專利名稱：一種監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的方法及裝置的制作方法
一種監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的方法及裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于二氧化碳泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著地球“溫室效應(yīng)”產(chǎn)生的影響越來(lái)越強(qiáng)烈，各個(gè)國(guó)家都開始關(guān)注溫室氣體排放，二氧化碳就是其中最主要的溫室氣體之一。為了減少二氧化碳排放，各個(gè)國(guó)家研究者和技術(shù)人員提出了很多種方法。近年來(lái)，一種新的技術(shù)開始受到研究者們的關(guān)注，即二氧化碳捕集與封存技術(shù)(CCS技術(shù))。這種方法首先在二氧化碳排放源，比如電廠，捕集排放的二氧化碳，然后將捕集的二氧化碳輸送到封存地點(diǎn)，比如廢棄油氣井、廢棄煤礦、海洋等地，利用二氧化碳封存技術(shù)將二氧化碳以超臨界狀態(tài)封存到地質(zhì)層或海洋深水層底下，并做好相應(yīng)的密封措施。在地質(zhì)層中的二氧化碳發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)后，可以被固定于地質(zhì)層中，而且在一些廢棄的油氣井、煤礦等地方，還可以促進(jìn)油氣或煤層氣再生，提高能源利用率。
但是，作為一個(gè)正在研究和發(fā)展中的新型技術(shù)，有很多因素尚需考慮，其中對(duì)封存二氧化碳滲漏和泄漏的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)就是一個(gè)難題。因?yàn)榇髿庵卸趸急旧砗休^高濃度的二氧化碳且其隨時(shí)間變化較大，碳封存項(xiàng)目中所泄漏的微量或少量的二氧化碳可能被淹沒(méi)在復(fù)雜變化的背景濃度當(dāng)中，很難監(jiān)測(cè)到。到目前為止，研究者們提出了很多方法， 主要有渦量相關(guān)監(jiān)測(cè)法(EC法)、測(cè)井微地震監(jiān)測(cè)方法、集聚氣室方法、激光雷達(dá)、示蹤劑追蹤監(jiān)測(cè)法、碳穩(wěn)定同位素監(jiān)測(cè)等方法。這些方法具有各自的優(yōu)點(diǎn)，但是存在以下缺點(diǎn)制約其在二氧化碳地質(zhì)封存泄漏監(jiān)測(cè)當(dāng)中的應(yīng)用。
1)無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線泄漏異常信號(hào)辨識(shí)。目前常用的方法是在地質(zhì)封存項(xiàng)目實(shí)施前獲取大量數(shù)據(jù)作為背景值，在封存項(xiàng)目實(shí)施后監(jiān)測(cè)一段時(shí)間后，與封存前得到的背景值進(jìn)行對(duì)比識(shí)別。這種判斷比較滯后，比如EC法就需要在封存前監(jiān)測(cè)一年周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，在封存實(shí)施后連續(xù)監(jiān)測(cè)一年數(shù)據(jù)，然后將兩年數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，才能判斷是否發(fā)生泄漏；其它方法大都如此。
2)大部分方法都無(wú)法直接得到泄漏通量值。因?yàn)樾孤┩棵芏瓤梢灾苯臃从吃谀骋粎^(qū)域內(nèi)的泄漏的二氧化碳的積累程度，可以通過(guò)算法容易估算實(shí)際泄漏量。但是目前除了一些通量監(jiān)測(cè)方法，其它監(jiān)測(cè)方法只能得到判斷二氧化碳泄漏是否發(fā)生泄漏的相關(guān)參數(shù)，做定性判斷，無(wú)法得到泄漏通量，比如超光譜成像、激光雷達(dá)、測(cè)井微震法等。盡管如此， 目前已有的通量方法，如集聚氣室法，屬于點(diǎn)式測(cè)量，無(wú)法在大面積范圍內(nèi)應(yīng)用；EC法雖然可以監(jiān)測(cè)廣域范圍內(nèi)的通量密度，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線異常信號(hào)辨識(shí)。
3)大部分方法屬于點(diǎn)式測(cè)量方法，監(jiān)測(cè)范圍小，如果監(jiān)測(cè)大面積的區(qū)域，需要很多的儀器裝置，成本太高。在已有方法中，EC法可以監(jiān)測(cè)m2-km2范圍內(nèi)的氣體通量密度，但是直接監(jiān)測(cè)二氧化碳泄漏受到一定的局限；
4)很多提出的方法儀器裝置復(fù)雜、昂貴，比如同位素跟蹤需要質(zhì)譜儀、激光雷達(dá)需要復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備、測(cè)井微震法需要地質(zhì)斷層掃描儀等，無(wú)法在工業(yè)工程中普及應(yīng)用。
基于這些缺陷，研發(fā)能夠在線辨識(shí)泄漏異常、直接得到泄漏通量，而且儀器簡(jiǎn)單、 成本較低的地質(zhì)封存二氧化碳泄漏監(jiān)測(cè)裝置是十分必要的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題在于提供一種監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的方法及裝置，通過(guò)在線分析空氣中氧氣、二氧化碳相關(guān)性，在線扣除背景干擾濃度，得以實(shí)現(xiàn)直接二氧化碳泄漏通量監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
一種監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的方法，包括以下步驟
通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)待測(cè)區(qū)域的二氧化碳的濃度Cc()2和氧氣的濃度Co2，計(jì)算二氧化碳的濃度的變化量ΔΟ^π氧氣的濃度的變化量ACcc32，以及氧氣的瞬時(shí)通量和二氧化碳與氧氣的氧碳交換比SiS=AQ32 /ACc02 ；
以t為監(jiān)測(cè)時(shí)間步長(zhǎng)，以前一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的監(jiān)測(cè)作為當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)背景，以前一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的平均氧碳比作為背景氧碳交換比Stl，以當(dāng)時(shí)間前步長(zhǎng)內(nèi)的平均氧碳交換比作為S1;
當(dāng)前時(shí)間前步長(zhǎng)內(nèi)的二氧化碳泄漏通量F1通過(guò)下式計(jì)算得到
F1 =(^-^)(-F0J
其中，^2為前一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的氧氣瞬時(shí)通量。
所述的氧氣瞬時(shí)通量的計(jì)算還考慮垂直風(fēng)速的波動(dòng)、大氣溫度和濕度的影響，通過(guò)下式計(jì)算得到[0018
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的方法，其特征在于，包括以下步驟通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)待測(cè)區(qū)域的二氧化碳的濃度Cco2和氧氣的濃度Co2，計(jì)算二氧化碳的濃度的變化量AQ^p氧氣的濃度的變化量ACcc32，以及氧氣的瞬時(shí)通量和二氧化碳與氧氣的氧碳交換比Sj=AQ32/ACc02;以t為監(jiān)測(cè)時(shí)間步長(zhǎng)，以前一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的監(jiān)測(cè)作為當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)背景，將前一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的平均氧碳比作為背景氧碳交換比Stl，以當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的平均氧碳交換比作為S1;當(dāng)前時(shí)間前步長(zhǎng)內(nèi)的二氧化碳泄漏通量F1通過(guò)下式計(jì)算得到
2.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的方法，其特征在于，所述的氧氣瞬時(shí)通量的計(jì)算還考慮垂直風(fēng)速的波動(dòng)、大氣溫度和濕度的影響，通過(guò)下式計(jì)算得到
3.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的方法，其特征在于，所述的F1通過(guò)下式計(jì)算得到如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存十算得到
4.一種監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，包括數(shù)據(jù)檢測(cè)單元，包括檢測(cè)垂直風(fēng)速的波動(dòng)的三維超聲風(fēng)速儀、檢測(cè)大氣溫度和濕度的溫度濕度探頭，以及檢測(cè)氧氣、二氧化碳的濃度的氣體取樣探頭； 數(shù)據(jù)傳輸單元，采集數(shù)據(jù)檢測(cè)單元所采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸； 數(shù)據(jù)處理單元，接收數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過(guò)二氧化碳的濃度和氧氣的濃度計(jì)算二氧化碳與氧氣的氧碳交換比，再結(jié)合垂直風(fēng)速的波動(dòng)、大氣溫度和濕度的數(shù)據(jù)計(jì)算氧氣的瞬時(shí)通量，最后計(jì)算得到二氧化碳泄漏通量；監(jiān)測(cè)中心，接收數(shù)據(jù)處理單元的計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行顯示。
5.如權(quán)利要求4所述的監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的三維超聲風(fēng)速儀、溫度濕度探頭和氣體取樣探頭安裝在監(jiān)測(cè)塔上，距地面的距離與監(jiān)測(cè)半徑比為 1 50 500。
6.如權(quán)利要求4所述的監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的三維超聲風(fēng)速儀、溫度濕度探頭和氣體取樣探頭逆風(fēng)方向安裝，彼此之間的距離不超過(guò)lm，三維超聲風(fēng)速儀安裝在溫度濕度探頭和氣體取樣探頭的上方。
7.如權(quán)利要求4所述的監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的氣體取樣探頭包括檢測(cè)氣室，檢測(cè)氣室的頭部與進(jìn)氣罩相連接，進(jìn)氣罩的中心設(shè)有進(jìn)氣口，檢測(cè)氣室尾部的一側(cè)設(shè)有出氣口，檢測(cè)氣室內(nèi)設(shè)有二氧化碳濃度檢測(cè)傳感器和氧氣傳濃度檢測(cè)感器。
8.如權(quán)利要求7所述的監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的進(jìn)氣罩為半球形，進(jìn)氣口逆風(fēng)安裝；進(jìn)氣罩與檢測(cè)氣室之間設(shè)有濾網(wǎng)。
9.如權(quán)利要求7所述的監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的二氧化碳傳感器包括對(duì)稱安裝的紅外二氧化碳傳感器發(fā)射端和紅外二氧化碳傳感器接收端，氧氣傳感器為電化學(xué)傳感器，設(shè)置在出氣口之上；檢測(cè)氣室的尾部還設(shè)有清理口。
10.如權(quán)利要求4所述的監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)傳輸單元通過(guò)有線或無(wú)線方式將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了了一種監(jiān)測(cè)地質(zhì)封存二氧化碳泄漏的方法及裝置，通過(guò)在線分析空氣中氧氣、二氧化碳相關(guān)性，在線扣除背景干擾濃度，得以實(shí)現(xiàn)直接二氧化碳泄漏通量監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)裝置主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元以及監(jiān)控中心，其中設(shè)計(jì)了可用于直接監(jiān)測(cè)二氧化碳泄漏的樣氣室。本方法具有在線異常辨識(shí)、直接泄漏通量監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)精度高、受溫度和壓力影響范圍小等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M3/02GK102494848SQ20111035812
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者張?jiān)缧? 鄧建強(qiáng), 馬登龍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)