水面走航式探测海底气泡型浅层气的装置及方法

摘要

本发明公开一种水面走航式探测海底气泡型浅层气的装置及方法，本方案基于采集点电位差和供电电流所形成的电阻率式的探测，实现二维垂向探测，具有探测范围大，效率高的优点，不易受到干扰因素的影响，可根据真电阻率剖面相对高阻区分布范围判定含气泡区分布范围，根据相对高阻区中电阻率的相对大小判定含气量定性变化；而且通过选择不同的供电电极组合或调整测量电极的组合方式，能够实现不同体积、埋深以及不同深度水域的海底气泡型浅层气的精确探测；可满足对具有实时性要求的科研及工程的应用需求，为海洋工程开发建设提供更有利的技术支持与理论支撑。

说明书

技术领域

本发明属于海底浅层气测量技术领域，具体涉及一种水面走航式探测海底气泡型浅层气的分布范围及含气量的装置与方法。

背景技术

近年来，填海造陆、跨海大桥等近海海洋工程项目的开发迎来了新一轮高潮。海底赋存有分布广泛的大规模浅层气，其主要成分为甲烷，在海洋开发过程中，其动态变化会导致温室效应加剧，诱发海洋地质灾害，以及带来海洋工程建设等风险。

浅层气具有不同的赋存形态，而不同赋存形态浅层气识别特征、运动致灾机理皆有不同。在粗粒沉积物中，气体通过毛细侵入生长运移，在盖层圈闭作用下形成孔隙间气体联通的高压砂质储气层。而细粒沉积物由于其较大的孔喉毛细阻力使得气体难以进行毛细侵入，而是以劈裂沉积物的方式形成“气泡”，这就出现了与传统认识中孔隙间相互连通型浅层气特征不同的气泡型浅层气。

地层中的气泡型浅层气会显著改变沉积物声学特性，声波、地震波在海水中的传播明显优于可见光和电磁波，现有技术中，利用两种信号开展的海底声学和地震探测是当前开展浅层气勘查的主要方法，声学探测技术包括多波束测深、侧扫声纳和浅层剖面探测等。浅层地震技术包括单道或多道地震，也有专门设计用于海底探测的高分辨率地震方法。两种探测技术主要是通过分析探测剖面典型异常特征来判定浅层气的存在与分布。对于气泡型浅层气的探测来说存在局限性。因为其探测原理基于浅层气对信号的屏蔽作用，故而无法给出含气区底界及含气量变化。此外，探测结果易受沉积物类型、粒度的影响，形成与浅层气类似的散射与反射特征。浅海环境中存在的多次波、低频随机噪声等干扰以及高频能量吸收严重、横向能量不均等问题，也会对图像解译带来干扰。总之，该探测技术目前仍以定性探测为主，除了能够判别可能存在浅层气外，尚无法清晰确定浅层气分布。

另外，传统浅层气调查手段几乎均针对于联通型浅层气，很少按照含气区浅层气赋存形态对浅层气地质调查进行细分，对气泡型浅层气的调查具有怎样的探测效果尚待未可知。这导致以往浅层气调查工作中对于气泡型浅层气存在测不到、测不准等问题。但近海海域海床表层多为粉质黏土等细粒沉积物，这种没有被足够重视的“气泡”广泛存在甚至是表层浅层气的主要赋存类型，鉴于此，发展能够准确描述气泡型浅层气的针对性调查手段亟待提上日程，为海洋工程开发建设提供更有利的技术支持与理论支撑。

发明内容

本发明为弥补现有声学或地震手段对于气泡型浅层气的调查缺陷，提出一种基于水面走航式探测海底气泡型浅层气的方法，实现对气泡型浅层气分布范围(尤其是底界范围)及同一含气区含气量定性变化的探测。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种水面走航式探测海底气泡型浅层气的装置，包括调查船、线缆系统、采集主机及供电系统，采集主机及供电系统设置在调查船上，采集主机与线缆系统相连，供电系统为装置运行及测量时建立电场提供电源，调查船用于提供走航动力、控制走航速度，还为整个探测过程提供海上工作平台；

所述线缆系统包括尾锚、浮球、多道电极系和持力绳，尾锚通过持力绳连接调查船，多道电极系和浮球固定在持力绳上，浮球间隔设置有多个，用于保持线缆漂浮于水面；

所述多道电极系通过多通道子母插头与采集主机连接，多道电极系包括多个供电电极和多个测量电极，多个供电电极在靠近调查船端依次排布设置，多个测量电极等间距依次布设在供电电极之后远离调查船端。

进一步的，所述调查船上还设置有GPS实时定位系统、走航时速实时监测系统、单波束水深探测装置；在走航探测过程中，通过GPS实时定位系统给出测线首尾的经纬度坐标，用于测线定位；走航时速实时监测系统基于走航时速与采集时间间隔确定测量点相对距离；单波束水深探测装置用于测量系统走航探测时实时水深数据。

进一步的，所述供电电极包括距离近调查船端依次设置的C1、C2、C3三个供电电极，所述测量电极包括距离供电电极C1依次设置的P1至P13十三个测量电极，并定义供电电极 C3与测量电极P1之间的距离为偏移距。

进一步的，所述C1C2间隔距离为h1，C2C3的间隔距离为h2，最相邻的供电电极C3和测量电极P1之间的间隔距离为h3,相邻测量电极之间的距离为h4，且h1、h2、h3为15-25m，h4为3-8m。

进一步的，所述采集主机包括总控机和主机模块，所述主机模块包括中央控制单元以及与中央控制单元相连的数据传输单元、采集单元和变频方波发射单元；GPS实时定位系统、走航时速实时监测系统、单波束水深探测装置和供电系统均与总控机相连，总控机与数据传输单元相连，采集单元与测量电极相连，变频方波发射单元与供电电极相连，对供电电极的供电电流记为I。

本发明另外还提出一种基于水面走航式探测海底气泡型浅层气的装置的方法，包括以下步骤：

步骤1、调查船拖动线缆系统在海水面移动，并为多道电极系中的两个供电电极供电，形成电场；

步骤2、获取两个供电电极的供电电流I的数值以及测量电极的电位值，每两个测量电极为一组，形成测量电极对，两个供电电极形成供电电极对，将每组测量电极的所测电位相减形成该组测量电极对的电位差；

步骤3、利用GPS实时监测装置确定测线首尾位置，利用航速实时监测以及采集间隔确定每个采集点电位差所对应的采集点位置；

所述采集点水平位置为靠近测量电极对的供电电极与靠近供电电极的测量电极的连线中心，采集点距水面深度为靠近测量电极对的供电电极与靠近供电电极的测量电极的连线长度的二分之一；

步骤4、根据供电电流I和采集点电位差ΔU计算采集点视电阻率，根据采集点视电阻率和采集点位置构建视电阻率剖面图；

步骤5、对视电阻率剖面图作反演计算，获得真电阻率剖面图；根据真电阻率剖面图判定气泡型浅层气分布范围以及含气量变化。

进一步的，所述步骤2中，所述供电电极包括距离近调查船端依次设置的C1、C2、C3三个供电电极，选择C1C3或C2C3为供电电极对，所述测量电极包括距离供电电极C1依次设置的P1至P13十三个测量电极；

定义最靠近调查船船体的起始供电电极至末端测量电极P13的距离为装置排列总长度，探测深度与装置排列总长度正相关，具体根据探测深度需求选择测量电极的组合，具体为：

若探测深度不超过装置排列总长度的六分之一，则选用相邻测量电极两两组合的方式进行探测；

若探测深度超过装置排列总长度的六分之一，则选用前12个测量电极P1-P12依次与末端测量电极P13组合的方式进行探测。

进一步的，所述步骤5中，将视电阻率剖面反演为真电阻率剖面的过程中，通过海水与沉积层分层耦合反演来提高反演精度，即在反演模型中赋予不同位置海水深度及海水电阻率，不同位置海水深度通过单波束装置在探测过程中实时获取，海水电阻率通过电导率计获取海水电导率后取倒数获得。

进一步的，所述步骤5中，根据真电阻率剖面图判定气泡型浅层气分布范围以及含气量变化时：

首先确定真电阻率剖面中有无相对高阻区，相对高阻区是指该区域内电阻率整体高于相邻位置；若有高阻区，划定沉积层中的相对高阻区域为气泡型浅层气分布范围，将相对高阻区中电阻率相对大小判定为含气量相对多少，电阻率较大，则含气量相对较多，反之，电阻率较小，则含气量较少。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案基于采集点电位差和供电电流所形成的电阻率式的探测，实现二维垂向探测，具有探测范围大，效率高的优点，不易受到干扰因素的影响，可根据真电阻率剖面相对高阻区分布范围判定含气泡区分布范围，根据相对高阻区中电阻率的相对大小判定含气量定性变化；

而且通过选择不同的供电电极组合或调整测量电极的组合方式，能够实现不同体积、埋深以及不同深度水域的海底气泡型浅层气的精确探测；可满足对具有实时性要求的科研及工程的应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例所述所述探测装置的结构示意图；

图2为图1中电路原理示意图；

图3为本发明实施例探测海底气泡型浅层气分布范围的方法示意图；

图4为基于图3的方法获得的含气泡区域真电阻率剖面图；

图5为本发明实施例采集单元电路原理示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

首先需要说明的是，本方案强调采用水面走航式探测技术，是考虑到气泡型浅层气多位于浅水，若在水下发射电场，海水-空气界面会导致严重的镜像效应，产生虚点电源，且由于供电位置与海水面距离不固定，该影响难以消除，水面走航不受介质镜像效应影响，所测数据干扰小，适宜于气泡型浅层气调查。

实施例1、一种水面走航式探测海底气泡型浅层气的装置，如图1和图2所示，图1是该装置结构示意图，图2是其电路原理图；所述装置包括调查船100、线缆系统200、采集主机及供电系统300。调查船100用于提供走航动力、控制走航速度，此外，还为整个探测过程提供海上工作平台，调查船船体规模较为灵活，常见船只如快艇、渔船等均可用作调查船。采集主机及供电系统300设置在调查船100上，采集主机与线缆系统200相连，供电系统为装置运行及测量时建立电场提供电源，可选用常规60A12V锂电池或铅蓄电池完成此功能。采集主机为系统总控，用于进行探测指令下发、探测参数选择、数据采集、数据处理、数据保存等，另外，图1中，500为海床面，600为沉积层，700为浅层气。

调查船100上还设置有GPS实时定位系统、走航时速实时监测系统、单波束水深探测装置400；在走航探测过程中，通过GPS实时定位系统给出测线首尾的经纬度坐标，用于测线定位；走航时速实时监测系统基于走航时速与采集时间间隔确定测量点相对距离；单波束水深探测装置400用于测量系统走航探测时实时水深数据。

继续参考图1，所述线缆系统200包括尾锚23、浮球24、多道电极系25和持力绳26，尾锚23通过持力绳26连接调查船100船体，多道电极系25和浮球24与持力绳26绑定，从图上可以看出，浮球24间隔设置有多个，用于保持线缆漂浮于水面；尾锚23在测量过程中提供与走航方向相反的反力，以拉直线缆系统，减小电极位置偏移造成的测量误差，多道电极系25通过多通道子母插头与采集主机连接，多道电极系25近船端分布有多个供电电极，本实施例优选三个供电电极C1、C2、C3(C1C3，C2C3为供电电极对)，间隔距离C1C2为 h1、C2C3为h2，在距离C3电极h3距离之后等距分布有多个测量电极，本实施例优选13个测量电极P1-P13，相邻测量电极的距离为h4，供电电极C3与测量电极P1之间的距离称之为偏移距，具体为h3，P1至P13与调查船的距离依次增加，在单次供电过程中并行采集电位，本实施例中，h1、h2、h3为15-25m，优选20m，h4为3-8m，优选5m。

另外，如图2所示，所述采集主机包括总控机和主机模块，所述主机模块包括中央控制单元以及与中央控制单元相连的数据传输单元、采集单元和变频方波发射单元；GPS实时定位系统、走航时速实时监测系统、单波束水深探测装置400和供电系统均与总控机相连，总控机与数据传输单元相连，采集单元与测量电极相连，变频方波发射单元与供电电极相连。

本实施例中，主机模块使用变频方波发射单元进行电流发射，系统发射方式为：在接受主控CPU发射指令后按设定的频率、占空比、电流值和时长发射供电由供电电极向水体中供电。此外为了配合采集单元对微小信号的拾取，变频方波发射单元可以加入伪随机信号供采集单元提取有效信号。这一技术的应用有效地解决了海水中低电阻率环境下接收微小信号的难题。此外，变频方波发射单元还通过24位模数转换器将信号AD转换后对中央控制单元反馈供电电流I。

参考图5，主机模块的采集单元主要由13路独立高精度24位模数转换器及单元控制CPU 组成，系统采集方式为：13通道电位并行采集单元连接电缆测量电极，由13路独立高精度 24位模数转换器及单元控制CPU组成，由测量电极探测的微弱电位信号通过电缆传输至采集单元高阻抗输入电路，经滤波放大后送入模数转换器进行数值采集，采集到的时域信号在 CPU内进行数据分解排列和频域分析处理，提取有效信号上传给主机中央控制单元并接受其指令。采集所使用的模数转换器可选用美国TI公司的ADS1256型号，采样精度为24位，可识别0.027μv左右的电位信号，经放大滤波十倍后，可使得仪器电位采集精度达到0.27μv。

当然，上述具体数量及距离的选择为优选的，但并不局限于上述结构，也可以采用更少或更多数量的测量电极。

实施例2、基于实施例1所提出的水面走航式探测海底气泡型浅层气的装置，本实施例提出一种水面走航式探测海底气泡型浅层的方法；为了更好的理解本发明方案，首先对本发明的理论基础进行说明：

气泡型浅层气的存在会改变沉积物的物质组成，但气泡体积远超孔隙空间，申请人研究表明，气泡型浅层气依旧会增加沉积物电阻率，且具有特有的电阻率变化特征。对于含气泡型浅层气沉积物电阻率规律说明如下：

整体规律包括两个阶段：第一阶段，当气泡型浅层气含气量(气体体积在含气沉积物总体积中的占比)小于临界值时，电阻率随含气量升高不发生变化；第二阶段，当含气量超过临界值后，电阻率随含气量增加而升高。具体来说，对于第一阶段特征，临界含气量(临界值)在1-6％之间(6％为极端情况，一般在1％-3％之间)，临界含气量与气泡尺寸相关，气泡尺寸越小，临界含气量越高。当含气量超过临界含气量后，电阻率变化主要与含气量相关且为正相关。虽然其也受气泡尺寸分布影响，但其影响较小且气泡尺寸的差异仅导致沉积物电阻率随含气量的增加速率不同。

可见，可基于含气泡沉积物电阻率变化特征，通过水面走航式电阻率成像技术获取沉积物电阻率分布，基于沉积物电阻率分布特征解译得到含气泡区的分布范围及含气量定性变化。

如图3所示，水面走航式探测海底气泡型浅层气分布范围及含气量的方法，包括下述步骤：

步骤1、调查船拖动线缆系统200在海水面移动，利用主机的供电单元为多道电极系中的两个供电电极(供电电极对)供电，形成电场，并获取供电单元为两个供电电极的供电电流I的数值以及测量电极的电位值；

步骤2、将每组测量电极对所测电位相减形成每组测量电极对所测电位差，以P1P13为例，将P1电位减去P13电位，得到P1P13测量电极对的测量电位差，通过P1至P12分别与 P13组合的方式获得12个采集点电位差，或通过相邻测量电极组合获得12个采集点电位差，即P1P2，P2P3...P12P13；

步骤3、利用GPS实时监测装置确定测线首尾位置，利用航速实时监测以及采集间隔确定每个采集点电位差所对应的采集点位置；

具体的，利用航速实时监测以及采集间隔确定每次采集的供电电极对位置及测量电极对位置；而采集点水平位置为靠近测量电极对的供电电极与靠近供电电极的测量电极的连线中心，采集点距水面深度为靠近测量电极对的供电电极与靠近供电电极的测量电极的连线长度的二分之一，本方法为物理场探测，所述采集点所测电阻率受整体物理场变化影响，其所在位置仅为物理场对介质电阻率变化响应最为敏感的位置；

步骤4、根据供电电流I和采集点电位差ΔU计算采集点视电阻率，根据采集点视电阻率和采集点位置构建视电阻率剖面图；

以供电电极对为C1C2，测量电极对为P1P13为例，视电阻率ρ的计算公式为：

其中C1P1为C1至P1的距离，C1P13为C1至P13的距离，C2P1为C2至P1的距离， C2P13为C2至P13的距离。

步骤5、对视电阻率剖面图作反演计算，获得真电阻率剖面图；根据真电阻率剖面图判定气泡型浅层气分布范围以及含气量变化。

具体的，在步骤2中，考虑到极距的设置影响系统的探测深度。水面走航式电阻率法探测深度与电场灵敏度分布相关，沉积层600不同位置电场灵敏度越高则探测效果越好，电场灵敏度为零则表明完全无法探测。基于申请人研究的电场灵敏度结果认为，探测深度首先与装置排列总长度呈正相关(装置排列总长度为最靠近调查船船体的起始供电电极至末端测量电极P13的距离)，但由于多道电极系中电极位置固定，实际工作中难以针对不同工况灵活选择测量电极位置，本实施例中，供电电极有三个，可以选择C1C3或C2C3为供电电极对，选择C2C3为供电电极对时电场灵敏度分布范围及探测深度均小于C1C3。而对于同样的测量电极位置，由于测量电极两两组合形成测量电极对以计算电位差，测量电极的组合方式会对探测深度产生较大影响，前12个测量电极依次与末端测量电极P13组合的有效探测深度约为装置排列总长度的三分之一；各相邻测量极两两组合的有效探测深度约为装置排列总长度的六分之一。在实际应用过程中，可根据探测深度需求选择供电电极的组合以及测量电极的组合。

比如，以C1C3为供电电极对为例，装置排列的总长度为120m，海水a m，所需探测深度为海床下b m以内，若a加b不超过20，即不超过装置排列总长度的六分之一，则选用相邻测量电极两两组合的方式，此时选用更大探测深度的组合方式容易使得探测结果受目标深度下部沉积物电阻率改变的干扰；若a加b的值处于20-40之间，即超过装置排列总长度的六分之一至三分之一，则选用前12个测量电极依次与末端测量电极P13组合的方式。

另外，在步骤5中，将视电阻率剖面反演为真电阻率剖面的过程中，通过海水与沉积层分层耦合反演来提高反演精度，具体来说，反演模型中赋予不同位置海水深度及海水电阻率，不同位置海水深度通过单波束装置在探测过程中实时获取，海水电阻率通过电导率计获取海水电导率后取倒数获得。反演计算借助现有商业软件实现，如RES2Dinv或EarthImager 2D。

从真电阻率剖面解译含气泡区分布范围及含气量变化的流程为：

首先确定真电阻率剖面中有无相对高阻区，相对高阻区是指该区域内电阻率整体高于相邻位置，若有高阻区，划定沉积层600中的高阻区域为气泡型浅层气分布范围，将相对高阻区中电阻率相对大小判定为含气量相对多少，电阻率较大，则含气量相对较多，反之，电阻率较小，则含气量较少。

图4示出了采用图3所述方法所获得的真电阻率剖面图，在图4中，真电阻率剖面图中的相对高阻区主要位于横坐标为59-110m的范围内，顶界位置位于深度7m，底界位置位于深度17m(主要位于虚线框内)。根据该剖面图，可以判定探测区域内气泡型浅层气的分布范围。综上，本发明对海底气泡型浅层气实现水面走航式的原位探测，探测过程简单、快捷、准确、成本低，且可以实时、反复进行探测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。