天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置及方法

摘要

本发明提供了一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置及方法，涉及海洋地质灾害和天然气水合物开采技术领域，实现了海底滑坡过程的动态观测。该装置包括模型箱体、注气系统、滑坡系统、观测系统和数据采集分析系统，模型箱体提供试验平台并方便观测，注气系统通过注气模拟天然气水合物分解释放大量甲烷气体的过程，滑坡系统和注气系统相连，滑坡系统包括渗透盒、黏土层和模拟水合物层，用于模拟海底滑坡的过程，观测系统记录模拟滑坡过程并监测滑坡过程中的应变和应力变化；数据采集分析系统收集压力传感器和高速摄像机的监测信息。该模拟试验装置可以观测水合物诱发海底滑坡的动态过程，并且具有操作简便，成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋地质灾害和天然气水合物开采技术领域，尤其是一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置及方法。

背景技术

随着煤炭、石油等传统化石燃料逐渐枯竭，寻求替代能源已是全世界面临的当务之急。自20世纪60年代中期，苏联首先在地层中发现天然气水合物以来，水合物便因其具有极高的热值而进入人们的视线，随着对天然气水合物开采研究的不断深入，很多问题都浮出水面，天然气水合物的分解被认为是导致海底滑坡的重要因素之一。大规模的海底滑坡不仅对深海钻探、海底隧道以及海下电缆等海洋工程设施造成极大威胁，甚至会引起海啸等自然灾害，严重威胁人们正常的生产生活。因此，认清海底滑坡的发生机理及发展过程，对于科学指导深海天然气水合物的开采设计具有重要意义。

海底滑坡是由于天然气水合物分解时释放出远大于自身体积的甲烷气，伴随着这一过程，气体体积增大无法泄出会产生超孔隙压力，当超孔隙压力积累到一定程度，地层中的抗剪力小于剪切力时，就会发生滑塌或出现海底滑坡。目前，针对此方面的研究大多以定性研究为主，在定量研究方面，理论计算和数值模拟则很大程度上依赖于对土体性质的了解程度，也难以模拟海底滑坡的发展过程。虽然物理模拟是一种可靠的研究手段，但由于水合物只有在低温高压条件下才可保持其状态，现有模拟实验装置尚难以在实验过程中实现水合物的合成和分解，无法模拟天然气水合物分解后产生超孔压以及抬升力进一步导致滑坡发生的现象，应用上存在局限性。因此，需要一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置及其使用方法，通过再现滑坡发生过程并对变形受力等信息进行监测分析，为深海天然气水合物开采设计提供借鉴和指导，降低甚至消除天然气水合物开采诱发海底滑坡的可能性。

发明内容

为了实现水合物分解诱发海底滑坡过程的模拟，动态观测滑坡过程中应变和压力的变化，本发明提供了天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置及方法，具体的技术方案如下。

一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置，包括模型箱体、注气系统、滑坡系统、观测系统和数据采集分析系统；所述模型箱体底部设置有支腿，各个侧面均设置有可视窗口，模型箱体的上表面设置有气体通道，气体通道与第一空压机相连，气体通道上设置有流量调节阀和压力表；所述注气系统与模型箱体、滑坡系统相连，注气系统包括第二空压机、气体流量计、气体管路和流量调节阀，空压机通过气体管路和多个渗透盒相连，气体管路上设置有气体流量计和流量调节阀；所述滑坡系统在模型箱体内配置，滑坡系统包括渗透盒、黏土层、沉积物层和水合物层，模型箱体内依次倾斜布置第一沉积物层、第一黏土层、渗透盒、水合物层、第二黏土层和第二沉积物层；所述观测系统包括高速摄像机和多个压力传感器，水合物层和第二沉积物层布置有多个压力传感器；所述数据采集分析系统收集压力传感器和高速摄像机的监测信息并计算滑坡过程中的应力和应变。

优选的是，模型箱体的可视窗口利用亚克力玻璃板制作而成，可视窗口设置有坐标刻度。

优选的是，第一空压机模拟海水的静水压力，第二空压机模拟天然气水合物分解产生的甲烷气体，模拟各个位置超孔隙压力产生与滑坡的关系。

优选的是，气体管路和模型箱体之间通过法兰连接，所述渗透盒具有三种规格，三种渗透盒的渗透能力分别为0.30m

还优选的是，渗透盒使用钢板制作而成，渗透盒内布置有支架，支架上固定有透气材料；渗透盒的底部设置有气孔，气孔和气体管路的支管相连。

还优选的是，水合物层包括石英砂和水，所述第二沉积物层上方由水覆盖。

一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验方法，利用上述的一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置，步骤包括：

S1.确定模拟天然气水合物的坡度，在模型箱体内按照坡度依次布置第一沉积物层和第一黏土层；

S2.在第一黏土层的上方布置渗透盒，渗透盒按照由中间向两侧渗透能力依次减小的顺序布置；

S3.渗透盒上方按照坡度布置天然气水合物层，天然气水合物层上方布置第二黏土层，并布置压力传感器，在第二黏土层上方布置第二沉积物层，并在第二沉积物层喷涂散斑；

S4.在第二沉积物层上方充水，水面没过第二沉积物层，打开第一空压机，调节气体通道上的流量调节阀，保持模型箱体内的静水压力稳定；

S5.观测系统和数据采集分析系统监测第二沉积物层的应变位移和压力变化；

S6.开启第二空压机，并根据监测数据调整气体管路上的流量调节阀；

S7.重复步骤S1-S6，其中调整模拟天然气水合物的坡度和气体管路通入的气体流量，进行多组试验，数据采集分析系统记录监测数据。

进一步优选的是，监测数据包括压力传感器的监测数据，根据压力传感器的监测数据调整气体管路上的流量调节阀，保持渗透盒层位中间位置的孔隙压力最大，并且孔隙压力由中间向两侧依次减小。

本发明提供的天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置及方法有益效果是，通过模型箱体、注气系统和滑坡系统相互配合，可以模拟天然气水合物由于释放出远大于自身体积的甲烷气无法排出，水合物储层产生超孔隙压力，从而引起海底滑坡的过程；另外观测系统和数据采集分析系统相互配合，实现了模拟海底滑坡全过程监测，监测结果可以用于研究可燃冰开采引起海底滑坡的问题。另外该试验装置及方法还具有操作简单、造价低，直观模拟滑坡的几何形态和变性特征等优点。

附图说明

图1是天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置结构示意图；

图2是模拟海底滑坡的原理示意图；

图3是渗透盒的布置示意图；

图中：1.模型箱体，2.第一沉积物层，3.第一黏土层，4.水合物层，5.压力传感器，6.渗透盒，7.第二黏土层，8.流量调节阀，9.第二沉积物层，10.高速摄像机，11.气体管路，12.气体流量计，13.第二空压机，14.第一空压机，15.计算机，16.压力计，17.气体通道，18.流量调节阀，19.水，20.线槽，21.碎屑流。

具体实施方式

结合图1至图3所示，对本发明提供的一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置及方法具体实施方式进行说明。

一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置，包括模型箱体、注气系统、滑坡系统、观测系统和数据采集分析系统；其通过模型箱体、注气系统和滑坡系统相互配合，可以模拟天然气水合物由于释放出远大于自身体积的甲烷气无法排出，水合物储层产生超孔隙压力，从而引起海底滑坡的过程；另外观测系统和数据采集分析系统相互配合，实现了模拟海底滑坡全过程监测，监测结果可以用于研究可燃冰开采引起海底滑坡的问题。

其中，模型箱体1底部设置有支腿，各个侧面均设置有可视窗口。可视窗口透明材料制作，从而方便观测，其尺寸一般大于长×宽×高＝180cm×60cm×90cm。模型箱体的可视窗口利用亚克力玻璃板制作而成，可视窗口设置有坐标刻度，用于精确变形定位分析。在模型箱体1的上表面设置有气体通道17，气体通道17与第一空压机14相连，第一空压机14向模型箱体1内注气，从而可以在模型箱体1上部空间形成高压区，并位置模型箱体1内水的静压，气体通道17上设置有流量调节阀18和压力表16，根据压力表16和流量调节阀18控制模型箱体内的气压。

注气系统与模型箱体1、滑坡系统相连，注气系统包括第二空压机13、气体流量计12、气体管路11和流量调节阀13，第二空压机13通过气体管路和多个渗透盒相连，气体管路11上设置有气体流量计和流量调节阀。第一空压机14模拟海水的静水压力，第二空压机13模拟天然气水合物分解产生的甲烷气体，模拟各个位置超孔隙压力产生与滑坡的关系。通过控制流量调节阀18可以实现各个渗透盒出气量的控制，模拟不同位置超空隙压力产生时，对滑坡的影响。

滑坡系统在模型箱体内配置，滑坡系统包括渗透盒、黏土层、沉积物层和水合物层，模型箱体1内依次倾斜布置第一沉积物层2、第一黏土层3、渗透盒6、水合物层4、第二黏土层7和第二沉积物层9，水合物层4包括石英砂和水，第二沉积物层上方由水19覆盖。气体管路11和模型箱体1之间通过法兰连接，渗透盒6具有三种规格，三种渗透盒6的渗透能力分别为0.30m

观测系统包括高速摄像机10和多个压力传感器5，高速摄像机10放置在箱体的正面，观测沉积物层的位移变化，记录整个滑坡过程的变形特征。水合物层4和第二沉积物层9布置有多个压力传感器5；其中可以在渗透盒层放置一排压力传感器5、在水合物层4埋设一排压力传感器，在第二沉积物层9也埋设多个压力传感器，并将压力传感器5的导线通过模型箱体上的线槽20导出。数据采集分析系统收集压力传感器和高速摄像机的监测信息并计算滑坡过程中的应力和应变；从而方便研究发生海底滑坡时水合物层与上覆沉积物层的变形和滑坡运移路径。

一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验方法，利用上述的一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟实验装置，步骤包括：

S1.确定模拟天然气水合物的坡度，在模型箱体内按照坡度依次布置第一沉积物层和第一黏土层；第一沉积物层在模型箱体的底部，其上表面的倾斜角度和坡度相同，黏土层使用密度较大的岩土材料制作而成。使用合适的层间粘合剂对滑坡系统各层以及两层沉积物相似模拟材料进行粘合。

S2.在第一黏土层的上方布置渗透盒，渗透盒按照由中间向两侧渗透能力依次减小的顺序布置。中间位置放置的第一渗透盒渗透能力为0.30m

S3.渗透盒上方按照坡度布置天然气水合物层，天然气水合物层上方布置第二黏土层，并布置压力传感器，在第二黏土层上方布置第二沉积物层，并在第二沉积物层喷涂散斑，从而方便后期利用高速摄像机测量。

S4.在第二沉积物层上方充水，水面没过第二沉积物层，并且水面高度高于沉积物层的最高点一定的高度，打开第一空压机，调节气体通道上的流量调节阀，保持模型箱体内的静水压力稳定，从而模拟真实的海底环境。

S5.观测系统和数据采集分析系统监测第二沉积物层的应变位移和压力变化。观测系统实时记录模型箱体上覆沉积物模拟材料层的应变位移和实时压力，记录了整个实验过程中应力和位移变化。

S6.开启第二空压机，并根据监测数据调整气体管路上的流量调节阀；通过渗透盒释放远大于天然气水合物层的气体，模拟水合物分解释放的甲烷气，利用水合物层上下方布置的黏土层阻挡气体泄露，当气体体积增大而无法泄出时，就会产生超孔隙压力，当超孔隙压力积累到一定的程度后，就会导致地层中的抗剪力小于剪切力，此时容易引发滑塌或海底滑坡。

S7.重复步骤S1-S6，其中调整模拟天然气水合物的坡度和气体管路通入的气体流量，进行多组试验，数据采集分析系统记录监测数据。其中监测数据包括压力传感器的监测数据，根据压力传感器的监测数据调整气体管路上的流量调节阀，保持渗透盒层位中间位置的孔隙压力最大，并且孔隙压力由中间向两侧依次减小。

进行多组试验，并根据计算机采集系统得到应力和应变位移数据分析天然气水合物分解诱发海底滑坡的机理与过程，为天然气水合物开采设计提供指导。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。