CN113533676A - 确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海水环境下的天然气水合物生成效率模拟技术领域，公开了一种确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，基于海底天然气水合物形成的主要条件：温度、压力、气源，通过设置海底甲烷渗漏原位的温度压力值，以及一定范围的海底甲烷渗漏速率，在实验室反应釜中模拟计算海水中天然气水合物的生成效率；设定不同的三种参数的组合来研究温度、压力、气体供给对天然气水合物生成效率的影响；通过测量天然气水合物生成前后海水pH值与盐度的变化来研究天然气水合物的生成对海水环境造成的影响。本发明通过设定合理的相似性系数，模拟天然气水合物采集大棚的海底环境，预测了不同甲烷通量和温度、压力条件下天然气水合物的生成效率。

Description

确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法

技术领域

本发明属于海水环境下的天然气水合物生成效率模拟技术领域，尤其涉及一种确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法。

背景技术

目前，天然气水合物是由甲烷等烃类气体与水在高压、低温条件下形成的类冰状的结晶物质，按照成藏机制的不同，海洋沉积环境中的天然气水合物系统分为扩散型和渗漏型两类。扩散型水合物含量和天然气通量通常较低；渗漏型水合物与流体运移通道密切相关，后者为天然气水合物的形成提供了气源。如果流体运移通道向上延伸至海底，还会造成海底甲烷渗漏特征。海底甲烷渗漏现象在全球海底广泛存在，其通常在地层中与断层、气烟囱或水合物稳定区边界等相关，在海底表现为麻坑、泥火山、碳酸盐岩结壳以及化学合成生物群落等。甲烷沿断层、气烟囱、底辟构造等流体运移通道向上运移至海底，以喷涌或渗漏的方式注入海水中，部分气体甚至可进入大气，影响环境和气候；另外，海域沉积物浅层的天然气水合物系统不稳定，水合物分解释放的甲烷气体等流体，也可提供海底渗漏/排放，进入海水甚至大气中。

目前，多数天然气水合物原位生成实验是在不同类型的沉积物中开展，较少有针对水合物在海水中生成过程的研究。本发明提出实验室模拟深海海底天然气水合物生成效率的实验方法，这是一种针对海底天然气水合物采集大棚可行性的前期实验室模拟研究方法。虽然针对海底甲烷渗漏的海洋科学考察活动显示，在海底甲烷渗漏上方倒置的试管中能够快速形成天然气水合物(见图2)，但没有具体测量天然气水合物的合成效率等参数。另外，也不能定量评价不同参数，如温度、压力、甲烷渗漏通量等，对天然气水合物生成效率的影响。另外，海水中水合物的生成是否会对海水的盐度、pH值等造成影响，也需要研究。

近年来，海底甲烷渗漏因其环境和气候影响受到国内外学者的广泛关注。但大多研究针对的是海底甲烷渗漏通量的评价方法，及其与地质历史时期全球变暖事件的关系。目前，关于“针对分布广泛的海底甲烷渗漏特征，人类可以做些什么”，很少有人研究。针对海底甲烷渗漏这一特征，发明人前期提出了“海底天然气水合物采集大棚”这一新型的海底天然气水合物采集方法，是一种成本低、可操作性强的海底天然气水合物采集方法。该方法以稳定底架和升降柱作为大棚底部，利用可拆卸的顶部单元对天然气水合物进行收集，通过海上平台对已经收集完毕的大棚顶部单元进行回收以及天然气水合物的后期处理，最后实现对海底渗漏甲烷进行无污染收集的目的。但针对天然气水合物采集大棚的实际生成效率，影响因素以及是否会引起海水酸化等问题认识不足。因此，有必要在海底实际建设天然气水合物生产大棚之前，进行实验室模拟，通过设定不同的海底甲烷渗漏条件，如甲烷渗漏速度范围、温度、压力等，来进行实验室海水中水合物生成效率的模拟研究，测试水合物生成的速度和甲烷采收率，分析不同的温度、压力和渗漏速率参数对水合物生成效率的影响。另外，通过实验前后测量海水pH值和盐度，研究水合物大棚中生成的水合物是否产生海水酸化影响。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)多数天然气水合物原位生成实验是在不同类型的沉积物中开展，较少有针对水合物在海水中生成过程的研究。

(2)目前，关于“针对分布广泛的海底甲烷渗漏特征，人类可以做些什么”，很少有人研究。

(3)针对天然气水合物采集大棚的实际生成效率，影响因素以及是否会引起海水酸化等问题认识不足。

解决以上问题及缺陷的难度为：模拟天然气水合物在海水中的形成过程需要准确控制温度压力，及模拟海底环境，同时需要通过设定不同的甲烷渗漏速率来模拟自然海底环境中甲烷渗漏速率的不稳定性。虽然针对海底甲烷渗漏有很多相关研究，但对于海底甲烷渗漏的有效利用还尚缺研究。本发明前期提出了“海底天然气水合物采集大棚”这一新型的海底天然气水合物采集方法，是对海底甲烷渗漏的一种利用方式，但对于天然气水合物的合成效率以及温度、压力、甲烷渗漏通量等参数对合成速率的影响还缺乏研究。另外，对海水的盐度、PH值等造成影响，也需要研究。

解决以上问题及缺陷的意义为：

利用冷却机、压力泵、流量计等对环境的温度、压力、气源流速进行监测和设定，调整相关参数，从而对温度、压力、气源流速对水合物生成效率的影响进行研究，可以测定出海底天然气水合物采集大棚的实际生成效率，是对海底甲烷渗漏一种新的利用方式的评定，具有一定的经济意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法。

本发明是这样实现的，一种确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，所述确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法包括：

基于海底天然气水合物形成的主要条件：温度、压力、气源，通过设置海底甲烷渗漏原位的温度压力值，以及一定范围的海底甲烷渗漏速率，在实验室反应釜中模拟计算海水中天然气水合物的生成效率；设定不同的三种参数的组合来分析温度、压力、气体供给对天然气水合物生成效率的影响；通过测量天然气水合物生成前后海水pH值与盐度的变化来确定天然气水合物的生成对海水环境造成的影响。

通过设定合理的相似性系数，在较小误差的情况下，模拟天然气水合物采集大棚的海底环境，对天然气水合物的生成效率进行监测；利用冷却机、压力泵和流量计对环境的温度、压力以及气源流速进行监测和设定，调整相关参数，从而对温度、压力、气源流速对水合物生成效率的影响进行分析；对比实验前后海水pH值和盐度，水合物生成是否产生海水酸化影响及盐度变化；实验中监测进气量和出气量用以计算水合物形成量，实验后根据水合物计算形成量与实际形成量计算水合物生成效率。

水合物生成效率是指在不同参数条件下，反应釜中从实验开始到实验结束的水合物生成时间，以及生成水合物的甲烷量占总甲烷渗漏量的比例；忽略甲烷在海水中的溶解量，即：

渗漏甲烷通量＝排出甲烷量+形成水合物的甲烷量。

进一步，所述确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法包括以下步骤：

步骤一，调研海底天然气水合物稳定区及海底甲烷渗漏地区的参数信息，并设置实验参数；

步骤二，设计实验方案；所述实验方案包括方案一、方案二和方案三；

步骤三，安装实验装置的高压反应釜以及保温层等主箱体部分；安装海水储存箱和注入管道，准备好海水后测量实验前海水的pH值与盐度，将海水注入高压反应釜后，移除海水注入管道，海水水面不超过铁丝网37的深度；

步骤四，安装进/出气口、水温传感器和压力传感器，并在连接冷却机和围压泵后，密封高压反应釜；安装循环供气管道以及供气瓶、增压泵以及气体回收瓶相关部件；

步骤五，根据步骤二的方案一，开启冷却机，使冷媒在冷却层和冷却机内循环，通过温度传感器监测舱内温度达到设定值；开启围压泵，改变舱内压力，通过压力传感器监测舱内压力，并通过调整围压泵将压力调整至目标数值；

步骤六，开启甲烷气瓶，使甲烷气进入气体管道；打开气体转向开关使甲烷气进入增压泵进气口；打开增压泵进气口开关使气体进入增压泵后，打开增压泵出气口开关，使增压后气体进入气体管道；

步骤七，打开气体缓冲瓶开关，使气体进入气体缓冲瓶，通过监测流量计，初步测量气体流速；调整气体入气口开关，根据设定值改变不同气体流速；气体进入高压反应釜后，在高压反应釜内进行水合物生成反应；

步骤八，反应的剩余气体通过气体出口管道流出，进入回收管道；通过出气管道流量计监测气体逸出量，从而研究水合物形成对甲烷的消耗量；气体进入回收管道后，打开气体回收瓶开关；

步骤九，收集达到定量后打开空气压缩机，最后通过气体单项开关，重新进入进气管道，形成循环供气；通过水温传感器、压力传感器以及流量计，持续监测温度、压力、气体流速以及甲烷逸出情况；

步骤十，实验持续进行至出气口流量计读数为零且压力传感器显示异常高压时，实验停止，生成的水合物已经将铁丝网完全封堵住，气体无法进入上部排出高压反应釜；

步骤十一，将实验主箱体打开取出生成的水合物进行测量分析，测量主箱体中剩余的海水pH值与盐度；

步骤十二，重新进行步骤二，按照方案二设定的参数重新开始实验，通过调整水温冷却机对水温参数进行更改，分析对水合物生成效率的影响；

步骤十三，重新进行步骤二，按照方案三设定的参数重新开始实验，通过调整围压泵对压力参数进行更改，分析对水合物生成效率的影响。

进一步，步骤一中，所述参数信息，包括温度、压力和渗漏速率。

进一步，步骤一中，所述实验参数，包括：实验初定甲烷渗漏速率的范围是10～300ml/s，压力变化范围为5～7MPa，温度范围为1～5℃；

根据具体工区的测量数据，甲烷通量的数量级都在不同工区呈现明显不同，甚至同一地点在不同时间也呈现出明显变化。

进一步，步骤二中，所述实验方案，包括：

方案一：设定压力为6MPa，温度为2℃，设定甲烷气渗漏速度分别为10ml/s、100ml/s和300ml/s；

方案二：设定甲烷气渗漏速度为100ml/s，压力6MPa不变，温度分别为1℃、3℃和5℃；

方案三：设定甲烷气渗漏为100ml/s，温度2℃不变，设定压力分为别5MPa、6MPa和7MPa。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟装置，所述确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟装置，包括：

甲烷气瓶，用于进行实验装置的甲烷气源供应；

气瓶压力计，用于显示气瓶气压；

气瓶开关，用于控制气体输出从而进入气体管道；

气体管道，用于连接主箱体和其他装置；

管道转接口，用于将气体管道里的甲烷气改道进增压泵；

增压泵入气口开关，用于控制气体流入增压泵；

增压泵入气口，用于将气体通过入口进入增压泵；

增压泵，用于增加气体压力；

增压泵出气口开关，用于将增压后的气体通过出气口重新进入气体管道；

缓冲气瓶，用于将增压后气体流入气体缓冲瓶；

流量计，用于在气体进入入气口前观测气体流量；

入气口监测开关，用于监测气体流量的同时控制气体流入；

入气口，用于将气体通过入气口进入高压反应釜；

钢架，是高压反应釜外围钢架；

围压层，用于通过围压泵改变箱体外围压力；

保温层，用于利用保温材料对内部箱体保温；

冷却层，用于通过冷却机降低冷却液，从而改变高压反应釜内水体温度；

高压反应釜，密闭箱体，用于保证舱内还原海底温度、压力条件；

气体出口，用于将剩余甲烷气逸出出口；

气体出口开关，用于控制气体流出至气体管道；

气体回收瓶开关，用于控制气体进入回收瓶；

甲烷回收瓶，用于回收剩余甲烷气；

空气压缩机，用于对回收甲烷气加压，使剩余气体可以进行再利用；

单项开关，用于控制气体流入进气管道并且阻止气体反向流入；

压力输出口1，用于控制高压反应釜外围围压；

围压泵，即增压泵，用于改变高压反应釜内以及外围围压；

压力输出口2，用于控制高压反应釜内部压力；

压力传感器，用于监测高压反应釜内部水体压力；

海水注入管，用于将海水通过注入管流入高压反应釜；

单项开关，用于控制海水流入；

海水储存箱，用于储存调配后或实地取水的海水；

水温传感器，用于监测水温；

冷却机，用于降低水温至目标温度；

冷却机控制器，用于控制冷却机，监测温度并设置目标温度；

控温入口，用于将水通过入口进入冷却机；

控温出口，用于将冷却后的水通过出口进入冷却层；

铁丝网，设计为40目的筛网，形成的天然气水合物附着在铁丝网上，注入的海水水面不超过铁丝网深度。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

基于海底天然气水合物形成的主要条件：温度、压力、气源，通过设置海底甲烷渗漏原位的温度压力值，以及一定范围的海底甲烷渗漏速率，在实验室反应釜中模拟计算海水中天然气水合物的生成效率；设定不同的三种参数的组合来分析温度、压力、气体供给对天然气水合物生成效率的影响；通过测量天然气水合物生成前后海水pH值与盐度的变化来确定天然气水合物的生成对海水环境造成的影响；

通过设定合理的相似性系数，在较小误差的情况下，模拟天然气水合物采集大棚的海底环境，对天然气水合物的生成效率进行监测；利用冷却机、压力泵和流量计对环境的温度、压力以及气源流速进行监测和设定，调整相关参数，从而对温度、压力、气源流速对水合物生成效率的影响进行分析；对比实验前后海水pH值和盐度，水合物生成是否产生海水酸化影响及盐度变化；实验中监测进气量和出气量用以计算水合物形成量，实验后根据水合物计算形成量与实际形成量计算水合物生成效率。

水合物生成效率是指在不同参数条件下，反应釜中从实验开始到实验结束的水合物生成时间，以及生成水合物的甲烷量占总甲烷渗漏量的比例；忽略甲烷在海水中的溶解量，即：

渗漏甲烷通量＝排出甲烷量+形成水合物的甲烷量。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

基于海底天然气水合物形成的主要条件：温度、压力、气源，通过设置海底甲烷渗漏原位的温度压力值，以及一定范围的海底甲烷渗漏速率，在实验室反应釜中模拟计算海水中天然气水合物的生成效率；设定不同的三种参数的组合来分析温度、压力、气体供给对天然气水合物生成效率的影响；通过测量天然气水合物生成前后海水pH值与盐度的变化来确定天然气水合物的生成对海水环境造成的影响；

通过设定合理的相似性系数，模拟天然气水合物采集大棚的海底环境，对天然气水合物的生成效率进行监测；利用冷却机、压力泵和流量计对环境的温度、压力以及气源流速进行监测和设定，调整相关参数，从而对温度、压力、气源流速对水合物生成效率的影响进行分析；对比实验前后海水pH值和盐度，水合物生成是否产生海水酸化影响及盐度变化；实验中监测进气量和出气量用以计算水合物形成量，实验后根据水合物计算形成量与实际形成量计算水合物生成效率。

水合物生成效率是指在不同参数条件下，反应釜中从实验开始到实验结束的水合物生成时间，以及生成水合物的甲烷量占总甲烷渗漏量的比例；忽略甲烷在海水中的溶解量，即：

渗漏甲烷通量＝排出甲烷量+形成水合物的甲烷量。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟装置。

本发明的另一目的在于提供一种所述的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法在多数天然气水合物原位生成实验中的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，基于海底天然气水合物形成的主要条件：温度、压力、气源，通过设置海底甲烷渗漏原位的温度压力值，以及一定范围的海底甲烷渗漏速率，在实验室反应釜中模拟计算海水中天然气水合物的生成效率。设定不同的三种参数的组合来研究温度、压力、气体供给对天然气水合物生成效率的影响；通过测量天然气水合物生成前后海水pH值与盐度的变化来研究天然气水合物的生成对海水环境造成的影响。

通过设定合理的相似性系数，在较小误差的情况下，模拟天然气水合物采集大棚的海底环境，对天然气水合物的生成效率进行监测研究；利用冷却机、压力泵、流量计等对环境的温度、压力、气源流速进行监测和设定，调整相关参数，从而对温度、压力、气源流速对水合物生成效率的影响进行研究；对比实验前后海水pH值和盐度，水合物生成是否产生海水酸化影响及盐度变化。实验中监测进气量和出气量用以计算水合物形成量，实验后根据水合物计算形成量与实际形成量计算水合物生成效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法流程图。

图2是本发明实施例提供的水合物海底原位快速形成实验示意图。

图3是本发明实施例提供的实验室模拟深海海底天然气水合物生成效率的实验装置示意图；

图中：1、甲烷气瓶；2、气瓶压力计；3、气瓶开关；4、气体管道；5、管道转接口；6、增压泵入气口开关；7、增压泵入气口；8、增压泵；9、增压泵出气口开关；10、缓冲气瓶；11、流量计；12、入气口监测开关；13、入气口；14、钢架；15、围压层；16、保温层；17、冷却层；18、高压反应釜；19、气体出口；20、气体出口开关；21、气体回收瓶开关；22、甲烷回收瓶；23、空气压缩机；24、单项开关；25、压力输出口1；26、围压泵(增压泵)；27、压力输出口2；28、压力传感器；29、海水注入管；30、单项开关；31、海水储存箱；32、水温传感器；33、冷却机；34、冷却机控制器；35、控温入口；36、控温出口；37、铁丝网。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法包括以下步骤：

S101，调研海底天然气水合物稳定区及海底甲烷渗漏地区的参数信息，并设置实验参数；

S102，设计实验方案；所述实验方案包括方案一、方案二和方案三；

S103，安装实验装置的高压反应釜以及保温层等主箱体部分；安装海水储存箱和注入管道，准备好海水后测量实验前海水的pH值与盐度，将海水注入高压反应釜后，移除海水注入管道，海水水面不超过铁丝网37的深度；

S104，安装进/出气口、水温传感器和压力传感器，并在连接冷却机和围压泵后，密封高压反应釜；安装循环供气管道以及供气瓶、增压泵以及气体回收瓶相关部件；

S105，根据S102的方案一，开启冷却机，使冷媒在冷却层和冷却机内循环，通过温度传感器监测舱内温度达到设定值；开启围压泵，改变舱内压力，通过压力传感器监测舱内压力，并通过调整围压泵将压力调整至目标数值；

S106，开启甲烷气瓶，使甲烷气进入气体管道；打开气体转向开关使甲烷气进入增压泵进气口；打开增压泵进气口开关使气体进入增压泵后，打开增压泵出气口开关，使增压后气体进入气体管道；

S107，打开气体缓冲瓶开关，使气体进入气体缓冲瓶，通过监测流量计，初步测量气体流速；调整气体入气口开关，根据设定值改变不同气体流速；气体进入高压反应釜后，在高压反应釜内进行水合物生成反应；

S108，反应的剩余气体通过气体出口管道流出，进入回收管道；通过出气管道流量计监测气体逸出量，从而研究水合物形成对甲烷的消耗量；气体进入回收管道后，打开气体回收瓶开关；

S109，收集达到定量后打开空气压缩机，最后通过气体单项开关，重新进入进气管道，形成循环供气；通过水温传感器、压力传感器以及流量计，持续监测温度、压力、气体流速以及甲烷逸出情况；

S110，实验持续进行至出气口流量计读数为零且压力传感器显示异常高压时，实验停止，生成的水合物已经将铁丝网完全封堵住，气体无法进入上部排出高压反应釜；

S111，将实验主箱体打开取出生成的水合物进行测量分析，测量主箱体中剩余的海水pH值与盐度；

S112，重新进行S102，按照方案二设定的参数重新开始实验，通过调整水温冷却机对水温参数进行更改，分析对水合物生成效率的影响；

S113，重新进行S102，按照方案三设定的参数重新开始实验，通过调整水温冷却机对水温参数进行更改，分析对水合物生成效率的影响。

如图2所示，试管倒扣在甲烷渗漏点的海底，甲烷渗漏流体进入试管后，在试管内形成天然气水合物，证明在温度压力合适的环境下在海水中可合成天然气水合物。因此海底天然气水合物采集大棚具有一定实际意义，本发明通过模拟甲烷渗漏原位的海底环境，研究海底甲烷渗漏在海水中的合成速率具有一定参考价值。

下面结合术语解释对本发明的技术方案作进一步描述。

海底甲烷渗漏：是指来自海洋沉积地层中的油气、水或少量沉积物，在超压条件驱动下向上运移，在海底以喷涌或渗漏的方式注入海水中，部分气体甚至可进入大气，影响环境和气候；另外，海域沉积物浅层的天然气水合物系统不稳定，水合物分解释放的甲烷气体等流体，也可提供海底渗漏/排放，进入海水甚至大气。海底甲烷渗漏通常在地层中与断层、气烟囱或水合物稳定区边界等相关，在海底表现为麻坑、泥火山、碳酸盐岩结壳以及化学合成生物群落等。深海海底发育大量的甲烷渗漏特征，巨大的通量可能会造成很大的环境和气候影响，如果能够对这部分甲烷进行收集或固定，将对全球气候变暖产生积极影响。

海底天然气水合物生产大棚：该概念由我们上一个专利提出，是针对海底甲烷渗漏提出的一种全新的天然气水合物开采模式，结合海底甲烷渗透特征与陆上温室大棚的概念，利用海底的温压参数符合天然气水合物稳定条件的特点，建立深海天然气水水合物生产大棚，使海底渗漏的甲烷在大棚顶部生成天然气水合物，并被收集和利用。该方法不同于常规油气资源的开采，极具创新性，具有资源和环境双重意义。但对于水合物生成的效率缺少认知，因此有必要对深海海底天然气水合物生成效率进行实验室模拟研究。

水合物生成效率：海底渗漏的甲烷气体向上运移，进入天然气水合物采集大棚内部，或在实验室注入的甲烷气体在反应釜模拟海底的温压条件下，可形成天然气水合物。而水合物生成效率是指在不同参数下(如甲烷渗漏的通量包括速率、气泡大小，以及渗漏的面积)水合物的生成速率，以及甲烷的利用率，即渗漏的甲烷气体中有大比例可形成天然气水合物。除此之外，水合物生成前后海水的盐度、pH值也可能发生变化。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明提出了一种研究深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，该方法基于海底天然气水合物形成的主要条件：温度、压力、气源，通过设置海底甲烷渗漏原位的温度压力值，以及一定范围的海底甲烷渗漏速率，在实验室反应釜中模拟计算海水中天然气水合物的生成效率。设定不同的三种参数的组合来研究温度、压力、气体供给对天然气水合物生成效率的影响；通过测量天然气水合物生成前后海水pH值与盐度的变化来研究天然气水合物的生成对海水环境造成的影响。

通过设定合理的相似性系数，在较小误差的情况下，模拟天然气水合物采集大棚的海底环境，对天然气水合物的生成效率进行监测研究；利用冷却机、压力泵、流量计等对环境的温度、压力、气源流速进行监测和设定，调整相关参数，从而对温度、压力、气源流速对水合物生成效率的影响进行研究；对比实验前后海水pH值和盐度，水合物生成是否产生海水酸化影响及盐度变化。实验中监测进气量和出气量用以计算水合物形成量，实验后根据水合物计算形成量与实际形成量计算水合物生成效率。

本发明提出了一种研究深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，该方法通过对天然气水合物大棚在深海的环境模拟，对天然气水合物大棚的生成效率进行测试，并研究温度、压力、气源流速对天然气水合物生成效率的影响和对海水环境(pH值和盐度)的影响。该方法能够用于指导海底甲烷渗漏处天然气水合物大棚这一新型采集方法的研究，对于评估天然气水合物大棚的生成效率是否具有商业价值具有重要意义。该测试深海天然气水合物大棚生成效率实验装置的具体结构平面图如图(见图3)所示，各结构说明如下：

零件1：甲烷气瓶，实验装置的甲烷气源供应；

零件2：气瓶压力计，显示气瓶气压；

零件3：气瓶开关，控制气体输出从而进入气体管道；

零件4：气体管道，连接主箱体和其他装置；

零件5：管道转接口，将气体管道里的甲烷气改道进增压泵；

零件6：增压泵入气口开关，控制气体流入增压泵；

零件7：增压泵入气口，气体通过入口进入增压泵；

零件8：增压泵，增加气体压力；

零件9：增压泵出气口开关，增压后的气体通过出气口重新进入气体管道；

零件10：缓冲气瓶，增压后气体流入气体缓冲瓶；

零件11：流量计，在气体进入入气口前观测气体流量；

零件12：入气口监测开关，监测气体流量的同时控制气体流入；

零件13：入气口，气体通过入气口进入高压反应釜；

零件14：钢架，高压反应釜外围钢架；

零件15：围压层，通过围压泵改变箱体外围压力；

零件16：保温层，利用保温材料对内部箱体保温；

零件17：冷却层，通过冷却机降低冷却液，从而改变高压反应釜内水体温度；

零件18：高压反应釜，密闭箱体，保证舱内还原海底温度、压力条件；

零件19：气体出口，剩余甲烷气逸出出口；

零件20：气体出口开关，控制气体流出至气体管道；

零件21：气体回收瓶开关，控制气体进入回收瓶；

零件22：甲烷回收瓶，回收剩余甲烷气；

零件23：空气压缩机，对回收甲烷气加压，使剩余气体可以进行再利用；

零件24：单项开关，控制气体流入进气管道并且阻止气体反向流入；

零件25：压力输出口1，控制高压反应釜外围围压；

零件26：围压泵(增压泵)，改变高压反应釜内以及外围围压；

零件27：压力输出口2，控制高压反应釜内部压力；

零件28：压力传感器，监测高压反应釜内部水体压力；

零件29：海水注入管，海水通过注入管流入高压反应釜；

零件30：单项开关，控制海水流入；

零件31：海水储存箱，储存调配后或实地取水的海水；

零件32：水温传感器，监测水温；

零件33：冷却机，降低水温至目标温度；

零件34：冷却机控制器，控制冷却机，监测温度并设置目标温度；

零件35：控温入口，水通过入口进入冷却机；

零件36：控温出口，冷却后的水通过出口进入冷却层；

零件37：铁丝网，设计为40目的筛网，形成的天然气水合物附着在铁丝网上，注入的海水水面不超过铁丝网深度。

该方法具体操作步骤如下：

步骤1：调研海底天然气水合物稳定区及海底甲烷渗漏地区的温度、压力和渗漏速率等参数信息；

步骤2：根据具体工区的测量数据，甲烷通量的数量级都在不同工区呈现明显不同，甚至同一地点在不同时间也呈现出明显变化。本次实验初定甲烷渗漏速率的范围是10-300ml/s、压力变化范围为5-7MPa、温度范围为1-5℃；

步骤3：设计实验方案如下：

方案一：设定压力为6MPa，温度为2℃，设定甲烷气渗漏速度分别为10ml/s、100ml/s和300ml/s；

方案二：设定甲烷气渗漏速度为100ml/s，压力6MPa不变，温度分别为1℃、3℃、5℃；

方案三：设定甲烷气渗漏为100ml/s，温度2℃不变，设定压力分为别5MPa、6MPa、7MPa；

步骤4：安装实验装置的高压反应釜以及保温层等主箱体部分；

步骤5：安装海水储存箱和注入管道，准备好海水后测量实验前海水的pH值与盐度，将海水注入高压反应釜后，移除海水注入管道，海水水面不超过铁丝网37的深度；

步骤6：安装进/出气口、水温传感器和压力传感器，并在连接冷却机和围压泵后，密封高压反应釜；

步骤7：安装循环供气管道以及供气瓶、增压泵、气体回收瓶等相关部件；

步骤8：根据步骤3的方案1，开启冷却机，使冷媒在冷却层和冷却机内循环，通过温度传感器监测舱内温度达到设定值；

步骤9：开启围压泵，改变舱内压力，通过压力传感器监测舱内压力，并通过调整围压泵将压力调整至目标数值；

步骤10：开启甲烷气瓶，使甲烷气进入气体管道；

步骤11：打开气体转向开关使甲烷气进入增压泵进气口；

步骤12：打开增压泵进气口开关使气体进入增压泵，后打开增压泵出气口开关，使增压后气体进入气体管道；

步骤13：打开气体缓冲瓶开关，使气体进入气体缓冲瓶，通过监测流量计，初步测量气体流速；

步骤14：调整气体入气口开关，根据设定值改变不同气体流速；

步骤15：气体进入高压反应釜后，在高压反应釜内进行水合物生成反应；

步骤16：反应的剩余气体通过气体出口管道流出，进入回收管道；

步骤17：通过出气管道流量计监测气体逸出量，从而研究水合物形成对甲烷的消耗量；

步骤18：气体进入回收管道后，打开气体回收瓶开关；

步骤19：收集达到定量后打开空气压缩机，最后通过气体单项开关，重新进入进气管道，形成循环供气；

步骤20：通过水温传感器、压力传感器以及流量计，持续监测温度、压力、气体流速以及甲烷逸出情况；

步骤21：实验持续进行至出气口流量计读数为零且压力传感器显示异常高压时，实验停止，此时代表了生成的水合物已经将铁丝网完全封堵住，气体无法进入上部排出高压反应釜；

步骤22：将实验主箱体打开取出生成的水合物进行测量分析，测量主箱体中剩余的海水PH值与盐度；

步骤23：重新进行步骤3，按照方案二设定的参数重新开始实验，通过调整水温冷却机对水温参数进行更改，研究其对水合物生成效率的影响；

步骤24：重新进行步骤3，按照方案三设定的参数重新开始实验，通过调整围压泵对压力参数进行更改，研究其对水合物生成效率的影响。

本发明通过设定温度压力等参数模拟海底甲烷渗漏原位的海底环境，分析不同参数对海水中天然气水合物合成速率的影响。具体的实验方案参数设置依据为：针对海底天然气水合物采集大棚理想的设置位置在LLGHSZ附近，其深度在500-700m左右水深，故设定的压力在5-7MPa范围，根据全球不同纬度的变化，设定温度在1-5℃范围；通过充分调研全球甲烷渗漏的甲烷通量数据，根据不同纬度、不同季节的甲烷通量，设定实验室甲烷渗漏的速率在10-300ml/s范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，其特征在于，所述确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法包括以下步骤：

步骤一，调研海底天然气水合物稳定区及海底甲烷渗漏地区的参数信息，并设置实验参数；

步骤二，设计实验方案；所述实验方案包括方案一、方案二和方案三；

步骤三，安装实验装置的高压反应釜以及保温层等主箱体部分；安装海水储存箱和注入管道，准备好海水后测量实验前海水的pH值与盐度，将海水注入高压反应釜后，移除海水注入管道，海水水面不超过铁丝网37的深度；

步骤四，安装进/出气口、水温传感器和压力传感器，并在连接冷却机和围压泵后，密封高压反应釜；安装循环供气管道以及供气瓶、增压泵以及气体回收瓶相关部件；

步骤五，根据步骤二的方案一，开启冷却机，使冷媒在冷却层和冷却机内循环，通过温度传感器监测舱内温度达到设定值；开启围压泵，改变舱内压力，通过压力传感器监测舱内压力，并通过调整围压泵将压力调整至目标数值；

步骤六，开启甲烷气瓶，使甲烷气进入气体管道；打开气体转向开关使甲烷气进入增压泵进气口；打开增压泵进气口开关使气体进入增压泵后，打开增压泵出气口开关，使增压后气体进入气体管道；

步骤七，打开气体缓冲瓶开关，使气体进入气体缓冲瓶，通过监测流量计，初步测量气体流速；调整气体入气口开关，根据设定值改变不同气体流速；气体进入高压反应釜后，在高压反应釜内进行水合物生成反应；

步骤八，反应的剩余气体通过气体出口管道流出，进入回收管道；通过出气管道流量计监测气体逸出量，从而研究水合物形成对甲烷的消耗量；气体进入回收管道后，打开气体回收瓶开关；

步骤九，收集达到定量后打开空气压缩机，最后通过气体单项开关，重新进入进气管道，形成循环供气；通过水温传感器、压力传感器以及流量计，持续监测温度、压力、气体流速以及甲烷逸出情况；

步骤十，实验持续进行至出气口流量计读数为零且压力传感器显示异常高压时，实验停止，生成的水合物已经将铁丝网完全封堵住，气体无法进入上部排出高压反应釜；

步骤十一，将实验主箱体打开取出生成的水合物进行测量分析，测量主箱体中剩余的海水pH值与盐度；

步骤十二，重新进行步骤二，按照方案二设定的参数重新开始实验，通过调整水温冷却机对水温参数进行更改，分析对水合物生成效率的影响；

步骤十三，重新进行步骤二，按照方案三设定的参数重新开始实验，通过调整围压泵对压力参数进行更改，分析对水合物生成效率的影响。

2.如权利要求1所述的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，其特征在于，步骤一中，所述参数信息，包括温度、压力和渗漏速率。

3.如权利要求1所述的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，其特征在于，步骤一中，所述实验参数，包括：实验初定甲烷渗漏速率的范围是10～300ml/s，压力变化范围为5～7MPa，温度范围为1～5℃；

根据具体工区的测量数据，甲烷通量的数量级都在不同工区呈现明显不同，甚至同一地点在不同时间也呈现出明显变化。

4.如权利要求1所述的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法，其特征在于，步骤二中，所述实验方案，包括：

方案一：设定压力为6MPa，温度为2℃，设定甲烷气渗漏速度分别为10ml/s、100ml/s和300ml/s；

方案二：设定甲烷气渗漏速度为100ml/s，压力6MPa不变，温度分别为1℃、3℃和5℃；

方案三：设定甲烷气渗漏为100ml/s，温度2℃不变，设定压力分为别5MPa、6MPa和7MPa。

5.一种应用如权利要求1～4任意一项所述的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟装置，其特征在于，所述确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟装置，包括：

甲烷气瓶，用于进行实验装置的甲烷气源供应；

气瓶压力计，用于显示气瓶气压；

气瓶开关，用于控制气体输出从而进入气体管道；

气体管道，用于连接主箱体和其他装置；

管道转接口，用于将气体管道里的甲烷气改道进增压泵；

增压泵入气口开关，用于控制气体流入增压泵；

增压泵入气口，用于将气体通过入口进入增压泵；

增压泵，用于增加气体压力；

增压泵出气口开关，用于将增压后的气体通过出气口重新进入气体管道；

缓冲气瓶，用于将增压后气体流入气体缓冲瓶；

流量计，用于在气体进入入气口前观测气体流量；

入气口监测开关，用于监测气体流量的同时控制气体流入；

入气口，用于将气体通过入气口进入高压反应釜；

钢架，是高压反应釜外围钢架；

围压层，用于通过围压泵改变箱体外围压力；

保温层，用于利用保温材料对内部箱体保温；

冷却层，用于通过冷却机降低冷却液，从而改变高压反应釜内水体温度；

高压反应釜，密闭箱体，用于保证舱内还原海底温度、压力条件；

气体出口，用于将剩余甲烷气逸出出口；

气体出口开关，用于控制气体流出至气体管道；

气体回收瓶开关，用于控制气体进入回收瓶；

甲烷回收瓶，用于回收剩余甲烷气；

空气压缩机，用于对回收甲烷气加压，使剩余气体可以进行再利用；

单项开关，用于控制气体流入进气管道并且阻止气体反向流入；

压力输出口1，用于控制高压反应釜外围围压；

围压泵，即增压泵，用于改变高压反应釜内以及外围围压；

压力输出口2，用于控制高压反应釜内部压力；

压力传感器，用于监测高压反应釜内部水体压力；

海水注入管，用于将海水通过注入管流入高压反应釜；

单项开关，用于控制海水流入；

海水储存箱，用于储存调配后或实地取水的海水；

水温传感器，用于监测水温；

冷却机，用于降低水温至目标温度；

冷却机控制器，用于控制冷却机，监测温度并设置目标温度；

控温入口，用于将水通过入口进入冷却机；

控温出口，用于将冷却后的水通过出口进入冷却层；

铁丝网，设计为40目的筛网，形成的天然气水合物附着在铁丝网上，注入的海水水面不超过铁丝网深度。

6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

基于海底天然气水合物形成的主要条件：温度、压力、气源，通过设置海底甲烷渗漏原位的温度压力值，以及一定范围的海底甲烷渗漏速率，在实验室反应釜中模拟计算海水中天然气水合物的生成效率；设定不同的三种参数的组合来分析温度、压力、气体供给对天然气水合物生成效率的影响；通过测量天然气水合物生成前后海水pH值与盐度的变化来确定天然气水合物的生成对海水环境造成的影响；

通过设定合理的相似性系数，在较小误差的情况下，模拟天然气水合物采集大棚的海底环境，对天然气水合物的生成效率进行监测；利用冷却机、压力泵和流量计对环境的温度、压力以及气源流速进行监测和设定，调整相关参数，从而对温度、压力、气源流速对水合物生成效率的影响进行分析；对比实验前后海水pH值和盐度，水合物生成是否产生海水酸化影响及盐度变化；实验中监测进气量和出气量用以计算水合物形成量，实验后根据水合物计算形成量与实际形成量计算水合物生成效率；

水合物生成效率是指在不同参数条件下，反应釜中从实验开始到实验结束的水合物生成时间，以及生成水合物的甲烷量占总甲烷渗漏量的比例；忽略甲烷在海水中的溶解量，即：

渗漏甲烷通量＝排出甲烷量+形成水合物的甲烷量。

7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

基于海底天然气水合物形成的主要条件：温度、压力、气源，通过设置海底甲烷渗漏原位的温度压力值，以及一定范围的海底甲烷渗漏速率，在实验室反应釜中模拟计算海水中天然气水合物的生成效率；设定不同的三种参数的组合来分析温度、压力、气体供给对天然气水合物生成效率的影响；通过测量天然气水合物生成前后海水pH值与盐度的变化来确定天然气水合物的生成对海水环境造成的影响；

通过设定合理的相似性系数，模拟天然气水合物采集大棚的海底环境，对天然气水合物的生成效率进行监测；利用冷却机、压力泵和流量计对环境的温度、压力以及气源流速进行监测和设定，调整相关参数，从而对温度、压力、气源流速对水合物生成效率的影响进行分析；对比实验前后海水pH值和盐度，水合物生成是否产生海水酸化影响及盐度变化；实验中监测进气量和出气量用以计算水合物形成量，实验后根据水合物计算形成量与实际形成量计算水合物生成效率；

水合物生成效率是指在不同参数条件下，反应釜中从实验开始到实验结束的水合物生成时间，以及生成水合物的甲烷量占总甲烷渗漏量的比例；忽略甲烷在海水中的溶解量，即：

渗漏甲烷通量＝排出甲烷量+形成水合物的甲烷量。

8.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求5所述的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟装置。

9.一种如权利要求1～4任意一项所述的确定深海海底天然气水合物生成效率的实验室模拟方法在多数天然气水合物原位生成实验中的应用。

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