预计位移的主方向靠近。在测斜导管下入钻孔过程中应向导管内注入清水来减小钻孔内水产生的浮力，提高埋设速度。或者，保持管内是空的，因为一旦进水，在冻土区内，很快就会冻结成冰，自然无法进行后期的测斜、沉降监测(因为具体监测，需要从管口下放测斜仪等进行数据采集)，这也是为什么将下放的测斜管底部、接口全部密封的原因。此处如果说为了方便下放测斜管而让管内充水，也得在下放完毕后，在水体冻结之前将管内的水全部抽取干净。同时，必须保证测斜导管内清洁干净。
6.导向槽与欲测方位应用经纬仪严格对正。
7.测斜导管与孔壁之间的空隙可用粗砂回填。也可改为用钻井过程中采出的岩心碎块、碎渣进行回填，确保原位钻采、原位回填，最大程度保证地层岩性的恢复，提升数据的可靠性。
8.埋设完成后，应及时将测斜导管的有关资料记入埋设考证记录表。考证表的主要内容包括：工程名称、仪器型号、生产厂家、测斜孔编号、孔深、孔口高程、孔底高程、埋设位置、埋设方式、导槽方向、测斜导管规格、埋设示意图、主要埋设人员、埋设日期等。
9.测斜导管埋好后，经一段时间稳定，即可建立初值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)对冻土层进行斜孔钻探，根据冻土区地层的软硬程度和产状倾角设置钻井的倾斜角度，钻进方向与水平方向呈50°-70°的夹角；
(2)优化测斜仪探头和测斜管，将测斜仪探头改装为塑性传感探头，测斜管由常规的圆形导槽管改为圆形光滑管；
(3)测斜管接口密封；
(4)已密封测斜管倾斜安装；
(5)用测斜仪进行初值测定；
(6)进行多钻孔布置，形成三维立体网络式地层稳定态监测技术，通过测斜管局部变形后采集的监测数据，与初次测量的初值进行对比，监测地层受冻土冻融、天然气水合物合成分解因素引起的地质灾害，定期进行数据采集，开展横向位移、纵向沉降计量分析。
2.根据权利要求1所述的冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，井孔直径与测斜仪导管匹配，采用小型钻机进行钻探，以保证受水平、垂向不同方向的受力监测；钻进深度方面，穿过地表季节性冻融层、冻土层、非冻土层、天然气水合物层和基岩。
3.根据权利要求1所述的冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，测斜仪探头在测斜管中上下测量时，对地层变形引起的导管局部变形进行360°的数据记录，从而监测水平方向地层横向位移和垂直方向地层纵向沉降的变化。
4.根据权利要求1所述的冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其特征在于：所述步骤(3)中，连接下放到钻孔中的测斜管，做好接口和管底密封，并在深水中进行密封和压力试验，确保测斜管密封完好，埋入地层无渗漏。
5.根据权利要求1所述的冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其特征在于：所述步骤(4)中，完钻井孔内布置安装空心圆柱形测斜仪导管，导管内径与测斜仪匹配，导管由3m管对接组装，并完成防腐和密封，导管一端在地表，一端固定在基岩。
6.根据权利要求1所述的冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其特征在于：所述步骤(5)中，测斜仪导管安装后，将测斜仪在管内上下滑动，手动控制测斜仪移动至不同井深，深度间隔受拉动测斜仪探头的带深度缆线控制，精度可达0.1mm；测斜仪导管局部变形通过测斜仪塑性传感探头进行监测记录，安装后初次测定数据为初值。
7.根据权利要求1所述的冻土区天然气水合物地层稳定态监测方法，其特征在于：所述步骤(6)中，若监测冻土区气温变化对地层稳定态的影响，则按季度获取监测数据；若监测天然气水合物开采、试采过程对地层稳定态的影响，则按天获取监测数据。
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