本發(fā)明涉及地下地球化學(xué)和電磁勘探，更具體地說，它涉及基于無人機的航空或半航空物化探co2監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

1、ccs，即二氧化碳捕集與封存，是一種用于減緩氣候變化、減少二氧化碳排放的技術(shù)，其雛形是20世紀(jì)70年代在美國興起的用二氧化碳驅(qū)油以提高石油采收率的技術(shù)；ccs的三個關(guān)鍵要素，是對二氧化碳進行捕集、運輸和地質(zhì)封存。ccus，即二氧化碳的捕集、利用與封存，是我國結(jié)合本國實際提出的概念，即在ccs基礎(chǔ)上增加了二氧化碳利用的環(huán)節(jié)。ccs、ccus的定義碳捕獲與封存(carbon?capture?and?storage?ccs)技術(shù)是指將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)排放源中分離出來，輸送到封存地點，并長期與大氣隔離的過程；這種技術(shù)被認(rèn)為是未來大規(guī)模減少溫室氣體排放、減緩全球變暖最經(jīng)濟、可行的辦法。ccus全稱carboncapture,utilization?and?storage，指碳捕集、封存及再利用技術(shù)；二氧化碳(co2)捕集利用與封存(ccus)是指將co2從工業(yè)過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現(xiàn)co2永久減排的過程，作為應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一，ccus旨在將co2從源頭捕獲，提純繼而循環(huán)再利用，或者封存于地下，從而平衡co2對氣候產(chǎn)生的消極影響。

2、碳捕獲、利用與封存(carbon?capture，utilization?and?storage?ccus)技術(shù)是ccs技術(shù)新的發(fā)展趨勢，即把生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳進行捕獲、提純，繼而投入到新的生產(chǎn)過程中進行循環(huán)再利用或封存的一種技術(shù)；該技術(shù)具備實現(xiàn)大規(guī)模溫室氣體減排與化石能源低碳利用的協(xié)同作用，是未來應(yīng)對全球氣候變暖的重要技術(shù)選擇之一。ccs技術(shù)主要由四個環(huán)節(jié)組成：捕集、運輸、地質(zhì)封存和監(jiān)測、用于增加石油采收率(eor/egr)，其中第四個環(huán)節(jié)是可選環(huán)節(jié)，具有潛在收益。

3、通過大量實施的ccs和ccus項目，地下注入了數(shù)百萬噸或數(shù)千萬噸甚至過億噸的高壓的超臨界態(tài)二氧化碳；由于二氧化碳的比值大于氧氣，如果地下注入的二氧化碳通過注入井或監(jiān)測井的井壁或被地下高壓二氧化碳激活的地表淺層的斷層或裂縫帶泄露到地面，將會造成巨大的地質(zhì)災(zāi)害，會對二氧化碳泄露區(qū)域的生命財產(chǎn)造成不可估量的損失。因此，我們需要在ccs和ccus項目的地面和井下布設(shè)實時長期的有效監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測地下二氧化碳向地面的泄露情況，一旦發(fā)生二氧化碳在地表的泄露時，及時發(fā)出預(yù)警信息，并啟動應(yīng)急響應(yīng)機制，采取必要的工程技術(shù)手段堵塞二氧化碳泄露通道，疏散泄露區(qū)域內(nèi)和附近的群眾，盡量避免重大地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

4、目前有用在ccs和ccus工區(qū)地面和井口安裝二氧化碳氣體監(jiān)測傳感器進行實時監(jiān)測預(yù)警，但是此方法只是被動監(jiān)測，在地面或井下沒有發(fā)生二氧化碳泄露時，無法預(yù)先知道或監(jiān)視地下高壓二氧化碳的運移狀態(tài)。另外還有利用地面三維時移地震(四維地震)或時移三維垂直地震剖面(4d-vsp)勘探技術(shù)進行地下深部二氧化碳運移的監(jiān)測；由于超臨界態(tài)二氧化碳的密度達到了0.7，與地下深部地層孔隙水的密度差異不是很大，造成地下儲層中超臨界態(tài)二氧化碳驅(qū)替孔隙水后，地下深部儲層內(nèi)的彈性參數(shù)變化較小，地面三維時移地震(四維地震)或時移三維垂直地震剖面(4d-vsp)采集的數(shù)據(jù)變化也很小；考慮到地面或井中時移地震數(shù)據(jù)的采集誤差，數(shù)據(jù)處理過程中的誤差，時移地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果的可靠性大幅度下降，因此地面或井下時移地震數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確的監(jiān)測地下深部儲層內(nèi)二氧化碳前鋒的運移和賦存狀態(tài)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于無人機的航空或半航空綜合物化探的co2監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，用不同階段采集的實時或時移空中等高程處的co2濃度和航空或半航空可控源三分量電磁場數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，實時評價高壓超臨界態(tài)co2注入地下儲層的效率，并對地下高壓超臨界態(tài)co2的運移進行實時和長期的安全監(jiān)測，防止超臨界態(tài)二氧化碳沿注入井或監(jiān)測井的井壁或被注入地下的高壓超臨界態(tài)co2激活的淺地表斷層或裂縫泄露到地面。

2、本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：

3、第一方面，本技術(shù)提供的基于無人機的航空或半航空綜合物化探的co2監(jiān)測系統(tǒng)，包括無人機，無人機最下方掛載的二氧化碳氣體傳感器，二氧化碳氣體傳感器的上方掛載有空中三分量電磁場傳感器，空中三分量電磁場傳感器的上方掛載有空中水平可控電磁場發(fā)射線圈，無人機內(nèi)部搭載有光纖co2調(diào)制解調(diào)儀器、可控電磁源發(fā)射機和三分量電磁場數(shù)據(jù)采集儀器，還包括鋪設(shè)在地面高壓超臨界態(tài)co2注入井周圍的大直徑大功率電磁場發(fā)射線圈或大長度大功率矩形電流源發(fā)射天線，地面大功率可控電流發(fā)射源；

4、所述二氧化碳氣體傳感器可為化學(xué)co2傳感器或光纖co2傳感器；

5、所述空中三分量電磁場傳感器是由3個相互正交的磁場傳感器和一個六面立方體電極板組成的三分量磁場和三分量電場傳感器；

6、所述3個相互正交的磁場傳感器可以是磁通門式磁場傳感器，或式感應(yīng)線圈式感應(yīng)磁場傳感器，或是光纖磁場傳感器；

7、所述三分量電場傳感器由六面立方體電極板組成，六面立方體電極板的每兩兩平行對應(yīng)的電極板是此方向上的電容式電場傳感器；

8、所述空中水平可控電磁場發(fā)射線圈是掛載在無人機正下方的三個相互正交的電磁場發(fā)射線圈，直徑在1米到5米之間。

9、所述鋪設(shè)在地面co2注入井周圍的大直徑大功率電磁場發(fā)射線圈的直徑在1公里到5公里之間，發(fā)射線圈與地面大功率可控電流發(fā)射源相連接；

10、所述鋪設(shè)在地面co2注入井周圍的大長度大功率矩形電流源發(fā)射天線的邊長在1公里到5公里之間，每邊長中間連接一臺地面大功率可控電流發(fā)射源，每邊長的兩端有接地的銅質(zhì)供電電極棒；

11、所述無人機內(nèi)部安裝有作業(yè)控制計算機系統(tǒng)，施工作業(yè)前輸入無人機的飛行測線航跡坐標(biāo)，航跡高程、航跡間距、飛行速度等控制信息；

12、所述無人機內(nèi)部安裝有數(shù)據(jù)采集控制計算機系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集控制計算機系統(tǒng)分別與光纖co2調(diào)制解調(diào)儀器、可控電磁源發(fā)射機、三分量電磁場數(shù)據(jù)采集儀器、相連接；

13、所述掛載在無人機最下方二氧化碳氣體傳感器通過光電復(fù)合纜與機載的光纖co2調(diào)制解調(diào)儀器相連接；

14、所述掛載在無人機下方的空中三分量電磁場傳感器通過電纜與機載的數(shù)據(jù)采集控制計算機系統(tǒng)相連接；

15、所述掛載在無人機下方的空中水平可控電磁場發(fā)射線圈通過電纜與機載的可控電磁源發(fā)射機相連接；

16、基于無人機的航空或半航空物化探co2監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下具體步驟：

17、(1)在向地下注入高壓超臨界態(tài)co2之前先在地面高壓超臨界態(tài)co2注入井周圍的監(jiān)測施工作業(yè)工區(qū)進行基于無人機的航空或半航空物化探基準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量，建立地表co2濃度分布數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)模型(baseline?model)和地下巖層內(nèi)電阻率在三維空間上的分布基準(zhǔn)模型(baseline?model)；

18、(2)施工作業(yè)前先對無人機系統(tǒng)本身的各項飛行控制功能進行自檢；

19、(3)然后對所有機載的數(shù)據(jù)采集控制計算機系統(tǒng)、光纖co2調(diào)制解調(diào)儀器、可控電磁源發(fā)射機、三分量電磁場數(shù)據(jù)采集儀器進行自檢；

20、(4)隨后對無人機下放掛載的二氧化碳氣體傳感器、空中三分量電磁場傳感器和空中水平可控電磁場發(fā)射線圈進行自檢；

21、(5)給無人機輸入監(jiān)測施工作業(yè)工區(qū)所需的飛行測線航跡坐標(biāo)、航跡高程、航跡間距、飛行速度等控制信息；

22、(6)當(dāng)無人機飛行到監(jiān)測施工作業(yè)工區(qū)預(yù)先設(shè)置好的測線位置時，啟動機載的數(shù)據(jù)采集控制計算機系統(tǒng)、光纖co2調(diào)制解調(diào)儀器、可控電磁源發(fā)射機、三分量電磁場數(shù)據(jù)采集儀器、二氧化碳氣體傳感器、空中三分量電磁場傳感器和空中水平可控電磁場發(fā)射線圈；

23、(7)無人機下方掛載的各種傳感器按照預(yù)先設(shè)計好的飛行測線航跡坐標(biāo)、航跡高程、航跡間距、飛行速度等參數(shù)在地面高壓超臨界態(tài)co2注入井周圍的監(jiān)測施工作業(yè)工區(qū)內(nèi)沿測線依次采集高壓超臨界態(tài)co2濃度數(shù)據(jù)、并同步采集由空中水平可控電磁場發(fā)射線圈激發(fā)的航空三分量電磁場數(shù)據(jù)；

24、(8)監(jiān)測施工作業(yè)工區(qū)內(nèi)的航空高壓超臨界態(tài)co2濃度數(shù)據(jù)和航空三分量電磁場數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，關(guān)閉機載可控電磁源發(fā)射機，啟動地面大功率可控電流發(fā)射源向地面大直徑大功率電磁場發(fā)射線圈或大長度大功率矩形電流源發(fā)射天線發(fā)射交變電流；

25、(9)無人機下方掛載的各種傳感器再次按照預(yù)先設(shè)計好的飛行測線航跡坐標(biāo)、航跡高程、航跡間距、飛行速度等參數(shù)在地面高壓超臨界態(tài)co2注入井周圍的監(jiān)測施工作業(yè)工區(qū)內(nèi)沿測線依次采集高壓超臨界態(tài)co2濃度數(shù)據(jù)、并同步采集由地面大直徑大功率電磁場發(fā)射線圈或大長度大功率矩形電流源發(fā)射天線在地下激發(fā)的半航空三分量電磁場數(shù)據(jù)；

26、(10)對連續(xù)兩次在地面高壓超臨界態(tài)co2注入井周圍的監(jiān)測施工作業(yè)工區(qū)采集的空氣中co2濃度數(shù)據(jù)進行co2傳感器的高程改正和速度校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，然后再進行線性或非線性二維插值處理，最后生成地面高壓超臨界態(tài)co2注入井周圍的監(jiān)測施工作業(yè)工區(qū)范圍內(nèi)距地面等高程的空氣中co2濃度分布圖；

27、(11)對步驟(7)采集的航空三分量電磁場數(shù)據(jù)進行空中三分量電磁場傳感器的高程改正、速度校正和去噪等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，然后再進行三維航空三分量電磁場數(shù)據(jù)的反演處理，獲取地表面以下淺部地層中的電阻率異常體在三維空間中的分布；

28、(12)對步驟(9)采集的半航空三分量電磁場數(shù)據(jù)進行空中三分量電磁場傳感器的高程改正、速度校正和去噪等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，然后再進行半航空三維三分量電磁場數(shù)據(jù)的反演處理，獲取地表面以下較深部地層中的電阻率在三維空間中的分布；

29、(13)將步驟(11)和步驟(12)獲得的地下淺部和較深部地層中的電阻率數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合處理，建立地下淺部和較深部地層中的電阻率在三維空間中的準(zhǔn)確分布；

30、(14)在向地下注入高壓超臨界態(tài)co2后定期重復(fù)步驟(2)到步驟(13)的作業(yè)和數(shù)據(jù)處理工作，獲得在向地下注入高壓超臨界態(tài)co2后監(jiān)測施工作業(yè)工區(qū)范圍內(nèi)距地面等高程的空氣中co2濃度分布圖和地表面以下較深部地層中的電阻率在三維空間中的分布；

31、(15)將向地下注入每次高壓超臨界態(tài)co2后步驟(14)獲得的距地面等高程的空氣中co2濃度分布數(shù)據(jù)與步驟(10)測量到的未向地下注入高壓超臨界態(tài)co2時距地面等高程的空氣中co2的濃度分布數(shù)據(jù)進行差分處理；

32、(16)將每次向地下注入高壓超臨界態(tài)co2后步驟(13)獲得的地表面以下淺部和較深部地層中的電阻率在三維空間中的分布數(shù)據(jù)與測量到的未向地下注入高壓超臨界態(tài)co2時淺部和較深部地層中的電阻率在三維空間中的分布數(shù)據(jù)進行差分處理；

33、(17)對步驟(15)獲得的高壓超臨界態(tài)co2濃度差分?jǐn)?shù)據(jù)進行分析研究，當(dāng)出現(xiàn)地面等高程的空氣中co2的濃度分布的差分?jǐn)?shù)據(jù)異常時，說明注入到井下的高壓超臨界態(tài)co2有可能出現(xiàn)了向地面運移泄露的風(fēng)險；

34、(18)對步驟(16)獲得的地下淺部和較深部地層中的電阻率差分?jǐn)?shù)據(jù)進行分析研究，當(dāng)出現(xiàn)了地下淺部和較深部地層中的電阻率分布的差分?jǐn)?shù)據(jù)異常體時，說明注入到井下的高壓超臨界態(tài)co2有可能出現(xiàn)了向地面運移泄露的風(fēng)險；

35、(19)當(dāng)步驟(17)和步驟(18)出現(xiàn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)異常區(qū)在地表的投影基本上重合時，可以基本上判斷注入到井下的高壓超臨界態(tài)co2可能出現(xiàn)了向地面的運移與泄露，需要立即向高壓超臨界態(tài)co2注入方發(fā)出高壓超臨界態(tài)co2可能出現(xiàn)了向地面的運移與泄露的預(yù)警信息，必須馬上引起重視并采用相應(yīng)的技術(shù)對應(yīng)和安全防范措施。

36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下的有益效果：

37、在本發(fā)明中，利用無人機在向地下注入高壓超臨界態(tài)co2的井周圍的監(jiān)測工區(qū)內(nèi)進行快速的航空或半航空物化探測量和可控源電磁測量，實時測量或監(jiān)測高壓超臨界態(tài)co2注入地下井中前后地面等高程處的空中co2濃度分布和儲層中電阻率分布隨時間的變化，監(jiān)測并判斷注入地下儲層的超臨界態(tài)co2前沿在地下儲層中的運移及賦存狀態(tài)；其中，用不同階段采集的實時或航空或半航空時移可控源電磁數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，實時評價超高壓臨界態(tài)co2注入地下儲層的效率，并對地下高壓超臨界態(tài)co2的運移進行長期的安全監(jiān)測，防止高壓超臨界態(tài)co2沿注入井或監(jiān)測井的井壁或被注入地下的高壓超臨界態(tài)二氧化碳激活的淺地表斷層或裂縫泄露到地面。