本发明属于石油工程领域，具体涉及到一种自供电的水下废弃油井监测系统及监测方法。
背景技术
自海上油气资源勘探开采以来，海上油井的数量成倍增加，据统计目前世界范围内存在约10万口油气生产井，其中1/4超过30年。这些早期投入的海上油井设施，包括海上平台，油井管束，以及其他辅助设备，面临着过度老化的问题。一旦这些设施由于过度老化不再支持开采，或者油井周围海域对应的油气资源不再具有开采的经济价值，则油井需要面临废弃和封存问题。油井的封堵技术难度大，工程花费高，稍有操作失误便会对海洋环境带来致命灾害。在废弃油井的处置过程中工程技术人员需要通过油井监测系统监测已封存油井的生存状态，确保其没有发生泄漏；如果一旦发生泄漏，监测系统则及时报警，通知相关人员进行抢修，最大程度地减少原油泄漏对海洋环境带来的伤害。目前存在的水下油井封存监测系统电能往往由蓄电池供应，整个系统的生存期由蓄电池的容量大小决定，一旦蓄电池电量耗尽，则监控系统将停止工作。对系统进行电池更换处理，工程复杂，造价高，不切合实际。同时，受制于电能的短缺，监控系统的功能也不尽完善，无法支持大功率用电设备的使用，比如水下摄像机。
总之，现有技术不足：
(1)水下废弃油井监测系统使用蓄电池供电能量短缺、电池更换复杂、造价昂贵。
(2)监测手段落后，受制于电能短缺的影响，监测功能受到限制，比如一天只唤醒监测器一次，传输一次数据。
(3)无法做到一片海域所有油井的监控和调度。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题：针对现有废弃油井监测系统使用蓄电池供电造成的能量短缺、电池更换复杂、造价昂贵、监测手段有限的缺陷，提供一种自供电水下废弃油井监测系统及监测方法。
本发明系统包括：潮或海流能发电装置；电能变换装置、蓄电池、浮子、锚泊单元；多参数监测单元；信号接收与发射单元；监测系统控制单元；岸基多油井中控单元。绳索或锚链连接浮子、潮或海流能发电装置、油气监测设备以及有杆锚。将这些装置一同布放置废弃油井附近，借助于潮或海流能发电装置、油气监测设备、有杆锚的重量和浮子的浮力，上下拉紧绳索，保证系统基本竖直，调节绳索长度，选择潮或海流能能量最为密集的区域，直接利用潮或海流能发电。发出的电经过正定变换，直接存储于放置于浮子中的蓄电池中。满足监测单元、控制系统、信号接受与发射单元的正常用电需求。监测单元由荧光剂传感器、甲烷传感器、流速传感器以及水下照相机组成。具有三种工作模式：1)被动测量；2)主动巡检；3)报警。同时，岸基中控系统可以完成一片海域废弃油井的监测情况。自供电废弃油井监测系统，电能由潮或海流能发电装置产生，提高了监测系统的使用寿命，不需要对电池进行更换，大大降低了系统维护费用；同时，充沛的电能保障，丰富了系统的监测手段，提高了监测效率。
本发明的技术方案之一：一种自供电水下废弃油井监测系统，包括岸基多油井中控单元与多个置于废弃油井的井口附近的自供电水下废弃油井监测器；
所述自供电水下废弃油井监测器包括潮或海流能发电装置、电能变换装置、浮子、锚泊单元、多参数监测单元、信号接收与发射单元和监测系统控制单元，其中：
所述浮标集成所述信号接收与发射单元；
所述浮子中集成所述电能变换装置、所述蓄电池、所述监测系统控制单元，所述浮子、所述潮或海流能发电装置、所述多参数监测单元与所述有杆锚通过长度可调节的连接件相连接，所述浮标与所述浮子通过柔性连接件相连接；
所述潮或海流能发电装置、所述电能变换装置与所述蓄电池依次相连接，所述蓄电池的输出端分别与所述多参数监测单元、所述信号接收与发射单元与所述监测系统控制单元的用电输入端相连接；
所述多参数监测单元包含多种传感器，用于采集废弃油井的监测数据，所述监测数据包括甲烷浓度、原油泄漏发生时的荧光效应信号、液体或气体喷射流速以及视频数据；
所述多参数监测单元、所述监测系统控制单元与所述信号接收与发射单元依次连接；
所述监测系统控制单元，用于控制所述多参数监测单元的调度；所述信号接收与发射单元的通信；所述潮或海流能发电装置、所述电能变换装置和所述蓄电池工作状态的监测；所述自供电水下废弃油井监测器的工作模式的设定；所述多参数监测单元的所述监测数据的预处理或本地存储；
所述信号接收与发射单元，用于向所述岸基多油井中控单元传输所述监测数据与所述油井的编号信息，接收来自所述岸基多油井中控单元的控制指令。
所述自供电水下废弃油井监测器中，所述潮或海流能发电装置由发电机和叶片组成；
所述发电机采用全开放式拓扑结构，叶轮直接驱动发电机外转子发电，无附加传动装置和旋转密封装置，采用海水润滑轴承。
所述自供电水下废弃油井监测器中，所述蓄电池为锂电池或铅酸蓄电池。
所述自供电水下废弃井监测器中，所述监测系统控制单元通过高性能单片机或dsp实现。
所述自供电水下废弃油井监测器中，所述多参数监测单元的所述传感器包括但不仅于：荧光剂传感器、甲烷传感器、声学多普勒流速剖面仪和水下照相机。另外，还可以包括其他传感器。
所述水下照相机还包括镜头刷。
所述自供电水下废弃油井监测器中，所述浮标集成所述信号接收与发射单元还包括集成于所述浮标上的可冗余设计的天线。
所述自供电水下废弃油井监测器的工作模式包括：被动测量模式、主动巡检模式和报警模式：
被动测量模式，根据所述信号接收与发射单元所接收的所述控制指令，所述监测系统控制单元唤醒所述多参数监测单元的所述传感器，进而获得监测数据，经所述监测系统控制单元预处理后发送至所述岸基多油井中控单元；
主动巡检模式，所述多参数监测单元监测单元的所述荧光剂传感器与所述甲烷传感器每隔设定时间段测量所述油井的井口周围的所述监测数据，若无异常，则将所述监测数据本地存储至所述监测系统控制单元，不再将所述监测数据发送至所述岸基多油井中控单元；
报警模式，按照所述主动巡检模式进行巡检，若所述监测数据突然增大，则所述监测系统控制单元唤醒所述多普勒流速剖面仪与所述水下照相机，将所述多普勒流速剖面仪的测量参数、所述水下照相机的拍摄图片与所述油井的编号信息传输至所述岸基多油井中控单元并报警。
所述油井的所述编号信息包括唯一确定的编号与位置信息；
所述岸基多油井中控单元经海事卫星与多个所述自供电水下废弃油井监测器的所述信号接收与发射单元与之间传输所述控制指令和所述监测数据，根据所述油井的所述编号逐一巡检多个所述油井周围的所述自供电水下废弃油井监测器发送的监控数据，进而掌控监测某片海域的油井泄漏情况。
本发明通过更换所述多参数监测单元，应用于其他海洋监测。
本发明技术解决方案之二：一种供电水下废弃油井监测系统的监测方法，包括以下步骤：
(1)将所述自供电水下废弃油井监测器的所述浮子锚泊单元置于水下一定深度，竖直布放置于所述油井附近，通过调节所述连接件长度，使所述潮或海流能发电装置位于潮或海流能能量最密集的区域；
(2)使用所述监测系统控制单元控制所述信号接收与发射单元，接收来自所述岸基多油井中控单元的控制指令；
(3)根据步骤(2)所接收的所述控制指令，所述监测系统控制单元调度所述多参数监测单元，设定工作模式；
(4)根据步骤(3)设定的所述工作模式，使用所述多参数监测单元中的所述传感器，采集废弃油井的监测数据；
(5)使用所述监测系统控制单元预处理并本地存储步骤(4)所述多参数监测单元所采集的所述监测数据；
(6)所述监测系统控制单元控制所述信号接收与发射单元，适时向所述岸基多油井中控单元传输所述监测数据与所述油井的编号信息，并继续接收来自所述岸基多油井中控单元的控制指令。
所述步骤(1)中的所述一定深度为3至10米。
所述步骤(5)中的所述传感器包括荧光剂传感器、甲烷传感器、声学多普勒流速剖面仪与水下照相机；所述传感器采集废弃油井的监测数据的实现过程包括：
所述多参数监测单元通过所述荧光剂传感器和所述甲烷传感器测试所述油井封堵口周围是否发生泄漏现象，若发生泄漏，则所述监测系统控制单元唤醒声学多普勒流速剖面仪测量所述油井的漏油喷射大小，并唤醒所述水下照相机对所述油井周围拍照。
本发明相较于现有技术的优点在于：
(1)本发明采用基于海洋可再生能源发电系统和油井监测设备一体化设计的方案，最大特点是系统自身集成发电装置，利用潮或海流能进行发电，经过电能变换以及电能存储，为整个油井监测系统提供可靠电能保障。
(2)本发明包括潮或海流能发电装置，可以将每日的潮或海流能转换成电能，经过电能变换和存储，为监控设备的正常运行提供可靠电能保障。
(3)本发明的自供电系统不需要更换电池，延长了系统使用寿命，以及大大降低了系统维护费用。
(4)由于足够的电能保障，可以集成多种传感器，本发明扩展监控系统的监测手段；同时，减少每次监控时间间隔，甚至可以做到实时监测，提高了监测效率。
(5)本发明能够对一片海域的所有废弃油井集中监测管理。
附图说明
图1本发明的单个油井自供电监测系统；图中，101数据收发装置，102电能变换装置，103浮子，104监测单元，105有杆锚，106潮或海流能发电装置，107系统控制器，108蓄电池，109天线；
图2整片海域油井监测系统；
图3为本发明监测方法的流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，用绳索或锚链连接浮子103、垂直轴潮或海流能发电装置106、油气监测单元104以及有杆锚105。将这些装置一同布放置废弃油井附近，借助于潮或海流能发电装置106、油气监测单元104以及有杆锚105的重量和浮子103的浮力，上下拉紧绳索，保证系统基本竖直，调节绳索长度，选择潮或海流能能量最为密集的区域，直接利用潮或海流能发电。为克服发电装置旋转产生的旋转扭矩，可以使用滑环机构，释放旋转力矩；或者采用两台串布放形式，并通过设置叶片分布使其反向旋转，抵消相互的旋转扭矩。为防止影响航道的正常运行，浮子布放在海面下约3-10米处。潮或海流能发电装置106由发电机和叶片组成，发电机采用全开放式拓扑结构，叶轮直接驱动发电机外转子发电，无附加传动装置和旋转密封装置，同时采用海水润滑轴承。浮子103中集成电能变换装置102和蓄电池108，电能变换装置102的控制和蓄电池108的管理由单片机或者dsp完成。蓄电池108可以是锂电池也可以是铅酸电池。海洋电缆连接蓄电池108输出端和监测单元104用电输入端、数据收发装置101用电输入端、系统控制器107用电输入端。将潮或海流能发电装置106发出的电能转换成适用于监测系统工作需要的电能，同时完成能量的存储和变换，供各种监测单元104和系统控制器107供电。监测单元104采用多种生化传感器、声学传感器、以及图像传感器，采集到的信息进行相互交叉验证。监测单元104通过荧光剂传感器和甲烷传感器测试废弃油井封堵口周围是否发生泄漏现象。一旦测得发生油井泄漏现象，则唤醒声学多普勒流速剖面仪(adcp)测量漏油喷射大小。同时，唤醒水下照相机对油井周围拍照，方便相关人员直观了解漏油情况。为了防止生物附着，需要对照相机添加镜头刷。整个监测系统的系统控制器107放置于浮子103中，负责控制整个监测系统的调度与控制，负责与数据收发装置101之间的控制和通信，以及负责对采集到的信号进行初步的预处理。监控单元104具有3种工作模式：1)被动测量。远程客户端发送指令，唤醒监测单元的传感器，命令相关传感器测量当前的物理量，然后将测得量传输到后台；2)主动巡检。监测单元的荧光剂传感器和甲烷传感器每隔10分钟(可预设)测量井口周围的参数，如果没有异常，则不需要将测量值传输到客户端，只是记录存储在本地硬盘上；3)报警。按照模式2进行巡检，一旦遇到油井发生泄漏，则唤醒多普勒流速剖面仪和水下照相机，将测量参数和拍摄图片连同油井编码一起打包传输到客户端进行报警。系统控制器107还需要对潮或海流能发电装置106的工作状态及蓄电池108电量进行监控并适时传输监测值。系统控制器107可以由单片机或dsp实现。数据收发装置101的核心功能由铱星收发器模块iridiumcore9523完成，它支持所有铱星服务，并且具有较大的带宽，例如1890bytes。传输模块和天线放置于普通海上小型浮标中,例如15cm直径海上普通浮球，浮在海面上，负责指令的收发以及检测系统的传输。为了增加系统可靠性，天线109可以进行冗余设计。指令和监测数据通过海事卫星传输到陆地中控系统，每一口油井对应自己唯一独立的编号和位置信息，陆地上的中控系统可以根据油井编号逐一巡检油井周围溢油情况，进而掌控监测一片海域的油井泄漏情况。整片海域油井监测系统方案如图2所示，陆上中控系统将控制指令以及每一口油井对应的编号和位置信息编码，通过海事卫星发送给相应的监测系统，唤醒监控设备，按照指令完成油井各物理量的监测，之后通过海事卫星发回数据给陆上中控系统。按照此步骤，逐一完成一片海域所有油井的监测。
如图3所示，本发明的监测方法为：
(1)监测器布放。将所述自供电水下废弃油井监测器的所述浮子锚泊单元置于水下一定深度，竖直布放置于所述油井附近，通过调节所述连接件长度，使所述潮或海流能发电装置位于潮或海流能能量最密集的区域；
(2)指令接收。监测系统控制单元以及指令接受发射负责指令的接收，接收来自所述岸基多油井中控单元的控制指令；
(3)工作模式设定。根据接收的控制指令，设定工作模式；
(4)数据采集：根据设定的工作模式，调用工作模式中设计的传感器采集废弃油井的监测数据；
(5)数据处理和存储：监测系统的控制系统单元对采集到的数据进行预处理，并将预处理数据存储在本地硬盘上；
(6)数据发送：信号接收与发射单元适时向所述岸基多油井中控单元传输所述监测数据与所述油井的编号信息，并继续接收来自所述岸基多油井中控单元的控制指令。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。