[發明專利]天然氣水合物分解誘發海底滑坡的模擬實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202110168149.0
• 申請日: 2021-02-07
• 公開（公告）號: CN113009109A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 蔣宇靜;李萌;欒恒杰;顏鵬;梁偉;馬先壯;王長盛
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;E21B43/295;E21B43/01
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 張凱

本發明提供了一種天然氣水合物分解誘發海底滑坡的模擬實驗裝置及方法，涉及海洋地質災害和天然氣水合物開采技術領域，實現了海底滑坡過程的動態觀測。該裝置包括模型箱體、注氣系統、滑坡系統、觀測系統和數據采集分析系統，模型箱體提供試驗平臺并方便觀測，注氣系統通過注氣模擬天然氣水合物分解釋放大量甲烷氣體的過程，滑坡系統和注氣系統相連，滑坡系統包括滲透盒、黏土層和模擬水合物層，用于模擬海底滑坡的過程，觀測系統記錄模擬滑坡過程并監測滑坡過程中的應變和應力變化；數據采集分析系統收集壓力傳感器和高速攝像機的監測信息。該模擬試驗裝置可以觀測水合物誘發海底滑坡的動態過程，并且具有操作簡便，成本低等優點。

技術領域

本發明涉及海洋地質災害和天然氣水合物開采技術領域，尤其是一種天然氣水合物分解誘發海底滑坡的模擬實驗裝置及方法。

背景技術

隨著煤炭、石油等傳統化石燃料逐漸枯竭，尋求替代能源已是全世界面臨的當務之急。自20世紀60年代中期，蘇聯首先在地層中發現天然氣水合物以來，水合物便因其具有極高的熱值而進入人們的視線，隨著對天然氣水合物開采研究的不斷深入，很多問題都浮出水面，天然氣水合物的分解被認為是導致海底滑坡的重要因素之一。大規模的海底滑坡不僅對深海鉆探、海底隧道以及海下電纜等海洋工程設施造成極大威脅，甚至會引起海嘯等自然災害，嚴重威脅人們正常的生產生活。因此，認清海底滑坡的發生機理及發展過程，對于科學指導深海天然氣水合物的開采設計具有重要意義。

海底滑坡是由于天然氣水合物分解時釋放出遠大于自身體積的甲烷氣，伴隨著這一過程，氣體體積增大無法泄出會產生超孔隙壓力，當超孔隙壓力積累到一定程度，地層中的抗剪力小于剪切力時，就會發生滑塌或出現海底滑坡。目前，針對此方面的研究大多以定性研究為主，在定量研究方面，理論計算和數值模擬則很大程度上依賴于對土體性質的了解程度，也難以模擬海底滑坡的發展過程。雖然物理模擬是一種可靠的研究手段，但由于水合物只有在低溫高壓條件下才可保持其狀態，現有模擬實驗裝置尚難以在實驗過程中實現水合物的合成和分解，無法模擬天然氣水合物分解后產生超孔壓以及抬升力進一步導致滑坡發生的現象，應用上存在局限性。因此，需要一種天然氣水合物分解誘發海底滑坡的模擬實驗裝置及其使用方法，通過再現滑坡發生過程并對變形受力等信息進行監測分析，為深海天然氣水合物開采設計提供借鑒和指導，降低甚至消除天然氣水合物開采誘發海底滑坡的可能性。

發明內容

為了實現水合物分解誘發海底滑坡過程的模擬，動態觀測滑坡過程中應變和壓力的變化，本發明提供了天然氣水合物分解誘發海底滑坡的模擬實驗裝置及方法，具體的技術方案如下。

一種天然氣水合物分解誘發海底滑坡的模擬實驗裝置，包括模型箱體、注氣系統、滑坡系統、觀測系統和數據采集分析系統；所述模型箱體底部設置有支腿，各個側面均設置有可視窗口，模型箱體的上表面設置有氣體通道，氣體通道與第一空壓機相連，氣體通道上設置有流量調節閥和壓力表；所述注氣系統與模型箱體、滑坡系統相連，注氣系統包括第二空壓機、氣體流量計、氣體管路和流量調節閥，空壓機通過氣體管路和多個滲透盒相連，氣體管路上設置有氣體流量計和流量調節閥；所述滑坡系統在模型箱體內配置，滑坡系統包括滲透盒、黏土層、沉積物層和水合物層，模型箱體內依次傾斜布置第一沉積物層、第一黏土層、滲透盒、水合物層、第二黏土層和第二沉積物層；所述觀測系統包括高速攝像機和多個壓力傳感器，水合物層和第二沉積物層布置有多個壓力傳感器；所述數據采集分析系統收集壓力傳感器和高速攝像機的監測信息并計算滑坡過程中的應力和應變。

優選的是，模型箱體的可視窗口利用亞克力玻璃板制作而成，可視窗口設置有坐標刻度。

優選的是，第一空壓機模擬海水的靜水壓力，第二空壓機模擬天然氣水合物分解產生的甲烷氣體，模擬各個位置超孔隙壓力產生與滑坡的關系。

優選的是，氣體管路和模型箱體之間通過法蘭連接，所述滲透盒具有三種規格，三種滲透盒的滲透能力分別為0.30m³/(h·盒)、0.25m³/(h·盒)和0.20m³/(h·盒)。