CN109386283A - 一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置。所述实验装置由水箱系统，支架系统、可燃冰开采系统、测量观测系统和控制系统组成，其中支架系统置于水箱系统上部，可燃冰开采系统通过所述可移动夹板连接在所述支架系统上，测量观测系统和控制系统分别位于水箱系统周边，测量观测系统在可燃冰开采过程中用于记录海底地层信号和海底滑坡信息，控制系统用于控制可燃冰开采过程中各个系统活动。本发明填补了可燃冰开采引起海底稳定性物理模拟领域的空白，各系统之间相互配合可以准确模拟海底可燃冰开采引发海底边坡失稳的全过程，对于海底可燃冰的安全开发和高效利用有着重要指导意义。

Description

一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置

技术领域

本发明涉及可燃冰开采和海洋地质灾害模拟技术领域，尤其涉及一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置。

背景技术

可燃冰又称天然气水合物，是一种具有巨大潜能的新型非常规能源，因其储量大、埋藏浅、能量密度高、分布广、规模大而被认为是未来石油、天然气的战略性替代能源，对我国能源安全及经济发展也有重要意义。海底可燃冰的开采是诱发部分海底滑坡的一个重要因素，其作用机理是可燃冰开采过程中海底沉积地层压力降低或温度升高导致可燃冰分解，分解产生的气体会增大地层孔隙压力，降低可燃冰与沉积物颗粒间的胶结强度，使得原地层抵抗破坏的能力下降，在上覆海水和地层的静应力等因素的作用下诱发地层变形甚至引起海底滑坡。

目前与可燃冰相关的海底稳定性方面的研究，主要集中在含可燃冰沉积物的物理性质和可燃冰分解导致的海底滑坡等方面，且大都以定性描述为主，对可燃冰的开采诱发海底滑坡的物理模拟及滑坡模型定量研究比较少见。基于上述情况，特别针对海底可燃冰赋存的地质概况，急需一种可燃冰开采引发海底滑坡的模拟实验台，以达到海底可燃冰安全、高效开采，降低甚至消除开采引起的海底滑坡可能性，保证国家绿色能源供给的目的。

发明内容

本发明实施例的目的在于提出一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，可以直观的显示海底可燃冰开采引起海底滑坡的物理模拟全过程，支架系统置于水箱系统上部，可燃冰开采系统通过所述可移动夹板连接在所述支架系统上，测量观测系统和控制系统分别位于水箱系统周边，测量观测系统在可燃冰开采过程中用于记录海底地层信号和海底滑坡信息，控制系统用于控制可燃冰开采过程中各个系统活动，各系统之间相互配合可以准确模拟海底可燃冰开采引发海底边坡失稳的全过程，对于海底可燃冰的安全开发和高效利用有着重要指导意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，其特征在于，所述可燃冰开采引发海底滑坡模拟实验台包括：水箱系统，包括透明有机玻璃水箱、卡槽、粗沙下覆盖层、可伸缩加热挡板、黏土隔水层、可燃冰相似材料、细沙上覆盖层、海水，所述透明有机玻璃水箱内按顺序分别布置所述粗沙下覆盖层，所述可伸缩加热挡板，所述黏土隔水层，所述可燃冰相似材料，所述黏土隔水层，所述细沙上覆盖层和所述海水，所述可伸缩加热挡板通过所述电线与所述电路控制中心连接；

支架系统，包括多连杆支架、可移动连杆、直线运动滑块；所述多连杆支架分别平行位于所述透明有机玻璃水箱两侧，通过所述直线运动滑块与所述可移动连杆铰接，所述可移动连杆位于所述透明有机玻璃水箱上方；

可燃冰开采系统，包括防堵空心针、空心螺纹管、可移动夹板、橡胶软管、截止阀门、真空泵、蓄水箱；所述防堵空心针管与所述橡胶软管相套连接并焊接固定在所述空心螺纹管内，所述空心螺纹管通过所述可移动夹板螺栓固定在所述可移动连杆上，所述橡胶软管上布置有所述截止阀门且另一端与所述真空泵相连，所述真空泵后方布置有所述蓄水箱并且通过所述电线与所述电路控制中心连接；

测量观测系统，包括计算机采集系统、高清摄像机、摄像机支架、防水无线压力传感器、防水无线温度传感器；所述高清摄像机与所述摄像机支架相连，布置在所述透明有机玻璃水箱前、侧两个方向的空间范围内，记录可燃冰开采引起海底地层变形及滑坡的过程，所述防水无线压力传感器和所述防水无线温度传感器分别布置在所述可伸缩加热挡板上，记录可燃冰开采过程的地层压力和温度信号并由所述计算机采集系统接收；

控制系统，包括电路控制中心、中央处理器；所述电路控制中心和所述中央处理器布置在透明有机玻璃水箱一侧，通过所述电线与所述可伸缩加热挡板、所述真空泵和所述计算机控制系统连接，控制各个系统活动。

优选地，所述透明有机玻璃水箱为长方体，其长×宽×高＝2m×0.2m×1m，其底部和侧壁分别布置有卡槽，且所述可伸缩加热挡板的两端卡在卡槽内。

优选地，所述可伸缩加热挡板长度可变，模拟海底边坡的坡度变化调控范围为5～22度，其内置加热元器件，加热的温度变化范围为0～120度。

优选地，所述粗沙下覆盖层布置于所述可伸缩加热挡板下方。

优选地，所述防堵空心针管端部装有防堵滤网。

根据所述适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，开展模拟可燃冰开采引发海底滑坡实验时的具体操作步骤如下：

a、按设定边坡角度完成所述透明有机玻璃水箱的布置和所述实验台其余部分的拼接组装；

b、通过所述电路控制中心和所述中央服务器控制加热元器件对所述可燃冰相似材料进行预热，同时计算机采集系统开始采集地层压力和温度信号；

c、关闭所述截止阀门，将所述空心螺纹管移至可燃冰预定开采位置，然后旋转所述空心螺纹管使得所述防堵空心针管端部下降至所述可燃冰相似材料层下部；

d、将所述橡胶软管另一端连接所述真空泵，打开所述截止阀门，启动所述真空泵，同时打开所述高清摄像机记录所述可燃冰相似材料的抽取过程，两个摄像机之间相互配合，分别记录两个平面内的所述细沙上覆盖层的变形和细沙的运移路径；

e、待所述细沙上覆盖层变形稳定且细沙不再滑动时，关闭所述真空泵，同时关闭所述高清摄像机；

f、通过对所述高清摄像机的录像信息、边坡坡度角、压力和温度信号数据的处理分析，获得可燃冰开采引起海底滑坡的几何形态和滑坡变形特征，进一步研究后可得到可燃冰开采引起滑坡的机制和规律；

g、按相反的组装顺序依次拆卸实验台，清洗所述透明有机玻璃水箱、所述可伸缩加热挡板、所述防堵空心针管、所述橡胶软管、所述截止阀门和所述蓄水箱，并将各部件置于干燥通风处保存。

与现有研究和海底可燃冰相关的海底稳定性实验装置相比，本发明具有以下优点：

本发明提及的一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，其系统组成的水箱系统，支架系统、可燃冰开采系统、测量观测系统和控制系统相互配合，可以准确模拟海底可燃冰开采引起海底边坡失稳的全过程，为研究可燃冰开采引起的海底滑坡问题提供了方便且功能强大的实验平台；本发明实现了调整海底边坡角度的功能，实验操作简单，便于和现场实际海底边坡情况进行比较分析，实验结果更贴合实际情况；本发明实现海底地层变形和滑坡运移路径的实时监测，这方便直观的揭示可燃冰开采引起海底滑坡的几何形态和滑坡变形特征，达到快速高效定量完成相关实验任务的目的；本发明填补了可燃冰开采引起海底稳定性物理模拟领域的空白，对于海底可燃冰的安全开发和高效利用有着重要指导意义。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明支架结构示意图；

图3是本发明可伸缩加热挡板结构示意图；

图4是本发明可移动夹板结构示意图；

图5是本发明防堵空心针管、橡胶皮管和空心螺纹管的组合结构剖面图。

图中：1-透明有机玻璃水箱；2-卡槽；3-粗沙下覆盖层；4-可伸缩加热挡板；5-可伸缩挡板；6-加热元器件；7-黏土隔水层；8-可燃冰相似材料；9-细沙上覆盖层；10-海水；11-防堵空心针管；12-多连杆支架；13-可移动连杆；14-空心螺纹管；15-橡胶软管；16-真空泵；17-蓄水箱；18-电线；19-电路控制中心；20-中央服务器；21-计算机采集系统；22-高清摄像机；23-摄像机支架；24-直线运动滑块；25-防水无线压力传感器；26-防水无线温度传感器；27-可移动夹板；28-槽口；29-螺纹孔；30-固定螺栓；31-夹板；32-截止阀门。

具体实施方式

下面对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，透明有机玻璃水箱1内按顺序分别布置粗沙下覆盖层3，可伸缩加热挡板4，黏土隔水层7，可燃冰相似材料8，黏土隔水层7，细沙上覆盖层9和海水10；可伸缩加热挡板4通过电线18与电路控制中心19连接。多连杆支架12分别平行位于透明有机玻璃水箱1两侧，通过直线运动滑块24与可移动连杆13铰接，可移动连杆13位于透明有机玻璃水箱1上方；防堵空心针管11与橡胶软管15相套连接并焊接固定在空心螺纹管14内，旋转空心螺纹管14通过可移动夹板27螺栓固定在可移动连杆13上；橡胶软管15上布置有所述截止阀门32且另一端与所述真空泵16相连，真空泵16后方布置蓄水箱17并且通过电线18与电路控制中心19连接。高清摄像机22与摄像机支架23相连，布置在透明有机玻璃水箱1前、侧两个方向的空间范围内，记录可燃冰开采引起海底地层变形及滑坡的过程，防水无线压力传感器25和防水无线温度传感器26分别布置在可伸缩加热挡板4上，记录可燃冰开采过程的压力和温度信号并由计算机采集系统21接收。

其具体操作步骤大致如下：

a、按设定边坡角度完成透明有机玻璃水箱1的布置和实验台其余部分的拼接组装；

b、通过电路控制中心19和中央服务器20控制加热元器件6对可燃冰相似材料8进行预热，同时计算机采集系统21开始采集地层压力和温度信号；

c、关闭截止阀门32，将空心螺纹管14移至可燃冰预定开采位置，然后旋转空心螺纹管14使得防堵空心针管11端部下降至可燃冰相似材料层8下部；

d、将橡胶软管15另一端连接真空泵16，打开截止阀门32，启动真空泵16，同时打开所述高清摄像机22记录所述可燃冰相似材料8的抽取过程，两个摄像机之间相互配合，分别记录两个平面内的所述细沙上覆盖层9的变形和细沙的运移路径；

e、待细沙上覆盖层9变形稳定且细沙不再滑动时，关闭真空泵16，同时关闭高清摄像机22；

f、通过对高清摄像机的录像信息、坡度角、压力和温度信号数据的处理分析，获得可燃冰开采引起海底滑坡的几何形态和滑坡变形特征，进一步研究后可得到可燃冰开采引起滑坡的机制和规律；

g、按相反的组装顺序依次拆卸实验台，清洗透明有机玻璃水箱1、可伸缩加热挡板4、防堵空心针管11和蓄水箱17，并将各部件置于干燥通风处保存。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (6)

1.一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，其特征在于，所述可燃冰开采引发海底滑坡模拟实验台包括：

水箱系统，包括透明有机玻璃水箱、卡槽、粗沙下覆盖层、可伸缩加热挡板、黏土隔水层、可燃冰相似材料、细沙上覆盖层、海水，所述透明有机玻璃水箱内按顺序分别布置所述粗沙下覆盖层，所述可伸缩加热挡板，所述黏土隔水层，所述可燃冰相似材料，所述黏土隔水层，所述细沙上覆盖层和所述海水，所述可伸缩加热挡板通过所述电线与所述电路控制中心连接；

支架系统，包括多连杆支架、可移动连杆、直线运动滑块；所述多连杆支架分别平行位于所述透明有机玻璃水箱两侧，通过所述直线运动滑块与所述可移动连杆铰接，所述可移动连杆位于所述透明有机玻璃水箱上方；

可燃冰开采系统，包括防堵空心针、空心螺纹管、可移动夹板、橡胶软管、截止阀门、真空泵、蓄水箱；所述防堵空心针管与所述橡胶软管相套连接并焊接固定在所述空心螺纹管内，所述空心螺纹管通过所述可移动夹板螺栓固定在所述可移动连杆上，所述橡胶软管上布置有所述截止阀门且另一端与所述真空泵相连，所述真空泵后方布置有所述蓄水箱并且通过所述电线与所述电路控制中心连接；

测量观测系统，包括计算机采集系统、高清摄像机、摄像机支架、防水无线压力传感器、防水无线温度传感器；所述高清摄像机与所述摄像机支架相连，布置在所述透明有机玻璃水箱前、侧两个方向的空间范围内，记录可燃冰开采引起海底地层变形及滑坡的过程，所述防水无线压力传感器和所述防水无线温度传感器分别布置在所述可伸缩加热挡板上，记录可燃冰开采过程的地层压力和温度信号并由所述计算机采集系统接收；

控制系统，包括电路控制中心、中央处理器；所述电路控制中心和所述中央处理器布置在透明有机玻璃水箱一侧，通过所述电线与所述可伸缩加热挡板、所述真空泵和所述计算机控制系统连接，控制各个系统活动。

2.根据权利要求1所述的一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，其特征在于：

所述透明有机玻璃水箱为长方体，其长×宽×高＝2m×0.2m×1m，其底部和侧壁分别布置有卡槽，且所述可伸缩加热挡板的两端卡在卡槽内。

3.根据权利要求1所述的一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，其特征在于：

所述可伸缩加热挡板长度可变，模拟海底边坡的坡度变化调控范围为5～22度，其内置加热元器件，加热的温度变化范围为0～120度。

4.根据权利要求1所述的一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，其特征在于：

所述粗沙下覆盖层布置于所述可伸缩加热挡板下方。

5.根据权利要求1所述的一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，其特征在于：

所述防堵空心针管端部装有防堵滤网。

6.一种适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，其特征在于，采用如权利要求1至5任一项所述适用于模拟可燃冰开采引发海底滑坡的实验装置，包括如下操作步骤：

a、按设定边坡角度完成所述透明有机玻璃水箱的布置和所述实验台其余部分的拼接组装；

b、通过所述电路控制中心和所述中央服务器控制加热元器件对所述可燃冰相似材料进行预热，同时计算机采集系统开始采集地层压力和温度信号；

c、关闭所述截止阀门，将所述空心螺纹管移至可燃冰预定开采位置，然后旋转所述空心螺纹管使得所述防堵空心针管端部下降至所述可燃冰相似材料层下部；

d、将所述橡胶软管另一端连接所述真空泵，打开所述截止阀门，启动所述真空泵，同时打开所述高清摄像机记录所述可燃冰相似材料的抽取过程，两个摄像机之间相互配合，分别记录两个平面内的所述细沙上覆盖层的变形和细沙的运移路径；

e、待所述细沙上覆盖层变形稳定且细沙不再滑动时，关闭所述真空泵，同时关闭所述高清摄像机；

f、通过对所述高清摄像机的录像信息、边坡坡度角、压力和温度信号数据的处理分析，获得可燃冰开采引起海底滑坡的几何形态和滑坡变形特征，进一步研究后可得到可燃冰开采引起滑坡的机制和规律；

g、按相反的组装顺序依次拆卸实验台，清洗所述透明有机玻璃水箱、所述可伸缩加热挡板、所述防堵空心针管、所述橡胶软管、所述截止阀门和所述蓄水箱，并将各部件置于干燥通风处保存。