本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量监测装置及方法。
背景技术：
二氧化碳气驱强化采油(CO2-EOR)技术是利用二氧化碳在油和水中均具有较高溶解度的特点，将高纯度的CO2气体利用相关技术注入到油层中，抽提原油中C20以下的轻质成分或使其气化，在地层中利于快速形成混相，混相段扩大了波及体积并驱动了更多的地层油，可有效提升原油的采收率。
但是CO2-EOR会将大量的CO2封存于地下，该过程可能存在两种泄漏：一是突发泄漏，如注入井破裂导致的泄漏或通过废油井的泄漏以及CO2气窜突破油层等；二是缓慢泄漏，即通过断层、断裂或泄漏的油井等发生的泄漏。泄露入大气的CO2可能对井场周边的生态环境造成影响，此外还可能对油田一线生产员工的人身安全造成威胁，因此监测井场包气带土壤二氧化碳释放通量，为二氧化碳气驱采油区块的环境生态效应和风险评估提供基础资料，同时还可对CO2驱油封存的泄漏风险进行预警，为油田的安全生产提供有力的支撑。
现有的监测方法一般是利用倒锥形集气罩对已经扩散至地面上的 CO2气体进行监测，该方法具有技术成熟、装置简单、测量准确度高的优点，但该方法受地表土壤环境和空气背景环境干扰较大；针对土壤内CO2通量的监测是将采样管打入土层，管内土壤取出后采用抽气泵对采样管进行抽吸来取得气体样品，该方法会在采样管内形成负压，引起CO2的溢出效应，而且未考虑土壤气体温度和含水率的动态变化对CO2通量测定的影响，导致监测结果出现偏差、测量准确度降低。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术对CO2通量测定不准确的技术问题，提供一种气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量监测装置及方法。
本发明提供的技术方案如下：
一种注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量监测装置，包括依次连接的采气柱、气体参数监测仪、采气泵、红外气体分析仪，所述红外气体分析仪电连接有数据传输模块，所述采气泵电连接有采气泵动作控制器，该采气泵动作控制器与数据传输模块电连接；
所述采气柱内设有温度传感器、土壤水分传感器、温度传感器、土壤水分传感器和压力平衡阀，所述采气柱的采集包括样气的采集和参比空气的采集，所述气体参数监测仪、温度传感器和土壤水分传感器均电连接有记录模块，所述记录模块与数据传输模块电连接，所述数据传输模块电连接有计算机。
所述采气柱包括深度定位杆、采气箱、集气罩、压力平衡阀和排空阀，所述采气箱上端与深度定位杆连接且密封，所述采气箱下端开口，所述集气罩设于采气箱内，所述集气罩上部的直管穿过深度定位杆与气体参数监测仪连接；
所述温度传感器、土壤水分传感器和压力平衡阀均设于采气箱内，所述压力平衡阀通过管道与地面上的排空阀连通，所述排空阀用于参比空气的进出，该排空阀通过管路连通气体参数监测仪。
所述采气柱还包括多孔板，所述多孔板设于集气罩下方，该多孔板上均匀加工有直径4-6mm的圆孔，开孔率为3-10％，所述集气罩为漏斗状。
所述深度定位杆由下至上设有刻度，长度为1-3m，两端均设有丝扣。
所述采气箱为圆柱状，材质为有机玻璃，直径为50-100mm，厚度 15-20mm，所述集气罩上部的直管上还设有流量计。
本发明还提供了一种土壤二氧化碳通量监测方法，使用注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量监测装置，其包括以下步骤：
步骤1)在监测点位进行土壤开孔，达到目标深度后将采气柱1插入，并连接好各部件；
步骤2)开启采气泵，并保持样气采集流量和参比空气采集流量一致，通过红外气体分析仪监测样气内CO2浓度和参比空气内CO2浓度，并传至数据传输模块；
步骤3)气体参数监测仪监测到的样气和参比空气流量、气压以及温度传感器检测的温度、土壤水分传感器检测的土壤含水率均记录在记录模块，并利用数据传输模块导入计算机，计算得到土壤CO2通量值。
还包括当红外气体分析仪监测样气内CO2浓度和参比空气内CO2浓度差超过设定值时，数据传输模块发送信号给采气泵动作控制器，采气泵动作控制器发送指令给采气泵减小流量。
土壤CO2通量值计算公式如下
式中：FCO2为土壤CO2通量，mg/min；k为浓度转换系数，取值为1.96，mg/m3；V为采样柱的采气箱体积，m3；A为采样截面积，m2；p 为瞬时气压，Pa；P0为标准气压，Pa；Cw为土壤含水率，mmol/mol； Ts为土壤气体温度，℃；Tref为参比空气环境温度，℃；cs为样气内CO2浓度，μmol/mol；cref为参比空气内CO2浓度，μmol/mol；t为采样时间， min。
所述红外气体分析仪为双通道红外气体分析仪，所述采气泵为双通路蠕动泵，流量调节范围为0.1-10L/min，所述采气泵动作控制器为积分控制器PID。
本发明的有益效果是：
本发明提供的这种注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量监测装置，通过设置空气参比测定和采样柱压力平衡阀，实现土壤气体的连续背景校正和动态气压平衡，可消除土壤CO2通量长时间连续采样的气压扰动影响；通过设置多个传感器实现监测点位土壤气体温度、土壤含水率、空气背景温度、气压等数据的实时测量，可以依据同步测定数据修正监测环境背景因素对CO2通量测定准确度的干扰。与传统的土壤CO2通量测量方法相比，本发明装置的监测准确度高，环境背景干扰小，数据获取的频率高，监测深度变化范围大。
下面将结合附图做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是采气柱的结构示意图；
图3是压力平衡阀的示意图。
图中：1、采气柱；1-1、土壤水分传感器；1-2、温度传感器；1-3、采气箱；1-4、深度定位杆；1-5、排空阀；1-6、气密螺纹；1-7、集气罩；1-8、多孔板；1-9、压力平衡阀；1-9-1、平衡阀活门；1-9-2、铰链；2、气体参数监测仪；3、记录模块；4、采气泵动作控制器；5、采气泵；6、红外气体分析仪；7、数据传输模块；8、计算机。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供了一种如图1所示的注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量监测装置，包括依次连接的采气柱1、气体参数监测仪2、采气泵5、红外气体分析仪6，所述红外气体分析仪6电连接有数据传输模块7，所述采气泵5电连接有采气泵动作控制器4，该采气泵动作控制器4与数据传输模块7电连接；
所述采气柱1内设有温度传感器1-2、土壤水分传感器1-1和压力平衡阀1-9，所述采气柱1的采集包括样气的采集和参比空气的采集，所述气体参数监测仪2、温度传感器1-2和土壤水分传感器1-1均电连接有记录模块 3，所述记录模块3与数据传输模块7电连接，所述数据传输模块7电连接有计算机8。
本实施例通过采气泵5将土壤气体导入CO2浓度传感器(红外气体分析仪6)进行连续实时测定，信号通过数据传输模块7接入数据分析仪进行通量分析，可以实现包气带土壤气体的在线连续采集和通量分析。设置空气参比测定和压力平衡阀1-9，实现土壤气体的连续背景校正和动态气压平衡，可消除土壤CO2通量长时间连续采样的气压扰动影响；通过设置多个传感器实现监测点位土壤气体温度、土壤含水率、空气背景温度、气压等数据的实时测量，可以依据同步测定数据修正监测环境背景因素对CO2通量测定准确度的干扰。
与传统的土壤CO2通量测量方法相比，本发明装置的监测准确度高，环境背景干扰小，数据获取的频率高，监测深度变化范围大。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量监测装置，所述采气柱1包括深度定位杆1-4、采气箱1-3、集气罩1-7、压力平衡阀1-9、温度传感器、土壤水分传感器和排空阀1-5，所述采气箱1-3上端与深度定位杆1-4连接且密封，所述采气箱1-3下端开口，所述集气罩1-7设于采气箱1-3内，所述集气罩1-7上部的直管穿过深度定位杆1-4与气体参数监测仪2连接；
所述温度传感器1-2、土壤水分传感器1-1和压力平衡阀1-9均设于采气箱1-3内，所述压力平衡阀1-9通过管道与地面上的排空阀1-5连通，所述排空阀1-5用于参比空气的进出，该排空阀1-5通过管路连通气体参数监测仪2。
如图2所示，所述采气柱1还包括多孔板1-8，所述多孔板1-8设于集气罩1-7下方，该多孔板1-8上均匀加工有直径4-6mm的圆孔，开孔率为 3-10％，所述集气罩1-7为漏斗状。采气箱1-3下部土壤释放的CO2通过多孔板1-8整流后进入采气箱1-3中心的集气罩1-7。
所述深度定位杆1-4由下至上设有刻度，长度为1-3m，两端均设有丝扣。深度定位杆1-4与动态采气箱1-3采用气密螺纹1-6连接，深度定位杆1-4采用不锈钢材质，杆体由下至上设有刻度，可以直观读出动态采样箱的设置深度。深度定位杆1-4两端均设有丝扣，可将多个深度定位杆 1-4首尾相接以扩大监测深度，增大使用范围。
所述采气箱1-3为圆柱状，材质为有机玻璃，直径为50-100mm，厚度15-20mm，所述集气罩1-7上部的直管上还设有流量计。由集气罩1-7 收集的气体经流量计测量后进入气体参数监测仪2。使用套筒式原状土采样器钻孔并插入动态采样柱，通过采气泵5将土壤气体导入红外气体分析仪6进行连续实时测定，信号通过数据传输模块7接入计算机8进行通量分析，可以实现包气带土壤气体的在线连续采集和通量分析。
其中，如图3所示，压力平衡阀1-9包括通过铰链1-9-2实现开关的平衡阀活门1-9-1。当采气泵5流量大于土壤释放CO2的速度时，为避免采气箱1-3内形成负压，引起CO2溢出效应，此时，由于内外压不平衡，平衡阀活门1-9-1在压力的作用下打开使参比空气进入。
实施例3：
在实施例1注气驱油井场包气带土壤二氧化碳通量监测装置的基础上，本实施例提供了一种土壤二氧化碳通量监测方法，其包括以下步骤：
步骤1)在监测点位进行土壤开孔，达到目标深度后将采气柱1插入，并连接好各部件；
步骤2)开启采气泵5，并保持样气采集流量和参比空气采集流量一致，通过红外气体分析仪6监测样气内CO2浓度和参比空气内CO2浓度，并传至数据传输模块7；
步骤3)气体参数监测仪2监测到的样气和参比空气流量、气压以及温度传感器1-2检测的温度、土壤水分传感器1-1检测的土壤含水率均记录在记录模块3，并利用数据传输模块7导入计算机8，计算得到土壤CO2 通量值。
还包括当红外气体分析仪6监测样气内CO2浓度和参比空气内CO2浓度差超过设定值时，数据传输模块7发送信号给采气泵动作控制器4，采气泵动作控制器4发送指令给采气泵5减小流量。该情况用于避免因采气泵5抽取过快，导致参比空气通过压力平衡阀1-9大量进入，影响土壤CO2通量值。其中，设定值可根据土壤释放CO2的量与参比空气中 CO2的量之差的预测值进行设定。
土壤CO2通量值计算可通过计算机软件进行计算，也可通过如下公式计算：
式中：FCO2为土壤CO2通量，mg/min；k为浓度转换系数，取值为 1.96，mg/m3；V为采样柱的采气箱1-3体积，m3；A为采样截面积，m2； p为瞬时气压，Pa；P0为标准气压，Pa；Cw为土壤含水率，mmol/mol； Ts为土壤气体温度，℃；Tref为参比空气环境温度，℃；cs为样气内CO2浓度，μmol/mol；cref为参比空气内CO2浓度，μmol/mol；t为采样时间， min。
所述红外气体分析仪6为双通道红外气体分析仪，所述采气泵5为双通路蠕动泵，流量调节范围为0.1-10L/min，所述采气泵动作控制器4 为积分控制器PID。由于要同时采集监测样气和参比空气，因此需采用双通道红外气体分析仪或两台型号相同的红外气体分析仪6同时监测。
气体参数监测仪2为现有设备，可在线获取气体流速、气体流量、气体动压、静压等参数。可在市场上购买，如青岛动力伟业环保设备有限公司生产的DL-6600SG型气体参数监测仪。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。