一种用于海底可燃冰开采的光纤传感监控系统
技术领域
本发明涉及可燃冰开采技术领域，特别涉及一种用于海底可燃冰开采的光纤传感监控系统。
背景技术
可燃冰(CH4·nH2O)是一类在低温高压条件下由水和甲烷形成的一种冰状结晶物质。可燃冰在世界范围内广泛存在，大约22％的陆地和90％的大洋海底是形成它的潜在地区，主要分布在极地高原的永久冻土带及水深超过300m以下的海底。初步估算它的碳资源总量是全球所有化石燃料中碳含量的两倍，其矿藏量估计为1.5×1016m3至2.0×1016m3。据预测，我国可燃冰资源量将超过2000亿吨。由于“可燃冰”中气体组成99％为甲烷(CH4)，具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点，是公认的地球上尚未开发的最大新型能源，被誉为21世纪最有希望的战略资源。
在可燃冰的生产过程中，影响可燃冰产量的一个重要因素是生产井输送管道的堵塞问题。造成这一现象的原因主要有两个方面，一是水合物层的砂子随着甲烷气体进入输送管道，形成堵塞；二是甲烷气体在输送过程中，由于周围环境温度和压力的变化，使得甲烷气体和水重新结合形成固态的可燃冰，出现了二次生成现象，导致可燃冰的产量降低。
因此，现有技术有待发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种用于海底可燃冰开采的光纤传感监控系统，能够实时监控生产井内甲烷生产管道的温度分布、振动分布和压力分布，掌握生产井内水、气、砂的动态变化，准确定位可燃冰二次生成位置或砂子堵塞的位置。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种用于海底可燃冰开采的光纤传感监控系统，应用于海底可燃冰开采系统，所述海底可燃冰开采系统包括生产井、以及设置于生产井内的抽水管道、甲烷生产管道，所述抽水管道底部端口连接有气体分离装置，其中，
所述光纤传感监控系统包括可燃冰生产监控系统以及海上控制平台，所述可燃冰生产监控系统包括第一温度监控系统、振动监控系统以及第一压力监控系统；
所述第一温度监控系统包括第一分布式光纤测温仪、以及铺设于甲烷生产管道内的第一温度传感光纤，所述第一温度传感光纤用于检测所述甲烷生产管道内的温度信息并输送至所述第一分布式光纤测温仪，所述第一分布式光纤测温仪对该温度信息进行采集和计算，得到所述甲烷生产管道的温度分布信息；
所述振动监控系统包括分布式光纤振动传感仪、以及铺设于甲烷生产管道内的振动传感光纤，所述振动传感光纤用于检测所述甲烷生产管道内的振动信息并输送至所述分布式光纤振动传感仪，所述分布式光纤振动传感仪对该振动信息进行采集和计算，得到所述甲烷生产管道的振动分布信息；
所述第一压力监控系统包括第一压力检测仪以及安装于甲烷生产管道内的第一压力传感头，所述第一压力传感头用于检测所述甲烷生产管道内的压力信息并输送至所述第一压力检测仪，所述第一压力检测仪对该压力信息进行采集和计算，得到所述甲烷生产管道的压力分布信息；
所述第一分布式光纤测温仪、分布式光纤振动传感仪、第一压力检测仪分别固定于所述海上控制平台上。
进一步地，还包括与所述可燃冰生产监控系统通信连接的海底监控系统，所述海底监控系统包括若干个设置于所述生产井周围的观测井，每一观测井设置有海底监控平台、第二温度监控系统以及第二压力监控系统；
所述第二温度监控系统包括第二分布式光纤测温仪、以及铺设于观测井外壁的第二温度传感光纤，所述第二温度传感光纤用于检测所述观测井外壁的温度信息并输送至所述第二分布式光纤测温仪，所述第二分布式光纤测温仪对该温度信息进行采集和计算，得到所述观测井外壁的温度分布信息；
所述第二压力监控系统包括第二压力检测仪以及安装于观测井外壁的第二压力传感头，所述第二压力传感头用于检测所述观测井外壁的压力信息并输送至所述第二压力检测仪，所述第二压力检测仪对该压力信息进行采集和计算，得到所述观测井外壁的压力信息；
所述第二分布式光纤测温仪、第二压力检测仪分别固定于所述海底监控平台上。
进一步地，所述观测井设置有两个或多个，分别设置于所述生产井的周围。
进一步地，所述可燃冰生产监控系统与所述海底监控系统通过有线电缆或者无线超声波通信连接。
本发明技术方案具有的有益效果：
本发明的用于海底可燃冰开采的光纤传感监控系统，通过在生产井内设置第一温度监控系统、振动监控系统以及第一压力监控系统，分别实时监测生产井中甲烷生产管道的温度分布、振动分布以及压力分布，结合分析得到生产井内水、气、砂的动态变化，获知可燃冰开采过程中砂子在甲烷生产管道内的流动情况，提前预判发生可燃冰二次生成或者砂子堵塞的情况，并且可以得知发生砂子堵塞的具体位置，便于进行疏通处理，从而实现安全高效、可持续的可燃冰开采活动。
附图说明
图1是本发明第一实施例的结构示意图；
图2是本发明第一分布式光纤测温仪进行双端口测量的示意图；
附图标记说明：
100-光纤传感监控系统，111-第一分布式光纤测温仪，112-第一温度传感光纤，121-分布式光纤振动传感仪，122-振动传感光纤，131-第一压力检测仪，132-第一压力传感头，20-海上控制平台，30-海底监控系统，31-观测井，32-海底监控平台，331-第二分布式光纤测温仪，332-第二温度传感光纤，341-第二压力检测仪，342-第二压力传感头，201-生产井，202-抽水管道，203-甲烷生产管道，204-气体分离装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
作为第一实施例，请参考图1和图2，本发明提供了一种用于海底可燃冰开采的光纤传感监控系统100，应用于海底可燃冰开采系统，所述海底可燃冰开采系统包括生产井201、以及设置于生产井201内的抽水管道202、甲烷生产管道203，所述抽水管道202底部端口连接有气体分离装置204，在可燃冰开采中，抽水管道202将可燃冰储层内部的水从海底不断抽离到海上平台，在这个过程中可燃冰储层的压力降低，可燃冰分解成水和甲烷，甲烷从所述甲烷生产管道203输送到海上平台。所述气体分离装置204的主要作用：一是将水从海底抽离到海面上；二是在所述抽水管道202抽水过程中，将混杂在水的甲烷气体分离出去，保证甲烷只从所述甲烷生产管道203输送出去。
所述光纤传感监控系统100包括可燃冰生产监控系统以及海上控制平台20，所述可燃冰生产监控系统包括第一温度监控系统、振动监控系统以及第一压力监控系统，所述海上控制平台20用于控制各个系统的运行和停止，其位于海面上，方便进行操作和控制；
所述第一温度监控系统包括第一分布式光纤测温仪111、以及铺设于甲烷生产管道203内的第一温度传感光纤112，所述第一温度传感光纤112用于检测所述甲烷生产管道203内的温度信息并输送至所述第一分布式光纤测温仪111，所述第一分布式光纤测温仪111对该温度信息进行采集和计算，得到所述甲烷生产管道203的温度分布信息；所述第一分布式光纤测温仪111测量温度依据的原理是：光在传播过程中在光纤上每个位置发生拉曼散射，通过采集后向拉曼散射信号对光纤沿途进行温度计算。而通过在整个甲烷生产管道203上铺设所述第一温度传感光纤112，即可计算得到整个甲烷生产管道203上的温度分布。
所述振动监控系统包括分布式光纤振动传感仪121、以及铺设于甲烷生产管道203内的振动传感光纤122，所述振动传感光纤122用于检测所述甲烷生产管道203内的振动信息并输送至所述分布式光纤振动传感仪121，所述分布式光纤振动传感仪121对该振动信息进行采集和计算，得到所述甲烷生产管道203的振动分布信息。
砂子堵塞现象是可燃冰开采中的一个关键问题，在可燃冰开采过程中砂子会随着甲烷气体进入输送管道而发生堵塞。所述分布式光纤振动传感仪121依据光在传播过程中产生的瑞利散射，利用后向瑞利散射信号进行相互干涉，通过解调可以得到光纤上各个位置的相位变化。而砂子在所述甲烷生产管道203中移动时会发出声音，该声音作用在所述振动传感光纤122上将影响光纤对应位置上后向瑞利散射光的相位变化，通过振动传感光纤122上各位置的相位变化可以分析得到砂子在输送管道内的流动位置及振动频率和强度，提前预判发生砂子堵塞的情况。
由于可燃冰是在一定高压低温条件下形成，因此除了温度监控外，还需要在所述甲烷生产管道203内加入第一压力监控系统，所述第一压力监控系统包括第一压力检测仪131以及安装于甲烷生产管道203内的第一压力传感头132，所述第一压力传感头132用于检测所述甲烷生产管道203内的压力信息并输送至所述第一压力检测仪131，所述第一压力检测仪131对该压力信息进行采集和计算，得到所述甲烷生产管道203的压力分布信息。结合所述第一温度监控系统以及所述第一压力监控系统，能够掌握所述生产井201中整个甲烷生产管道203上的温度分布和压力分布，有利于分析评估所述甲烷生产管道203内可燃冰二次形成的可能性，而且在可燃冰二次形成后，仍然能得到可燃冰二次形成的具体位置，通过使用化学试剂等技术手段可让异常位置上的可燃冰再次分解，从而疏通所述甲烷生产管道203，保证甲烷气体的正常输送，实现安全可持续的可燃冰开采活动。
所述第一分布式光纤测温仪111、分布式光纤振动传感仪121、第一压力检测仪131分别固定于所述海上控制平台20上，方便进行控制。
本发明的光纤传感监控系统100采用了光纤传感技术，光纤传感技术指的是利用光纤作为传感与运输媒介，在外界信号，如压力、温度等对光纤特性参量(光强，波长，相位，频率，偏振态)的扰动，通过对光信号变化进行解调，从而实现对外界信号的测量。光纤传感技术相对其他的传感手段，具有抗电磁干扰、稳定的优点，非常适合易燃易爆的监测环境，因此非常适合作为可燃冰生产的一种监测手段。
在本实施方式中，所述第一分布式光纤测温仪111采用双端口测量，相比较单端口测量，双端口测量在温度测量上具有更高精度、更稳定的温度分辨率，并能去掉光在光纤传输过程中的模式损耗和连接头损耗。此外，光纤在焊接点位置易断，对于单端口温度测量，一旦光纤发生断裂系统就不能准确测量光纤上的温度分布。而在双端口测量中，当出现光纤焊接点位置断开以后，系统仍能较为准确的测量所述甲烷生产管道203上的温度分布，大大提高了系统的可用性、稳定性。
除此之外，用于生产井201监控的第一分布式光纤测温仪111应具有下列系列性能：1.高速数据采集频率:0.1米采集间隔；2.高空间分辨率：0.3米；3.高速系统温度测量时间:1-3秒。具有上述系列性能的第一分布式光纤测温仪111才能保证生产井中动态温度分布测量的精度。
在本实施方式中，所述第一压力检测仪131、第二压力检测仪341可采用点式压力检测仪，所述气体分离装置204可采用ESP气体分离装置；可燃冰开采的生产井201也可以是水平井。
在开采过程中可燃冰由固态水合物变成液态水和甲烷，会在一定程度上改变海底的结构，带来发生海底坍塌等风险，为了实现可燃冰的安全高效、持续生产，本发明的光纤传感监控系统100还包括与所述可燃冰生产监控系统通信连接的海底监控系统30，所述海底监控系统30包括若干个设置于所述生产井201周围的观测井31，每一观测井31设置有海底监控平台32、第二温度监控系统以及第二压力监控系统；
所述第二温度监控系统包括第二分布式光纤测温仪331、以及铺设于所述观测井31外壁的第二温度传感光纤332，所述第二温度传感光纤332用于检测所述观测井31外壁的温度信息并输送至所述第二分布式光纤测温仪331，所述第二分布式光纤测温仪331对该温度信息进行采集和计算，得到所述观测井31外壁的温度分布信息，从而检测在可燃冰开采过程中周边海底环境的温度变化；
所述第二压力监控系统包括第二压力检测仪341以及安装于观测井31外壁的第二压力传感头342，所述第二压力传感头342用于检测所述观测井31外壁的压力信息并输送至所述第二压力检测仪341，所述第二压力检测仪341对该压力信息进行采集和计算，得到所述观测井31外壁的压力信息，从而检测在可燃冰开采过程中周边海底环境的压力变化；
所述第二温度监控系统、第二压力监控系统对周边海底环境的压力影响、温度影响进行评估，实现了对可燃冰开采中生产井201周围的海底环境变化进行监控，这有利于分析可燃冰开采对海洋生态环境的影响，能够提前预判是否会发生海底坍塌、滑坡等地质灾害，从而保障可燃冰开采的安全高效、持续生产。
所述第二分布式光纤测温仪331、第二压力检测仪341分别固定于所述海底监控平台32上，所述海底监控平台32由耐高压密封储藏罐进行密封保护，防止所述第二分布式光纤测温仪331、第二压力检测仪341被损坏，确保海底监控的正常进行。
在本实施方式中，所述海底监控平台32、第二分布式光纤测温仪331以及第二压力检测仪341可通过水下机器人进行安装或者拆卸，不必人工安装，方便快捷，而且非常安全。
优选地，所述观测井31设置有两个或者多个，分别设置于所述生产井201的周侧，用于检测所述生产井201周侧的海底环境变化，避免所述生产井201两侧坍塌而影响可燃冰的正常开采。
作为一种实施例，所述可燃冰生产监控系统与所述海底监控系统30通过有线电缆或者无线超声波通信连接，具有方向性好、易于集中及穿透能力强的优点，能够避免其他干扰，实现精准的通信连接；其中，所述海上控制平台20和所述海底监控平台32都安装有超声波发生器和接收器。
本发明的光纤传感监控系统100，其实现温度监控、振动监控和压力监控的具体过程如下：
步骤1：所述海上控制平台20与所述第一分布式光纤测温仪111、分布式光纤振动传感仪121、第一压力检测仪131、第二分布式光纤测温仪331、第二压力检测仪341通信连接，并启动进行测量，所述海底监控平台32的测量数据通过超声波发送到所述海上控制平台20；
步骤2：待步骤1中测得的数据趋于稳定后，所述海上控制平台20启动所述气体分离装置204，将可燃冰储层内的液态水抽离到海上，可燃冰储层压力降低，可燃冰分解成液态水和甲烷气体，部分甲烷气体会进入到所述气体分离装置204内再被分离出去，保证甲烷气体从所述甲烷生产管道203输送出去，所述气体分离装置204在可燃冰开采过程中要持续运行；
步骤3：所述海上控制平台20内的第一分布式光纤测温仪111、分布式光纤振动传感仪121、第一压力检测仪131持续对所述甲烷生产管道203内的温度、振动和压力信息进行分布式测量，根据可燃冰形成的压力-温度条件曲线，并结合所测的温度和压力数据可以预判可燃冰二次生成的可能性，通过振动信息的测量可判定砂子在所述甲烷生产管道203内的流动位置以及砂子数量，预判所述甲烷生产管道203内发生砂子堵塞的可能性；
步骤4：所述观测井31上的海底监控平台32在可燃冰开采中持续工作，不断监控可燃冰开采中周边海底环境的温度变化、压力变化，作为一种可燃冰开采是否会带来海底坍塌、滑坡等地质灾害的重要评估手段，实现安全可持续的可燃冰开采。
本发明的用于海底可燃冰开采的光纤传感监控系统100，通过在生产井201内设置第一温度监控系统、振动监控系统以及第一压力监控系统，分别实时监测生产井201中甲烷生产管道203的温度分布、振动分布以及压力分布，结合分析得到生产井201内水、气、砂的动态变化，获知可燃冰开采过程中砂子在甲烷生产管道203内的流动情况，提前预判发生可燃冰二次生成或者砂子堵塞的情况，并且可以得知发生砂子堵塞的具体位置，便于进行疏通处理，从而实现安全高效、可持续的可燃冰开采活动。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
