基于光热光谱技术的二氧化碳监测方法及系统与流程

本发明涉及气体测量，具体涉及基于光热光谱技术的二氧化碳监测方法及系统。

背景技术：

1、激光光谱是以激光为光源的光谱技术。与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，是用来研究光与物质的相互作用，从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态及其变化的理想光源。激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。由于已能获得强度极高、脉冲宽度极窄的激光，对多光子过程、非线性光化学过程以及分子被激发后的弛豫过程的观察成为可能，并分别发展成为新的光谱技术。激光光谱学已成为与物理学、化学、生物学及材料科学等密切相关的研究领域。

2、激光光谱学在生物化学、环境监测、医疗诊断、燃烧等多个领域有着重要应用。典型的光谱学系统由光源、样品池、信号探测和处理单元等组成。实际应用中，常对光源进行调制或调谐,探测部分则使用光栅、干涉仪等光谱敏感元件和锁相放大、取样平均等弱信号检测技术来提升系统的性能。光与物质在样品池中相互作用后,光的强度、相位、偏振、传播方向等发生变化,或产生热量、声波或新的光波，探测这些变化可以确定样品池中物质的成分及含量。激光技术的发展使光源的性能(定向性、相干性、功率、脉宽等)越来越好,可用的波长越来越多，结合不断提升的信号探测和处理能力及高等光谱学分析方法，使可检测物质的种类越来越多，探测灵敏度越来越高。低损耗光纤传输技术的发展使光源、样品池、探测单元之间的柔性光连接成为可能，减小了系统的体积、简化了光路的对准过程，推动了光谱学技术向实用化方向发展。然而,作为光和物质相互作用平台的样品池，目前绝大部分仍然是由自由空间光路构成的，如对气相物质进行探测时常用准直的单通或多通气室、液体分析时常用分立的玻璃比色皿等。

3、激光光热光谱法是一种激光为光源，基于光热效应进行分析检测的光谱分析技术。所谓光热效应，是由于物质吸收一强度随时间变化的光(能)束或其他能量束而被时变加热(即加热随时间而变化)时所引起的一系列效应，如光热折时率变化、表面形变等。由此建立了一系列相应的光热检测技术，如激光光热透镜光谱、激光光热偏转光谱、光热位移谱等二这些技术可检测的电磁波波长范围很宽，能够测量各种气体、液体、团体、超临界流体中具有极微弱吸收的物质。最低检测限主要取决于光源强度；还可用来研究弛豫过程、辐射过程的量子效率以及基于溯定物质的热学性质、弹性性质、薄膜厚度和对不透明材料业表面热波成像等研究。

4、二氧化碳(co2)捕获和封存(ccs)是指co2从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程。ccs是稳定大气温室气体浓度的减缓行动组合中的一种选择方案。ccus技术是co2大规模减排颇有潜力的技术选项之一，日益受到世界各国的广泛重视，也引起了我国各领域的普遍关注。

5、非色散红外吸收法(ndir)是当前商用co2传感器中使用最为广泛的技术,但是其灵敏度有限，易受水汽的影响，且需频繁校准才能克服零点漂移。国内外多个研究团队研究了基于激光光谱学的高灵敏度co2检测技术。近年来,空芯微结构光纤的迅速发展为研究光与气体的相互作用提供了理想平台。与直接吸收技术相比，空芯光纤光热干涉光谱气体检测技术充分发挥了空芯光纤中光能量密度高、光与气体相互作用距离长的优势，利用干涉相位检测灵敏度高的特点，显著提升了传感器的性能。目前已经出现了基于马赫-曾德尔、sagnac、法布里-珀罗(f-p)、双模干涉等多种干涉仪的痕量气体检测。在上述干涉仪结构中，f-p干涉仪的探头结构紧凑，可以实现单端探测和多点化部署，具有良好的实用前景。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：传统的化学监测系统中的传感器具有独立性，只能实现局部监测和报警，应用于连续大面积监测环境时，监测过程繁琐；且化学监测系统需要进行大量采样工作，人工投入量大，存在较多弊端；本发明目的在于提供基于光热光谱技术的二氧化碳监测方法及系统，在现有的监测技术上进行监测方法上的改进，通过在地下二氧化碳封存地或二氧化碳驱油驱气油气田的地面上均匀布设的二氧化碳监测传感器，配合集中监测点的调制解调设备，通过监测点与集中监测点建立连接关系以进行在线监测，及时反应出监测结果，避免出现高浓度二地下氧化碳

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、基于光热光谱技术的二氧化碳监测方法，其特征在于，包括：

4、确定监测点和集中监测点：以各二氧化碳注入井、二氧化碳监测井和油气生产井的井口为监测点，在各监测点布设基于光热光谱技术的二氧化碳监测传感器；确定集中监测点并装设调制解调设备；

5、监测点与集中监测点的连接：将各二氧化碳监测传感器并行连接或串行连接至调制解调设备；

6、二氧化碳监测：由调制解调设备基于监测点与集中监测点的连接方式，调制解调二氧化碳监测传感器的监测数据，并输出各监测点的监测结果。

7、本方案工作原理：传统的化学监测系统中的传感器具有独立性，只能实现局部监测和报警，使用于连续大面积监测环境时，监测过程繁琐；且化学监测系统需要进行大量采样工作，人工投入量大，存在较多弊端；本发明目的在于提供基于光热光谱技术的二氧化碳监测方法及系统，在现有的监测技术上进行监测方法上的改进，通过在地下二氧化碳封存地或二氧化碳驱油驱气油气田的地面上均匀布设的二氧化碳监测传感器，配合集中监测点的调制解调设备，通过监测点与集中监测点建立连接关系以进行在线监测，及时反应出监测结果，避免出现高浓度二地下氧化碳泄漏到地面的安全风险，通过基于光热光谱技术的二氧化碳监测传感器还避免大量的采样工作。

8、作为一种优选，在地下二氧化碳封存地或二氧化碳驱油驱气油气田的地面上均匀布设基于光热光谱技术的二氧化碳监测传感器，各二氧化碳注入井、二氧化碳监测井和油气生产井的井口为必须监测点，同时为了防止地面上裂缝处有气体泄漏，本方案将地面上均匀布设的其他二氧化碳监测传感器也作为监测点，保证二氧化碳监测的全面性。

9、作为一种优选，二氧化碳注入井的套管内安装有注气管柱，注气管柱底部安装有封隔器，封隔器将套管和井底的注入井段封隔起来，不让注入封存地层中的二氧化碳通过套管或套管和注气管柱之间的环空泄漏到地面。

10、进一步优化方案为，所述基于光热光谱技术的二氧化碳监测传感器包括：空芯光纤传感器、微纳结构光纤传感器或特种气体传感光纤传感器，包括：干涉型、反射型、光纤渐近场型、近红外吸收型或光吸收热效应型光纤气体传感器。

11、进一步优化方案为，所述微纳结构光纤传感器由石英制成，包含沿光纤轴向延伸的空气通道；

12、所述微纳结构光纤传感器包括：光子带隙空芯光纤、反谐振空芯光纤、微纳光纤或悬挂芯光纤。

13、进一步优化方案为，所述集中监测点位于地下二氧化碳封存地中心位置，或二氧化碳驱油驱气油气田中心位置。

14、进一步优化方案为，所述串行连接包括方法：

15、多个二氧化碳监测传感器通过一条光缆连接至调制解调设备，相邻二氧化碳监测传感器之间至少相距n；

16、每条光缆配备一个光开关，所述光缆通过光开关连接至调制解调设备。

17、进一步优化方案为，对于并行连接，二氧化碳监测包括过程：

18、对一条光缆上的二氧化碳监测传感器按顺序进行编号，并获取相邻二氧化碳监测传感器之间的距离；

19、以周期t从光开关中依次采样各二氧化碳监测传感器的监测数据；

20、获取各组监测数据的到达时间，基于各组监测数据的到达时间的不同确定二氧化碳监测传感器的编号；

21、输出二氧化碳监测传感器的编号及其监测结果。

22、进一步优化方案为，所述并行连接包括方法：

23、每个二氧化碳监测传感器通过一条光缆连接至调制解调设备，每条光缆与多通道光开关的一个通道匹配连接。

24、进一步优化方案为，对于并行连接，二氧化碳监测包括过程：

25、对多通道光开关的各通道进行编号；各通道与其对应的二氧化碳监测传感器具有相同的编号；

26、以周期t滚动扫描各通道，从各通道中采样监测数据；

27、输出各通道的编号及其监测结果。

28、本方案中多通道光开关具有32路或64路传输通道，由一台调制解调仪器对32或64个并联的二氧化碳监测传感器依次进行扫描调制解调和探测或监测。

29、进一步优化方案为，所述二氧化碳监测，还包括过程：

30、调制解调设备解析出二氧化碳监测传感器的监测数据后，将二氧化碳的浓度与预设阈值判断，当二氧化碳的浓度超过预设阈值时，发出预警信号。

31、本方案还提供基于光热光谱技术的二氧化碳监测系统，用于实现上述的基于光热光谱技术的二氧化碳监测方法，包括：

32、二氧化碳监测传感器，用于以各二氧化碳注入井、二氧化碳监测井和油气生产井的井口为监测点，采集各监测点的二氧化碳浓度数据，所述二氧化碳监测传感器基于光热光谱技术构建；

33、调制解调设备，用于基于监测点与集中监测点的连接方式，调制解调二氧化碳监测传感器的监测数据，并输出各监测点的监测结果；各二氧化碳监测传感器并行连接或串行连接至调制解调设备。

34、本方案中调制解调设备主要是调制解调仪器和计算机，地下二氧化碳封存地或二氧化碳驱油驱气油气田中心位置设置调制解调仪器进行数据分析；

35、二氧化碳监测传感器串行连接到调制解调仪器的输入端，或者并行连接到调制解调仪器。工作时先启动调制解调仪器，通过光开关对地面上串联所有的二氧化碳监测传感器和井口的二氧化碳监测传感器进行实时监测，或者对地面上并联的所有的二氧化碳监测传感器和井口的二氧化碳监测传感器进行滚动扫描监测。所有的二氧化碳监测系统的调制解调仪器实时输出所有二氧化碳监测传感器所测量到的二氧化碳浓度到数据处理计算机。二氧化碳浓度数据处理和监测计算机如果发现某个监测二氧化碳浓度的二氧化碳监测传感器或某个区域监测二氧化碳浓度的二氧化碳监测传感器组周围实时测量到的二氧化碳的浓度超过了预先设置的预警值，二氧化碳浓度数据处理和监测计算机会立即发出预警信号，及时通知二氧化碳封存地的相关人员或二氧化碳驱油驱气油气田的管理人员，尽快到现场进行评估和处理，确保二氧化碳封存地或二氧化碳驱油驱气油气田的安全运行，实现远程多点在线监测。

36、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

37、本发明提供的基于光热光谱技术的二氧化碳监测方法及系统，在现有的监测技术上进行监测方法上的改进，通过在地下二氧化碳封存地或二氧化碳驱油驱气油气田的地面上均匀布设的二氧化碳监测传感器，配合集中监测点的调制解调设备，通过监测点与集中监测点建立连接关系实现远程多点在线监测，及时反应出监测结果，避免出现高浓度二地下氧化碳泄漏到地面的安全风险，通过基于光热光谱技术的二氧化碳监测传感器还避免大量的采样工作。