專利名稱：一種監測地質封存二氧化碳泄漏的方法及裝置的制作方法
一種監測地質封存二氧化碳泄漏的方法及裝置技術領域
本發明屬于二氧化碳泄漏監測技術領域，涉及一種監測地質封存二氧化碳泄漏的方法及裝置。
背景技術：
隨著地球“溫室效應”產生的影響越來越強烈，各個國家都開始關注溫室氣體排放，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，各個國家研究者和技術人員提出了很多種方法。近年來，一種新的技術開始受到研究者們的關注，即二氧化碳捕集與封存技術(CCS技術)。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，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將二氧化碳以超臨界狀態封存到地質層或海洋深水層底下，并做好相應的密封措施。在地質層中的二氧化碳發生物理、化學反應后，可以被固定于地質層中，而且在一些廢棄的油氣井、煤礦等地方，還可以促進油氣或煤層氣再生，提高能源利用率。
但是，作為一個正在研究和發展中的新型技術，有很多因素尚需考慮，其中對封存二氧化碳滲漏和泄漏的準確監測和預報就是一個難題。因為大氣中二氧化碳本身含有較高濃度的二氧化碳且其隨時間變化較大，碳封存項目中所泄漏的微量或少量的二氧化碳可能被淹沒在復雜變化的背景濃度當中，很難監測到。到目前為止，研究者們提出了很多方法， 主要有渦量相關監測法(EC法)、測井微地震監測方法、集聚氣室方法、激光雷達、示蹤劑追蹤監測法、碳穩定同位素監測等方法。這些方法具有各自的優點，但是存在以下缺點制約其在二氧化碳地質封存泄漏監測當中的應用。
1)無法實現在線泄漏異常信號辨識。目前常用的方法是在地質封存項目實施前獲取大量數據作為背景值，在封存項目實施后監測一段時間后，與封存前得到的背景值進行對比識別。這種判斷比較滯后，比如EC法就需要在封存前監測一年周期內的數據，在封存實施后連續監測一年數據，然后將兩年數據進行比較，才能判斷是否發生泄漏；其它方法大都如此。
2)大部分方法都無法直接得到泄漏通量值。因為泄漏通量密度可以直接反映在某一區域內的泄漏的二氧化碳的積累程度，可以通過算法容易估算實際泄漏量。但是目前除了一些通量監測方法，其它監測方法只能得到判斷二氧化碳泄漏是否發生泄漏的相關參數，做定性判斷，無法得到泄漏通量，比如超光譜成像、激光雷達、測井微震法等。盡管如此， 目前已有的通量方法，如集聚氣室法，屬于點式測量，無法在大面積范圍內應用；EC法雖然可以監測廣域范圍內的通量密度，但是無法實現在線異常信號辨識。
3)大部分方法屬于點式測量方法，監測范圍小，如果監測大面積的區域，需要很多的儀器裝置，成本太高。在已有方法中，EC法可以監測m2-km2范圍內的氣體通量密度，但是直接監測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雜、昂貴，比如同位素跟蹤需要質譜儀、激光雷達需要復雜的光學設備、測井微震法需要地質斷層掃描儀等，無法在工業工程中普及應用。
基于這些缺陷，研發能夠在線辨識泄漏異常、直接得到泄漏通量，而且儀器簡單、 成本較低的地質封存二氧化碳泄漏監測裝置是十分必要的。發明內容
本發明解決的問題在于提供一種監測地質封存二氧化碳泄漏的方法及裝置，通過在線分析空氣中氧氣、二氧化碳相關性，在線扣除背景干擾濃度，得以實現直接二氧化碳泄漏通量監測。
本發明是通過以下技術方案來實現
一種監測地質封存二氧化碳泄漏的方法，包括以下步驟
通過連續監測待測區域的二氧化碳的濃度Cc()2和氧氣的濃度Co2，計算二氧化碳的濃度的變化量ΔΟ^π氧氣的濃度的變化量ACcc32，以及氧氣的瞬時通量和二氧化碳與氧氣的氧碳交換比SiS=AQ32 /ACc02 ；
以t為監測時間步長，以前一個時間步長內的監測作為當前時間步長的監測背景，以前一個時間步長內的平均氧碳比作為背景氧碳交換比Stl，以當時間前步長內的平均氧碳交換比作為S1;
當前時間前步長內的二氧化碳泄漏通量F1通過下式計算得到
F1 =(^-^)(-F0J
其中，^2為前一個時間步長內的氧氣瞬時通量。
所述的氧氣瞬時通量的計算還考慮垂直風速的波動、大氣溫度和濕度的影響，通過下式計算得到[0018
權利要求
1.一種監測地質封存二氧化碳泄漏的方法，其特征在于，包括以下步驟通過連續監測待測區域的二氧化碳的濃度Cco2和氧氣的濃度Co2，計算二氧化碳的濃度的變化量AQ^p氧氣的濃度的變化量ACcc32，以及氧氣的瞬時通量和二氧化碳與氧氣的氧碳交換比Sj=AQ32/ACc02;以t為監測時間步長，以前一個時間步長內的監測作為當前時間步長的監測背景，將前一個時間步長內的平均氧碳比作為背景氧碳交換比Stl，以當前時間步長內的平均氧碳交換比作為S1;當前時間前步長內的二氧化碳泄漏通量F1通過下式計算得到
2.如權利要求1所述的監測地質封存二氧化碳泄漏的方法，其特征在于，所述的氧氣瞬時通量的計算還考慮垂直風速的波動、大氣溫度和濕度的影響，通過下式計算得到
3.如權利要求1所述的監測地質封存二氧化碳泄漏的方法，其特征在于，所述的F1通過下式計算得到如權利要求1所述的監測地質封存十算得到
4.一種監測地質封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，包括數據檢測單元，包括檢測垂直風速的波動的三維超聲風速儀、檢測大氣溫度和濕度的溫度濕度探頭，以及檢測氧氣、二氧化碳的濃度的氣體取樣探頭； 數據傳輸單元，采集數據檢測單元所采集的數據并進行傳輸； 數據處理單元，接收數據傳輸單元傳輸的數據，通過二氧化碳的濃度和氧氣的濃度計算二氧化碳與氧氣的氧碳交換比，再結合垂直風速的波動、大氣溫度和濕度的數據計算氧氣的瞬時通量，最后計算得到二氧化碳泄漏通量；監測中心，接收數據處理單元的計算結果并進行顯示。
5.如權利要求4所述的監測地質封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的三維超聲風速儀、溫度濕度探頭和氣體取樣探頭安裝在監測塔上，距地面的距離與監測半徑比為 1 50 500。
6.如權利要求4所述的監測地質封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的三維超聲風速儀、溫度濕度探頭和氣體取樣探頭逆風方向安裝，彼此之間的距離不超過lm，三維超聲風速儀安裝在溫度濕度探頭和氣體取樣探頭的上方。
7.如權利要求4所述的監測地質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氣室，檢測氣室的頭部與進氣罩相連接，進氣罩的中心設有進氣口，檢測氣室尾部的一側設有出氣口，檢測氣室內設有二氧化碳濃度檢測傳感器和氧氣傳濃度檢測感器。
8.如權利要求7所述的監測地質封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的進氣罩為半球形，進氣口逆風安裝；進氣罩與檢測氣室之間設有濾網。
9.如權利要求7所述的監測地質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稱安裝的紅外二氧化碳傳感器發射端和紅外二氧化碳傳感器接收端，氧氣傳感器為電化學傳感器，設置在出氣口之上；檢測氣室的尾部還設有清理口。
10.如權利要求4所述的監測地質封存二氧化碳泄漏的裝置，其特征在于，所述的數據傳輸單元通過有線或無線方式將檢測數據傳輸給數據處理單元。
全文摘要
本發明公開了了一種監測地質封存二氧化碳泄漏的方法及裝置，通過在線分析空氣中氧氣、二氧化碳相關性，在線扣除背景干擾濃度，得以實現直接二氧化碳泄漏通量監測。監測裝置主要包括數據監測單元、數據傳輸單元、數據處理單元以及監控中心，其中設計了可用于直接監測二氧化碳泄漏的樣氣室。本方法具有在線異常辨識、直接泄漏通量監測、監測范圍廣、監測精度高、受溫度和壓力影響范圍小等優點。
文檔編號G01M3/02GK102494848SQ20111035812
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者張早校, 鄧建強, 馬登龍 申請人:西安交通大學