CN115452505B - 海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天然气水合物微观探测领域，特别是一种海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置及方法。所述反应釜内沿其轴向中心设有腔体，腔体由上至下分为反应釜上腔体、反应釜下腔体和活塞腔体，反应釜上腔体和反应釜下腔体之间设有烧结金属板，反应釜下腔体的内径尺寸大于反应釜上腔体内径尺寸，内径突变处设置烧结金属板卡槽，烧结金属板设置在烧结金属板卡槽内，烧结金属板的外侧壁与烧结金属板卡槽的内侧壁之间设有环形密封圈I，烧结金属板的下方设有弹簧卡扣，烧结金属板的下方封装有反渗透膜。实现不同静水压力和地层压力条件下沉积物中水合物的生成和分解过程模拟，并联合CT技术实现上述水合物反应过程的实时观测。

Description

海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物微观探测领域，特别是一种海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置及方法。

背景技术

天然气水合物是气体分子和水在低温、高压条件下形成的类冰状的笼型结晶物质，主要分布于海洋大陆边缘和高纬度冻土带。因其储量大、分布广、能量密度高等特征，而被认为是极具潜力的可替代能源。了解水合物在沉积物中的生成和分解过程机理及伴随该过程的储层物性特征变化，是进行水合物资源成藏分析、地球物理勘探和资源开发基础。受限于实际地层中取芯技术和成本，目前含水合物的反应过程机理和物性研究仍是以室内模拟分析为主。研究人员在实验室中利用石英砂、金属颗粒、黏土、甲烷、二氧化碳等材料，通过改变样品的相平衡条件模拟水合物的生成和分解过程，借以分析自然条件下的水合物反应过程及其物性特征变化。

根据水合物在沉积物孔隙中或孔隙间的形态分布特征，可将其划分为孔隙充填型水合物和裂隙型水合物。两种水合物储层的物性差异巨大。日本Nankai海槽和加拿大Blake海台等全球典型水合物储层以砂质沉积物为主，水合物多呈现孔隙充填型；而我国南海神狐海域水合物储层以泥质粉砂为主，裂隙型水合物大量发育。研究表明，水合物生长过程中的受力情况是影响该类型水合物赋存形态的关键因素。在细沉积物颗粒、较强地层压力条件下水合物更倾向于形成裂隙型水合物。现有水合物实验研究，仅能通过施加静水压力分析水合物在沉积物中生成及分解情况，地层压力对水合物赋存形态的影响往往被忽略。尤其针对细颗粒沉积物中裂隙型水合物形成过程的物理模拟，现有研究中未见报道。因而，研制一种海底沉积物受力条件下水合物反应过程模拟的实验装置并形成观测方法，分析静水压力、地层应力、沉积物物性等因素对水合物赋存形态及沉积物孔隙结构特征的影响，对于水合物的形成机理、储层物性、开采特征等研究均有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置及方法，实现不同静水压力和地层压力条件下沉积物中水合物的生成和分解过程模拟，并联合CT技术实现上述水合物反应过程的实时观测，从而分析海底受力条件下水合物反应过程的微观机理及其影响因素，为水合物资源的成藏分析、地球物理探测、储层开采机理研究提供有力支持。

本发明的技术方案是：一种海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置，包括反应釜模块、温度控制模块、流体注入模块和应力施加模块，反应釜模块包括反应釜，其中，

所述反应釜内沿其轴向中心设有腔体，腔体由上至下分为反应釜上腔体、反应釜下腔体和活塞腔体，反应釜上腔体和反应釜下腔体之间设有烧结金属板，反应釜下腔体的内径尺寸大于反应釜上腔体内径尺寸，内径突变处设置烧结金属板卡槽，烧结金属板设置在烧结金属板卡槽内，烧结金属板的外侧壁与烧结金属板卡槽的内侧壁之间设有环形密封圈I，烧结金属板的下方设有弹簧卡扣，烧结金属板通过环形密封圈I和弹簧卡扣固定在烧结金属板卡槽内，烧结金属板的下方封装有反渗透膜；

所述反应釜上腔体的顶部开口处设有反应釜上端密封盖，反应釜上端密封盖与反应釜腔体内壁的顶部密封固定连接，反应釜上端密封盖内贯通设置流体注入孔，流体注入孔与流体注入模块连接；

所述反应釜下腔体的底部设有可移动活塞，可移动活塞的顶端与反应釜下腔体内的沉积物样品直接接触，可移动活塞的底端与反应釜下端密封盖、反应釜腔体内壁组成活塞腔体，活塞腔体的侧面下部设有流体注入口，应力施加模块通过驱动流体注入口与活塞腔体连通；

所述活塞腔体的底部开口处设有反应釜下端密封盖，反应釜下端密封盖与反应釜腔体内壁的底部密封固定链连接；

所述反应釜上腔体和反应釜下腔体的外侧设有冷却循环液腔体，冷却循环液腔体的侧壁与反应釜外壁之间密封固定连接，冷却循环液腔体侧壁的底部设有冷却循环液入口，冷却循环液腔体侧壁的底顶部设有冷却循环液出口，冷却循环液入口和冷却循环液出口分别与温度控制模块连接。

本发明中，所述反应釜上端密封盖通过螺纹连接的方式与反应釜腔体内壁固定连接，反应釜上端密封盖和反应釜腔体内壁之间设有环形密封圈II；

所述反应釜下端密封盖通过螺纹连接的方式与反应釜腔体内壁固定连接，反应釜下端密封盖和反应釜腔体内壁之间设有环形密封圈。

所述流体注入模块用于水合物反应实验中的流体注入和静水压力控制，包括供气瓶、供气阀门、气体增压泵、平流泵和三通阀门，供气瓶通过进气管路与流体注入孔连接，该进气管路上依次设有供气阀门、气体增压泵、平流泵和三通阀门。

所述温度控制模块包括控温仪，控温仪分别通过橡胶软管与冷却循环液入口和冷却循环液出口连接，通过控温仪对水合物反应过程中进行温度控制。

所述应力施加模块包括高压流体注入泵、压力表和流体注入阀门，高压流体注入泵通过连接管路与驱动流体注入口连通，连接管路上依次设有压力表和流体注入阀门。

该装置还包括尾气处理单元，尾气处理单元通过三通阀门与反应釜连接，尾气处理单元与三通阀门的连接管路上设有尾气阀门。实验完成后产生的废气通过尾气处理单元进行处理。

本发明还包括一种利用上述装置进行海底受力条件下水合物反应过程模拟观测的方法，其中，包括以下步骤：

S1.实验准备：

对装置进行连接和装配,依据实验目的配置沉积物岩土样品和孔隙水，将岩土样品与孔隙水充分混合后，量取合适体积样品装入反应釜下腔体内；

S2.排空：

将反应釜置于CT设备样品台上，并将真空泵通过流体注入孔与反应釜连接，逐步增加真空泵的抽气速率，对沉积物样品进行抽真空处理，直至通过CT叠加投影观测到沉积物样品中不再有气泡产生；

S3.脱水过程及其观测：

打开流体注入阀门,开启高压流体注入泵，向反应釜活塞腔体内注入带压流体，通过可移动活塞对反应釜下腔体内的沉积物样品施加轴向应力，施加压力从常压逐步增加至预设定地层压力，压力施加过程中通过压力表Ⅱ观测压力变化；

当达到设定的地层压力后，关闭流体注入阀门，轴向施压过程促使沉积物脱水，沉积物样品中的孔隙水会缓慢流出，并通过反渗透膜和烧结金属板流入反应釜上腔体中；在脱水过程前后以及脱水过程中，对沉积物样品进行CT扫描，获得饱和水沉积物在脱水过程中的孔隙空间灰度图像；

S4.水合物生成过程模拟与观测：

沉积物脱水过程完成以后，打开供气阀门、气体增压泵、平流泵和三通阀门，通过气体增压泵和平流泵向反应釜上腔体中注入高压气体，增加施加在沉积物样品上的静水压力，通过压力表Ⅰ观测到反应釜内压力稳定后，关闭三通阀门；

然后，开启控温仪，利用冷却液控制反应釜内的温度，静置反应釜，直至水合物生成，水合物生成过程中通过CT扫描获取水合物生成过程中的沉积物孔隙空间灰度图像；

S5.尾气处理和装置清洗。

本发明中，上述步骤S4完成后，如需观测水合物分解过程中的沉积物孔隙性质变化，可以通过降低反应釜内的静水压力或通过控温仪增加反应釜内的温度诱发水合物发生分解，打开尾气阀门，通过尾气处理单元对水合物分解产生的有害气体进行处理，水合物分解的过程中，通过CT扫描获得沉积物样品孔隙空间的灰度图像。

上述步骤S5中，通过尾气处理单元观测到不再有气泡产生视作水合物分解过程结束；拆卸反应釜上下端密封盖，取出可移动活塞、金属烧结板，对反应釜腔体和管线进行清洗和烘干。

本发明的有益效果是：

(1)能够模拟海洋沉积物所处的真实温压条件，实现不同静水压力和地层压力条件下沉积物中水合物的生成和分解过程模拟，增强室内模拟实验对工程的指导意义；

(2)能够模拟含黏土沉积物中水合物的生成和分解过程，为了解裂隙型水合物的生成和分解机理提供了有效手段；

(3)能够综合评价静水压力、地层应力、温度、沉积物物性等地质因素对水合物反应过程的影响；

(3)能够与CT扫描实验相结合，实现水合物反应过程中沉积物微观孔隙结构特征的有效探测。

附图说明

图1是本发明中海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置的连接结构示意图；

图2是反应釜的结构示意图。

图中：1反应釜；2尾气处理单元；3供气瓶；4供气阀门；5气体增压泵；6平流泵；7尾气阀门；8三通阀门；9压力表I；10控温仪；11高压流体注入泵；12压力表II；13流体注入阀门；14平板探测器；15X射线源；16流体注入孔；17反应釜上端密封盖；18冷却循环液出口；19反应釜上腔体；20烧结金属板卡槽；21反渗透膜；22弹簧卡扣；23反应釜下腔体；24可移动活塞；25活塞腔体；26反应釜下端密封盖；27反应釜腔体内壁；28驱动流体注入口；29冷却循环液入口；30环形密封圈I；31烧结金属板；32冷却循环液腔体；33环形密封圈II。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明所述的海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置包括反应釜模块、温度控制模块、流体注入模块和应力施加模块，温度控制模块、流体注入模块和应力施加模块分别与反应釜模块连接。反应釜模块包括反应釜1，反应釜1用作海底受力条件下水合物反应过程的容器场所。本实施例中，反应釜1的高度为156.5mm，外径56mm，由铝合金材料制成，最大工作压力为10MPa。流体注入模块用于水合物反应实验中的流体注入和静水压力控制，包括供气瓶3、供气阀门4、气体增压泵5、平流泵6、三通阀门8和压力表I 9，供气瓶3通过进气管路与反应釜1连接，该进气管路上依次设有供气阀门4、气体增压泵5、平流泵6和三通阀门8。温度控制模块包括控温仪10，控温仪10与反应釜1之间通过橡胶软管连接，通过控温仪对水合物反应过程中进行温度控制。本实施例中，控温仪10的控温范围为-10～30℃，控温精度为0.1℃。应力施加模块包括高压流体注入泵11、压力表II12和流体注入阀门13，高压流体通过应力施加模块流入反应釜1的底部，主要用于沉积物样品排空和脱水处理、水合物反应过程中的地层应力施加。

该装置还包括尾气处理单元2，尾气处理单元2通过三通阀门8与反应釜1连接，尾气处理单元2与三通阀门8的连接管路上设有尾气阀门7。实验完成后产生的废气通过尾气处理单元2进行处理。

如图2所示，反应釜1内沿其轴向中心设有腔体，腔体由上至下分为反应釜上腔体19、反应釜下腔体23和活塞腔体25，反应釜上腔体19和反应釜下腔体23之间设有烧结金属板31，即通过烧结金属板31实现反应釜上腔体19和反应釜下腔体23之间的分隔。反应釜下腔体23的内径尺寸大于反应釜上腔体19内径尺寸，内径突变处设置烧结金属板卡槽20。烧结金属板31设置在烧结金属板卡槽20内，烧结金属板31的外侧壁与烧结金属板卡槽20的内侧壁之间设有环形密封圈I 30，烧结金属板31的下方设有弹簧卡扣22，本实施例中的弹簧卡扣可以采用孔用弹性挡圈。烧结金属板31通过环形密封圈I 30和弹簧卡扣22固定在烧结金属板卡槽20内，从而将烧结金属板31固定在下腔体23的顶端。烧结金属板31的下方封装有反渗透膜21。通过设置烧结金属板31和反渗透膜21，实现了样品脱水和水合物反应过程中的流固体分离。在实际实验中需根据沉积物样品特征选择合适过滤精度的烧结金属板。

反应釜上腔体19的顶部开口处设有反应釜上端密封盖17，反应釜上端密封盖17通过螺纹连接的方式与反应釜腔体内壁27固定连接，反应釜上端密封盖17和反应釜腔体内壁27之间设有环形密封圈II 33，通过环形密封圈II 33实现了反应釜上端密封盖17和反应釜腔体内壁27之间的密封连接。反应釜上端密封盖17内贯通设置流体注入孔16，流体注入孔16与流体注入模块连接，流体注入模块通过流体注入孔16将流体注入反应釜上腔体19内。

反应釜下腔体23的底部设有可移动活塞24。可移动活塞24的顶端与反应釜下腔体23内的沉积物样品直接接触，可移动活塞24的底端与反应釜下端密封盖26、反应釜腔体内壁27组成活塞腔体25。反应釜1的下部设有驱动流体注入口28，应力施加模块通过驱动流体注入口28与活塞腔体25连通。应力施加模块产生的高压流体通过驱动流体注入口28进入反应釜底部的活塞腔体25，在活塞腔体25内产生高压驱动，使可移动活塞24对反应釜下腔体23内的样品产生轴向应力。

活塞腔体25的底部开口处的反应釜下端密封盖26通过螺纹连接的方式与反应釜腔体内壁27固定连接，反应釜下端密封盖26和反应釜腔体内壁27之间设有环形密封圈，通过环形密封圈实现了反应釜下端密封盖26和反应釜腔体内壁27之间的密封连接。

反应釜上腔体和反应釜下腔体的外侧设有冷却循环液腔体32，冷却循环液腔体的侧壁与反应釜外壁之间密封固定连接，冷却循环液腔体侧壁的底部设有冷却循环液入口29，冷却循环液腔体侧壁的底顶部设有冷却循环液出口18，冷却循环液入口29和冷却循环液出口18分别与控温仪10连接，经控温仪10处理之后的冷却液通过冷却循环液入口29进入冷却循环液腔体32的底部，在冷却循环液腔体32内循环流动，并通过冷却循环液出口18流出至控温仪10内。冷却液在冷却循环液腔体32内流动的过程中，控制反应釜1内的温度。

在通过本实验装置进行水合物反应过程观察时，将反应釜1放置于CT样品台，X射线源15发射的X射线透过反应釜1内的样品被平板探测器14接收，经过信号处理后转化了可用于图形计算的CT灰度图像。

本发明还包括一种利用上述装置进行海底受力条件下水合物反应过程模拟观测的方法，该方法包括以下步骤。

第一步，实验准备，对装置进行连接和装配。

根据图1所示，将反应釜模块、温度控制模块、流体注入模块和应力施加模块进行连接和装配。依据所用的沉积物样品物性选择并放置烧结金属板31和反渗透膜21。依据实验目的配置沉积物岩土样品和孔隙水，将岩土样品与孔隙水充分混合后，量取合适体积样品装入反应釜下腔体23内。

第二步，排空。

将反应釜1置于CT设备的样品台上。将真空泵通过流体注入孔16与反应釜1连接，关闭流体注入阀门13。逐步增加真空泵抽气量，对样品进行抽真空处理。目的在于排出沉积物样品中的气泡，使沉积物样品完全水饱和。通过CT叠加投影观测到沉积物样品中不再有气泡产生时，即认为沉积物样品已经达到完全水饱和状态。

第三步，脱水过程及其观测。

开启高压流体注入泵11，打开流体注入阀门13，向反应釜活塞腔体25内注入带压流体，通过可移动活塞24对反应釜下腔体23内的沉积物样品施加轴向应力。施加压力从常压逐步增加至预设定地层压力，压力施加过程中通过压力表II 12观测压力变化。实际实验过程中，预设定地层压力可以通过分析目标地层的压力系数和深度数据求取，也可以根据研究目的进行设定。本实施例中的预设定地层压力为2MPa。

当达到预设定的地层压力后，关闭流体注入阀门13。轴向施压过程促使沉积物脱水，沉积物样品中的孔隙水会缓慢流出，并通过反渗透膜21和烧结金属板31流入反应釜上腔体19中。在脱水过程前后以及脱水过程中，对沉积物样品进行CT扫描，获得饱和水沉积物在脱水过程中的孔隙空间灰度图像。

第四步，水合物生成过程模拟与观测。

通过CT叠加投影观测到沉积物体积不再有明显变化时，认为脱水过程完成。随后，打开供气阀门4、气体增压泵5、平流泵6和三通阀门8，通过气体增压泵5和平流泵6向反应釜上腔体19中注入高压气体，增加施加在沉积物样品上的静水压力。通过压力表I 9观测到反应釜内压力稳定后，关闭三通阀门8，并拆卸流体注入模块的相关部件。

然后，开启控温仪10，利用冷却液控制反应釜1内的温度，静置反应釜，直至水合物生成。由于不同类型的水合物生成所需要的温压条件不同，因此上述过程中涉及的静水压力和反应温度，根据合成水合物的相平衡曲线进行确定。水合物生成过程中通过CT扫描获取水合物生成过程中的沉积物孔隙空间灰度图像。不同类型水合物所需要的生成时间在几个小时到几周不等，测试过程中需根据样品的类型确定合理的CT扫描时刻和次数。

第五步，水合物分解过程模拟和观测。

如需观测水合物分解过程中的沉积物孔隙性质变化，可以在水合物生成完成后，通过开启三通阀门8降低反应釜1内的静水压力，或通过控温仪10增加反应釜1内的温度促使水合物发生分解。同时，打开尾气阀门7，通过尾气处理单元2对水合物分解产生的有害气体进行处理。

水合物分解的过程中，通过CT扫描获得沉积物样品孔隙空间的灰度图像。水合物分解过程中的CT扫描时刻根据水合物总的分解时间进行确定，每次扫描时需要将三通阀门8关闭并静置沉积物样品2小时以上，使水合物的分解状态达到稳定。

第六步，尾气处理和装置清洗。

通过尾气处理单元2观测到不再有气泡产生视作水合物分解过程结束。随后，拆卸反应釜上端密封盖17、反应釜下端密封盖26，取出可移动活塞24、金属烧结板31和反渗透膜21，对反应釜上腔体19和反应釜下腔体23进行清洗，并烘干。如实验中注入的高压流体为卤水，则需要对液体注入管线用清水清洗，并烘干。

对于上述测试过程中获得的不同水合物生成阶段/分解阶段的CT灰度图像，可以通过图像处理软件，例如Avizo进行建模分析；通过含水合物沉积物中不同相态，例如水合物相、水相、沉积物相、气相等的灰度差别进行相态分割，计算相关孔隙结构参数。再结合测试过程中获得的温度、压力等数据结果，分析温压条件、沉积物性质等因素不同赋存类型水合物的影响规律和机理，以及不同赋存类型水合物的分解特征。

实施例1

本实施例中，以纯高岭土样品中的四氢呋喃水合物生成过程为例，对海底受力条件下水合物反应过程模拟观测方法进行详细说明。本实施例中，该方法包括以下具体步骤。

第一步，实验准备。

根据图1所示，连接管线和各个模块。本实施例中，选用3μm过滤精度的烧结金属板31和1μm过滤精度的反渗透膜21，并将烧结金属板31固定在烧结金属板卡槽20内，反渗透膜21设置在烧结金属板卡槽20的底部。按照体积比为水：四氢呋喃＝4:1的比例配置四氢呋喃溶液，称取15g高岭土样品，将高岭土样品与配置好的四氢呋喃溶液充分混合，将混合好的沉积物样品装入反应釜下腔体23内。

第二步，排空。

将反应釜置于CT设备样品台上，并将真空泵通过流体注入孔16与反应釜1连接，设定初始真空泵抽气量为2ml/s,并逐步增加到5ml/s，并沉积物样品进行抽真空处理，直至通过CT叠加投影观测到沉积物样品中不再有气泡产生。

第三步，脱水处理，并对脱水过程进行观测。

开启高压流体注入泵11，打开流体注入阀门13，向反应釜的活塞腔体25内注入带压流体，通过可移动活塞24对反应釜下腔体23内的沉积物样品施加轴向应力。施加压力从常压逐步增加至2MPa，压力施加过程中通过压力表II 12观测压力变化。

关闭流体注入阀门13，将反应釜1与流体注入模块分离。轴向施压过程中，沉积物样品中的孔隙水慢慢流出，并通过反渗透膜21和烧结金属板31流入反应釜上腔体19中。

在脱水过程开始前对沉积物样品进行CT扫描，同时在脱水过程中每间隔30分钟进行一次CT扫描，获得饱和水沉积物在脱水过程中的孔隙空间灰度图像。

第四步，水合物生成过程模拟与观测。

通过CT叠加投影观测到沉积物体积不再有明显变化时，认为脱水过程完成。随后，打开供气阀门4、气体增压泵5、平流泵6和三通阀门8，通过气体增压泵5和平流泵6向反应釜上腔体19中注入氮气，逐步增加气体压力至3MPa。通过压力表I 9观测到反应釜内压力稳定后，关闭三通阀门8，并拆卸气体注入单元相关组件。

然后，开启控温仪10，设定控制温度为1℃，通过冷却液在冷却循环液腔体32内的循环流动，降低反应釜1内的温度至1℃。静置反应釜，开始水合物生成过程。水合物生成前，通过CT扫描获取沉积物孔隙空间灰度图像；水合物生成过程中，每间隔1小时，对沉积物样品进行CT扫描，获取水合物生成过程中沉积物孔隙空间的灰度图像。CT扫描过程中保持控温仪10与反应釜1的连接，以保证反应釜1内的温度始终处于低温状态。

第五步，尾气处理和装置清洗。

测试完成后，将尾气处理单元2通过三通阀门8与流体注入孔16连接，缓慢打开尾气阀门7，导出尾气进行处理。拆卸反应釜上端密封盖17、反应釜下端密封盖26，取出可移动活塞24，取出金属烧结板31和反渗透膜21，对反应釜上腔体19和反应釜下腔体23进行清洗，并烘干。

以上对本发明所提供的海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置，包括反应釜模块、温度控制模块、流体注入模块和应力施加模块，反应釜模块包括反应釜(1)，其特征在于，

所述反应釜(1)内沿其轴向中心设有腔体，腔体由上至下分为反应釜上腔体(19)、反应釜下腔体(23)和活塞腔体(25)，反应釜上腔体(19)和反应釜下腔体(23)之间设有烧结金属板(31)，反应釜下腔体(23)的内径尺寸大于反应釜上腔体(19)内径尺寸，内径突变处设置烧结金属板卡槽(20)，烧结金属板(31)设置在烧结金属板卡槽(20)内，烧结金属板(31)的外侧壁与烧结金属板卡槽(20)的内侧壁之间设有环形密封圈I(30)，烧结金属板(31)的下方设有弹簧卡扣(22)，烧结金属板(31)通过环形密封圈I(30)和弹簧卡扣(22)固定在烧结金属板卡槽(20)内，烧结金属板(31)的下方封装有反渗透膜(21)；

所述反应釜上腔体(19)的顶部开口处设有反应釜上端密封盖(17)，反应釜上端密封盖(17)与反应釜腔体内壁(27)的顶部密封固定连接，反应釜上端密封盖(17)内贯通设置流体注入孔(16)，流体注入孔(16)与流体注入模块连接；

所述反应釜下腔体(23)的底部设有可移动活塞(24)，可移动活塞(24)的顶端与反应釜下腔体内的沉积物样品直接接触，其底端与反应釜下端密封盖(26)、反应釜腔体内壁(27)组成活塞腔体(25)，活塞腔体(25)的侧面下部设有驱动流体注入口(28)，应力施加模块通过驱动流体注入口(28)与活塞腔体(25)连通；

所述活塞腔体(25)的底部开口处设有反应釜下端密封盖(26)，反应釜下端密封盖(26)与反应釜腔体内壁(27)的底部密封固定连接；

所述反应釜上腔体和反应釜下腔体的外侧设有冷却循环液腔体(32)，冷却循环液腔体的侧壁与反应釜外壁之间密封固定连接，冷却循环液腔体侧壁的底部设有冷却循环液入口(29)，冷却循环液腔体侧壁的底顶部设有冷却循环液出口(18)，冷却循环液入口(29)和冷却循环液出口(18)分别与温度控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置，其特征在于，所述反应釜上端密封盖(17)通过螺纹连接的方式与反应釜腔体内壁(27)固定连接，反应釜上端密封盖(17)和反应釜腔体内壁(27)之间设有环形密封圈II(33)；

所述反应釜下端密封盖(26)通过螺纹连接的方式与反应釜腔体内壁(27)固定连接，反应釜下端密封盖(26)和反应釜腔体内壁(27)之间设有环形密封圈。

3.根据权利要求1所述的海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置，其特征在于，所述流体注入模块用于水合物反应实验中的流体注入和静水压力控制，包括供气瓶(3)、供气阀门(4)、气体增压泵(5)、平流泵(6)、三通阀门(8)和压力表I(9)，供气瓶(3)通过进气管路与流体注入孔(16)连接，该进气管路上依次设有供气阀门(4)、气体增压泵(5)、平流泵(6)和三通阀门(8)。

4.根据权利要求1所述的海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置，其特征在于，所述温度控制模块包括控温仪(10)，控温仪(10)分别通过橡胶软管与冷却循环液入口(29)和冷却循环液出口(18)连接。

5.根据权利要求1所述的海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置，其特征在于，所述应力施加模块包括高压流体注入泵(11)、压力表II(12)和流体注入阀门(13)，高压流体注入泵(11)通过连接管路与驱动流体注入口(28)连通，连接管路上依次设有压力表II(12)和流体注入阀门(13)。

6.根据权利要求1所述的海底受力条件下水合物反应过程模拟观测装置，其特征在于，该装置还包括尾气处理单元(2)，尾气处理单元(2)通过三通阀门(8)与反应釜(1)连接，尾气处理单元(2)与三通阀门(8)的连接管路上设有尾气阀门(7)。

7.一种利用权利要求1-6任一权利要求所述装置进行海底受力条件下水合物反应过程模拟观测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.实验准备：

对装置进行连接和装配,依据实验目的配置沉积物岩土样品和孔隙水，将岩土样品与孔隙水充分混合后，量取合适体积样品装入反应釜下腔体内；

S2.排空：

将反应釜置于CT设备样品台上，并将真空泵通过流体注入孔与反应釜连接，逐步增加真空泵的抽气速率，对沉积物样品进行抽真空处理，直至通过CT叠加投影观测到沉积物样品中不再有气泡产生；

S3.脱水过程及其观测：

打开流体注入阀门,开启高压流体注入泵，向反应釜活塞腔体内注入带压流体，通过可移动活塞对反应釜下腔体内的沉积物样品施加轴向应力，施加压力从常压逐步增加至预设定地层压力，压力施加过程中通过压力表II观测压力变化；

当达到设定的地层压力后，关闭流体注入阀门，轴向施压过程促使沉积物脱水，沉积物样品中的孔隙水会缓慢流出，并通过反渗透膜和烧结金属板流入反应釜上腔体中；在脱水过程前后以及脱水过程中，对沉积物样品进行CT扫描，获得饱和水沉积物在脱水过程中的孔隙空间灰度图像；

S4.水合物生成过程模拟与观测：

沉积物脱水过程完成以后，打开供气阀门、气体增压泵、平流泵和三通阀门，通过气体增压泵和平流泵向反应釜上腔体中注入高压气体，增加施加在沉积物样品上的静水压力，通过压力表Ⅰ观测到反应釜内压力稳定后，关闭三通阀门；

然后，开启控温仪，利用冷却液控制反应釜内的温度，静置反应釜，直至水合物生成，水合物生成过程中通过CT扫描获取水合物生成过程中的沉积物孔隙空间灰度图像；

S5.尾气处理和装置清洗。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，上述步骤S4完成后，如需观测水合物分解过程中的沉积物孔隙性质变化，可以通过降低反应釜内的静水压力或通过控温仪增加反应釜内的温度诱发水合物发生分解，打开尾气阀门，通过尾气处理单元对水合物分解产生的有害气体进行处理；水合物分解的过程中，通过CT扫描获得沉积物样品孔隙空间的灰度图像。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，上述步骤S5中，通过尾气处理单元观测到不再有气泡产生视作水合物分解过程结束；拆卸反应釜上下端密封盖，取出可移动活塞、金属烧结板，对反应釜腔体和管线进行清洗和烘干。

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