CN118091086A - 一种基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置，包括高压笼形实验舱体、多向变温控制模块、增容式导流通道、多功能分布式监测模块、数据采集控制模块、注水装置、气源供给装置；高压笼形实验舱体内部设置有空舱的渗漏中心室，渗漏中心室内部设置有增容式导流通道，高压笼形实验舱体的渗漏中心室的外围空间填充环境物质，外围空间的端面设置有多个孔位，多功能分布式监测模块和注水装置通过孔位置入，多向变温控制模块在三维空间设置温度调节分支且设置于渗漏中心室，增容式导流通道连接气源供给装置。本发明实施例更符合实际地模拟“渗漏型”水合物成藏富集过程和规律，可广泛应用于海洋工程技术领域。

Description

一种基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置。

背景技术

天然气水合物资源是一种重要的新型矿产资源，且资源潜力巨大，国际上主要国家都在加大水合物勘探开发的力度。自然界中天然气水合物主要分布在陆域冻土带和深海陆坡环境中，且其分布与地层温度、压力条件密切相关。在不同的地质背景下，水合物的分布特征及富集规律具有显著差异性。然而，自然界中水合物的形成过程较缓慢，且对温度和压力的条件较为苛刻，难以直接进行观测。目前，主要通过开展室内实验，模拟水合物形成的原位地层（温度、压力）条件，观察水合物的形成过程及空间分布规律，进而为服务水合物勘探方向及钻探部署提供指导。

水合物稳定域条件是影响水合物藏能否形成的关键因素。温度条件作为影响水合物稳定域的重要控制变量，是控制“渗漏型”水合物分布聚集规律和动态演化的重要参数。现有实验模拟装置、技术方法，更多关注较为普遍的“扩散型水合物”形成模拟及要素控制，而较少关注“渗漏型”水合物成藏规律，对于“渗漏型”水合物的重要控制变量，即“温度场”的表征模拟装置较少，制约了对自然界中广泛分布的“渗漏型”水合物成藏富集规律的揭示。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题之一，本发明实施例的目的是提供一种基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置，更符合实际地模拟“渗漏型”水合物成藏富集过程和规律。

一方面，本发明实施例提供了一种基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置，包括高压笼形实验舱体、多向变温控制模块、增容式导流通道、多功能分布式监测模块、数据采集控制模块、注水装置、气源供给装置；其中，所述高压笼形实验舱体内部设置有空舱的渗漏中心室，所述渗漏中心室内部设置有增容式导流通道，所述高压笼形实验舱体的渗漏中心室的外围空间填充环境物质，所述外围空间的端面设置有多个孔位，所述多功能分布式监测模块和所述注水装置通过孔位置入，所述多向变温控制模块在三维空间设置温度调节分支且设置于所述渗漏中心室，所述增容式导流通道连接所述气源供给装置，所述数据采集控制模块连接所述多向变温控制模块、所述多功能分布式监测模块、所述注水装置和所述气源供给装置。

可选地，所述多向变温控制模块包括主加热电极和辅助加热电极，所述主加热电极通过热导率感应器连接所述辅助加热电极。

可选地，所述主加热电极与所述高压笼形实验舱体的轴线平行，所述辅助加热电极与所述高压笼形实验舱体的轴线成预设夹角。

可选地，所述辅助加热电极与所述高压笼形实验舱体的轴线垂直，所述辅助加热电极包括相互垂直的第一电极和第二电极。

可选地，所述增容式导流通道包括封闭扇叶的可调节空间结构。

可选地，所述增容式导流通道通过温控感应器连接所述主加热电极。

可选地，所述多功能分布式监测模块包括温度传感器系列、甲烷浓度传感器系列、电阻率传感器系列、声波速度传感器系列中的任意一种或多种，任意一种传感器序列在测量线上设置多个测量点。

可选地，所述注水装置包括水压控制器和压力缓冲阀。

可选地，所述模拟装置还包括记录模块，所述记录模块包括摄像装置，所述记录模块连接所述数据采集控制模块。

可选地，所述模拟装置还包括水浴循环模块，所述水浴循环模块包括冷却水槽、水浴套舱和温压控制器，所述水浴套舱设置在所述高压笼形实验舱体的外部，所述温压控制器连接所述水浴套舱和冷却水槽。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置包括高压笼形实验舱体、多向变温控制模块、增容式导流通道、多功能分布式监测模块、数据采集控制模块、注水装置和气源供给装置，多向变温控制模块在三维空间设置温度调节分支，将“温度场”这个重要变量条件引入水合物形成模拟过程中，可调节地温梯度，更真实的模拟真实地质环境，不同含气热流体活动强度背景下，地层实际发生的传热（热对流）效应，进而更好的揭示温度场的分布对水合物稳定域演化及对水合物空间差异富集的控制作用，另外，在模拟装置中，通过设置增容式导流通道调节气源供给装置的流量，进而渗透到模拟环境中；通过实验舱体不同位置设置多功能分布式传感器，实时采集空间不同位置的监测指标，从而更符合实际地模拟“渗漏型”水合物成藏富集过程和规律。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种高压笼形实验舱体的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种多向变温控制模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种增容式导流通道的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种多功能分布式监测模块的分布示意图；

图6是本发明实施例提供的一种水浴循环模块的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种水合物稳定域空间预测的分布图；

图8是本发明实施例提供的一种水合物饱和度的指示图；

图9是本发明实施例提供的一种水合物的图片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

下面对一些专业术语进行说明。

水合物：水分子和气体分子在低温、高压条件下结合形成的一种矿物晶体，常赋存于海洋环境或者陆地冻土带，是一种潜在的、能量巨大的清洁能源（本发明实施例中的水合物专指海洋环境中的水合物）。

水合物稳定域：水合物只能在某些特定的较低温度和较高压力条件下才能形成，超出相应的温度或压力范围水合物便不能形成，或者导致已经形成的水合物发生分解。通常将水合物稳定形成和聚集的区域（或温度、压力条件）叫做水合物稳定域。通常可以用水合物相平衡曲线来指示水合物稳定域范围。

水合物差异富集：水合物在空间（包括平面和垂向）的富集表现出不同的特征及规律。如在距离含气热流体活动较近的区域，通常温度较高，水合物通常难以形成或者丰度比较低；相反，在距离含气热流体活动较远的区域，通常温度较低，水合物越容易形成并稳定聚集。

水合物饱和度：水合物形成会占据沉积物孔隙空间，形成的水合物体积与沉积物孔隙空间体积的比值为水合物饱和度。通常水合物饱和度越高，指示水合物的富集程度也越高。在水合物勘探实践或模拟实验中，常根据电阻率、声波速度等地球物理参数指示水合物饱和度，通常水合物饱和度较高的情况下，对应的实测电阻率、声波速度也越大。相应的，如果在实验过程中测得的电阻率、声波速度较大，通常也指示水合物饱和度较高。

疏导通道：地质环境（地质背景）下，深部地层常因为超压、地质活动等发生破坏，形成一系列通道，地层流体可以沿着这些通道发生运移，故称这些通道为“疏导通道”或“流体疏导通道”。

热流体活动：地质环境下，深部地层流体通常具有较高温度，其常可以沿着疏导通道进入到海底浅层，这一过程叫做热流体活动。在热流体活动过程中，通常会将深部的高温热流体带入至浅层，导致浅层形成高地温场。

温度场：地层温度在空间的分布特征。

地温梯度：温度总是从高温区向低温区传递，衡量温度传递速度的参数叫做地温梯度，通常用每千米温度下降的度数来表示（℃/km）。

电阻率：指示水合物形成及水合物富集程度的电学参数。通常高电阻率反映水合物饱和度较高，指示水合物的富集程度越好；低电阻率反映水合物饱和度较低，指示水合物的富集程度差。

渗漏型水合物：通常指气体分子沿着特定的高效疏导通道，以“渗漏”形式进入到水合物稳定域中，形成的水合物类型。这种类型的水合物通常与深部热流体活动有关，具有较高的甲烷气体通量，常形成高饱和度水合物。在一定的空间范围内，水合物富集特征具有较明显差异，通常仅在渗漏通道内局部范围有水合物分布，渗漏通道以外范围内无水合物形成。

扩散型水合物：通常指气体分子，以“扩散”形式进入到水合物稳定域中，形成的水合物类型。这种类型的水合物与深部热流体活动无显著关系有关，具有较低的甲烷气体通量，常形成低饱和度水合物，在一定的空间范围内，水合物富集特征基本一致，不同空间位置无显著差异。

参阅图1和图2，图1表示基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置的结构示意图，图2（a）表示高压笼形实验舱体的立体图，图2（b）表示高压笼形实验舱体的俯视图，本发明实施例提供了一种基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置，包括高压笼形实验舱体1-1、多向变温控制模块1-2、增容式导流通道1-3、多功能分布式监测模块1-4、数据采集控制模块1-5、注水装置1-7、气源供给装置1-8；其中，高压笼形实验舱体1-1内部设置有空舱的渗漏中心室1-1-1，渗漏中心室1-1-1内部设置有增容式导流通道1-3，高压笼形实验舱体1-1的渗漏中心室1-1-1的外围空间填充环境物质1-1-4，外围空间的端面设置有多个孔位1-1-2和1-1-3，多功能分布式监测模块1-4通过孔位1-1-3置入，注水装置通过孔位1-1-2置入，多向变温控制模块1-2在三维空间设置温度调节分支且设置于渗漏中心室1-1-1，增容式导流通道1-3连接气源供给装置1-8，数据采集控制模块1-5连接多向变温控制模块1-2、多功能分布式监测模块1-4、注水装置1-7和气源供给装置1-8。

高压笼形实验舱体为水合物形成过程中的环境影响模拟因素和指标监测提供场所，多向变温控制模块为模拟过程在三维空间提供需要的变化温度，气源供给装置通过增容式导流通道给模拟环境提供需要的气体流量，注水装置为模拟环境提供需要的压力环境，多功能分布式监测模块为指标监测提供需要的传感器，数据采集控制模块接收监测的指标数据、对指标数据进行处理或展示等、以及对气源供给装置、注水装置、增容式导流通道等进行过程控制。

需要说明的是，高压笼形实验舱体的形状或材料等相关参数根据实际应用确定，如，形态规则、便于安装拆卸、结构稳定，本实施例不做具体限制；例如，采用圆柱体、笼形、长方体或者正方体等。

在一个具体的实施例中，高压笼形实验舱体采用不锈钢材质设计，具有耐大于20Mpa高压特性，可以实现对自然环境中海水深度超过2000m水深条件下的模拟试验。高压笼形实验舱体采用整体空舱设计，并含有顶、底板。笼形实验舱体中部设置渗漏中心室，渗漏中心室是一空舱空间，可以插入增容式导流通道，实现实验模拟气体的注入。增容式导流通道的通径略小于渗漏中心室空舱空间通径，确保可以较顺利的插入。实验过程中，渗漏中心室外围空间充填细粒石英砂等模拟物质，用以模拟深海海洋环境中的细粒沉积。笼形实验舱体的顶板不同平面位置具有多个孔位，用以置入多功能分布式监测模块，实现对反应系统中不同空间位置模拟储层参数信息的读取。此外，高压笼形实验舱体顶部设置有另外的孔位作为注水口，与水压控制装置相连通，通过向反应体系注水，实现对海洋沉积环境的模拟，同时可实现对模拟装置体系反应压力的精准控制（如向反应体系注水压力达到15Mpa，即模拟海洋环境对应的水体深度为1500m）。

数据采集控制模块主要是实现仪器设备连接、软硬件系统集成、参数设置及采集参数记录、利用预先置入的软件对采集数据进行实时成图显示等。

通过设置系统数据传输集总模块，将实时监测的控制变量数据如地温梯度、甲烷气体通量等数据传输到处理软件内，并通过预先设定的水合物相平衡模拟程序，模拟水合物稳定域的动态演化过程，实现三维空间不同位置处水合物相平衡状态的模拟，自动形成水合物有利富集区的范围，实现对水合物的形成演化过程的实时动态监测；同时结合实测的电阻率、声波速度等信息，对影响水合物富集的控制因素进行分析。

在一个具体的实施例中，可以通过在数据采集控制模块中进行参数设置控制模拟实验反应的压力，如设置反应模拟实验压力为15Mpa，以模拟1500m水深条件，即通过数据采集控制模块控制不断向高压笼形实验舱体中注水，使系统压力升高，直到达到预设定的压力条件，注水自动停止。

在一个具体的实施例中，可以通过在数据采集控制模块中进行参数设置控制含气流体（或气体）注入速度；也可以通过数据采集控制模块自动调节增容式导流通道下部旋钮，实现对进气孔大小的控制，进而实现对含气流体（气体）注入通量的控制。

在一个具体的实施例中，可以通过在数据采集控制模块中进行参数设置控制，实现对多向变温控制模块的自动设置。根据模拟实验需要，可以独立控制三维空间的加热效率，实现对不同模拟地质条件、不同传热效率条件的差异性控制。

在一个具体的实施例中，由多功能分布式监测模块记录到的不同空间位置处的温度信息、甲烷浓度信息、电阻率信息、声波速度信息等实时回传到数据采集控制模块中，并且利用系统软件自行形成实时记录图形，实现对水合物稳定域演化、水合物形成分解状况的动态跟踪记录。

可选地，多向变温控制模块包括主加热电极和辅助加热电极，主加热电极通过热导率感应器连接辅助加热电极。

温度条件是控制水合物稳定赋存、差异聚集的重要因素。实际地质条件下，受构造运动、流体活动等复杂因素影响，温度场的空间分布是不均匀的，实现三维空间的温度场模拟和监测，对于揭示温度场分布特征及水合物稳定域演化具有重要意义。本发明实施例提出“多向变温控制模块”结构，通过设置主加热电极和辅助加热电极，通过设置不同的电极加热速率和加热强度，以模拟自然条件下、尤其是复杂热流体活动条件下不同方向的地温梯度状况。

具体地，参阅图3中（a），多向变温控制模块采用镍铬合金设计，多向变温控制模块包括至少3个电极，至少3个电极之间成任意夹角，将其中一个电极作为主加热电极，将另外2个电极作为辅助加热电极，多向变温控制模块通过主加热电极加热，主加热电极通过热导率感应器连接辅助加热电极，将主加热电极的温度传递给辅助加热电极，从而在三维空间进行控制加热。

本发明实施例中，“多向变温控制模块”的结构设计，创新性地引入了辅助加热电极，改变了以往单纯模拟垂向地温梯度变化（即只设置垂向方向电极）的局限。主加热电极与辅助加热电极之间通过热导率感应器相连接，热导率感应器测定的模拟地层热导率信号强度，决定了主加热电极对辅助加热电极的热激发强度，进而建立起主加热电极和辅助加热电极之间的关联联系。这一设计在功能上实现了对不同地质特征、地层结构及不同热导率条件下地层传热效能的有效控制，更有利于温度场的准确刻画和稳定域的模拟。辅助加热电极的设置不仅仅是电极数量的增多，其不但可以通过设置辅助电极延伸方向模拟热传递方向的改变，还可以实现对不同地层条件下（因不同地层条件具有不同的热导率）温度场传递规律的定量刻画。

可选地，主加热电极与高压笼形实验舱体的轴线平行，辅助加热电极与高压笼形实验舱体的轴线成预设夹角。

具体地，参阅图3中（b），将主加热电极与高压笼形实验舱体的轴线平行设置，将高压笼形实验舱体的轴线设置为Z轴，辅助加热电极与高压笼形实验舱体的轴线成预设夹角，预设夹角根据实际应用确定。

可选地，辅助加热电极与高压笼形实验舱体的轴线垂直，辅助加热电极包括相互垂直的第一电极和第二电极。

具体地，参阅图3中（c），将高压笼形实验舱体的轴线设置为Z轴，将主加热电极与高压笼形实验舱体的轴线平行设置，将辅助加热电极相互垂直的第一电极和第二电极分别设置为X轴和Y轴。多向变温控制模块有X、Y、Z三个方向分支，三个分支是连通在一起的，但是每个分支具有独立的温度控制，并与数据采集控制模块相连接。

在一个具体的实施例中，将多向变温控制模块置于渗漏中心室内，用以模拟含气流体渗漏过程中空间温度场（不同方向地温梯度）的变化。X、Y是可以设置成上下移动的，可以通过设置调节旋钮结构，实现对任意空间方位X、Y的调整及电极固定。另外，也可以设计多组X、Y电极，实现对平面任意方向的地温场模拟，电极可以命名为X1、X2、X3…，Y1、Y2、Y3…。

需要说明的是，主加热电极的方向一般设置为垂向（即Z方向），辅助加热电极的方向一般为水平方向（即X、Y方向），但也可以设置为其他任意方向，以模拟真实的或复杂的地质条件或流体活动条件（如模拟高角度的断层带、不整合带、流体渗漏等）热传递特征，热传输效率更高。辅助加热电极的数量可以根据实际应用确定，以实现对空间范围更多方向的传热特征的模拟，模拟构建多个空间方向更精细的地温场。

辅助电极可以设置为“可伸缩”结构，即可以通过设置辅助电极延伸进入地层的长度，进而模拟“热传递”的有效波及范围，进而实现对不同尺度的（局部或大范围）温度场演化的模拟。

在一个具体的实施例中，将多向变温控制模块垂直置于渗漏中心室内，底部可以通过卡槽结构设计，使其保持固定；顶部通过信号传输线与数据采集控制模块相连接。

在一个具体的实施例中，根据模拟实验条件的不同，通过数据采集控制模块对多向变温控制模块不同方向（X、Y、Z方向）地温梯度实现自主设置；另一方面，多向变温控制模块的温度信息可以在数据采集控制模块实现实时数字化显示（以三维红外成像的形式显示）。

在一个具体的实施例中，通过对数据采集控制模块参数设置实现对多向变温控制模块进行通电加热，热量从温控电极组的底部向顶部（Z方向，自下至上）传导，用以模拟含气热流体活动时温度自下部向上部的传导趋势。X、Y方向温控电极分支的设置用以模拟含气热流体在非垂直方向（即平面X、Y方向）的传导。

在一个具体的实施例中，因为Z方向是含气热流体活动的主方向，地层温度沿这个方向变化最快，而X、Y方向是含气热流体活动及热量传播的分支方向，故地层温度沿这个方向变化较小，为与模拟真实地层情况相似，X、Y方向的地温梯度值一般设置为小于Z方向的地温梯度。

在一个具体的实施例中，Z方向温控电极地温梯度的设置与模拟气源充注的通量有关，通常模拟气源的充注通量越大，短时间内有更多的热量汇聚到反应体系中，垂向（Z方向）地温变化最大。X、Y方向的地温梯度设置一方面与Z方向地温梯度有关，通常主热流传播方向地温梯度越高，X、Y方向对应的地温梯度也越高；另一方面，X、Y方向的地温梯度与模拟实验条件及热量传播通道及模拟地层岩性有关。如含气热流体沿断裂或者裂隙等高效疏导通道传播时，其地温梯度即较常规沉积地层地温梯度高，或在泥岩层中传播时地温梯度较砂岩层地层梯度更高，这是由于不同模拟沉积层因颗粒大小、压实程度、含水率不同而具有差异性的热导率、导致热量在其中的扩散和传输具有差异性。

可选地，增容式导流通道包括封闭扇叶的可调节空间结构。

具体地，参阅图4，图4中（a）表示增容式导流通道的立体图，图4中（b）表示增容式导流通道的俯视图，选取具有较高耐压强度的有机玻璃材质，采用类似封闭扇叶的可调节空间结构设计，其底部设置旋钮，通过旋转控制旋钮控制进气孔大小。

可选地，增容式导流通道通过温控感应器连接主加热电极。

增容式导流通道是插入（且固定）在高压笼形实验舱体渗漏中心室内的，一定程度上也可以理解为二者的密闭连接。气源供给装置中气瓶的气体（主要为甲烷气体，也可以含有乙烷、丙烷等）通过气体疏导管线输送到增容式导流通道中，进而通过渗漏中心室扩散到整个高压笼形实验舱体中。气体疏导管线与控制阀门、气体流量计相连接，并插入到增容式导流通道的底部，以提供气体供给。控制阀门与数据采集控制模块相连接，实现对阀门启闭及气体流量的有效控制。

在一个具体的实施例中，上述增容式导流通道插入（且固定）到高压笼形实验舱体的渗漏中心室后，将多向变温控制系统垂直置入（并固定）在增容式导流通道内。具体固定方式可以设计为在增容式导流通道外壁打若干通孔，多向变温控制模块的X、Y、Z多方向分支可以穿过通孔，并伸缩至高压笼形实验舱体（即模拟实验装置）的任意位置。数据采集控制模块与多向变温控制模块垂向（Z方向）主加热电极上的温度传感器组相连，即通过数据采集控制模块可以实现对多向变温控制系统（即对X、Y、Z多方向分支）模拟地温梯度的设置。

增容式导流通道是模拟实际地质条件下的气烟囱、泥底辟等通道，其主要是为了模拟水合物形成，提供气源供给。不同的是，本实例中导流通道设置为可增容式，即实现气体通量的可变调整（所谓增容，即通过扩大导流通道的体积，实现甲烷气体通量的改变），与以往固定甲烷气体通量的方案设计有所不同。此外，增容式导流通道与“多向变温控制模块”的主加热电极通过温控感应器相连，即主加热电极的功率越大，即地温梯度越高，对应的增容式导流通道的通径越大，相应的模拟实验气体的通量也越大，这与实际地质条件下，高热流背景下具有较高甲烷通量的情况是一致的。

可选地，多功能分布式监测模块包括温度传感器系列、甲烷浓度传感器系列、电阻率传感器系列、声波速度传感器系列中的任意一种或多种，任意一种传感器序列在测量线上设置多个测量点。

需要说明的是，多功能分布式监测模块中传感器的种类以及每个种类设置的传感器数量根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。

参阅图5，图5表示多功能分布式监测模块的结构示意图，多功能分布式监测模块包括温度传感器系列1-4-1、甲烷浓度传感器系列1-4-2、电阻率传感器系列1-4-3、声波速度传感器系列1-4-4，每个传感器系列均包括上部测量点A、中部测量点B和下部测量点C。具体实施过程中，每一个传感器系列在垂向不同位置处（即上、中、下）设置多个传感器测量点，实现对空间不同位置观测数据的监测和记录。

通过模拟真实地层条件下温度场的空间变化，旨在揭示稳定域演化特征及水合物富集规律，进而服务未来水合物勘探工作。开展水合物形成演化过程中关键科学参数及响应特征的观测和监测，是揭示水合物富集规律的重要内容。

多功能分布式监测模块，其实质是含有温度传感器、甲烷浓度传感器、电阻率传感器、声波速度传感器的传感器探针组合，采用耐高压的包壳保护结构。

多功能分布式监测模块插入到高压笼形实验舱体顶部预留的孔位中。多功能分布式监测模块顶部各传感器组与数据采集控制模块相连接，实现对传感器组记录到的不同空间位置、不同测量变量（包括：电阻率、声波速度、甲烷浓度、温度）等数据信息的记录。

本发明实施例提出的分布式原位监测模块集水合物表征诸多重要参数于一体，采用可扩展的系统结构和分布式监测技术实现对局部范围内平面不同位置、垂向不同深度关键参数的精准监测。本发明实施例突破了以往只对单一参数进行观测记录的技术局限，克服了不同位置处地层非均质性对参数测量精度及对比分析带来误差的不利因素影响，形成了对水合物储层表征关键参数的多元、实时、立体式监测。

需要说明的是，本发明实例中设计多个分布式原位探测器，分别设置在高压笼形实验舱体不同的空间位置，用以模拟监测自然界中真实地质环境下，尤其是存在深部含气热流体活动条件下（如气烟囱、泥火山/泥底辟），在“热流活跃区”、“热流波及区”、“热流背景区”等典型区域位置处水合物富集响应，进而揭示水合物形成和分解行为和演化规律。需要说明的是，分布式原位探测器的数量、位置及探针数量、监测参数可以根据探测目标、内容和监测精度进行结构性调整优化。

可选地，注水装置包括水压控制器和压力缓冲阀。

注水装置通过注水管线与高压笼形实验舱相连，实现在模拟时向反应体系（高压笼形实验舱体）内注水。注水管线上连接有控制阀门、液压泵和流量计。控制阀门实现对注水速度的调节；液压泵为水传输流动提供动力；流量计用以计量水的流量。控制阀门与数据采集控制模块相连，可以实现对注水速度的实时控制及流速显示。

以往的模拟装置多通过管线向高压釜内打压的方式模拟环境压力。由于通过注水形成液压，待试验结束后，由于是液压驱动，直接卸掉压力，无法实现不同静水压力条件的动态模拟。本发明实施例水压控制器上设置有压力缓冲阀，即不会导致压力的瞬间激增或下降，可以通过较为精细的压力调节（压力升高或降低）模拟自然界真实地层环境下海水深度的升降变化，进而揭示静水压力因素对水合物稳定域及水合物富集的影响。

可选地，模拟装置还包括记录模块，记录模块包括摄像装置，记录模块连接数据采集控制模块。

记录模块包括但不限于摄制装置，如摄像机、手机或照相机等，用以记录整个模拟实验过程。摄制装置与数据采集控制模块相连，将拍摄的视频或图像数据实时发送给数据采集控制模块进行存储及显示等。

可选地，模拟装置还包括水浴循环模块，水浴循环模块包括冷却水槽、水浴套舱和温压控制器，水浴套舱设置在高压笼形实验舱体的外部，温压控制器连接水浴套舱和冷却水槽。

参阅图1和图6，水浴循环模块1-6包裹在高压笼形实验舱体1-1的外壁，水浴循环模块1-6用于对富集模拟装置进行温度调控，水浴循环模块1-6包括冷却水槽1-6-1、水浴套舱1-6-2和温压控制器1-6-3。

水浴循环模块以“水浴夹套”的形式固定在高压笼形实现舱体外围，或水浴循环模块“包裹住”高压笼形实验舱体。冷却水槽、水浴套舱和温压控制器通过流体管线连接在一起，形成一个水浴循环回路。含冷却液的低温水体在内部循环，实现对模拟系统的恒压低温水浴控制。数据采集控制模块与水浴循环模块的温压控制器相连接，实现对模拟实验过程中水浴系统温压条件的控制。

水浴循环模块主要是套在高压笼形实验舱体外部，用以在模拟实验反应过程中维持系统恒温，通常需要含冷却液的水槽（用以进行水浴循环）、温压控制器(进行恒温、恒压调节)等辅助设备。

在一个具体的实施例中，多向变温控制模块采用主加热电极和辅助电极的方式给高压笼形实验舱体进行温度控制以模拟试验过程。参阅图7，基于模拟软件实现的水合物稳定域范围预测，换言之，即是从理论计算角度，确定在模拟装置空间上水合物能够形成的理论范围。将相平衡公式直接置入到处理软件中，在实验过程中，利用传感器测定的地温梯度、气体组成等数据，通过处理软件自动完成水合物相平衡曲线作图。参阅图8，通过传感器测定的反映实际形成的水合物丰度的地球物理参数，如电阻率、声波速度等，实现对水合物饱和的定量表征。参阅图9，图9表示摄像装置拍摄的水合物赋存状态。

基于以上模拟装置及整个模拟实验过程实现了根据多向变温控制模块对温度变量控制、水合物相平衡软件模拟（即理论上水合物稳定域空间预测）、富集区指示（通过异常电阻率、声学特征响应指示水合物实际赋存区）、成像证实（即用照片或者视频实际记录水合物的赋存状态），形成这样一个完整的由变量控制、理论预测、参数佐证、到实物照片印证的完整实验模拟技术序列。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置包括高压笼形实验舱体、多向变温控制模块、增容式导流通道、多功能分布式监测模块、数据采集控制模块、注水装置和气源供给装置，多向变温控制模块在三维空间设置温度调节分支，将“温度场”这个重要变量条件引入水合物形成模拟过程中，可调节地温梯度，更真实的模拟真实地质环境、不同含气热流体活动强度背景下，地层实际发生的传热（热对流）效应，进而更好的揭示温度场的分布对水合物稳定域演化及对水合物空间差异富集的控制作用，另外，在模拟装置中，通过设置增容式导流通道调节气源供给装置的流量，进而渗透到模拟环境中；通过实验舱体不同位置设置多功能分布式传感器，实时采集空间不同位置的监测指标，从而更符合实际地模拟“渗漏型”水合物成藏富集过程和规律。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于多向变温控制的水合物差异富集模拟装置，其特征在于，包括高压笼形实验舱体、多向变温控制模块、增容式导流通道、多功能分布式监测模块、数据采集控制模块、注水装置、气源供给装置；其中，所述高压笼形实验舱体内部设置有空舱的渗漏中心室，所述渗漏中心室内部设置有增容式导流通道，所述高压笼形实验舱体的渗漏中心室的外围空间填充环境物质，所述外围空间的端面设置有多个孔位，所述多功能分布式监测模块和所述注水装置通过孔位置入，所述多向变温控制模块在三维空间设置温度调节分支且设置于所述渗漏中心室，所述增容式导流通道连接所述气源供给装置，所述数据采集控制模块连接所述多向变温控制模块、所述多功能分布式监测模块、所述注水装置和所述气源供给装置。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述多向变温控制模块包括主加热电极和辅助加热电极，所述主加热电极通过热导率感应器连接所述辅助加热电极。

3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，所述主加热电极与所述高压笼形实验舱体的轴线平行，所述辅助加热电极与所述高压笼形实验舱体的轴线成预设夹角。

4.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，所述辅助加热电极与所述高压笼形实验舱体的轴线垂直，所述辅助加热电极包括相互垂直的第一电极和第二电极。

5.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述增容式导流通道包括封闭扇叶的可调节空间结构。

6.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，所述增容式导流通道通过温控感应器连接所述主加热电极。

7.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述多功能分布式监测模块包括温度传感器系列、甲烷浓度传感器系列、电阻率传感器系列、声波速度传感器系列中的任意一种或多种，任意一种传感器序列在测量线上设置多个测量点。

8.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述注水装置包括水压控制器和压力缓冲阀。

9.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括记录模块，所述记录模块包括摄像装置，所述记录模块连接所述数据采集控制模块。

10.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括水浴循环模块，所述水浴循环模块包括冷却水槽、水浴套舱和温压控制器，所述水浴套舱设置在所述高压笼形实验舱体的外部，所述温压控制器连接所述水浴套舱和冷却水槽。