CN114060024B - 深海多相环境原位多维保真模拟与测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了深海多相环境原位多维保真模拟与测试装置，包括原位采样模块、保真转样模块、环境模拟模块和控制模块；由原位采样模块在采样地对环境进行多相采样，同时对环境参数进行监测并发送到控制模块；通过保真转样模块将采样完成的原位采样模块与环境模拟模块实现衔接，将采集到的样品转移至环境模拟模块内部；控制模块根据接收到的环境参数对环境模拟模块的模拟环境进行设置和控制，在环境模拟模块保持深海多相环境的情况下，实现多维条件下的保真模拟。本发明实现了将深海多相样品从样品获取到室内长周期模拟实验的过程，保证了模拟实验全程的多维保真，有效提高了对深海资源环境和生态系统特性的反演技术和能力。
Description
技术领域
本发明涉及海洋环境生态工程领域，特别是涉及一种深海多相环境原位多维保真模拟与测试装置。
背景技术
受装备技术能力的制约，人类对深海资源与环境的认识进展缓慢，目前仅认知约20％的深海海底情况。深海极端高压、低温/高温、高盐、强还原等特性造就了深海资源环境的特殊赋存特征。海洋可燃冰脱离原位的高压、低温相平衡环境会分解成甲烷等烷烃和水，并且可燃冰分解相变过程会引发沉积层孔隙度、渗透率、孔隙水化学环境分布等特征改变，难以真实反映可燃冰赋存的原位地质和地球化学环境，为正确认知可燃冰的资源环境属性带来挑战。
另一方面，研究发现高压是决定深海微生物群落组成和丰度结构的重要因素，脱离原位高压环境后，绝对嗜压菌不能存活，深海耐压生物的生理、生态特性表达与深海原位环境亦存在较大差异。例如，原位高压环境下，深海微生物在的代谢活性，微生物介导的溶解氧消耗速率远高于减压环境和常压环境，甲烷氧化古菌和硫酸盐还原菌参与的甲烷厌氧氧化速率在8MPa高压环境相比常压环境提高50倍。并且，深海底低温(2-4℃)和热液喷口附近高温(100-400℃) 的极端温度环境和营养稀缺环境培养了深海生物的嗜冷、嗜热和耐寡营养的环境适应机制。取样、转移和实验研究过程如果缺失这些极端条件，将阻碍相关调控基因的表达，带来对深海生物环境适应机制认识的严重偏差。同时，在深海环境中，沉积物、水、生物，原位生成的烃类、源自深部的烃类和烃类转化过程产生的多组分气体耦合存在，是一个多相、多组分强耦合的共存环境。沉积物-海水交界面是解析物质迁移转化和极端生态系统演化的关键载体。单相(沉积物、水等)取样和陆域实验室的单相模拟深海环境等技术无法诠释多圈层相互作用的资源环境过程，如现有技术公开的一种深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统，也是一种单相模拟深海环境的技术。因此，深海多相(沉积物、水、气、生物)环境原位模拟技术成为深刻认知深海可燃冰等战略资源的赋存特征和深海多界面环境作用机制的关键技术需求。
发明内容
本发明为了解决以上至少一种技术缺陷，提供一种深海多相环境原位多维保真模拟与测试装置，实现对深海多相环境的原位模拟。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
深海多相环境原位多维保真模拟与测试装置，包括原位采样模块、保真转样模块、环境模拟模块和控制模块；其中：将原位采样模块放置在实际需求采样地，由原位采样模块在采样地对环境进行多相采样，同时对环境参数进行监测并发送到控制模块；通过保真转样模块将采样完成的原位采样模块与环境模拟模块实现衔接，将采集到的样品转移至环境模拟模块内部；控制模块根据接收到的环境参数对环境模拟模块的模拟环境进行设置和控制，在环境模拟模块保持深海多相环境的情况下，实现多维条件下的保真模拟。
上述方案中，通过原位采样模块、保真转样模块、环境模拟模块的相互配合，实现了将深海多相样品从样品获取到室内长周期模拟实验的过程，保证了模拟实验全程的多维保真，有效提高了对深海资源环境和生态系统特性的反演技术和能力。
其中，所述原位采样模块包括钻采装置、采样舱、智能保温装置、传感器组、双向调节系统和智能保压装置；其中：钻采装置用于在采样地对环境进行多相采样，将采集到的各类型样品输入采样舱中；在采样过程中，传感器组对环境参数和采样舱内的温度进行监测并发送到控制模块；智能保温装置根据采样舱内的温度进行温度的调控，使得采样舱内的温度与环境温度保持一致；双向调节系统用于抽取在采样过程中进入采样舱内多余的海水，使样品顺利进入采样舱，保证钻采装置的采样质量；当样品进入采样舱后，通过智能保压装置根据环境参数实现对样品的压力缓冲，实现采样过程中采样舱内的压力的动态平衡；采样结束时，钻采装置停止钻采，当采样舱内压力与环境压力一致时，钻采装置采样端自动封闭，完成原位采样模块的采样过程。
上述方案中，根据实际的研究需要，原位采样模块由水下机器人的机械臂放置在实际需求样地上，其供电形式可以通过ROV进行电缆供电，也可以在原位采样模块上安设高续航能力的电池模组。当安防完毕后，驱动钻采装置，钻采装置钻至目标深度后停止下沉，在整个钻采的过程中，同步启动双向调节系统；所述的双向调节系统是一种双向调节海水抽取系统，可以使样品顺利进入采样舱，保证钻采装置的采样质量，此时，采样舱内充满海水、沉积物、溶解气、可燃冰，以及深海贝类、微生物等样品。在钻取过程中，传感器组同步进行环境参数数据的采集，采集的环境参数包括环境温度、环境压力、盐度、深度、电导率、甲烷浓度、溶解氧浓度和硫化氢浓度。同步打开智能保温装置和智能保压装置，智能保温装置根据采样舱内的温度进行温度的调控，使得采样舱内的温度与环境温度保持一致；智能保压装置根据环境参数实现对样品的压力缓冲，实现采样过程中采样舱内的压力的动态平衡。钻取工作完毕后，钻采装置采样端自动封闭，完成原位采样模块的采样过程。
其中，所述采样舱包括梯度样品舱和样品隔离舱；其中：钻采装置将采集到的各类型样品输入梯度样品舱中，在梯度样品舱中进行缓冲过渡，并将不同状态类型样品进行区分，保存在样品隔离舱中，避免不同状态类型样品之间的交叉污染。所述各类型样品包括海水、沉积物、溶解气、可燃冰、深海贝类和微生物。
上述方案中，在钻采装置钻取过程中，梯度样品舱内充满海水、沉积物、溶解气、可燃冰，以及深海贝类、微生物等样品；而样品隔离舱的设置，有利于装置根据样品组分中各状态类型的样品进行区分，避免交叉污染。
其中，所述智能保温装置包括隔热层和制冷部件；其中：隔热层包裹在采样舱上，用于减少采样舱温度的流失，实现采样舱的保温；制冷部件用于制冷，根据采样舱内的温度进行温度的调控，使得采样舱内的温度与环境温度保持一致。
上述方案中，通过智能保温装置进行保温的方式包括被动保温-主动制冷的融合技术进行，被动保温通过选择合适的阻热材料设计为隔热层实现；主动制冷主要通过控制制冷部件对采样舱的保温介质层进行制冷处理。在样品采集完成至转移的过程中，通过传感器组实时监控采样舱内的温度变化，并将信息传输到控制模块，控制模块根据环境变化条件自动对半导体制冷部件进行操作，保持各相组分温度基本不变，从而实现了智能保温的过程。
其中，所述智能保压装置包括压力缓冲液存储装置、液端阀块、惰性高压气存储装置、气端阀块、过渡补偿舱和保压活塞；其中：过渡补偿舱通过保压活塞与采样舱接触，当样品挤压到保压活塞时，智能保压装置开始工作；压力缓冲液存储装置通过液端阀块向过渡补偿舱注入缓冲液，惰性高压气存储装置通过气端阀块向过渡补偿舱注入惰性气体，令过渡补偿舱中的压力与环境参数一致；通过保压活塞实现过渡补偿舱与采样舱之间的压力补偿，实现对样品的压力缓冲，保持采样过程中采样舱内的压力的动态平衡。
上述方案中，保压方式主要通过双向惰性气体压力补偿保压技术对采样舱进行保压，当沉积物样品通过钻采装置进入到采样舱时，保压活塞受到沉积物的挤压向上移动，缓冲液和惰性气体起到一个对冲的作用，当两端压力调节到一致时，钻采装置采样端自动封闭，此时采样舱内压力与真实环境下的压力是一致的；同时，智能保压装置在样品进行转移的过程中充当了转移过程的辅助“动力源”，使得样品转移更加顺利，对比与现有保压方式增设了压力缓冲液存装置和过渡补偿舱，不仅可以缓冲由于原位采样模块开舱形成的压力突变，同时通过液端阀块可以实现对样品采集量的控制调整。
上述方案中，当原位采样模块采集样品后，由水下机器人携带原位采样模块至母船，在船上进行样品转移，为了实现转移过程中的保真，本方案通过设计柔性抗扰动转移接口和气密螺纹连接原位采样模块和环境模拟模块，可实现两者之间的无缝对接，以此保证两者之间的压力和温度等参数相等。
上述方案中，所述保真转样模块包括第一连接端、第二连接端、隔断层和旋转层；其中：第一连接端用于连接原位采样模块，第二连接端用于连接环境模拟模块，使得原位采样模块与环境模拟模块实现衔接；隔断层与旋转层设置在第一连接端与第二连接端之间；隔断层、旋转层上均设置有一通孔，通过操作旋转层实现隔断层、旋转层上通孔的重合和错开。
其中，所述环境模拟模块包括海水注入系统、气体注入系统、环壁温度控制系统、培养模拟容器、监测观察系统、采样装置和数据采集及处理系统；其中：培养模拟容器为上开口的封闭结构，通过开口与第二连接端连接；海水注入系统、气体注入系统、环壁温度控制系统设置在培养模拟容器上；在样品进入培养模拟容器之前，先在培养模拟容器内搭建基本的深海环境；接着，将培养模拟容器连接到第二连接端；通过所述环壁温度控制系统根据控制模块接收到的环境参数对培养模拟容器内部的温度进行调整，使之与采样环境保持一致；此时操作旋转层，使得隔断层、旋转层上的通孔重合，将采样舱内的样品转移到培养模拟容器内；待培养模拟容器内部稳定后，通过气体注入系统向培养模拟容器内注入甲烷流体，同时，通过海水注入系统缓速向培养模拟容器内注入营养液，提供样品培养模拟所需的养分，从而模拟多相环境内的化学、物理、地址和生物变化过程；所述监测观察系统设置在培养模拟容器内部，实时监测培养模拟容器内的含烃类气、液、沉积物和可燃冰的多相饱和度；所述采样装置设置在培养模拟容器上，用于实时采集培养模拟容器内的样品进行研究和分析；所述数据采集及处理系统用于与控制模块、监测观察系统通信连接，实现对数据的采集和存储；同时，实现对海水注入系统、气体注入系统、环壁温度控制系统的智能控制。
上述方案中，在样品转移前，主动开启环境模拟模块的环壁温度控制系统，使得环境模拟模块内的温度与采样舱内的环境温度一致，防止转样后原位样品的温度与环境模拟模块的温度不一致，对样品带来扰动。随后在环境模拟模块上以此安设保真转样模块和原位采样模块，然后转动旋转层，实现样品从原位采样模块内转移到环境模拟模块内部。待系统稳定后，可进行深海多相环境在变化环境下的响应模拟研究，例如从培养模拟容器上的横向注入口或者纵向注入口通过气体注入系统分别模拟横向或者纵向渗漏的含甲烷等烃类流体进行环境后，多相环境内的化学、物理、地质和生物变化过程。
其中，所述监测观察系统包括实验传感器组和超声波监测成像监测模块；其中：所述实验传感器组用于实时监测培养模拟容器内温度、压力的变化情况；所述超声波监测成像监测模块用于实现对培养模拟容器内的含烃类气、液、沉积物和可燃冰的多相饱和度的实时监测。
上述方案中，通过实验传感器组监测培养模拟容器内的甲烷浓度、温度、压力、溶解氧、硫化氢等含量变化，解析烃类的氧化过程和机理。通过在培养模拟容器内设置UCT超声波监测成像监测模块，在模拟实验过程中，实时监测沉积层内的含烃类气、液、沉积物、可燃冰等多相饱和度。
上述方案中，在所述培养模拟容器外壁上还设置有一层制冷夹套，用于为培养模拟容器保温。
其中，所述海水注入系统包括海水配置冷却罐、热交换系统、高压海水注入泵、海水质量流量计和调节阀；其中：所述海水配置冷却罐用于存储待注入培养模拟容器内的海水，通过热交换系统进行降温，当海水配置冷却罐内海水温度与培养模拟容器内部温度一致后，通过高压海水注入泵将海水注入培养模拟容器中；海水质量流量计用于测量注入海水的流量；调节阀用于控制海水注入培养模拟容器的流速，保证不对培养模拟容器内的环境造成破坏。
其中，在所述培养模拟容器上还设置有背压系统，所述背压系统用于在当海水注入系统向培养模拟容器内注入海水时，将培养模拟容器内原有溶液进行排出，保持培养模拟容器内的压力平衡，同时实现对内部溶液的采样。
上述方案在模拟过程中，通过海水注入系统缓速向培养模拟容器内注入营养液，同时打开出口的背压系统，保持培养模拟容器内的压力与深海实际压力条件保持一致。采样装置可以设置背压系统上，通过连接双阀取样口，可以在模拟过程内在高压环境下，对培养模拟容器内的溶液实时取样进行物理、化学、生物特性分析。所述营养液为深海微生物生长所需的营养液。在整个模拟过程中，对环境参数进行实时采集，并且在数据采集及处理系统内实时记录、处理和输出数据与图像。
上述方案中，所述气体注入系统包括气瓶、缓冲容器、增压泵和空气压缩机；其中：所述气瓶用于存储甲烷气体，甲烷气体通过增压泵和空气压缩机的压缩增压后注入到缓冲容器中；所述缓冲容器用于对压缩增压后的甲烷气体进行缓冲，实现甲烷气体稳定地注入培养模拟容器中。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出了一种深海多相环境原位多维保真模拟与测试装置，提出了深海原位多相样品的高保真获取、转移与多维条件保真模拟的装置及其实现方法，通过原位采样模块、保真转样模块、环境模拟模块的相互配合，实现了将深海多相样品从样品获取到室内长周期模拟实验的过程，保证了模拟实验全程的多维保真，有效提高了对深海资源环境和生态系统特性的反演技术和能力。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图；
其中：1、原位采样模块；11、钻采装置；12、采样舱；121、梯度样品舱； 122、样品隔离舱；13、智能保温装置；131、隔热层；132、制冷部件；14、传感器组；15、双向调节系统；16、智能保压装置；2、保真转样模块；3、环境模拟模块；31、海水注入系统；311、海水配置冷却罐；312、热交换系统；313、高压海水注入泵；314、海水质量流量计；315、调节阀；32、气体注入系统；321、气瓶；322、缓冲容器；323、增压泵；324、空气压缩机；33、环壁温度控制系统；34、培养模拟容器；35、监测观察系统；351、实验传感器组；352、超声波监测成像监测模块；36、采样装置；37、背压系统；38、数据采集及处理系统； 4、控制模块。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，提供一种深海多相环境原位多维保真模拟与测试装置，包括原位采样模块1、保真转样模块2、环境模拟模块3和控制模块4；其中：将原位采样模块1放置在实际需求采样地，由原位采样模块1在采样地对环境进行多相采样，同时对环境参数进行监测并发送到控制模块4；通过保真转样模块2将采样完成的原位采样模块1与环境模拟模块3实现衔接，将采集到的样品转移至环境模拟模块3内部；控制模块4根据接收到的环境参数对环境模拟模块3的模拟环境进行设置和控制，在环境模拟模块3保持深海多相环境的情况下，实现多维条件下的保真模拟。
在具体实施过程中，通过原位采样模块1、保真转样模块2、环境模拟模块3 的相互配合，其三者既相互独立，又能有机地匹配使用，可以实现深海多相环境的固体-液体-气体样品保真获取、转移和长周期保真模拟，并对取样，转移和模拟过程的各项环境参数进行实时测试与记录。
在具体实施过程中，本方案提出的将深海样品进行原位高保真采集-转移-模拟，避免了传统研究在模拟装置内填充人工设计的深海样品与条件，无法做到原位环境构建的过程与深海实际情况完全一致的缺陷。相对于现有的深海原位取样，将取回来的样品，带回实验室进行分析研究，本方案提出了将深海样品进行原位高保真采集-转移-模拟，避免了取样后续转移至陆域实验分析过程中的条件失真，如深海微生物脱离原位高压、低温环境，基因表达差异；深海土著微生物死亡；深海可燃冰样品分解等问题。
实施例2
更具体的，如图1所示，所述原位采样模块1包括钻采装置11、采样舱12、智能保温装置13、传感器组14、双向调节系统15和智能保压装置16；其中：钻采装置11用于在采样地对环境进行多相采样，将采集到的各类型样品输入采样舱12中；在采样过程中，传感器组16对环境参数和采样舱12内的温度进行监测并发送到控制模块4；智能保温装置13根据采样舱12内的温度进行温度的调控，使得采样舱12内的温度与环境温度保持一致；双向调节系统15用于抽取在采样过程中进入采样舱12内多余的海水，使样品顺利进入采样舱12，保证钻采装置11的采样质量；当样品进入采样舱12后，通过智能保压装置16根据环境参数实现对样品的压力缓冲，实现采样过程中采样舱12内的压力的动态平衡；采样结束时，钻采装置11停止钻采，当采样舱12内压力与环境压力一致时，钻采装置11采样端自动封闭，完成原位采样模块1的采样过程。
在具体实施过程中，根据实际的研究需要，原位采样模块1由水下机器人的机械臂放置在实际需求样地上，本方案中放置在南海海马冷泉区甲烷渗漏区域，水深1400米，以在钻采装置11上其安设高续航能力的电池模组进行供电。当安防完毕后，驱动钻采装置11，钻采装置11钻至目标深度后停止下沉，在整个钻采的过程中，同步启动双向调节系统15；所述的双向调节系统15是一种双向调节海水抽取系统，可以使样品顺利进入采样舱12，保证钻采装置11的采样质量，此时，采样舱12内充满海水、沉积物、溶解气、可燃冰，以及深海贝类、微生物等样品。在钻取过程中，传感器组14同步进行环境参数数据的采集，采集的环境参数包括环境温度、环境压力、盐度、深度、电导率、甲烷浓度、溶解氧浓度和硫化氢浓度。同步打开智能保温装置13和智能保压装置16，智能保温装置13根据采样舱12内的温度进行温度的调控，使得采样舱12内的温度与环境温度保持一致；智能保压装置16根据环境参数实现对样品的压力缓冲，实现采样过程中采样舱12内的压力的动态平衡。钻取工作完毕后，钻采装置11采样端自动封闭，完成原位采样模块的采样过程。
更具体的，所述采样舱12包括梯度样品舱121和样品隔离舱122；其中：钻采装置11将采集到的各类型样品输入梯度样品舱121中，在梯度样品舱121中进行缓冲过渡，并将不同状态类型样品进行区分，保存在样品隔离舱122中，避免不同状态类型样品之间的交叉污染。所述各类型样品包括海水、沉积物、溶解气、可燃冰、深海贝类和微生物。
在具体实施过程中，在钻采装置11钻取过程中，梯度样品舱121内充满海水、沉积物、溶解气、可燃冰，以及深海贝类、微生物等样品；而样品隔离舱122的设置，有利于装置根据样品组分中各状态类型的样品进行区分，避免交叉污染。
更具体的，所述智能保温装置13包括隔热层131和制冷部件132；其中：隔热层131包裹在采样舱12上，用于减少采样舱12温度的流失，实现采样舱12 的保温；制冷部件132用于制冷，根据采样舱12内的温度进行温度的调控，使得采样舱12内的温度与环境温度保持一致。
在具体实施过程中，通过智能保温装置13进行保温的方式包括被动保温-主动制冷的融合技术进行，被动保温通过选择3厘米石棉隔热层实现；主动制冷主要通过控制制冷部件132对采样舱12的保温介质层进行制冷处理。在样品采集完成至转移的过程中，通过传感器组16实时监控采样舱12内的温度变化，并将信息传输到控制模块4，控制模块4根据环境变化条件自动对半导体制冷部件132 进行操作，保持各相组分温度基本不变，从而实现了智能保温的过程。
更具体的，智能保压装置16包括压力缓冲液存储装置、液端阀块、惰性高压气存储装置、气端阀块、过渡补偿舱和保压活塞；其中：过渡补偿舱通过保压活塞与采样舱12接触，当样品挤压到保压活塞时，智能保压装置16开始工作；压力缓冲液存储装置通过液端阀块向过渡补偿舱注入缓冲液，惰性高压气存储装置通过气端阀块向过渡补偿舱注入惰性气体，令过渡补偿舱中的压力与环境参数一致；通过保压活塞实现过渡补偿舱与采样舱12之间的压力补偿，实现对样品的压力缓冲，保持采样过程中采样舱12内的压力的动态平衡。
在具体实施过程中，保压方式主要通过双向惰性气体压力补偿保压技术对采样舱12进行保压，当沉积物样品通过钻采装置11进入到采样舱12时，保压活塞受到沉积物的挤压向上移动，缓冲液和惰性气体起到一个对冲的作用，当两端压力调节到一致时，钻采装置11采样端自动封闭，此时采样舱12内压力与真实环境下的压力是一致的；同时，智能保压装置16在样品进行转移的过程中充当了转移过程的辅助“动力源”，使得样品转移更加顺利，对比与现有保压方式增设了压力缓冲液存装置和过渡补偿舱，不仅可以缓冲由于原位采样模块1开舱形成的压力突变，同时通过液端阀块可以实现对样品采集量的控制调整。
在具体实施过程中，当原位采样模块1采集样品后，由水下机器人携带原位采样模块1至母船，在船上进行样品转移，为了实现转移过程中的保真，本方案通过设计柔性抗扰动转移接口和气密螺纹连接原位采样模块1和环境模拟模块3，可实现两者之间的无缝对接，以此保证两者之间的压力和温度等参数相等。
在具体实施过程中，所述保真转样模块2包括第一连接端、第二连接端、隔断层和旋转层；其中：第一连接端用于连接原位采样模块1，第二连接端用于连接环境模拟模块3，使得原位采样模块1与环境模拟模块3实现衔接；隔断层与旋转层设置在第一连接端与第二连接端之间；隔断层、旋转层上均设置有一通孔，通过操作旋转层实现隔断层、旋转层上通孔的重合和错开。
更具体的，所述环境模拟模块3包括海水注入系统31、气体注入系统32、环壁温度控制系统33、培养模拟容器34、监测观察系统35、采样装置36和数据采集及处理系统38；其中：培养模拟容器34为上开口的封闭结构，通过开口与第二连接端连接；海水注入系统31、气体注入系统32、环壁温度控制系统33 设置在培养模拟容器34上；在样品进入培养模拟容器34之前，先在培养模拟容器34内搭建基本的深海环境；接着，将培养模拟容器34连接到第二连接端；通过所述环壁温度控制系统33根据控制模块4接收到的环境参数对培养模拟容器 34内部的温度进行调整，使之与采样环境保持一致；此时操作旋转层，使得隔断层、旋转层上的通孔重合，将采样舱12内的样品转移到培养模拟容器34内；待培养模拟容器34内部稳定后，通过气体注入系统32向培养模拟容器34内注入甲烷流体，同时，通过海水注入系统31缓速向培养模拟容器34内注入营养液，提供样品培养模拟所需的养分，从而模拟多相环境内的化学、物理、地址和生物变化过程；所述监测观察系统35设置在培养模拟容器34内部，实时监测培养模拟容器34内的含烃类气、液、沉积物和可燃冰的多相饱和度；所述采样装置36 设置在培养模拟容器34上，用于实时采集培养模拟容器34内的样品进行研究和分析；所述数据采集及处理系统38用于与控制模块4、监测观察系统35通信连接，实现对数据的采集和存储；同时，实现对海水注入系统31、气体注入系统 32、环壁温度控制系统33的智能控制。
在具体实施过程中，在样品转移前，主动开启环境模拟模块3的环壁温度控制系统33，使得环境模拟模块3内的温度与采样舱12内的环境温度一致，防止转样后原位样品的温度与环境模拟模块的温度不一致，对样品带来扰动。随后在环境模拟模块3上以此安设保真转样模块2和原位采样模块1，然后转动旋转层，实现样品从原位采样模块1内转移到环境模拟模块3内部。待系统稳定后，可进行深海多相环境在变化环境下的响应模拟研究，例如从培养模拟容器34上的横向注入口或者纵向注入口通过气体注入系统32分别模拟横向或者纵向渗漏的含甲烷等烃类流体进行环境后，多相环境内的化学、物理、地质和生物变化过程。
更具体的，所述监测观察系统35包括实验传感器组351和超声波监测成像监测模块352；其中：所述实验传感器组351用于实时监测培养模拟容器34内温度、压力的变化情况；所述超声波监测成像监测模块352用于实现对培养模拟容器34内的含烃类气、液、沉积物和可燃冰的多相饱和度的实时监测。
在具体实施过程中，通过实验传感器组351监测培养模拟容器34内的甲烷浓度、温度、压力、溶解氧、硫化氢等含量变化，解析烃类的氧化过程和机理。通过在培养模拟容器34内设置UCT超声波监测成像监测模块352，在模拟实验过程中，实时监测沉积层内的含烃类气、液、沉积物、可燃冰等多相饱和度。
在具体实施过程中，在所述培养模拟容器34外壁上还设置有一层制冷夹套，用于为培养模拟容器34保温。
更具体的，所述海水注入系统31包括海水配置冷却罐311、热交换系统312、高压海水注入泵313、海水质量流量计314和调节阀315；其中：所述海水配置冷却罐311用于存储待注入培养模拟容器34内的海水，通过热交换系统312进行降温，当海水配置冷却罐311内海水温度与培养模拟容器34内部温度一致后，通过高压海水注入泵313将海水注入培养模拟容器34中；海水质量流量计314 用于测量注入海水的流量；调节阀315用于控制海水注入培养模拟容器34的流速，保证不对培养模拟容器34内的环境造成破坏。
在本方案中，启动热交换系统312，当海水配置罐内的海水温度降至4℃。向模拟系统内注入海水的流量为0.1mol/min注入的海水主要是包括深海嗜甲烷菌和硫酸盐还原菌生长所需要的营养液。
所述营养液为深海微生物生长所需的营养液，其成份为：微量元素混合物：1000ml去离子水中加入8.8ml25％盐酸、60mg的H2BO3、1mg的MnCl2*4H2O、 2.1mg的FeSO4*7H2O、380mg的CoCl2*6H2O、240mg的NiCl2*6H2O、2mg 的CuCl2*6H2O、288mg的ZnSO4*7H2O、72mg的NaMoO4*7H2O；碳酸氢钠缓冲溶液：1000ml去离子水中加入84gNaHCO3；维生素混合物：100ml磷酸钠10mM，Ph7.1、4mg氨基苯酸、1mg生物素、10mg烟酸、5mg钙盐、15mg 盐酸吡哆醇、4mg叶酸、1.5mg硫辛酸；硫胺素溶液(100mL硫酸钠溶液中加入 10mg硫胺素)；维生素B12溶液(100ml去离子水中加入5mgB12)、硫化钠溶液(100ml溶液中加入48gNa2S*9H2O)、基准调节物质(26.37gNaCl、5.67g MaCl2*6H2O、1.47gCaCl2*2H2O、6.8gMg2SO4*7H2O、0.5gKCl、0.09gKBr)； NH4Cl+KH2PO4溶液：15.71gNH4Cl+9.00gKH2PO4，加水溶至1000ml；树脂天晴溶液：100ml纯水中加入0.5g树脂天晴；亚硒酸盐溶液：1000ml纯水中加入400gNaOH、6mgNaSeO3*5H2O、8mgNaWO4*2H2O；核黄素溶液； 100mlNaH2PO4加入2.5g硫辛酸。
更具体的，在所述培养模拟容器34上还设置有背压系统37，所述背压系统 37用于在当海水注入系统31向培养模拟容器34内注入海水时，将培养模拟容器34内原有溶液进行排出，保持培养模拟容器34内的压力平衡，同时实现对内部溶液的采样。
在具体的模拟过程中，通过海水注入系统31缓速向培养模拟容器34内注入营养液，同时打开出口的背压系统37，保持培养模拟容器34内的压力与深海实际压力条件保持一致。采样装36置可以设置背压系统37上，通过连接双阀取样口，可以在模拟过程内在高压环境下，对培养模拟容器34内的溶液实时取样进行物理、化学、生物特性分析。在整个模拟过程中，对环境参数进行实时采集，并且在数据采集及处理系统38内实时记录、处理和输出数据与图像。
在具体的模拟过程中，所述气体注入系统32包括气瓶321、缓冲容器322、增压泵323和空气压缩机324；其中：所述气瓶321用于存储甲烷气体，甲烷气体通过增压泵323和空气压缩机324的压缩增压后注入到缓冲容器322中；所述缓冲容器322用于对压缩增压后的甲烷气体进行缓冲，实现甲烷气体稳定地注入培养模拟容器34中。
在具体实施过程中，本方案提出的多维环境模拟测试技术，具备在陆域长周期模拟高还原度的深海底环境，通过定向条件控制变化，可以动态模拟深海的流体和化学环境模拟变化，并且利用时间换空间的优势，通过长周期模拟实验，研究不同海域环境条件下，不同甲烷等烃类渗漏模式和通量条件下的烃类的迁移转化过程和环境介质响应特征，攻克深海原位观测成本高、周期长，只能进行零星观测等技术瓶颈，通过长周期实验，将零散的观测现象和数据上升到规律性的认识。同时，本方案将超声波成像技术引入到沉积层内含相变过程的成像模拟，能够解决含可燃冰多相复杂流动耦合沉积层骨架结构变化的定量监测和表征难题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (12)
1.深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，包括原位采样模块(1)、保真转样模块(2)、环境模拟模块(3)和控制模块(4)；其中：
将原位采样模块(1)放置在实际需求采样地，由原位采样模块(1)在采样地对环境进行多相采样，同时对环境参数进行监测并发送到控制模块(4)；
通过保真转样模块(2)将采样完成的原位采样模块(1)与环境模拟模块(3)实现衔接，将采集到的样品转移至环境模拟模块(3)内部；
控制模块(4)根据接收到的环境参数对环境模拟模块(3)的模拟环境进行设置和控制，在环境模拟模块(3)保持深海多相环境的情况下，实现多维条件下的保真模拟；
所述原位采样模块(1)包括钻采装置(11)、采样舱(12)、智能保温装置(13)、传感器组(14)、双向调节系统(15)和智能保压装置(16)；
其中：
钻采装置(11)用于在采样地对环境进行多相采样，将采集到的各类型样品输入采样舱(12)中；
在采样过程中，传感器组(14)对环境参数和采样舱(12)内的温度进行监测并发送到控制模块(4)；智能保温装置(13)根据采样舱(12)内的温度进行温度的调控，使得采样舱(12)内的温度与环境温度保持一致；双向调节系统(15)用于抽取在采样过程中进入采样舱(12)内多余的海水，使样品顺利进入采样舱(12)，保证钻采装置(11)的采样质量；当样品进入采样舱(12)后，通过智能保压装置(16)根据环境参数实现对样品的压力缓冲，实现采样过程中采样舱(12)内的压力的动态平衡；
采样结束时，钻采装置(11)停止钻采，当采样舱(12)内压力与环境压力一致时，钻采装置(11)采样端自动封闭，完成原位采样模块(1)的采样过程；
所述采样舱(12)包括梯度样品舱(121)和样品隔离舱(122)；其中：钻采装置(11)将采集到的各类型样品输入梯度样品舱(12)中，在梯度样品舱(12)中进行缓冲过渡，并将不同状态类型样品进行区分，保存在样品隔离舱(122)中，避免不同状态类型样品之间的交叉污染。
2.根据权利要求1所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，所述智能保温装置(13)包括隔热层(131)和制冷部件(132)；其中：
隔热层(131)包裹在采样舱(12)上，用于减少采样舱(12)温度的流失，实现采样舱(12)的保温；
制冷部件(132)用于制冷，根据采样舱(12)内的温度进行温度的调控，使得采样舱(12)内的温度与环境温度保持一致。
3.根据权利要求1所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，所述智能保压装置(16)包括压力缓冲液存储装置、液端阀块、惰性高压气存储装置、气端阀块、过渡补偿舱和保压活塞；其中：
过渡补偿舱通过保压活塞与采样舱(12)接触，当样品挤压到保压活塞时，智能保压装置(16)开始工作；
压力缓冲液存储装置通过液端阀块向过渡补偿舱注入缓冲液，惰性高压气存储装置通过气端阀块向过渡补偿舱注入惰性气体，令过渡补偿舱中的压力与环境参数一致；
通过保压活塞实现过渡补偿舱与采样舱(12)之间的压力补偿，实现对样品的压力缓冲，保持采样过程中采样舱(12)内的压力的动态平衡。
4.根据权利要求2或3所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，所述各类型样品包括海水、沉积物、溶解气、可燃冰、深海贝类和微生物。
5.根据权利要求4所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，所述传感器组(14)监测的环境参数包括环境温度、环境压力、盐度、深度、电导率、甲烷浓度、溶解氧浓度和硫化氢浓度。
6.根据权利要求1所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，所述保真转样模块(2)包括第一连接端、第二连接端、隔断层和旋转层；其中：
第一连接端用于连接原位采样模块(1)，第二连接端用于连接环境模拟模块(3)，使得原位采样模块(1)与环境模拟模块(3)实现衔接；
隔断层与旋转层设置在第一连接端与第二连接端之间；
隔断层、旋转层上均设置有一通孔，通过操作旋转层实现隔断层、旋转层上通孔的重合和错开。
7.根据权利要求6所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，所述环境模拟模块(3)包括海水注入系统(31)、气体注入系统(32)、环壁温度控制系统(33)、培养模拟容器(34)、监测观察系统(35)、采样装置(36)和数据采集及处理系统(38)；其中：
培养模拟容器(34)为上开口的封闭结构，通过开口与第二连接端连接；海水注入系统(31)、气体注入系统(32)、环壁温度控制系统(33)设置在培养模拟容器(34)上；
在样品进入培养模拟容器(34)之前，先在培养模拟容器(34)内搭建基本的深海环境；接着，将培养模拟容器(34)连接到第二连接端；
通过所述环壁温度控制系统(33)根据控制模块(4)接收到的环境参数对培养模拟容器(34)内部的温度进行调整，使之与采样环境保持一致；此时操作旋转层，使得隔断层、旋转层上的通孔重合，将采样舱(12)内的样品转移到培养模拟容器(34)内；
待培养模拟容器(34)内部稳定后，通过气体注入系统(32)向培养模拟容器(34)内注入甲烷流体，同时，通过海水注入系统(31)缓速向培养模拟容器(34)内注入营养液，提供样品培养模拟所需的养分，从而模拟多相环境内的化学、物理、地址和生物变化过程；
所述监测观察系统(35)设置在培养模拟容器(34)内部，实时监测培养模拟容器(34)内的含烃类气、液、沉积物和可燃冰的多相饱和度；
所述采样装置(36)设置在培养模拟容器(34)上，用于实时采集培养模拟容器(34)内的样品进行研究和分析；
所述数据采集及处理系统(38)用于与控制模块(4)、监测观察系统(35)通信连接，实现对数据的采集和存储；同时，实现对海水注入系统(31)、气体注入系统(32)、环壁温度控制系统(33)的智能控制。
8.根据权利要求7所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，所述监测观察系统(35)包括实验传感器组(351)和超声波监测成像监测模块(352)；其中：
所述实验传感器组(351)用于实时监测培养模拟容器(34)内温度、压力的变化情况；
所述超声波监测成像监测模块(352)用于实现对培养模拟容器(34)内的含烃类气、液、沉积物和可燃冰的多相饱和度的实时监测。
9.根据权利要求8所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，在所述培养模拟容器(34)外壁上还设置有一层制冷夹套，用于为培养模拟容器(34)保温。
10.根据权利要求9所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，所述海水注入系统(31)包括海水配置冷却罐(311)、热交换系统(312)、高压海水注入泵(313)、海水质量流量计(314)和调节阀(315)；其中：
所述海水配置冷却罐(311)用于存储待注入培养模拟容器(34)内的海水，通过热交换系统(312)进行降温，当海水配置冷却罐(311)内海水温度与培养模拟容器(34)内部温度一致后，通过高压海水注入泵(313)将海水注入培养模拟容器(34)中；
海水质量流量计(314)用于测量注入海水的流量；调节阀(315)用于控制海水注入培养模拟容器(34)的流速，保证不对培养模拟容器(34)内的环境造成破坏。
11.根据权利要求10所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，在所述培养模拟容器(34)上还设置有背压系统(37)，所述背压系统(37)用于在当海水注入系统(31)向培养模拟容器(34)内注入海水时，将培养模拟容器(34)内原有溶液进行排出，保持培养模拟容器(34)内的压力平衡，同时实现对内部溶液的采样。
12.根据权利要求11所述的深海多相环境原位多维保真模拟装置，其特征在于，所述气体注入系统(32)包括气瓶(321)、缓冲容器(322)、增压泵(323)和空气压缩机(324)；其中：
所述气瓶(321)用于存储甲烷气体，甲烷气体通过增压泵(323)和空气压缩机(324)的压缩增压后注入到缓冲容器(322)中；
所述缓冲容器(322)用于对压缩增压后的甲烷气体进行缓冲，实现甲烷气体稳定地注入培养模拟容器(34)中。
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