本发明涉及现代海底天然气水合物资源勘探和开采技术领域，特别涉及水合物开采过程中的海洋环境监测、评估和预测。
背景技术：
天然气水合物是由天然气分子和水分子结合在一起形成的固态冰状物质，当前已经被认为是一种具有极大潜力的新型能源，其中最主要的成分是可燃烧的甲烷，因此也经常被称为“甲烷水合物”。
当前，加拿大、美国和日本等国已经先后在陆地上和海洋上开展了甲烷水合物试开采工作，而对于我国这样的能源消费大国，深入开展天然气水合物的科学理论、资源评价、技术方法、试采和示范、商业化开发等方面的工作具有重大的战略意义，也是保障我国能源储备安全的可靠手段。然而，在全球能源需求持续增加和碳排放逐渐升高的背景下，天然气水合物既是一种储量巨大的潜在能源资源，又是一种重要的温室气体来源，同时，由于99％的水合物资源储存于海域环境中，在勘探和开发过程中，不可避免地会造成海底甲烷泄漏、海床位移和沉陷、生物群落受损、水体污染甚至海底滑坡等风险。因此，在天然气水合物开采过程中，又必须建立一整套完善的环境保护、评价、预测体系，以达到“绿色、安全、经济、科学”地利用这种资源。
基于一系列国家专项的实施，我国将在近期开展天然气水合物试开采工作，井场环境监测问题已经成为一项迫在眉睫的任务提到中国科学家的议事日程上来。
技术实现要素：
本发明针对海洋天然气水合物开采过程中海洋环境立体化监测方面的技术空白，提供一种面向海域水合物开采环境立体化监测系统。
本发明是采用以下的技术方案实现的：海域水合物开采环境立体化监测系统，包括钻井平台、以主生产井为圆心而布设的内核心监测圈、外核心监测圈和位于外核心监测圈之外的圈外巡航监测区；所述内核心监测圈内包括围绕主生产井布设的环境监测副井、坐底式海底工作站和地形形变监测装置；所述坐底式海底工作站沿内核心监测圈圆周均匀布设有多个，以监测环境参数变化；所述环境监测副井用以监测温度差、压力差和电阻率差等，测试水合物开采过程中分解温度的扰动以及流体组成性质变化，以距离主生产井的平面距离为10m—25m相对布设两个；所述地形形变监测装置包括两条成正十字交叉的测量缆，测量缆上均匀设有多个监测点，且每个监测点设有压力传感器和三轴加速度计，地形形变监测装置主站位于主生产井井口5m—10m,以全面监测主生产井井场的地形形变；
所述外核心监测圈沿其圆周均匀布设有多个锚系潜标工作站，用以进行甲烷含量、浊度异常、流向流速、温度、盐度、溶解氧环境参数监测；且所述锚系潜标工作站与坐底式海底工作站交错布置；所述圈外巡航监测区设有海底接驳平台以及自主式水下潜航器(auv)，海底接驳平台在锚系潜标工作站圈外，作为电力统一供给和调配装置，分别与上述坐底式海底工作站、地形形变监测装置、锚系潜标工作站通过电缆连接。
进一步的，所述钻井平台设置有低空大气采样监测仪和无人遥控潜水器(rov)；低空大气采样监测仪以进行大气污染物监测；无人遥控潜水器(rov)以钻井平台为母体，以进行水下维护与维修。
进一步的，所述坐底式海底工作站和锚系潜标工作站的数量均为4站，且锚系潜标工作站与最近的两个相邻坐底式海底工作站组成等腰直角三角形，结构设计巧妙合理，满足最佳需求。
进一步的，所述坐底式海底工作站集成甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、多普勒流速剖面仪(adcp)、温盐深仪(ctd)和沉降仪，以监测甲烷、硫化氢泄漏、溶解氧和温度、盐度、ph值、二氧化碳等。
进一步的，所述自主式水下潜航器(auv)集成甲烷传感器、温盐深仪(ctd)、浊度计、高清照相机、高清摄像机，且只在外核心监测圈界限50m之外巡逻监测，以防止与锚系潜标工作站发生缠绕，auv不但能监测甲烷含量、流向流速、温度、盐度、溶解氧等环境参数，还可以对外核心监测圈层之外的生物生态和地形地貌进行定期观测，以记录异常变动，增加环境监测参数的广度。
进一步的，所述内核心监测圈以主生产井为圆心，半径为100m的覆盖范围，所述外核心监测圈以主生产井为圆心，半径为200m，综合考虑确定合适的监测范围，在保证监测精度与数据监测实时性的前提下，获得丰富监测数据。
进一步的，：所述测量缆的长度为400m，以使地形形变监测装置延伸到内核心监测圈和外核心监测圈之间，以更好地监测更大范围内的地形移位和沉陷。
进一步的，所述海底锚系潜标工作站包括水声应答器、主浮球、副浮球、传感器集成舱、供电通讯电缆、锚定重块、锚链和声学释放器，所述主浮球和副浮球用以提供浮力，锚定重块提供固定支撑，水声应答器执行水下定位和信号发射的任务，声学释放器完成最终的设备回收，所述锚链长度由工区作业水深决定，所述传感器集成舱在离底50m和200m处各设置一个，以记录该水深的环境参数变化情况。
进一步的，所述传感器集成舱集成甲烷传感器、浊度计、溶解氧传感器、多普勒流速剖面仪(adcp)、温盐深仪(ctd)，用以监测甲烷含量、浊度异常、流向流速、温度、盐度、溶解氧等环境参数。
进一步的，所述坐底式海底工作站、地形形变监测装置、锚系潜标工作站均通过电缆与接驳平台相连，且所述电缆布设时埋藏到海底沉积物之下，统一接到接驳平台上，以防止供电和通讯电缆在海底形变和底流冲刷下发生缠绕。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明所述的环境立体化监测系统，由深入海底内部的环境监测副井、海床基坐底式海底工作站、具有离底300m以上的锚系潜标工作站(离底50m和200m两个固定深度)以及在垂向上具有无限水深自由的自主式水下潜航器(简称auv)；此外，在钻井平台上还可以布设低空大气采样监测仪，这样，就构成了从储层到海表的一整套环境监测体系。在电源供应不间断的情况下，各坐底式海底工作站和锚系潜标工作站的使用寿命均要求在三年以上，因此，可以对于储层、沉积物、水体和大气进行多介质全覆盖实时、长期监测，以保证水合物开采的环境安全，同时可以全方位地获取第一手数据；
全面考虑了水合物开采过程中可能引发的水体污染、生物损害和地质灾害的等各方面因素，根据“指标上够用、技术上可行、经济上合理”的原则，从海床、水体、井筒等各个位置科学合理地布设监测单元，获得水合物开采过程中的环境效应的科学数据体系，做到全面有效地评价水合物开采活动的环境效应，提前预警潜在的环境灾害，为商业化开采水合物提供环境方面的科学评价体系。
附图说明
图1为本发明实施例所述水合物开采环境立体化监测系统平面示意图；
图2为本发明实施例所述水合物开采环境立体化监测系统立面示意图；
图3为图2中所述海底锚系潜标工作站示意图；
其中：1、主生产井；2、环境监测副井；3、坐底式海底工作站；4、锚系潜标工作站；5、地形形变监测装置；6、接驳平台；7、电缆；8、自主式水下潜航器(auv)；9、无人遥控潜水器rov；10、钻井平台；11、主供电电缆；12、外核心监测圈；13、内核心监测圈；41、水声应答器；42、主浮球；43、副浮球；44、传感器集成舱；45、供电通讯电缆；46、锚定重块；47、锚链；48、声学释放器。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示的水合物开采环境立体化监测系统，用以监测水合物开采过程中的海洋环境变化，包括钻井平台10、以主生产井1为圆心而布设的内核心监测圈13、外核心监测圈12和位于外核心监测圈12之外为统一供电、数据采集和不定期巡逻的圈外巡航监测区14，所述内核心监测圈13内包括围绕主生产井布设的环境监测副井2(以检测温度差、压力差、电阻率差等)、坐底式海底工作站3和地形形变监测装置5，坐底式海底工作站3(集成甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、adcp、ctd和沉降仪)；所述外核心监测圈12沿其圆周均匀布设有4站锚系潜标工作站4(集成甲烷传感器、浊度计、溶解氧传感器、adcp和ctd)；圈外监测区域14内布设统一供电并且方便无人遥控潜水器(rov)9、采集数据的接驳平台6以及自主式水下潜航器(简称auv)，自主式水下潜航器(简称auv)8(集成甲烷传感器、ctd、浊度计、高清照相机、高清摄像机)，无人遥控潜水器(rov)通过接驳平台6进行数据回收和充电，接驳平台6通过主供电电缆11与担负生产、供电、数据终端的钻井平台10相连，以获得不间断电源供应。
坐底式海底工作站3沿内核心监测圈13圆周均匀布设4站；所述环境监测副井2以距离主生产井1的平面距离为10m—25m相对布设两个，本实施例优选20m,所述地形形变监测装置5包括两条成正十字交叉的测量缆，测量缆上均匀设有多个监测点，且每个监测点设有压力传感器和三轴加速度计，地形形变监测装置主站位于主生产井1井口5m—10m,优选8m,以全面监测主生产井井场的地形形变；所述外核心监测圈12沿其圆周均匀布设有4站锚系潜标工作站，且所述锚系潜标工作站4与坐底式海底工作站交错布置，锚系潜标工作站与最近的两个相邻坐底式海底工作站组成等腰直角三角形。
从平面上看，参考图1，共分为三个监测区域，均以生产主井1为圆心，内核心监测圈13半径为100m，主要进行海底地形形变(倾斜和下沉等)、甲烷、硫化氢泄漏、溶解氧和温度、盐度监测等；外核心监测圈半径为200m，主要进行甲烷含量、浊度异常、流向流速、温度、盐度、溶解氧等环境参数监测。为使地形形变监测装置5延伸到内核心监测圈13和外核心监测圈12之间，以更好地监测更大范围内的地形移位和沉陷，所述十字交叉的测量缆的长度为400m。外核心监测圈12之外的区域为统一供电、数据采集和不定期巡逻式圈外巡逻监测区域14，主要进行甲烷含量、流向流速、温度、盐度、溶解氧等环境参数。为防止供电和通讯电缆在海底形变和底流冲刷下发生缠绕，布设时，利用工程机器人将电缆埋藏到沉积物之下，统一接到外核心监测圈12之外的接驳平台6上。
在立面上，参考图2，为了获得更广的监测范围，所述钻井平台设置有低空大气采样监测仪和无人遥控潜水器(rov)9；低空大气采样监测仪以进行大气污染物监测；无人遥控潜水器(rov)以钻井平台为母体，以进行水下维护与维修，从环境监测副井2、坐底式海底工作站3与地形形变监测装置5、锚系潜标工作站4、到可游弋到海表的auv8，最终到钻井平台10上设置的低空大气监测装置，构成了从储层、海底、水体到大气的立面上的监测系统。
本实施例所述系统所需要的各种甲烷传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、adcp、ctd、浊度计、沉降仪、高清照相机和高清摄像机等均为成熟的产品，auv根据需要进行模块化开发，统一供电、数据传输的电缆也为比较成熟的产品，地形形变监测装置为依托国家专项自行开发的专用仪器设备。rov为作业级成熟的商业化产品，并可根据具体工作任务进行适应性改造。设备的数据采集利用以钻井平台10为基地的rov9定期进行，同时统一供电、数据存储与rov接驳平台6与钻井平台10以供电、通讯电缆连接，以保证所有设备的统一供电从钻井平台10获得。
如图3所示，海底锚系潜标工作站4由水声应答器41、主浮球42、副浮球43、传感器集成舱44、供电通讯电缆45、锚定重块46、锚链47、声学释放器48等主要部件构成，其中在离底50m和200m水深，各设置同样型号的传感器集成舱44一个，集成舱内集成甲烷传感器、浊度计、溶解氧传感器、adcp和ctd，对本层位的水体介质环境参数进行相应监测。海底锚系工作平台4的供电、数据传输由电缆与统一供电、数据存储与rov接驳平台6相连后进行。布设时，利用工程船舶精确定位后从甲板投放。整个系统以主浮球42、副浮球43提供浮力、锚定重块46提供固定支撑，水声应答器41执行水下定位和信号发射的任务，利用供电通讯电缆45从统一供电、数据存储与rov接驳平台6获得电力并进行数据传输，利用声学释放器48完成最终的设备回收，而锚链47的长短则需根据工区具体的水深来灵活调节。
rov9除了定期采集数据之外，也可以对整个监测系统进行摄像、照相等可视化监视和进行必要的维修维护工作。auv不得进入外核心监测圈12界限之内，以防止与生产主井1、锚系潜标工作站4等缠绕或相互碰撞，造成不必要的损失。但在锚系潜标工作站4锚链47长度范围之上的海水水体内，可以进行巡游，以监测上层水体内的环境参数异常，与钻井平台10上的大气监测装置共同监测逃逸到上层水体和大气系统中的流体通量。auv还可执行外核心监测圈12层界限之外的海底生物系统、微地貌的照相和摄像功能，以增加该系统监测范围的广度和深度，提高经济效益。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。