一种水气界面甲烷二氧化碳在线监测系统及方法与流程

本发明涉及天然气水合物技术领域，具体为一种水气界面甲烷二氧化碳在线监测系统及方法。

背景技术：

天然气水合物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(methanehydrate)。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。

天然气水合物对全球变暖的影响，是通过其分解后释放的甲烷气体直接或间接作用气候体系的。从全球范围来看，海平面下降和气候变暖是引发天然气水合物大规模分解的两大主要因素。冰期海平面的下降导致作用在天然气水合物上的静水压力减小，从而使天然气水合物变得不稳定，并且释放出的大量甲烷进入大气层。

气候变暖主要通过三个途径来影响天然气水合物分解：

(1)全球变暖使气温升高，造成极地冻土带内的天然气水合物分解；

(2)全球变暖导致温度较高的海流流向发生变化，进而引发某个蕴藏地点的甲烷气体释放。例如，受冰盖融化的冷水流入海洋的影响，海湾易于改变流向，而当湾流流经天然气水合物层(如巴伦支海)的上方时，下面的天然气水合物就会分解。

(3)全球变暖导致海水温度升高，造成海底天然气水合物的分解。但在通常情况下，由于海水热容较大，底层海水的升温不会很显著，同时全球变暖时，海下面上升，导致静水压力增加，相反可增加天然气水合物和稳定性，从而可部分或完全抵消海水温度升高对天然气水合物稳定性造成的影响。

迄今，冻土区和海洋水合物中天然气的释放量及天然气水合物分解和释放的动力学过程仍然没有了解清楚，以至于难以确定天然气水合物究竟是气候和环境变化的缓冲剂还是加速剂，或者在何种程度上影响全球的气候和环境。因此，目前天然气水合物与全球气候变化关系的研究已成为全球变化中一个活跃的前沿课题，而通过不同相态中甲烷、二氧化碳含量的动态监测，可研究天然气水合物分解带来的气候响应，为探索天然气水合物分解对环境的影响提供直接证据。

但是，现有的利用天然气水合物的监测方法存在以下缺陷：

(1)在对水气界面的样品采样之后，由于其中含有部分水气和杂质，直接进行检测往往会影响实验结果的准确性；

(2)而且传统的检测方式都是对样品进行单一检测，导致检测结果存在较大偏差。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种水气界面甲烷二氧化碳在线监测系统及方法，其解决了以往对不同体系中甲烷浓度只能取样回实验室进行检测的弊端，从而实现不同角度下实时监测天然气水合物分解对周边环境带来的影响，并且通过多步处理的方式提高检测结果的准确性，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种水气界面甲烷二氧化碳在线监测系统，包括用于抽水的水泵，所述水泵通过密封罐连接有水气分离装置，且水气分离装置将水气分离之后排出到干燥装置，所述干燥装置对排出的水气进行干燥处理排除水蒸气，并通过激光检测仪对干燥后的气体进行监测，所述水气分离装置包括与密封罐连接的旋流筒，所述旋流筒底端通过旋流扇叶连接有动力轴，所述旋流筒底端还通过动力座进行转动，所述旋流筒外壁还连接有变向通道。

进一步地，所述变向通道内部安装有阻挡片，所述变向通道末端连接有聚气筒，且旋流筒内壁还设置有若干个电加热片，且干燥装置通过气体导管与聚气筒连接。

进一步地，所述旋流扇叶表面设置有若干个通孔，所述旋流扇叶边缘处设置为弧形结构，且阻挡片包括若干个孔状弯折片，位于最外端的孔状弯折片表面设置有封口板，且每一个孔状弯折片末端均安装有倾斜溢流板。

进一步地，所述干燥装置包括与气体导管连接的干燥箱，干燥箱内部还安装有烘干柱，所述干燥箱中心处安装有分流器，所述分流器外壁均匀连接有若干个干燥管组，所有的干燥管组末端通过汇集管连接有预装筒，所述预装筒内部还设置有若干个分流取样管，分别用于采集预装筒内部的气体。

进一步地，所述干燥管组包括若干个连接在分流器外壁的v型管，相邻的v型管之间通过弧形冷却座连接，且每一个v型管内壁均设置有交叉干燥片，所述弧形冷却座底端通过透气隔水层连接有蓄水斗。

进一步地，所述交叉干燥片中心处还安装有中心倾斜管，所述中心倾斜管表面还安装有导流片，且每一个交叉干燥片表面均为筛网状结构。

本发明还公开了一种水气界面甲烷二氧化碳在线监测方法，包括如下步骤：

s100、在井下水体中安装水泵用于抽取水气混合物；

s200、抽取后通过水气分离装置进行分离得到一阶混合气；

s300、对得到的一阶混合气进行干燥并得到二阶混合气；

s400、对得到的二阶混合气进行分类采集并同时监测，分析得出最终结果。

进一步地，所述步骤s100中，水泵的安装位置位于原位地层中的孔隙处，并通过密封方式抽取得到水气混合物。

进一步地，所述步骤s200中，具体的水气分离过程为：

在水气混合物加入到水气分离装置之后，通过加热促使水气混合物得到蒸发物；

之后通过内部旋流和外部离心转动的方式进行二次分离，将蒸发物分离为气体和雾化液体；

收集分离后的气体并进行后续处理。

进一步地，所述步骤s300中的干燥过程是通过循环加热的方式进行干燥，且步骤s400中通过对对分离出干燥气和低空大气中的甲烷、二氧化碳组分进行干燥，以排除气体湿度不同对气体含量产生的影响，并利用激光检测方法进行在线实时监测分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过利用水气分离和激光检测方法，对孔隙水和大气不同体系的甲烷含量进行实时在线监测，解决了以往对不同体系中甲烷浓度只能取样回实验室进行检测，从而导致工作效率低、耽搁时间长、检测准确度降低等弊端，在野外现场即可对孔隙水体和低空大气中甲烷含量进行同步、在线实时监测，从不同角度探索天然气水合物分解对周边环境带来的影响

(2)本发明通过水气分离装置和干燥装置分别对抽取的水气混合物进行处理，保证密封的同时，提高得到的气体的纯度，使得后续的检测过程更加准确，减小实验误差，可以精确分析出结果。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的干燥管组结构示意图；

图3为本发明的变向通道结构示意图；

图4为本发明的分流器结构示意图；

图5为本发明的中心倾斜管截面结构示意图；

图6为本发明的监测方法工作流程示意图。

图中标号：

1-水泵；2-密封罐；3-水气分离装置；4-干燥装置；5-激光检测仪；

301-旋流筒；302-旋流扇叶；303-动力轴；304-动力座；305-变向通道；306-阻挡片；307-聚气筒；308-电加热片；309-通孔；310-孔状弯折片；311-封口板；312-倾斜溢流板；

401-气体导管；402-干燥箱；403-分流器；404-干燥管组；405-汇集管；406-预装筒；407-分流取样管；408-v型管；409-弧形冷却座；410-交叉干燥片；411-透气隔水层；412-蓄水斗；413-烘干柱；414-中心倾斜管；415-导流片。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1至图5所示，本发明提供了一种水气界面甲烷二氧化碳在线监测系统，包括用于抽水的水泵1，所述水泵1通过密封罐2连接有水气分离装置3，且水气分离装置3将水气分离之后排出到干燥装置4，所述干燥装置4对排出的水气进行干燥处理排除水蒸气，并通过激光检测仪5对干燥后的气体进行监测，利用水泵1来抽取水气界面的孔隙水，抽出后排出到水气分离装置3进行快速分离，从而得到分离后的水气混合物，之后通过干燥装置4的多重处理方式快速排除其中的水蒸气，并将得到的气体分成若干份分别通过激光检测仪进行检测，之后分析对比多项结果，得出最终的结果，通过对抽出的孔隙水进行有效处理，可以有效减小产生的误差，提高检测结果的准确性，而且水气分离和激光检测的方法，对孔隙水和大气不同体系的甲烷含量进行实时在线监测，解决了以往对不同体系中甲烷浓度只能取样回实验室进行检测，从而导致工作效率低、耽搁时间长、检测准确度降低等弊端，在野外现场即可对孔隙水体和低空大气中甲烷含量进行同步、在线实时监测，从不同角度探索天然气水合物分解对周边环境带来的影响。

所述水气分离装置3包括与密封罐2连接的旋流筒301，所述旋流筒301底端通过旋流扇叶302连接有动力轴303，所述旋流筒301底端还通过动力座304进行转动，所述旋流筒301外壁还连接有变向通道305，所述变向通道305内部安装有阻挡片306，所述变向通道305末端连接有聚气筒307，且旋流筒301内壁还设置有若干个电加热片308，且干燥装置4通过气体导管401与聚气筒307连接，在水泵1安装在水气截面的孔隙之后，通过水泵1将孔隙水抽出，并通过密封罐2排出到水气分离装置3内部，从而完成水气分离过程，将溶解在孔隙水中的气体分离出来，并分离出其中携带的杂质，便于进行后续的检验。

孔隙水首先直接进入到旋流筒301内部，此时通过旋流筒301内壁的多个电加热片308进行加热，促进孔隙水的蒸发作用，在蒸发之后，同时启动动力轴303和动力座304转动，使得多个旋流扇叶302转动，旋流筒301本身自转，通过旋流筒301自转产生的离心力作用，由于气体和液体重力作用的不同，溶解在孔隙水中的气体开始分离并向上溢出，而多个旋流扇叶302的旋转作用，可以进一步促进位于旋流筒301内部的孔隙水的均匀分布，从而加快离心过程的进行，使得孔隙水中的溶解气体可以快速分离。

在加热作用和离心分离的作用下，分离后的溶解气体不断上升，并通过变向通道305以一定的速度向外溢出，而位于变向通道305内部的阻挡片306起到了阻挡作用，不断溢出的溶解气体和阻挡片306发生碰撞之后，使得其中携带的水蒸气被阻挡，从而减少溢出的溶解气体中携带的水蒸气，溶解气体溢出之后进入到聚气筒307内部，并通过气体导管401传输到干燥装置4，进行后续的干燥处理。

所述旋流扇叶302表面设置有若干个通孔309，所述旋流扇叶302边缘处设置为弧形结构，且阻挡片306包括若干个孔状弯折片310，位于最外端的孔状弯折片310表面设置有封口板311，且每一个孔状弯折片310末端均安装有倾斜溢流板312，而在旋流扇叶302转动的时候，通过其边缘的弧形结构可以增大和离心的孔隙水的接触面积，提高旋流扇叶302的分离效果，而且其表面设置的通孔309保证在转动的是，气体可以正常上升并溢出。

在阻挡板306对溢出气体阻挡的时候，通过多个孔状弯折片310的多层阻挡作用，确保不会降多余的水蒸气携带除去，提高整体的分离效果，而封口板311起到最终的固定作用，进一步的，在进行阻挡的时候，由于被阻挡的水蒸气会液化，此时水蒸气在倾斜溢流板312上液化并重新流入到旋流筒301内部。

所述干燥装置4包括与气体导管401连接的干燥箱402，干燥箱402内部还安装有烘干柱413，所述干燥箱402中心处安装有分流器403，所述分流器403外壁均匀连接有若干个干燥管组404，所有的干燥管组404末端通过汇集管405连接有预装筒406，所述预装筒406内部还设置有若干个分流取样管407，分别用于采集预装筒406内部的气体，分离后的气体进入到干燥装置4的干燥箱402，首先通过烘干柱413进行初步处理，使得气体被快速加热并蒸发上升，此时通过分流器403分流之后，分别通过多个干燥管组404向外溢出，通过多个干燥管组404完成对气体的干燥作用，消除其中的水蒸气，之后烘干完成的气体通过汇集管405集中在预装筒406内，并通过多个分流取样管407分别取样，用于激光检测仪5的在线检测，检测完成之后，组合分析多组结果，即可得到更为准确的检测结果。

所述干燥管组404包括若干个连接在分流器403外壁的v型管408，相邻的v型管408之间通过弧形冷却座409连接，且每一个v型管408内壁均设置有交叉干燥片410，所述弧形冷却座409底端通过透气隔水层411连接有蓄水斗412，所述交叉干燥片410中心处还安装有中心倾斜管414，所述中心倾斜管414表面还安装有导流片415，且每一个交叉干燥片410表面均为筛网状结构，在气体被初步加热之后，进入到干燥管组404的多个v型管408内部，由于v型管408由两个呈v型结构的管道组成，气体进入之后会先经过一个沉降，在经过一个上升的过程，至此完成一个干燥循环，通过沉降作用和上升作用的分离作用，将其中的水蒸气进行分离。

而在多个干燥管组404之间设置的弧形冷却座409一方面是用于气体的转向，用于分离后的气体进入到下一个v型管408内部进行下一步的干燥循环过程，同时在气体通过v型管408的时候，由于其内部的多个交叉干燥片410是采用加热吸水的方式进行干燥处理，从而将其中的水分吸附在交叉干燥片410上，而吸附的水分汇集并通过中心倾斜管414重新回流到整个v型管408的底端，实现水蒸气的分离。

同样的，由于加热作用，气体中未被分离的水蒸气在通过弧形冷却座409的时候，由于弧形冷却座409会对气体产生冷却作用，导致气体中的水蒸气进一步液化，而气体正常进入到下一个v型管408中，再次干燥循环，液化后的液体通过透气隔水层411集中在蓄水斗412之中。

如图6所示，本发明还公开了一种水气界面甲烷二氧化碳在线监测方法，包括如下步骤：

s100、在井下水体中安装水泵用于抽取水气混合物；

水泵的安装位置位于原位地层中的孔隙处，并通过密封方式抽取得到水气混合物，通过抽取孔隙处的孔隙水进行检测，提高检测结果的准确性，而且由于水泵的安装位置任意，极大的提高了整体进行采样的范围，可满足不同的采样需求。

s200、抽取后通过水气分离装置进行分离得到一阶混合气；

具体的水气分离过程为：

在水气混合物加入到水气分离装置之后，通过加热促使水气混合物得到蒸发物，

之后通过内部旋流和外部离心转动的方式进行二次分离，将蒸发物分离为气体和雾化液体，在处理过程中，通过旋转离心的方式进行处理，由于气体和液体重力作用的不同，溶解在孔隙水中的气体开始分离并向上溢出，在加热作用和离心分离的作用下，分离后的溶解气体不断上升，完成水气分离过程，收集分离后的气体并进行后续处理。

s300、对得到的一阶混合气进行干燥并得到二阶混合气，干燥过程是通过循环加热的方式进行干燥，

s400、对得到的二阶混合气进行分类采集并同时监测，分析得出最终结果，通过对对分离出干燥气和低空大气中的甲烷、二氧化碳组分进行干燥，以排除气体湿度不同对气体含量产生的影响，并利用激光检测方法进行在线实时监测分析。

进一步的，还可以通过通过长期的同步、在线实时监测，探索天然气水合物分解对周边环境带来的影响。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。