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德国FIELAX公司热流探头在海洋能开发利用中的应用

类别:海洋工程

热流测量方法的用途是什么?
所谓热流是指从地球内部的热源想地球表层不断扩散的地热能,或通过对流传送,或通过热传导。地热是地球板块构造论中各种多尺度地质活动发生的驱动力。地热同样也可以促进有机质的热降解等化学反应,从而导致碳氢化合物(油和气)的形成。后者体现了其产业价值,而第一点的解释更富有科学价值。地球的内部温度随着深度的增大而升高。在地球表面,平均地热梯度相对稳定在平均30℃/千米深。然而,有一些地区这个数值会更高,如沿大洋中脊或地幔热柱附近。尽管被称作热流测量法,热流本身是无法直接测量的。但是,假设热传导是穿过地壳的主要传导过程,很明显,传导热流总是沿着温度降低的方向。通过垂直热梯度和导热系数(傅立叶公式)的结果能够估算出热流的热量。然而,如果涉及到其他传输机制,如流体流动过程热对流,热传输则可能具有非线性热梯度特征,同时,也有可能发生在水平方向上。因此,地热测量系统实际上是一个测量海底沉积物的原位热梯度和导热系数的仪器,通过这两项参数可以确定热流的热量(或热流密度)。其他热力参数,如沉积物热扩散系数、体积热容等也可以推倒出来。这些参数能够为技术应用和环保应用方面提供重要信息,一些参数会在下面做详细介绍。
油气勘探
热流测量对于石油地质学领域新的油气储源开发具有重大意义,可以在热成熟度计算中为沉积盆地建模和援助提供关键的约束条件。为了确定油气形成的概率,了解潜在源层的热历史非常关键,因为碳水化合物的产生有赖于沉积源岩从沉积开始所处的温度环境。有机物演变成碳水化合物的演变程度可以通过岩层的热成熟度推算出来,但是要有有效的区域地质学概念模式,包括当前热流流量和导热系数分布。
热辐射
日益盛行的海上风能市场最近已打开一个热流测量活动的新领域,尤其导热系数值能够提供有效的信息以估计热能的损耗机制和电缆的环境影响。当电能通过水下电缆从转换平台向海滨传输的时候,部分能量会转换成热量损失掉,从而导致缆线和周围环境温度升高。不考虑电缆本身的特性,决定温度升高多少度的关键因素是周围环境的热特征,特别是沉积物的导热系数、热扩散系数、热容。
天然气水合物
热流测量法也能够进行天然气水合物沉积物稳定性分析。已发现大量天然气水合物在海洋沉积物、深湖沉积物、永久冻土区域中自然产生。潜在甲烷的量非常重要,但同时也受限于自然天然气水合物的沉积,这使得天然气水合物作为潜在能源在未来具备重大利益。天然气水合物的形成是一个放热过程,形成过程总是伴随着热传递,这一现象允许天然气水合物的探测在热流测量仪的帮助下得以实现。
 
上图所示为横跨天然气水合物储源的温度剖面图。剖面图中Pen 3‘ 和Pen 4‘表现出相对线性深度的强烈偏离,此偏离可以说明有强烈的对流过程存在。
数据
热流测量系统记录温度做时间的函数。一个完整的测量周期从穿透过程开始。探头被下放到地表,穿透沉积物层,由于摩擦产热的原因温度骤升。随着摩擦热和后续衰变,相应的沉积物温度关于深度的函数关系便派生出来。经过一定的稳定时间之后,发射一个热脉冲(相当于空气中20℃左右)加热传感器管和周围的沉积物。传感器仍保留在沉积物中测量热量的衰减,以确定随深度所决定的沉积物导热系数和热扩散率。
仪表化
通过布放在传感器串内部的热敏电阻来记录温度。可以根据用户要求来调整传感器串的长度,但是温度传感器的个数最多为22个。温度传感器的测量范围是-2℃~60℃,分辨率小于1mK,精确度小于2mK。传感器串还包含一个加热丝,通过加热丝可以释放不同量的热到沉积物中。加热丝发出的能量的来那个可以通过精确的电压和电流测量来确定。数据采集单元和电源供给单元的外壳为5级钛压力外壳。能够按1Hz的频率在线或存储数据记录,可以获得2000分钟的连续数据记录。当运行自动模式的时候,热脉冲是通过明确规定的稳定性标准来自动控制。

两种仪器是当前最有效的测量热梯度和导热系数的仪器。这两套系统都是用来测量下至6m穿透深度的沉积物的原位温度值。这对于地热梯度的估计非常重要,地热梯度与受季节性影响的沉积物层无关。FIELAX 提供HeatFlowProbe 和VibroHeat测量系统的全程服务,也提供产品购买服务。
配有热流传感器的热量测量法已经被广泛应用在深海环境中,该仪器使用自身的重量和重力穿透海底层。传感器能够在水下6000m深度运行。“Pogo-Style”测量法,即在传输过程中传感器仍留在原来深度,可以使站位时间明显最小化。
VibroHeat测量仪是专门用来进行剪切抗原位海洋沉积物原位热测量的,一般用于浅海、沿岸和大陆架区域。因此,测量元件将VKG6型振动采样管组合个到一起。FIELAX VibroHeat可以装载到小型船只,用于200m深水域。这种测量方法节省时间和成本,可以同时采集沉积物柱状样并获得热传导剖面图。
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