專利名稱：一種測(cè)量海底冷泉天然氣滲漏原位流量速率變化的測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到深海探測(cè)與作業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種能夠連續(xù)測(cè)量海底冷泉天 然氣滲漏原位流量速率變化的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
海底冷泉天然氣滲漏原位流量速率測(cè)量裝置是近幾年國(guó)外研究發(fā)展的一項(xiàng)新技 術(shù)，在國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)有關(guān)海底冷泉天然氣滲漏原位流量在線測(cè)量技術(shù)的相關(guān)報(bào)道。然而國(guó) 際上該領(lǐng)域的研究正在如火如荼的進(jìn)行著，其中美國(guó)將深海技術(shù)做為本國(guó)海洋領(lǐng)域優(yōu)先 資助的高科技項(xiàng)目，在1998年路易斯安那州立大學(xué)海岸研究所Harry Roberts教授就已經(jīng) 設(shè)計(jì)了海底冷泉流體觀測(cè)裝置，成功的觀察對(duì)墨西哥灣Bush Hill的天然氣滲漏系統(tǒng)。在 1999年由墨西哥灣天然氣水合物研究聯(lián)合會(huì)組織了 15所高校、5個(gè)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)和數(shù)家私人 公司，由密西西比大學(xué)牽頭，開(kāi)展海底天然氣水合物實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)正在進(jìn)行，將對(duì)墨西 哥灣Mississippi CanyonBlock 118進(jìn)行地球化學(xué)，微生物和地震進(jìn)行觀測(cè)。海底觀察系統(tǒng) 實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)光纖電纜傳輸?shù)桨渡?。與此同時(shí)，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校采用所 設(shè)計(jì)的海底冷泉觀測(cè)裝置對(duì)水合物脊和墨西哥灣等全球典型的天然氣滲漏和天然氣水合 物發(fā)育區(qū)進(jìn)行了觀察。滲漏系統(tǒng)發(fā)育的水合物(滲漏型水合物)具有埋藏淺，易開(kāi)采， 價(jià)值高等特點(diǎn)。不僅如此，每年通過(guò)這種海底冷泉天然氣滲漏釋放到海洋水體及大氣中 的甲烷的數(shù)量也是非常驚人的，初步的估計(jì)為大于IOTg(IO12g)每年。甲烷是強(qiáng)烈的溫室 效應(yīng)氣體，其溫室效應(yīng)是相同質(zhì)量二氧化碳的20倍以上，如此巨大數(shù)量的甲烷是全球變 化的一個(gè)重要的影響因子。因此，對(duì)海底冷泉天然氣滲漏速率在線原位探測(cè)具有重要的 經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科學(xué)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是用于連續(xù)探測(cè)海底冷泉天然氣滲漏原位流量速率變化的裝置。研究表明，海底冷泉天然氣滲漏原位流量平均速率的獲得可以通過(guò)測(cè)定定量體 積的次數(shù)來(lái)確定的，同時(shí)也可以確定從海底向上滲漏天然氣的總量。向上滲漏的天然氣 通過(guò)收集裝置進(jìn)入到定量體積的氣體收集室中，氣體收集室中的水被向下排除，當(dāng)液面 到達(dá)下部液位傳感器的位置時(shí)，控制系統(tǒng)控制電磁閥閥門(mén)打開(kāi)，氣體收集室中的氣體瞬 間被排空，隨后氣體收集室內(nèi)液面上升，當(dāng)液面位置到達(dá)上部液位傳感器時(shí)，電磁閥門(mén) 關(guān)閉，海水充滿收集室，重新開(kāi)始下一次氣體收集。電磁閥閥門(mén)打開(kāi)一次，數(shù)據(jù)記錄儀 記錄一次，同時(shí)也記錄了流量計(jì)收集氣體的時(shí)間。通過(guò)獲得電磁閥閥門(mén)打開(kāi)的次數(shù)， 可以獲得總的天然氣流量值和總的平均流量值，而根據(jù)記錄的電磁閥閥門(mén)打開(kāi)的時(shí)間間 隔，可以獲得閥門(mén)打開(kāi)間隔天然氣平均流量值。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案一種測(cè)量海底冷泉天然氣滲 漏原位流量速率變化的測(cè)量裝置，包括有固定架，在固定架內(nèi)放置有滲漏帳篷罩，滲漏帳篷罩頂端與體積排空法流量測(cè)量?jī)x連通，在滲漏帳篷罩靠近底端的側(cè)面上開(kāi)有滲水網(wǎng) 格，在滲漏帳篷罩靠近體積排空法流量測(cè)量?jī)x的側(cè)面上開(kāi)有氣泡破碎網(wǎng)格，氣泡破碎網(wǎng) 格的主要作用能防止雜物進(jìn)入到儀器內(nèi)部，所述體積排空法流量測(cè)量?jī)x包括有與滲漏帳 篷罩相通的氣體收集室，所述氣體收集室上分別設(shè)有電磁閥，液位開(kāi)關(guān)，在氣體收集室 內(nèi)縱向設(shè)有與液位開(kāi)關(guān)連接的連接桿，在連接桿上部設(shè)有上部液位傳感器探頭，在連接 桿下部設(shè)有下部液位傳感器探頭；所述電磁閥連接到控制系統(tǒng)。所述滲漏帳篷罩為圓錐形，圓錐形窄端與所述氣體收集室連通。本發(fā)明主要采用定量體積排空法來(lái)測(cè)定海底冷泉天然氣滲漏原位流量速率。其 主要技術(shù)方案是首先從海底滲漏點(diǎn)滲漏出一定流速(0 360L/h)的天然氣氣泡被與海 底密閉的圓錐形滲漏帳篷罩收集到圓錐形帳篷罩內(nèi)，收集到的天然氣氣泡穿過(guò)氣泡破碎 網(wǎng)格形成半徑大小相等(或不等)的氣泡。天然氣氣泡進(jìn)入到氣體收集室中，氣體收集 室中的液面不斷下降，當(dāng)氣體收集室中的液面下降到達(dá)液位開(kāi)關(guān)下部的下部液位傳感器 探頭位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)控制電磁閥門(mén)打開(kāi)，讓收集到的氣體瞬間被排空，隨后氣體收 集室內(nèi)瞬間充滿海水，當(dāng)氣體收集室中的液面上升到達(dá)上部液位傳感器探頭位置時(shí)，控 制系統(tǒng)控制電磁閥門(mén)關(guān)閉，重新開(kāi)始下一次集氣。同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中會(huì)記錄上氣體充 滿氣體收集室的時(shí)間和電磁閥門(mén)打開(kāi)的次數(shù)。依靠獲得的電磁閥門(mén)打開(kāi)的次數(shù)，可以得 到天然氣滲漏總量，而靠獲知天然氣收集時(shí)間，可以得到總的平均流量值和閥門(mén)打開(kāi)時(shí) 間間隔的平均流量值。總的來(lái)說(shuō)該技術(shù)方案包含以下三個(gè)系統(tǒng)a)海底滲漏天然氣收集測(cè)量系統(tǒng)天然氣滲漏在線原位觀測(cè)裝置中滲漏帳篷罩與海底形成密封狀態(tài)，從海底滲漏 點(diǎn)滲漏出的天然氣氣泡進(jìn)入到帳篷罩內(nèi)，穿過(guò)氣泡破碎網(wǎng)格后被收集在滲漏帳篷罩內(nèi)。 收集到帳篷罩的天然氣進(jìn)入到氣體收集室中，氣體收集室中的水面不斷下降，當(dāng)氣體收 集室中液面下降到達(dá)下部液位傳感器探頭位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)控制電磁閥門(mén)打開(kāi)，讓收 集到的氣體瞬間被排空，隨后氣體收集室中瞬間充滿海水，當(dāng)液面上升到達(dá)上部液位傳 感器探頭位置時(shí)，控制系統(tǒng)控制電磁閥門(mén)關(guān)閉，重新開(kāi)始下一次集氣。b)裝置控制、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)系統(tǒng)當(dāng)收集室中液面下降到達(dá)液位開(kāi)關(guān)下部探頭位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)控制電磁閥門(mén) 打開(kāi)，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上則會(huì)記錄并存儲(chǔ)一次電磁閥門(mén)打開(kāi)和氣體充滿收集室的時(shí)間。 根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上總共記錄的電磁閥門(mén)打開(kāi)的次數(shù)，可以得知天然氣總滲漏流量，而根 據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上記錄的天然氣滲漏時(shí)間，可以得知平均天然氣流量值。c)海底滲漏天然氣流量數(shù)據(jù)分析、處理軟件系統(tǒng)在海底滲漏天然氣流量測(cè)量裝置獲得數(shù)據(jù)后，可利用本數(shù)據(jù)分析、處理軟件將 存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)讀出，并顯示出流量變化曲線，同時(shí)將數(shù)據(jù)以文件形式進(jìn) 行存儲(chǔ)。同時(shí)本軟件可以在線實(shí)時(shí)觀測(cè)流量變化曲線。本軟件可以對(duì)流量探測(cè)裝置進(jìn)行 運(yùn)行參數(shù)如當(dāng)前時(shí)間、測(cè)量時(shí)間段等的設(shè)定。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)圍繞著對(duì)海底冷泉天然氣滲漏和天 然氣水合物發(fā)育區(qū)的原位流量速率的觀測(cè)，重點(diǎn)對(duì)海底氣體流量觀測(cè)裝置進(jìn)行了系統(tǒng)研 究，采用體積式排空法測(cè)量海底氣體流量。同時(shí)通過(guò)對(duì)南海滲漏區(qū)的實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)了發(fā)育眾多正在活動(dòng)的海底冷泉天然氣滲漏系統(tǒng)，并且北部大陸坡天然氣水合物發(fā)育區(qū)也 發(fā)現(xiàn)了正在活動(dòng)的冷泉及生物群。依據(jù)滲漏區(qū)的水深及海底冷泉天然氣滲漏量，設(shè)計(jì) 天然氣滲漏原位測(cè)量裝置最大工作水深達(dá)4000米，工作溫度范圍為0-40°C ；測(cè)定流速 0-6000cm7分鐘，并且儀器持續(xù)工作可達(dá)30天。所設(shè)計(jì)的觀測(cè)裝置具有耐高壓作用，測(cè) 量流體速率范圍寬，靈敏度高，且表面都涂有防腐蝕和防生物附著涂層，可直接觀測(cè)海 底流體流動(dòng)速率變化，適用于科學(xué)研究。綜上所述，所設(shè)計(jì)海底天然氣滲漏在線原位觀 測(cè)裝置能更好的連續(xù)觀測(cè)海底天然氣水合物滲漏區(qū)流體流量速率的變化，并且能夠連續(xù) 記錄并存儲(chǔ)天然氣流量速率變化值。


圖1為某日測(cè)試的初步數(shù)據(jù)圖；圖2為某時(shí)間段測(cè)試的初步數(shù)據(jù)圖；圖3為本發(fā)明海底天然氣滲漏在線原位觀測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為體積排空法流量測(cè)量?jī)x示意圖；圖5為控制系統(tǒng)控制氣體收集原理示意圖；圖6為體積排空法流量測(cè)量?jī)x內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標(biāo)記說(shuō)明1-體積排空法流量測(cè)量?jī)x，11-氣體收集室，12-電磁閥， 13-液位開(kāi)關(guān)，14-上部液位傳感器探頭，15-下部液位傳感器探頭，16-連接桿，2-氣泡 破碎網(wǎng)格，3-滲漏帳篷罩，4-固定架，5-滲水網(wǎng)格。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例請(qǐng)參閱圖3到圖5所示，一種測(cè)量海底冷泉天然氣滲漏原位流量速率變化的測(cè)量 裝置，包括有固定架4，在固定架4內(nèi)放置有滲漏帳篷罩3，滲漏帳篷罩3頂端與體積排 空法流量測(cè)量?jī)x1連通，在滲漏帳篷罩3靠近底端的側(cè)面上開(kāi)有滲水網(wǎng)格5，在滲漏帳篷 罩3靠近體積排空法流量測(cè)量?jī)x1的側(cè)面上開(kāi)有氣泡破碎網(wǎng)格2 ；體積排空法流量測(cè)量?jī)x 1包括有與滲漏帳篷罩3相通的氣體收集室11，氣體收集室11上分別設(shè)有電磁閥12，液 位開(kāi)關(guān)13，在氣體收集室11內(nèi)縱向設(shè)有與液位開(kāi)關(guān)13連接的連接桿16，在連接桿16上 部設(shè)有上部液位傳感器探頭14，在連接桿16下部設(shè)有下部液位傳感器探頭15 ；電磁閥 12連接到控制系統(tǒng)。進(jìn)一步的，滲漏帳篷罩3為圓錐形，圓錐形窄端與氣體收集室11連通。首先天然氣滲漏在線原位觀測(cè)裝置被安置在海底冷泉滲漏點(diǎn)處，從海底滲漏點(diǎn) 冒出的天然氣氣泡被與海底密閉的滲漏圓錐帳篷罩收集到圓錐帳篷內(nèi)，天然氣氣泡穿過(guò) 氣泡破碎網(wǎng)格形成半徑大小相等或不等的氣泡。天然氣氣泡進(jìn)入到氣體收集室中，氣體 收集室中的水面不斷下降，當(dāng)液面下降到到下部液位傳感器探頭位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)控 制電磁閥門(mén)打開(kāi)，讓收集到的氣體瞬間被排空，隨后氣體收集室中瞬間充滿海水，當(dāng)液 面上升到達(dá)上部液位傳感器探頭位置時(shí)，控制系統(tǒng)控制電磁閥門(mén)關(guān)閉，重新開(kāi)始下一次 集氣。當(dāng)收集室中液面下降到達(dá)液位開(kāi)關(guān)下部液位傳感器探頭位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)控制電磁閥門(mén)打開(kāi)，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上則會(huì)記錄并存儲(chǔ)一次電磁閥門(mén)打開(kāi)和氣體充滿收集室 的時(shí)間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上總共記錄的電磁閥門(mén)打開(kāi)的次數(shù)，可以得知天然氣總滲漏流量， 而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上記錄的天然氣滲漏時(shí)間，可以得知平均天然氣流量值。以下通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來(lái)說(shuō)明本實(shí)施例裝置的應(yīng)用首先水池底部已經(jīng)布置好氣體噴出裝置，隨后在加滿水的水池中放置已經(jīng)設(shè)計(jì) 加工好的天然氣滲漏在線原位觀測(cè)裝置，使其布置在氣體噴出裝置上方。觀測(cè)裝置接通 電源，對(duì)裝置設(shè)置當(dāng)前時(shí)間、運(yùn)行起止時(shí)間、收集室體積等參數(shù)，并對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)歸零。 完成設(shè)置后，打開(kāi)氣體噴出裝置閥門(mén)，氣體按著一定的速率向外冒出，從氣體噴出裝置 冒出的氣泡被收集到圓錐形滲漏帳篷罩3內(nèi)，氣泡向上擴(kuò)散穿過(guò)氣泡破碎網(wǎng)格2形成半徑 大小相等的氣泡。半徑相等的氣泡進(jìn)入到氣體收集室11中，氣體收集室11中的液面不斷 下降，當(dāng)液面下降到下部液位傳感器探頭15位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)控制電磁閥12門(mén)打開(kāi)， 收集到的氣體瞬間被排空，隨后氣體收集室11內(nèi)瞬間充滿水，當(dāng)液面上升到達(dá)上部液位 傳感器探頭14位置時(shí)，控制系統(tǒng)控制電磁閥12關(guān)閉，重新開(kāi)始下一次集氣。當(dāng)氣體收 集室11中液面下降到達(dá)液位開(kāi)關(guān)13下部液位傳感器探頭15位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)控制電 磁閥12打開(kāi)，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上則會(huì)記錄并存儲(chǔ)一次電磁閥門(mén)打開(kāi)和氣體充滿氣體收集 室11的時(shí)間。根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上記錄的總的電磁閥門(mén)打開(kāi)的次數(shù)，可以得知天然氣總滲 漏流量，而根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器上記錄的天然氣滲漏時(shí)間，可以得知平均天然氣流量值。獲得的數(shù)據(jù)如圖1和圖2所示，其中圖1為5月12日測(cè)試的初步數(shù)據(jù)圖，圖2 為8月2號(hào)至9月2日測(cè)試的流量數(shù)據(jù)圖。海底冷泉天然氣滲漏系統(tǒng)原位流量在線測(cè)量裝置的流量速率范圍是通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)?擬而獲得，測(cè)得其流量速率范圍為O-SOOcm3Xs-1,收集室內(nèi)收集氣體的最短時(shí)間不能小 于5秒，最大分辨率為0.5cm3X且相對(duì)誤差為3%?？偺烊粴鉂B漏體積流量Q與排空次數(shù)R之間呈正比的關(guān)系，是一條斜率為1.5的 直線(1)即總流量Q =收集室容積qX排空次數(shù)R，其中收集室容積q = 1.5L,排空 次數(shù)R可以通過(guò)數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)系統(tǒng)獲得；而總天然氣滲漏體積流量Q與天然氣滲漏流速之間存在著一定的關(guān)系，若流量 速率恒定，則體積流量Q與流速時(shí)間T呈一條直線關(guān)系，若流量速率是變化的，則總天 然氣滲漏體積流量Q與天然氣滲漏流速時(shí)間T呈一條正比曲線關(guān)系。天然氣滲漏平均流 量速率V =總流量Q/總時(shí)間T，T為數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)系統(tǒng)記錄的總天然氣滲漏流量時(shí)間； 單次閥門(mén)開(kāi)啟的天然氣滲漏平均流量速率ν =收集室容積q/單次集氣時(shí)間t。上列詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，該實(shí)施例并非用以限制本 發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍 中。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量海底冷泉天然氣滲漏原位流量速率變化的測(cè)量裝置，其特征在于包括 有固定架(4)，在固定架(4)內(nèi)放置有滲漏帳篷罩(3)，滲漏帳篷罩(3)頂端與體積排空 法流量測(cè)量?jī)x⑴連通，在滲漏帳篷罩⑶靠近底端的側(cè)面上開(kāi)有滲水網(wǎng)格(5)，在滲漏 帳篷罩(3)靠近體積排空法流量測(cè)量?jī)x(1)的側(cè)面上開(kāi)有氣泡破碎網(wǎng)格(2)；所述體積排 空法流量測(cè)量?jī)x(1)包括有與滲漏帳篷罩(3)相通的氣體收集室(11)，所述氣體收集室 (11)上分別設(shè)有電磁閥(12)，液位開(kāi)關(guān)(13)，在氣體收集室(11)內(nèi)縱向設(shè)有與液位開(kāi) 關(guān)(13)連接的連接桿(16)，在連接桿(16)上部設(shè)有上部液位傳感器探頭(14)，在連接 桿(16)下部設(shè)有下部液位傳感器探頭(15)；所述電磁閥(12)連接到控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量海底冷泉天然氣滲漏原位流量速率變化的測(cè)量裝置，其特 征在于所述滲漏帳篷罩(3)為圓錐形，圓錐形窄端與所述氣體收集室(11)連通。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)量海底冷泉天然氣滲漏原位流量速率變化的測(cè)量裝置，包括有固定架，在固定架內(nèi)放置有滲漏帳篷罩，滲漏帳篷罩頂端與體積排空法流量測(cè)量?jī)x連通，在滲漏帳篷罩靠近底端的側(cè)面上開(kāi)有滲水網(wǎng)格，在滲漏帳篷罩靠近體積排空法流量測(cè)量?jī)x的側(cè)面上開(kāi)有氣泡破碎網(wǎng)格，體積排空法流量測(cè)量?jī)x包括有與滲漏帳篷罩相通的氣體收集室，氣體收集室上分別設(shè)有電磁閥，液位開(kāi)關(guān)，在氣體收集室內(nèi)縱向設(shè)有與液位開(kāi)關(guān)連接的連接桿，在連接桿上部設(shè)有上部液位傳感器探頭，在連接桿下部設(shè)有下部液位傳感器探頭；電磁閥連接到控制系統(tǒng)。觀測(cè)裝置能更好的連續(xù)觀測(cè)海底天然氣水合物滲漏區(qū)流體流量速率的變化，并且能夠連續(xù)記錄并存儲(chǔ)天然氣流量速率變化值。
文檔編號(hào)G01F11/28GK102012246SQ20101029287
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者邸鵬飛, 陳多福, 陳慶華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所