CN111443167A - 一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了海洋灾害研究技术领域的一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法及装置，包括甲烷气体输送装置、模型箱和水汽转换装置，模型箱的底部铺设有高透水性砂层，高透水性砂层上均匀铺设有带孔管，带孔管的上方铺设有倾斜的试验土样，带孔管的两端伸出模型箱，分别与甲烷气体输送装置和水汽转换装置连接，本发明通过将深海里的天然气水合物转换为实际可操作的可控变量，通过分析天然气水合物分解后的产物作用海底斜坡，既符合实际作用破坏情况，也解决了由于海洋自然条件限制的困难，并且所发明的试验模拟装置都是便于操作使用的，对于试验的过程可以清晰地观察与记录。
Description
技术领域
本发明涉及海洋灾害研究技术领域，具体为一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法及装置。
背景技术
海洋，是地球上最广阔的水体的总称，地球表面被各大陆地分隔为彼此相通的广大水域称为海洋，海洋的中心部分称作洋，边缘部分称作海，彼此沟通组成统一的水体。
海洋与资源的开发利用、海洋与全球气候变化、海洋环境与生态和谐发展的研究是人类维持自身的生存与发展，拓展生存空间，充分利用地球上这块最后的资源丰富的宝地的最为切实可行的途径；海洋资源开发与利用和海洋工程建设或将引发海洋地质灾害的发生，而海洋地质灾害又将威胁着海洋工程的安全建设。
天然气水合物(NaturalGasHydrate/GasHydrate)，有机化合物，化学式CH4·nH2O。即可燃冰，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。
因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”(Combustibleice)或者“固体瓦斯”和“汽冰”。其实是一个固态块状物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。
海底天然气水合物分解会使海底斜坡产生破坏，但是，由于深海里低温、高压环境因素以及海洋自然条件限制的困难，使得海底天然气水合物的分解不能被人为控制，因而不便于就海底天然气水合物分解对海底斜坡稳定性产生的破坏现象进行研究。
基于此，本发明设计了一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法及装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法，包括以下步骤：
S1、选择一个合适的场地，将100cm×50cm×70cm的模型箱、甲烷气体输送装置、水汽转换装置依次放在到相应位置；
S2、对模型箱进行处理，在模型箱底部铺上一层约2cm高透气性的砂土，缓冲气流冲击的能力，将多个PEX材质的带孔管铺在上面，带孔管上设有大小不同的孔，以便使水汽与气体均匀分布作用于斜坡底面，两端不带孔的部分穿过模型箱左右两侧，伸出的部分与模型箱紧密无缝隙结合，将试验所需要的试验土样铺成倾角为10°的斜坡，将加入Nacl溶质的模拟海水溶液缓慢的倒入模型箱，在自然状态静置5天；
S3、静置5天之后，将位于左侧的输送甲烷气体的装置通过橡胶管与模型箱中带孔管的左侧伸出端接合，将甲烷气体泵入，位于右侧的水汽转换装置中PEX材质的输送管与模型箱中带孔管的右侧伸出端接合，按约1：165体积比例将水和甲烷气体输入并作用于模型箱斜坡底部；
S3、实验开始，准备相机观察斜坡变化，及时记录斜坡每个时间段的破坏情况，记录破坏数据，进而找到斜坡破坏的临界状态时各个变量的关系；
S4、试验结束后，可以将模型箱中的水通过下部的出水孔排出，里面的沉积物泥沙等清理出来。
优选的，S2中试验土样作为变量，改变不同斜坡倾角，观察斜坡破坏情况。
优选的，S2中试验土样的组成物质作为变量，改变组成斜坡的物质，观察不同类型的斜坡内部结构产生的结果。
一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验装置，包括甲烷气体输送装置、模型箱、水汽转换装置，甲烷气体输送装置上设有橡胶管，橡胶管上设有流量刻度表，且一端均匀设置有多个支管，模型箱的底部铺设有高透水性砂层，高透水性砂层上均匀铺设有带孔管，带孔管的上方铺设有倾斜的试验土样，带孔管位于模型箱中的管段上设置有多个大小不同的孔，带孔管的两端伸出模型箱，且左端与甲烷气体输送装置的橡胶管连接，右端连接有输送管，并通过输送管连接水汽转换装置。
优选的，水汽转换装置的内腔中部固定有隔水挡板，下部设有水箱，且水箱的底部设有压电陶瓷片，挡水隔板上设置有防水风扇、可调降压模块以及直流马达调速器，水汽转换装置的顶部设置有压力调节开关按钮。
优选的，水汽转换装置的顶部设有进水口，且进水口的底端穿过挡水隔板，并与水箱连通。
优选的，水汽转换装置的外侧壁上对应水箱的位置设置有水量刻度管。
优选的，输送管为PEX材质，且输送管的外侧壁上包有聚乙烯棉，防止汽态的水因温度过低而冷凝附着在输送管的内壁。
优选的，模型箱的底部设有出水口，出水口处设有封口盖。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过将深海里低温、高压环境中的天然气水合物转换为实际可操作的可控变量，通过分析天然气水合物分解后的产物作用海底斜坡，既符合实际作用破坏情况，也解决了由于海洋自然条件限制的困难，并且所发明的试验模拟装置都是便于操作使用的，对于试验的过程可以清晰地观察与记录；
(2)本实验模型不仅仅是只能观察海底斜坡水合物分解产物作用破坏性状态，也可以通过改变模型箱其它变量，比如倾角、海水溶质含量、不同沉积物类型等等来获得其他数据，而气体输送装置和水汽转换装置也可以用来输送、转换其它因素；
(3)本试验装置可以工厂加工定做，模型并非很大很笨重，且安装方便，节约人力以及试验成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明模型箱的底部结构示意图；
图3为本发明水汽转换装置的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-甲烷气体输送装置，2-流量刻度表，3-橡胶管，4-高透水性砂层，5-带孔管，6-试验土样，7-模型箱，8-输送管，9-水汽转换装置，10-压力调节开关按钮，11-水量刻度管，12-注水口，13-出水口，14-隔水挡板，15-水箱，16-压电陶瓷片，17-防水风扇，18-可调降压模块，19-直流马达调速器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图，本发明提供一种技术方案：
一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验装置，包括甲烷气体输送装置1、模型箱7、水汽转换装置9，甲烷气体输送装置1上设有橡胶管3，橡胶管3上设有流量刻度表2，且一端均匀设置有多个支管，模型箱7的底部铺设有高透水性砂层4，模型箱7的底部设有出水口13，高透水性砂层4上均匀铺设有带孔管5，带孔管5的上方铺设有倾斜的试验土样6，带孔管5位于模型箱7中的管段上设置有多个大小不同的孔，带孔管5的两端伸出模型箱7，且左端与甲烷气体输送装置1的橡胶管3连接，右端连接有输送管8，并通过输送管8连接水汽转换装置9。
水汽转换装置9的内腔中部固定有隔水挡板14，下部设有水箱15，且水箱15的底部设有压电陶瓷片16，挡水隔板上设置有防水风扇17、可调降压模块18以及直流马达调速器19，水汽转换装置9的顶部设置有压力调节开关按钮10；水汽转换装置9的顶部设有注水口12，且注水口12的底端穿过挡水隔板，并与水箱15连通；水汽转换装置9的外侧壁上对应水箱15的位置设置有水量刻度管11；输送管8为PEX材质，且输送管8的外侧壁上包有聚乙烯棉，防止汽态的水因温度过低而冷凝附着在输送管8的内壁。
其中，水汽转换装置9的基本参数如下：由开关控制制雾量，电源为220V/50HZ，转换器功率为600w，换风量为150m3/h。
水汽转换装置9中，将防水风扇17粘合固定在内腔的一侧，隔水挡板14置于另一侧与防水风扇17的端部粘合，将直流马达调速器19与可调降压模块18连接放到隔水挡板14上，将直流马达调速器19的压力调节按钮10固定好，将防水风扇17上的线路连接到直流马达调速器上，在防水风扇17的边上开一个孔，水箱15底部的压电陶瓷片16的线路穿过孔，并焊接到可调降压模块18线路上，将线路连接开关，最后在水汽转换装置9的外面隔水挡板14以下，水箱15上设置水量刻度管11。
水汽转换装置9在工作时，由一个驱动控制电路与压电陶瓷片16谐振频率一致的驱动电压加在压电陶瓷片16上，陶瓷片便会产生振荡能量，震荡能量在传播方向上会集中形成一个水柱，水柱的前端集中形成大量的微小的张力波，水面被张力波分裂成许多微小的区域，形成一个个独立的微粒子，散发成水汽的状态。通过压力调节按钮10可以控制量的变化。
一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法，包括以下步骤：
S1、选择一个合适的场地，将100cm×50cm×70cm的模型箱7、甲烷气体输送装置1、水汽转换装置9依次放在到相应位置；
S2、对模型箱7进行处理，在模型箱7底部铺上一层约2cm高透气性的砂土，缓冲气流冲击的能力，将多个PEX材质的带孔管5铺在上面，带孔管5上设有大小不同的孔，以便使水汽与气体均匀分布作用于斜坡底面，两端不带孔的部分穿过模型箱7左右两侧，伸出的部分与模型箱7紧密无缝隙结合，保证模型箱7底部侧壁的密闭性，将试验所需要的试验土样6铺成倾角为10°的斜坡，将加入Nacl溶质的模拟海水溶液缓慢的倒入模型箱7，在自然状态静置5天；
S3、静置5天之后，将位于左侧的输送甲烷气体的装置通过橡胶管3与模型箱7中带孔管5的左侧伸出端接合，将甲烷气体泵入，位于右侧的水汽转换装置9中PEX材质的输送管8与模型箱7中带孔管5的右侧伸出端接合，因为常温常压下，1m3的水合物分解将产生164.6m3的甲烷和0.87m3的自由水，所以按约1：165体积比例将水和甲烷气体输入并作用于模型箱7斜坡底部，水汽转换装置9上有1m3水容量刻度，左侧甲烷输入气体装置可以通过上面的刻度表2观察控制输入量，均按每小时1：165的体积比例进行试验；
S3、实验开始，准备相机观察斜坡变化，及时记录斜坡每个时间段的破坏情况，记录破坏数据，进而找到斜坡破坏的临界状态时各个变量的关系；
S4、试验结束后，可以将模型箱7中的水通过下部的出水孔排出，里面的沉积物泥沙等清理出来。
本试验可以改变不同斜坡倾角作为变量，观察斜坡破坏情况；也可以改变组成斜坡的物质，探究不同类型的斜坡内部结构会有怎么样的结果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (9)
1.一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选择一个合适的场地，将100cm×50cm×70cm的模型箱(7)、甲烷气体输送装置(1)、水汽转换装置(9)依次放在到相应位置；
S2、对模型箱(7)进行处理，在模型箱(7)底部铺上一层约2cm高透气性的砂土，将多个PEX材质的带孔管(5)铺在上面，带孔管(5)上设有大小不同的孔，两端不带孔的部分穿过模型箱(7)左右两侧，将试验所需要的试验土样(6)铺成倾角为10°的斜坡，将加入Nacl溶质的模拟海水溶液缓慢的倒入模型箱(7)，在自然状态静置5天；
S3、静置5天之后，将位于左侧的输送甲烷气体的装置通过橡胶管(3)与模型箱(7)中带孔管(5)的左侧伸出端接合，将甲烷气体泵入，位于右侧的水汽转换装置(9)中PEX材质的输送管(8)与模型箱(7)中带孔管(5)的右侧伸出端接合，按1：165的体积比例将水和甲烷气体输入并作用于模型箱(7)斜坡底部；
S3、实验开始，准备相机观察斜坡变化，及时记录斜坡每个时间段的破坏情况，记录破坏数据，进而找到斜坡破坏的临界状态时各个变量的关系；
S4、试验结束后，可以将模型箱(7)中的水通过下部的出水孔排出，里面的沉积物泥沙等清理出来。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法，其特征在于：所述S2中试验土样(6)作为变量，改变不同斜坡倾角，观察斜坡破坏情况。
3.根据权利要求1所述的天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法，其特征在于：所述S2中试验土样(6)的组成物质作为变量，改变组成斜坡的物质，观察不同类型的斜坡内部结构产生的结果。
4.一种天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验装置，应用于权利要求1所述的天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验方法，其特征在于：包括甲烷气体输送装置(1)、模型箱(7)、水汽转换装置(9)，所述甲烷气体输送装置(1)上设有橡胶管(3)，橡胶管(3)上设有流量刻度表(2)，且一端均匀设置有多个支管，所述模型箱(7)的底部铺设有高透水性砂层(4)，高透水性砂层(4)上均匀铺设有带孔管(5)，带孔管(5)的上方铺设有倾斜的试验土样(6)，所述带孔管(5)位于模型箱(7)中的管段上设置有多个大小不同的孔，带孔管(5)的两端伸出模型箱(7)，且左端与甲烷气体输送装置(1)的橡胶管(3)连接，右端连接有输送管(8)，并通过输送管(8)连接水汽转换装置(9)。
5.根据权利要求4所述的天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验装置，其特征在于：所述水汽转换装置(9)的内腔中部固定有隔水挡板(14)，下部设有水箱(15)，且水箱(15)的底部设有压电陶瓷片(16)，所述挡水隔板上设置有防水风扇(17)、可调降压模块(18)以及直流马达调速器(19)，所述水汽转换装置(9)的顶部设置有压力调节开关按钮(10)。
6.根据权利要求5所述的天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验装置，其特征在于：所述水汽转换装置(9)的顶部设有注水口(12)，且注水口(12)的底端穿过挡水隔板，并与水箱(15)连通。
7.根据权利要求5所述的天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验装置，其特征在于：所述水汽转换装置(9)的外侧壁上对应水箱(15)的位置设置有水量刻度管(11)。
8.根据权利要求5所述的天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验装置，其特征在于：所述输送管(8)为PEX材质，且输送管(8)的外侧壁上包有聚乙烯棉。
9.根据权利要求4所述的天然气水合物分解对海底斜坡影响的试验装置，其特征在于：所述模型箱(7)的底部设有出水口(13)，出水口(13)处设有封口盖。
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| CN111443167B (zh) | 2024-07-09 |
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