CN107607081A - 一种天然气水合物开发的海底变形监测仪器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋天然气水合物开发的海底变形监测仪器及其使用方法，该仪器固定安装在海底预期沉降区域的监测位置上，其包括主控器、数据采集模块、电池组、电源管理单元、存储器、水声通讯单元、倾斜传感器、压力传感器、地磁仪、温度传感器、惯性陀螺仪、时间基准电路和时钟电路；电池组通过电源管理单元与主控器连接；数据采集模块、电源管理单元、存储器、水声通讯单元、地磁仪、温度传感器、惯性陀螺仪、时间基准电路和时钟电路均与主控器连接；倾斜传感器和压力传感器通过数据采集模块与主控器连接。本发明能解决海底工作环境所带来的监测/检测仪器可操作性差、数据的时间误差大的问题。

Description

一种天然气水合物开发的海底变形监测仪器及其使用方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开发的海底变形监测仪器。

背景技术

在水合物试采阶段，固体水合物在井底压力降低后分解为孔隙水和自由气体，造成沉积物骨架软化和储层液化，进而导致开发区域的局部地层沉降和或倾斜，严重时会导致海洋平台桩基发生变化造成事故。因此有效监测水合物开采过程中的地层变化有着重要的意义。

现有的技术方案是通过水压传感器和倾角传感器得到海底水压和地层表面倾角的变化分析出地层沉降和倾斜的情况，从而实现海洋天然气水合物开采过程对地层沉降、倾斜的实时监测。它主要包括主框架、自动上浮装置、传感监测装置、北斗定位模块和电缆线。

其主框架的主体为“H”型结构，由耐腐蚀材料构成，用于支撑和固定其他装置。在主框架的顶部均设有挂钩，在下沉阶段，挂钩用于连接吊车上的缆绳。

其自动上浮装置由浮箱、配重块、底座和电磁继电器组成；浮箱位于“H”型主框架中间的横梁上，由耐高压防腐蚀材料构成的箱体结构，承受2000m深海底的水压，其内部为中空结构，一方面保护各部件不受海水侵蚀，另一方面为装置提供足够的浮力以便回收。底座固定于主框架一端，其底部上设有多块配重块和电磁继电器，电磁继电器位于底座中间，用于连接底座和主框架。

其传感监测装置由水压传感器和倾角传感器组成，水压传感器安装在浮箱内，其探头与海水接触，测得浮箱所在位置的水压并保证水压传感器不完全浸泡在海水里；倾角传感器安装在浮箱内底端中间的位置，用于测量监测装置的倾角从而得到地层的倾斜变形情况。

其北斗定位模块安装在浮箱顶部，用于提供监测装置的定位信号。

其电缆线一端与传感监测装置相连，另一端与开采平台上的数据采集和控制装置相连；电缆线内有两路信号线，一路信号线用于传递控制装置的指令，另一信号线路用于传输传感监测装置测得数据。

现有的技术方案主要依赖电缆方式进行供电和通讯，在海底2000米以下的可操作性较差，同时因海水流动、鱼类冲撞和啃噬电缆等对设备测量的可靠性与稳定性产生不良影响，因而作为一种理论方案在浅海应用尚可，深水应用则非常困难，更不必说进行长期深水监测。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种海洋天然气水合物开发的海底变形监测仪器，其能解决可操作性差、数据的时间误差大的问题。

本发明的目的之二在于提供一种海洋天然气水合物开发的海底变形监测仪器的使用方法，其能解决数据的时间误差大、安装过程对传感器产生影响的问题。

本发明的目的之一采用以下技术方案实现：

一种海洋天然气水合物开发的海底变形监测仪器，其固定安装在海底预期沉降区域的监测位置上，其包括主控器、数据采集模块、电池组、电源管理单元、存储器、水声通讯单元、倾斜传感器、压力传感器、地磁仪、温度传感器、惯性陀螺仪、时间基准电路和时钟电路；电池组通过电源管理单元与主控器连接；数据采集模块、电源管理单元、存储器、水声通讯单元、地磁仪、温度传感器、惯性陀螺仪、时间基准电路和时钟电路均与主控器连接；倾斜传感器和压力传感器通过数据采集模块与主控器连接；

所述主控器，用于在所述海底变形监测仪器下水前，与一外部授时装置连接，并读取所述外部授时装置的时间，以使数据采集模块、时钟电路的时间与所述外部授时装置的时间进行同步；以及在所述海底变形监测仪器下水后，通过所述时间基准电路校准数据采集模块在获取倾斜传感器、压力传感器输出的数据时产生的采集时间。

优选的，所述主控器还用于将数据采集模块、地磁仪、温度传感器和惯性陀螺仪输出的数据保存至存储器。

优选的，所述主控器还用于将数据采集模块、地磁仪、温度传感器和惯性陀螺仪输出的数据通过水声通讯单元传输至海面上的水声通讯主机***。

优选的，所述外部授时装置为卫星授时模块。

优选的，所述倾斜传感器为正交双分量倾角传感器。

优选的，所述时间基准电路为低温漂时间基准电路。

优选的，所述时钟电路为晶体振荡器。

本发明的目的之二采用以下技术方案实现：

一种海洋天然气水合物开发的海底变形监测仪器的使用方法，其包括以下步骤：

在海底变形监测仪器下水前，将主控器与外部授时装置连接，主控器读取所述外部授时装置的时间，以使数据采集模块、时钟电路的时间与所述外部授时装置的时间进行同步；

在海底变形监测仪器下水后，主控器与外部授时装置失去连接，主控器通过时间基准电路校准数据采集模块在获取倾斜传感器、压力传感器输出的数据时产生的采集时间。

优选的，为避免安装过程的摇晃和振动对传感器产生影响，该使用方法还包括以下步骤：在海底变形监测仪器下水后，且海底变形监测仪器处于运动状态时，主控器控制倾斜传感器处于停止工作状态，在海底变形监测仪器完成坐底后，主控制器控制倾斜传感器上电启动。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的仪器通过自备电池获得了很好的自持工作能力，并实现低功耗工作，同时通过合理应用水声通讯单元，能够实现天然气水合物勘查领域深水仪器的无缆通讯和自供电长期工作。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的海洋天然气水合物开发的海底变形监测仪器的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例的海洋天然气水合物开发的海底变形监测仪器的使用方法的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，本实施例公开了一种海洋天然气水合物开发的海底变形监测仪器，其固定安装在海底预期沉降区域的监测位置上，其包括主控器、数据采集模块、电池组、电源管理单元、存储器、水声通讯单元、倾斜传感器、压力传感器、地磁仪(方向传感器)、温度传感器、惯性陀螺仪、时间基准电路和时钟电路；电池组通过电源管理单元与主控器连接；数据采集模块、电源管理单元、存储器、水声通讯单元、地磁仪、温度传感器、惯性陀螺仪、时间基准电路和时钟电路均与主控器连接；倾斜传感器和压力传感器通过数据采集模块与主控器连接；

所述主控器，用于在所述海底变形监测仪器下水前，与一外部授时装置连接，并读取所述外部授时装置的时间，以使数据采集模块、时钟电路的时间与所述外部授时装置的时间进行同步；以及在所述海底变形监测仪器下水后，通过所述时间基准电路校准数据采集模块在获取倾斜传感器、压力传感器输出的数据时产生的采集时间；以及用于将数据采集模块、地磁仪、温度传感器和惯性陀螺仪输出的数据保存至存储器；以及还用于将数据采集模块、地磁仪、温度传感器和惯性陀螺仪输出的数据通过水声通讯单元传输至海面上的水声通讯主机***。

本实施例的外部授时装置采用卫星授时模块，倾斜传感器采用正交双分量倾角传感器，时间基准电路采用低温漂时间基准电路，时钟电路采用晶体振荡器，压力传感器采用水压传感器，存储器为SD卡存储器，主控器采用ARM处理器。

在水合物试采阶段，深埋的固体水合物在井底压力降低后分解为孔隙水和自由气体，造成沉积物骨架软化和储层液化，进而导致开发区域的局部地层沉降和/或倾斜。据此，开发出本实施例的海底变形监测仪器，将倾斜传感器和压力传感器组合起来实现海底变形的监测。塌陷发生后，倾斜传感器可以直接对来自垂直和水平方向的扰动进行测量，与惯性陀螺仪等配合使用后，还可以对倾斜方位进行测量，从而得到较为完整的海底倾斜信息。然而，海底塌陷虽然一定会造成海底的局部沉降，但并不必然导致地层倾斜，此时，就需要依靠高精度的水压测量来进行辨别，当压力传感器随着海底下沉时，其记录的压力会有一个异常的增大。进一步的，可以运用地球物理反演方法计算试采过程对水合物储层影响区域的展布、位置、方位、倾角等信息，为改进试采方案和建立水合物商业性开采方案提供科学依据。

本实施例的海底变形监测仪器是布设在海底的台站式的仪器，对预期沉降区域内不同测位上的倾斜度、水压等环境物理参数的变化进行连续监测与记录。因此需集成了高灵敏度倾斜传感器、高精度水压传感器、惯性陀螺仪、温度传感器等多种类型传感器及与之配套的数字化测量、记录与供电功能。

台站式的工作方式是综合考虑了试采过程前中后期间的连续监测与记录基本要求，及南海水合物生产试验区域特点的设计结果。作为一台具有长时间自持工作能力的智能化传感器总成，海底变形监测仪器能够长时间在固定测位上独立完成海底变形监测工作，或与其他台站组成***，在较大范围上完成长时间多测位联合海底变形监测。

海底变形监测仪器的模块化的设计特点使之可以支持多种不同类型传感器及其组合。目前的设计中集成了测量海底变形的正交双分倾角传感器、测量海底沉降的静态水压计(水压传感器)等两种核心传感器，以及与之配合使用的，测量方位与姿态的地磁仪和惯性陀螺仪总成、测量工作环境温度的温度传感器、为***提供精确时间基准的晶体振荡器等多种类型的辅助传感器组。

测量海底沉降的静态水压传感器设计测量灵敏度达到0.1kPa(对应1厘米水柱)。为了使之在长时间的测量过程中保持相对一致的测量精确度，采用了标准压力进行参数标定和计算，通过补偿算法消除高灵敏度传感器的固有漂移问题，使之在保持测量精确度的同时达到较高的测量灵敏度。

同样的原理，测量海底在水合物试采过程中的微弱变形需要使用高灵敏度的正交双分量倾角传感器，设计测量精度优于0.01°。这类传感器在保证高灵敏度的同时，牺牲了诸如漂移特性、量程范围等其他一些特性，每个敏感轴均采用双传感器差分设计，以补偿倾角传感器的固有零漂。

压力传感器采用绝对压力定标设计，传感器分别与内部基准压力仓及外部环境相连，周期性地测量内部基准压力和外部环境压力，两次测量到的压力值具有相同的零点漂移方向和相近的零点漂移总量，通过补偿算法能够在很大程度上消除传感器的固有零漂。

用于姿态测量的传感器属于辅助测试，根据实际要求采用一般工业级的传感器即可满足要求。

考虑到长期放置海底获取基准数据和短期提供实时数据供生产安全评估的需要，海底变形监测仪器具备无人值守和实时监控两种工作模式。无人值守模式时，使用电池组供电(6～12个月)，数据在仪器回收后读取。实时监控模式则通过水声通讯单元与海面上的水声通讯主机***进行数据和控制信号的传输，实现采样数据的现场回读。

电池组采用五个大容量的锂电池组并行供电，每个电池组都是有12节单体电池按照3并4串的方式进行组合，配合内部专用的电池管理单元，集成电路实现过流、过压、欠压、过充和过放保护等。每个电池组采用PVC绝缘材料单独包装，避免意外情况发生。

如图2所示，公开了本实施例的一种海底变形监测仪器的使用方法，其包括以下步骤：

步骤S1、在海底变形监测仪器下水前，将主控器与外部授时装置连接，主控器读取所述外部授时装置的时间，以使数据采集模块、时钟电路的时间与所述外部授时装置的时间进行同步；

步骤S2、在海底变形监测仪器下水后，且海底变形监测仪器处于运动状态时(即安装中)，主控器控制倾斜传感器处于停止工作状态，直到海底变形监测仪器完成坐底后(即安装完)，主控制器控制倾斜传感器上电启动；

由于下水后，主控器与外部授时装置失去连接，主控器通过时间基准电路校准数据采集模块在获取倾斜传感器、压力传感器输出的数据时产生的采集时间。

具体而言，海底变形监测仪器的主控器主要负责外部授时装置的时间读取、数据的采集控制、数据存储和读取、接口通讯以及传感器的电源控制。仪器开机后，需要外接卫星授时装置和时钟电路来获取精准的时间，仪器内部的数据采集模块与卫星授时装置同步后，采集到的数据都会有对应的时间关系。当仪器下水后失去卫星授时装置后，由内部的低温漂时钟基准电路来核准采集时间。

主控器对传感器的电源控制和采集控制主要针对高灵敏度倾斜传感器，为避免布设过程的摇晃和振动对传感器产生影响，因此倾斜传感器在仪器开机时并未上电和采集，而压力传感器不受影响，仪器开机后可以正常上电进行采集，如果已连接水声通讯设备的话，同时可以监测布设过程。

海底变形监测仪器的采集模块板采用了高精度ADC集成芯片，为提供采样精度，将采样率调至最低。数据采集模块将采集到的多路传感器数据进行分组和打包，按照固定格式的数据包的发送至主控器进行存储。这样数据采集任务全部下放至数据采集模块，有效降低了主控器的负担。

传感器的信号输出进行前置放大，调理与采集。模数转换电路以32位Δ-Σ模数转换器为核心，加以***辅助电路组成，可满足对130dB高动态范围的传感器信号的记录要求。模数转换器内部包含二阶Δ-Σ增量调制器，可编程数字抽取滤波，及其他控制和接口电路，其主要参数均要求比传感器高出至少一个量级，这种设置有助于充分发掘前端传感器的潜力。

考虑到海底环境的复杂性，洋流、潮汐、生物、泥沙等因素都会对倾斜传感器和水压传感器造成干扰，因此，海底变形监测仪器最好可以在水合物试采开始前就布放在试验区域，开始进行海底变形基准数据的连续采集，从而充分掌握正常海洋环境的洋流、潮汐、生物、泥沙沉积等因素对海底变形的影响规律，这样才能在生产时有效剔除监测装置记录的干扰信号，将真正由海底塌陷造成的异常数据辨别出来。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海洋天然气水合物开发的海底变形监测仪器，其特征在于，其固定安装在海底预期沉降区域的监测位置上，其包括主控器、数据采集模块、电池组、电源管理单元、存储器、水声通讯单元、倾斜传感器、压力传感器、地磁仪、温度传感器、惯性陀螺仪、时间基准电路和时钟电路；电池组通过电源管理单元与主控器连接；数据采集模块、电源管理单元、存储器、水声通讯单元、地磁仪、温度传感器、惯性陀螺仪、时间基准电路和时钟电路均与主控器连接；倾斜传感器和压力传感器通过数据采集模块与主控器连接；

所述主控器，用于在所述海底变形监测仪器下水前，与一台外部授时装置连接，并读取所述外部授时装置的时间，以使数据采集模块、时钟电路的时间与所述外部授时装置的时间同步；以及在所述海底变形监测仪器下水后，通过所述时间基准电路校准数据采集模块在获取倾斜传感器、压力传感器输出的数据时产生的采集时间。

2.如权利要求1所述的海底变形监测仪器，其特征在于，所述主控器还用于将数据采集模块、地磁仪、温度传感器和惯性陀螺仪输出的数据保存至存储器。

3.如权利要求1所述的海底变形监测仪器，其特征在于，所述主控器还用于将数据采集模块、地磁仪、温度传感器和惯性陀螺仪输出的数据通过水声通讯单元传输至海面上的水声通讯主机***。

4.如权利要求1所述的海底变形监测仪器，其特征在于，所述外部授时装置为卫星授时模块。

5.如权利要求1所述的海底变形监测仪器，其特征在于，所述倾斜传感器为正交双分量倾角传感器。

6.如权利要求1所述的海底变形监测仪器，其特征在于，所述时间基准电路为低温漂时间基准电路。

7.如权利要求1所述的海底变形监测仪器，其特征在于，所述时钟电路为晶体振荡器。

8.如权利要求1-7任意一项所述的海底变形监测仪器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

在海底变形监测仪器下水前，将主控器与外部授时装置连接，主控器读取所述外部授时装置的时间，以使数据采集模块、时钟电路的时间与所述外部授时装置的时间进行同步；

在海底变形监测仪器下水后，主控器与外部授时装置失去连接，主控器通过时间基准电路校准数据采集模块在获取倾斜传感器、压力传感器输出的数据时产生的采集时间。

9.如权利要求1所述的使用方法，其特征在于，还包括以下步骤：在海底变形监测仪器下水后，且海底变形监测仪器处于运动状态时，主控器控制倾斜传感器处于停止工作状态，在海底变形监测仪器完成坐底后，主控制器控制倾斜传感器上电启动。