海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法及装置与流程

本发明涉及海底天然气水合物监测领域，具体地说，是涉及一种海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法及装置。

背景技术：

天然气水合物开采所面临的主要环境风险为水合物分解所导致的海底沉积物稳定性问题以及大量甲烷气释放所导致的温室效应。对于海底沉积物稳定性问题，目前主要通过水压测量装置、时瞬地震装置、三分量加速度传感器等进行海底沉降监测；以集成式海床探针装置对表层沉积物的孔压、容重等土性指标进行长期监测；对于储层稳定性监测通常需要在生产井或监测井中布设分布式温度传感器DTS与电阻式温度传感器RTD，通过温度变化来对储层分解状态进行监测，而日本在水合物试采时也使用了四分量时瞬地震法对沉积层结构变化进行定期监测。针对甲烷泄漏问题，目前主流的监测方式是将甲烷浓度传感器（METs等）、水平多波束声纳装置集成于座底式潜标，原位定点实时监测甲烷浓度变化，并且探测可能出现的大流量甲烷气体泄露，同时，在可能发生气体泄漏的位置布设气阱装置，监测该位置的气体泄漏率。除此之外，日本的四分量时瞬地震监测方法，又称深海地震系统（Deep-sea Seismic System，DSS）也可做到对沉积层中甲烷泄漏情况的监测，DSS以生产井为中心长期固定布设于海床面，在海面定期布设二维、三维炮线进行数据采集，得到不同时期沉积层地震剖面信息，反演储层分解及甲烷泄漏情况。

目前各国主要采取储层温度监测的手段来针对储层分解及其稳定性问题进行长期定点监测。只有日本的DSS可对储层分解状态进行区域性监测，但DSS运行成本高昂，每次的监测数据获得需耗费大量人力物力。

而海洋直流电法作为一种新兴的海底地球物理手段，有成本低廉，监测范围大，可针对沉积层内部进行无损监测的特点。

技术实现要素：

本发明为了解决现有海底天然气水合物储层稳定性监测成本高，或者不能针对储层分解情况进行区域性监测，监测范围相对较小的技术问题，提出了一种海底天然气水合物原位电学监测方法及装置，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法，包括以下步骤：

铺设井筒电极阵列步骤，将井筒电极阵列垂直铺设在监测井中，且井筒电极阵列的电极与监测井的井壁紧密贴合，所述井筒电极阵列与采集站通信连接；

测量监测井在其深度方向的电位步骤，包括：

所述采集站从所述井筒电极阵列中选择部分电极作为工作电极，其余电极休眠，所述工作电极包括供电电极和测量电极，所述供电电极和测量电极分别为两个，相邻两电极之间的距离为一个电极距，两个供电电极之间的距离为供电电极距离，两个测量电极之间的距离为测量电极距离，供电电极距离和测量电极距离为一个电极距的整数倍；

工作电极确定后，所述采集站控制电源模块为供电电极供电，并且控制测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，保持供电电极距离和测量电极距离不变，重新选择工作电极，重复测量步骤，直至监测电缆上的每一电极均被至少一次选择做为过工作电极，完成监测井与生产井之间的海底断面上其中一层电位数据的测量，该层距所述井筒电极阵列的距离为供电电极距离的1/3～1/2；

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，采集站重新确定供电电极距离以及测量电极距离，并且以重新确定后的供电电极距离和测量电极距离选择工作电极，执行海底断面另外一层电位数据的测量，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量；

计算监测井在其深度方向的视电阻率步骤，采集站将测量的海底断面每一层的电位数据及相应电流数据发送至总控平台上位机，所述总控平台上位机计算海底断面在该层的视电阻率分布；

反演监测步骤，所述总控平台上位机将海底断面各层的视电阻率反演为电阻率数据，将海底断面各层的电阻率绘制输出电阻率剖面图，利用海底沉积层的电阻率与海底沉积层天然气水合物饱和度的对应关系，根据海底断面的电阻率变化实现对海底沉积层天然气水合物分解范围的监测。

进一步的，测量监测井在其深度方向的电位步骤中，包括：

以所述井筒电极阵列的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，其中两个工作电极为供电电极A与供电电极B，另外两个工作电极为测量电极M与测量电极N，工作电极之间通过海底沉积层构成电流回路，所述采集站控制电源模块为供电电极A与供电电极B供电，并且控制测量电极M与测量电极N返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，将供电电极A、供电电极B、测量电极M与测量电极N同时向井筒电极阵列的另外一端方向移动一个或者多个电极距，进行下一数据点采集，直到工作电极移动至井筒电极阵列的另外一端，完成对监测井与生产井之间的海底断面上其中一层电位数据的测量；

完成对监测井与生产井之间的海底断面上其中一层电位数据的测量后，将供电电极距离和测量电极距离增大一个或者多个电极距，重新以所述井筒电极阵列的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，并使得当前选择的供电电极距离和测量电极距离满足重新确定的值，重复测量步骤，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量。

进一步的，所述井筒电极阵列的长度为监测井与生产井井距的2-3倍。

在反演监测步骤之后，还包括储层异常分解报警步骤，海底断面的水合物储层位置电阻率与储层水合物饱和度成正相关性，当储层水合物短时间大规模分解时，电阻率发生异常，判断储层分解异常，稳定性下降，进行报警。

基于上面任一项所述的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法，本发明同时提出了一种海底天然气水合物分解原位井中电学监测装置，包括井筒电极阵列、采集站、电源模块、总控平台上位机，所述井筒电极阵列由多个单节点电极导杆连接组成，所述单节点电极导杆包括绝缘的导杆本体和套设在所述导杆本体外表面上的电极，所述电极连接有通过设置在所述导杆本体的内腔的导线与所述采集站连接。

进一步的，所述采集站和电源模块设置在密封舱内，所述采集站包括串行电阻率采集单元和主控计算机，所述主控计算机通过通讯电缆与平台或者生产船上的总控平台上位机连接，所述串行电阻率采集单元包括与所述电极一一对应连接的状态开关，所述状态开关由四个继电器组成，所述状态开关分别将电极设置成A、B、M、N四个状态，所述状态开关的状态接受所述主控计算机的控制。

进一步的，所述单节点电极导杆呈长瓦当形，所述单节点电极导杆的其中一端设置有水密插头，另外一端设置有与所述水密插头相匹配的插孔，两个单节点电极导杆的接缝外部套设有紧固瓦。

进一步的，两个单节点电极导杆的接缝内填充有密封塑胶。

进一步的，所述导杆本体为圆弧面状，所述电极为与所述导杆本体的弧度一致的弧形电极。

进一步的，所述电极的材质为钛钢或者不锈钢。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法，只需一次监测电缆布设，之后可远程操控或按设置程序自动采集，因此节省人力物力成本，且系统运行只需供电系统提供电源，故而运行成本低；利用电学原理监测，以沉积层中的电性变化（电阻率变化）来反推物性变化，以达到监测的目的，可操作性强，且本发明针对沉积层进行监测，监测超前性强，预警性强。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法的一种实施例原理图；

图2是本发明所提出的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法的一种实施例中井筒电极阵列的结构示意图；

图3是本发明所提出的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法的一种实施例中井筒电极阵列连接处结构示意图；

图4a是本发明所提出的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法的一种实施例中水合物未开采时电阻率分布图；

图4b是本发明所提出的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法的一种实施例中水合物未分解时电阻率分布图；

图4c是本发明所提出的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法的一种实施例中水合物开采过程中电阻率分布图；

图4d是本发明所提出的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法的一种实施例中水合物部分分解时电阻率分布图。

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。

实施例一

为了监测水合物生产过程中水合物带的分解过程，本方法利用了海底沉积层的导电性能较为稳定，具体来说，沉积颗粒孔隙中的水合物饱和度越高，其电阻率也越高，所反映的视电阻率也越高。当对水合物开采时，开采区域水合物分解，饱和度降低，水合物储层相应位置出现视电阻率降低，以此反应水合物的分解范围与程度。也就是说，天然气水合物饱和度的变化直接反应在海底沉积物的导电性能的变化，本方法通过监测海底沉积物的水合物带中导电性能的变化，进而实现对水合物带中水合物饱和度的间接监测，水合物饱和度越高说明分解越低，相应电阻率越高，也即可以监控水合物的分解状况，此外，监测原理为:电场建立后，两个测量电极的电位差受二者中间整体区域的电阻率影响，其中由于电流密度在沉积层中的分布规律(三分之一到二分之一个供电极距深度位置电流密度最大)，故而两个测量电极的电位差主要反映了二者中间，三分之一到二分之一个供电极距深度位置的电阻率情况），本方法只需将筒电极阵列布设在监测井里即可实现对监测井与生产井之间海底沉积物的断面电位的检测，可以减小工程量，极大减小成本。

本实施例提出的一种海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法，包括以下步骤：

铺设井筒电极阵列步骤，如图1所示，将井筒电极阵列11垂直铺设在监测井12中，且井筒电极阵列11的电极与监测井12的井壁紧密贴合，井筒电极阵列11与采集站13通信连接；通过将井筒电极阵列11垂直铺设在监测井12中，利用了电场建立后，两个测量电极的电位差受二者中间整体区域的电阻率影响，的原理，本方法只需将井筒电极阵列11竖直铺设在监测井12内，即可实现对监测井与生产井之间的海底沉积层断面的电位检测，可以减小工程量，极大减小成本。海底开采过程时，设置生产井14用于开采，在生产井14的一侧设置监测井12，用于监测生产井与监测井之间的海底沉积层断面天然气水合物分解状况，因此，需要设置电极阵列11朝向生产井14方向。

测量监测井12在其深度方向的电位步骤，包括：

采集站13从井筒电极阵列11中选择部分电极作为工作电极，其余电极休眠，工作电极包括供电电极和测量电极，供电电极和测量电极分别为两个，相邻两电极之间的距离为一个电极距，两个供电电极之间的距离为供电电极距离，两个测量电极之间的距离为测量电极距离，供电电极距离和测量电极距离为一个电极距的整数倍；供电电极通过设置为两个，其中一个施加正电压，另外一个为负电压，因此，可以实现两测量电极之间通过海底沉积物形成电流回路，进而可以实现测量点电位数据的测量。

对于电极的数目及电极距，可根据生产点水合物层的深度以及监测分辨率来确定，一般来说，电极距越小，分辨率越高，但成本也高。

工作电极确定后，所述采集站控制电源模块为供电电极供电，并且控制测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，保持供电电极距离和测量电极距离不变，重新选择工作电极，重复测量步骤，直至监测电缆上的每一电极均被至少一次选择做为过工作电极，完成监测井与生产井之间的海底断面上其中一层电位数据的测量，该层距所述井筒电极阵列的距离为供电电极距离的1/3～1/2，也就是说，测得的每一层的电位数据是沿海底沉积层的断面竖向排布的;其具体数值需结合实际应用中海底沉积层的地质背景等多种信息来综合给出。

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，采集站重新确定供电电极距离以及测量电极距离，并且以重新确定后的供电电极距离和测量电极距离选择工作电极，执行海底断面另外一层电位数据的测量，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量；海底沉积物不同层电位数据的测量是通过调整供电电极距离以及测量电极距离实现的。

计算监测井在其深度方向的视电阻率步骤，采集站将测量的海底断面每一层的电位数据及相应电流数据发送至总控平台上位机，总控平台上位机计算海底断面在该层的视电阻率分布；

反演监测步骤，总控平台上位机将所得视电阻率数据通过专业反演软件（RES等或自行开发）反演为电阻率数据，将海底断面各层的电阻率绘制输出电阻率剖面图，利用海底沉积层的电阻率与海底沉积层天然气水合物饱和度的对应关系，根据海底断面的电阻率变化实现对海底沉积层天然气水合物分解范围的监测。

本实施例的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法，只需一次监测电缆布设，之后可远程操控或按设置程序自动采集，因此节省人力物力成本，且系统运行只需供电系统提供电源，故而运行成本低；利用电学原理监测，以沉积层中的电性变化（电阻率变化）来反推物性变化，以达到监测的目的，可操作性强，且本发明针对沉积层进行监测，可以在储层分解发生的第一时间监测到，预警性强。

在反演监测步骤之后，还包括储层异常分解报警步骤，海底断面的水合物储层位置电阻率与储层水合物饱和度成正相关性，当储层水合物短时间大规模分解时，电阻率发生异常，判断储层分解异常，稳定性下降，进行报警。

在本实施例中井筒电极阵列以偶极装置进行固定断面扫描测量，具体来说，测量监测井在其深度方向的电位步骤中，包括：

以所述井筒电极阵列的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，其中两个工作电极为供电电极A与供电电极B，另外两个工作电极为测量电极M与测量电极N，工作电极之间通过海底沉积层构成电流回路，所述采集站控制电源模块为供电电极A与供电电极B供电，并且控制测量电极M与测量电极N返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，将供电电极A、供电电极B、测量电极M与测量电极N同时向井筒电极阵列的另外一端方向移动一个或者多个电极距，进行下一数据点采集，直到工作电极移动至井筒电极阵列的另外一端，完成对监测井与生产井之间的海底断面上其中一层电位数据的测量；

完成对监测井与生产井之间的海底断面上其中一层电位数据的测量后，将供电电极距离和测量电极距离增大一个或者多个电极距，重新以所述井筒电极阵列的任一端为起始端，选择四个电极作为工作电极，并使得当前选择的供电电极距离和测量电极距离满足重新确定的值，重复测量步骤，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量。在天然气水合物开采过程中，定期实现上述测量过程，得到不同时期沉积层视电阻率剖面。

井筒电极阵列的长度为监测井与生产井井距的2-3倍，使探测深度与监测井与生产井之间的井距相当。

下面结合具体实施例所得到的电阻率分布图为例说明本监测方法，如图4a-图4d所示，分别为水合物未开采、未分解效果图、开采过程中、部分分解效果图，当水合物未开采时，沉积层水合物带18表现为明显的高阻异常区，视电阻率大于3Ω.m，上覆沉积层对应视电阻率为0.65-0.9Ω.m。当水合物开采进行时，处于生产井附近区域的水合物层出现视电阻率2.4-2.7Ω.m的低阻异常，判断该区域水合物分解，饱和度降低。

实施例二

基于实施例一中的海底天然气水合物分解原位井中电学监测方法，本实施例提出了海底天然气水合物分解原位井中电学监测装置，如图1所示，包括井筒电极阵列11、采集站13、电源模块15、总控平台上位机19，井筒电极阵列11由多个单节点电极导杆连接组成，如图2所示，为两个单节点电极导杆的结构示意图，单节点电极导杆包括绝缘的导杆本体111和套设在导杆本体外表面上的电极112，电极连接有通过设置在导杆本体111的内腔的导线与采集站连接。

采集站13和电源模块15设置在密封舱16内，采集站13包括串行电阻率采集单元和主控计算机，主控计算机通过通讯电缆与平台或者生产船17上的总控平台上位机19连接，串行电阻率采集单元包括与电极一一对应连接的状态开关，状态开关由四个继电器组成，状态开关分别将电极设置成A、B、M、N四个状态，状态开关的状态接受主控计算机的控制。

在铺设井筒电极阵列过程中，将井筒电极阵列11垂直铺设在监测井12中，且井筒电极阵列11的电极与监测井12的井壁紧密贴合，井筒电极阵列11与采集站13通信连接；通过将井筒电极阵列11垂直铺设在监测井12中，利用了电场建立后，两个测量电极的电位差受二者中间整体区域的电阻率影响，的原理，本方法只需将井筒电极阵列11竖直铺设在监测井12内，即可实现对监测井12与生产井14之间的海底沉积层断面的电位检测，可以减小工程量，极大减小成本。海底开采过程时，设置生产井14用于开采，在生产井14的一侧设置监测井12，用于监测生产井与监测井之间的海底沉积层断面天然气水合物分解状况，因此，需要设置电极阵列11朝向生产井14方向。

在监测水合物生产过程中水合物带的分解过程中，采集站13从井筒电极阵列11中选择部分电极作为工作电极，其余电极休眠，工作电极包括供电电极和测量电极，供电电极和测量电极分别为两个，相邻两电极之间的距离为一个电极距，两个供电电极之间的距离为供电电极距离，两个测量电极之间的距离为测量电极距离，供电电极距离和测量电极距离为一个电极距的整数倍；供电电极通过设置为两个，其中一个施加正电压，另外一个为负电压，因此，可以实现两测量电极之间通过海底沉积物形成电流回路，进而可以实现测量点电位数据的测量。

对于电极的数目及电极距，可根据生产点水合物层的深度以及监测分辨率来确定，一般来说，电极距越小，分辨率越高，但成本也高。

工作电极确定后，采集站13控制电源模块为供电电极供电，并且控制测量电极返回其当前电位数据，完成单次数据点采集，保持供电电极距离和测量电极距离不变，重新选择工作电极，重复测量步骤，直至监测电缆上的每一电极均被至少一次选择做为过工作电极，完成监测井与生产井之间的海底断面上其中一层电位数据的测量，该层距所述井筒电极阵列的距离为供电电极距离的1/3～1/2，也就是说，测得的每一层的电位数据是沿海底沉积层的断面竖向排布的;其具体数值需结合实际应用中海底沉积层的地质背景等多种信息来综合给出。

完成对海底断面上其中一层电位数据的测量后，采集站重新确定供电电极距离以及测量电极距离，并且以重新确定后的供电电极距离和测量电极距离选择工作电极，执行海底断面另外一层电位数据的测量，直至完成预设的海底断面所有层电位数据的测量；海底沉积物不同层电位数据的测量是通过调整供电电极距离以及测量电极距离实现的。

计算监测井在其深度方向的视电阻率步骤，采集站将测量的海底断面每一层的电位数据及相应电流数据发送至总控平台上位机，总控平台上位机计算海底断面在该层的视电阻率分布；

反演监测步骤，总控平台上位机将所得视电阻率数据通过专业反演软件（RES等或自行开发）反演为电阻率数据，将海底断面各层的电阻率绘制输出电阻率剖面图，利用海底沉积层的电阻率与海底沉积层天然气水合物饱和度的对应关系，根据海底断面的电阻率变化实现对海底沉积层天然气水合物分解范围的监测。

本实施例的海底天然气水合物分解原位井中电学监测装置，只需一次监测电缆布设，之后可远程操控或按设置程序自动采集，因此节省人力物力成本，且系统运行只需供电系统提供电源，故而运行成本低；利用电学原理监测，以沉积层中的电性变化（电阻率变化）来反推物性变化，以达到监测的目的，可操作性强，且本发明针对沉积层进行监测，可以在储层分解发生的第一时间监测到，预警性强。

单节点电极导杆呈长瓦当形，单节点电极导杆的其中一端设置有水密插头113，另外一端设置有与水密插头相匹配的插孔（图中未示出），如图3所示，两个单节点电极导杆的接缝外部套设有紧固瓦114。

为了保证单节点电极导杆的整体水密性良好，不会从缝隙中进沙进水，优选在两个单节点电极导杆的接缝115内填充有密封塑胶。

为了便于生产，降低生产成本，导杆本体111为圆弧面状，电极112为与导杆本体111的弧度一致的弧形电极。

电极112的材质优选采用钛钢或者不锈钢，耐腐蚀，延长使用寿命。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。