CN209387647U - 一种多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，包括水舱、注水喷头、蓄水池、供气罐、集气罐、气体分流管、渗漏空心筒、石英砂、模拟室和集气罩，所述注水喷头设置在水舱内部，注水喷头通过注水管与蓄水池连接；所述模拟室设置在水舱内部，设有若干层模拟室，各层模拟室上铺设有石英砂；在石英砂的最表面以上的水舱内部注满水；水舱内部还设有用于收集气体的集气罩，集气罩通过气体传输管与集气罐连接，集气罐用于存储集气罩收集到的气体，集气罩没入水中；所述供气罐与气体分流管连接，气体分流管伸入至渗漏空心筒的内部。本实用新型通过铺设石英砂模拟海洋海底环境，甲烷作为模拟气体，多变量条件下的海底浅层气渗漏实验的模拟，模拟更准确。

Description

一种多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置

技术领域

本实用新型涉及浅层气模拟装置技术领域，具体是一种多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置。

背景技术

浅层气是指埋藏深度比较浅(一般在1500m以内)、储量比较小的各类天然气资源，因此，许多海底都有浅层气的存在，浅层气可能是浅层生物作用形成的生物成因气，也可能是深部气体沿运移疏导通道进入浅层的热成因气，或是浅层聚集的水合物因温压条件改变而分解所释放产生的气体。

海底浅层地质条件不稳定，浅层气体通常会以扩散或者渗漏的形式向海底运移，进而引起海底浅表层地貌形态的改变。由于海底地质条件复杂多样，气体渗漏对海底地形、地貌的改造效果也不尽相同。其中，海底浅层沉积物的岩性特征、上覆海水的压力、气体渗漏强度、气体渗漏点的位置和渗漏作用持续时间等地质变量对研究浅层气的渗漏特征及对海底微地形、地貌的改造具有重要影响。

在大陆边缘位置的海底海洋沉积物中，温度、压力条件稳定且适宜的区域常会形成天然气水合物。然而，温度、压力条件的改变常会引起水合物稳定域的破坏，导致水合物快速分解并释放出大量的甲烷气体。一方面，这些气体或弥散进入沉积物中或溶解于水中，但大部分逸出海水进入大气，对局部气候环境造成影响；另一方面，水合物分解伴随着气体的急剧膨胀和压力的瞬间释放，对海底浅层沉积物具有明显的改造作用，常形成海底丘状体、海底麻坑、羽状流、海底断裂等典型地质结构。急剧的气体膨胀、泄压释放甚至能引起海底滑塌、海底断裂等地质灾害。因此，对海底浅层气渗漏的模拟具有非常现实意义，特别是对天然气水合物的研究也有着重要的意义。

而现有对海底浅层气渗漏模拟存在许多不足之处：

1、现有的浅层气渗漏模拟基本都是通过对模拟过程中渗漏浅层气的采集回收以分析浅层气在地层渗漏过程中的化学组成和性质变化，而很少着眼于浅层气对海底地形的直接改造过程，也即现有的浅层气渗漏模拟缺乏直观性，不能对浅层气持续渗漏下的状态进行观测，更不能对经改造形成的特殊地质结构进行定量描述；

2、现有的浅层气渗漏模拟基本都是固定、单一控制变量条件下开展浅层气渗漏模拟并且缺乏背景实验(即对照实验)，无法对复杂条件下、多地质变量共同影响下的浅层气渗漏形成系统、全面的认识，也无法进行必要的背景值校正；

3、现有的浅层气渗漏模拟对地层的模拟多采用整体式的，可控变量有限，从而导致模拟结果精度较低，不能真实地反映复杂地质条件下海底地层非均质性的特征。

比如公开号为CN205562141U的中国实用新型专利、公开号为CN104715674A的中国实用新型专利和公开号为CN101726559A的中国实用新型专利均存在上述的一些不足之处。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的提供一种多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其能够解决对海底浅层气渗漏模拟的问题。

实现本实用新型的目的的技术方案为：一种多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：包括水舱、注水喷头、注水管、蓄水池、供气罐、集气罐、气体分流管、渗漏空心筒、石英砂、模拟室和集气罩，所述注水喷头设置在水舱内部，注水喷头通过注水管与蓄水池连接；

所述模拟室设置在水舱内部，设有若干层模拟室，各层模拟室上铺设有石英砂，从上往下依次在各层模拟室铺设的石英砂的粒径依次增大；

在石英砂的最表面以上的水舱内部注满水，水依次向下经过各层模拟室并渗透至石英砂内；

水舱内部还设有用于收集气体的集气罩，集气罩位于注水喷头的下方，集气罩通过气体传输管与集气罐连接，集气罐用于存储集气罩收集到的气体，集气罩没入水中；

所述供气罐与气体分流管连接，气体分流管伸入至渗漏空心筒的内部，渗漏空心筒竖直固定在模拟室内并从最下层的模拟室一直延伸到最上层的模拟室，渗漏空心筒为中空结构，渗漏空心筒的顶部侧壁上设有若干通气孔，通气孔的直径小于石英砂的粒径，供气罐内存储有模拟气体，模拟气体经过气体分流管后从气体分流管的顶部流出并经渗漏空心筒的通气孔向外渗漏，向外渗漏的模拟气依次向上经过各层模拟室并渗透至石英砂内。

进一步地，所述模拟气体为甲烷。

进一步地，所述水舱内设有三个模拟室，分别为从下往上依次设置的底层模拟室、中层模拟室和顶层模拟室。

进一步地，所述底层模拟室、中层模拟室和顶层模拟室上分别铺设有粒径为250微米、180微米和125微米的石英砂。

进一步地，所述集气罩上设有气体浓度探针，气体浓度探针用于测量流入集气罩内的模拟气体浓度。

进一步地，所述水舱的侧壁上设有用于监测水舱内的水体压力的压力传感器。

进一步地，还包括排水管，排水管的一端穿过水舱的侧壁进入水舱内部，另一端与蓄水池连接，排水管用于将水舱的水排出到蓄水池。

进一步地，所述水舱内设有轴向的隔板，隔板将水舱分割形成两个独立的模拟区域。

进一步地，所述气体分流管为伸缩结构。

进一步地，所述气体分流管上还设有控制阀门，用于调节供气罐的气体注入至气体分流管的压力。

本实用新型的有益效果为：本实用新型通过铺设石英砂模拟海洋海底环境，并使用甲烷作为浅层气的模拟气体，可通过设置不同的实验条件达到多变量条件下的海底浅层气渗漏实验的模拟，且对复杂条件下、多地质变量共同影响下的浅层气渗漏形成系统、全面的认识，可以必要的背景值校正，模拟更准确，通过收集模拟实验数据，能对经改造形成的特殊地质结构进行定量描述，最终能够解决对海底浅层气渗漏模拟实时、定量和在线模拟的问题。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图中，1-隔板、2-注水喷头、3-水舱、4-注水管、5-流量计、6-气体传输管、7-气体体积计量仪、8-控制阀门、9-集气罐、10-蓄水池、11-高压泵、12-控制器、13-电线、14-供气罐、15-压力表、16-气体分流管、17-橡胶皮塞、18-渗漏空心筒、19-底层模拟室、20-中层模拟室、21-顶层模拟室、22-排水管、23-摄像头、24-压力传感器、25-集气罩、26-气体浓度探针。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：

如图1所示，一种多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，包括水舱3、注水喷头2、蓄水池10、供气罐14、气体分流管16、渗漏空心筒18、模拟室和集气罩25，所述注水喷头2设置在水舱3内部，注水喷头2通过注水管4与蓄水池10连接，为了使得蓄水池10内的水能够更好地经过注水管4后从注水喷头2喷出，注水管4上设有用于将蓄水池10的水抽入进注水管4的高压泵11，在实际使用时，注水喷头2优选为设置在水舱3的上部位置；

所述集气罩25设置在水舱3内部并位于注水喷头2的下方，集气罩25用于收集气体，集气罩25通过气体传输管6与集气罐9连接，从而使得集气罩25收集到的气体通过气体传输管6运输到集气罐9存储，气体传输管6上设有流量计5、气体体积计量仪7和控制阀门8，流量计5用于计算当前时刻气体经过气体传输管6的流量，气体体积计量仪7用于计算收集到的气体的总体积或某个时间段内收集到的气体的体积，控制阀门8用于气体收集完毕后关闭集气罐9的出气口，从而防止收集到的气体从集气罐9返回到集气罩25内；

水舱3底部设有若干层模拟室，各层模拟室上铺设有石英砂，并按从上往下依次在各层模拟室设置石英砂的粒径依次增大，以使得更接近海底真实情况；可以在各层模拟室之间设置横向隔板以使得更方便地在各层模拟室上铺设石英砂，并使得各层模拟室之间的界限也变得直观明确，横向隔板上设有若干通孔，通孔的直径小于石英砂的粒径，即最小石英砂的粒径大于通孔的直径，防止石英砂从横向隔板上掉落，当然也可以通过在水舱3壁体上刻画分割线来代替横向隔板，同样使得更方便地在各层模拟室上铺设石英砂，并使得各层模拟室之间的界限也变得直观明确；

所述供气罐14与气体分流管16连接，气体分流管16伸入至渗漏空心筒18的内部，渗漏空心筒18位于集气罩25的正下方，即集气罩25位于渗漏空心筒18的正上方，气体分流管16的下端套设有橡胶皮塞17，渗漏空心筒18竖直固定在模拟室内并从最下层的模拟室一直延伸到最上层的模拟室，即渗漏空心筒18竖直贯穿各个模拟室，渗漏空心筒18通过镶嵌在最下层模拟室的底部上而使得渗漏空心筒18竖直固定在模拟室内，渗漏空心筒18为中空结构，渗漏空心筒18的顶部和侧壁上设有若干通气孔，通气孔的孔径小于石英砂的最小粒径，即最小石英砂的粒径大于通气孔的直径，防止石英砂进入渗漏空心筒18内。供气罐14内存有用于模拟海底浅层气的气体，模拟浅层气的气体作为模拟气体，模拟气体经过气体分流管16后从气体分流管16的顶部流出，流出后的模拟气体经渗漏空心筒18的顶部和侧壁的通气孔向外渗漏，经侧壁通气孔向外渗漏的模拟气体进入石英砂内，由于侧壁通气孔的直径很小，因此经侧壁的通气孔渗漏出的模拟气体进入石英砂后很难向上运移进入水区域，即经侧壁的通气孔渗漏出的模拟气体基本都聚集在石英砂内或溶解于石英砂内的水中。而从渗漏空心筒18的顶部流出的模拟气体由于有较强的渗漏强度，使得从渗漏空心筒18的顶部流出的模拟气体发生聚集后，在持续的模拟气体渗漏作用下，会对渗漏空心筒18的正上方的石英砂的形态产生影响，使得渗漏空心筒18的正上方的石英砂疏松、膨胀甚至崩解，最终从渗漏空心筒18的顶部流出的模拟气体经过各层模拟室的石英砂向上逸出并进入集气罩25内，这也是将集气罩25设置在渗漏空心筒18的正上方的原因，以此模拟海底浅层气的逸出，为了能够更好地模拟真实海底浅层气的逸出，本实施例选用甲烷模拟气体，即供气罐14内存储的气体为甲烷。

在本实施例中，水舱3内从下往上依次设有底层模拟室19、中层模拟室20和顶层模拟室21，底层模拟室19、中层模拟室20和顶层模拟室21上分别铺设有粒径为250微米、180微米和125微米的石英砂，以此模拟沉积物粒径自海底向下逐渐增加的真实地层特征，在实际模拟时，将各层模拟室上的石英砂进行震荡和压缩，以使得石英砂之间充分接触。

在最上层的模拟室的上方注满水并形成水区域，即通过将蓄水池10内的水经过注水管4后从注水喷头2喷出到水舱3内，从而使得模拟室以上的水舱3内部注满水，从而模拟海底的真实环境，在本实施例中即顶层模拟室21以上区域均注满水，集气罩25没入水中。

供气罐14内的甲烷气体从气体分流管16流出后，经过渗漏空心筒18侧壁的通气孔向外渗漏，随后，经过渗漏空心筒18侧壁的通气孔向外渗漏出的甲烷气体大部分溶解于水中和进入到石英砂的颗粒孔隙中，溶解于水中的甲烷气体最终从水中逸出并流向集气罩25，最终进入储气罐并存储在储气罐内，而为了能够使得从水中逸出的甲烷气体更好流入集气罩25，可以将集气罩25的尺寸尽量做大并调整其在水舱3内的位置，以及将集气罩25做成朝口向下的卫星锅形状，集气罩25上还设有气体浓度探针26，气体浓度探针26用于测量流入集气罩25内的甲烷气体浓度，气体浓度探针26可以实时探测甲烷气体浓度，因此可以探测到甲烷气体的瞬时气体浓度。

本实施例中，水舱3的侧壁上设有用于监测水舱3内的水体压力的压力传感器24。

本实施例中，水舱3内部还设有摄像头23，摄像头23用于观测和记录水舱3内甲烷气体从模拟室向上运移过程中对模拟室内的石英砂的形态改造变形过程。

本实施例中，在气体分流管16与供气罐14连接的管路上还设有流量计5、高压泵11、控制阀门8和压力表15，通过压力表15可以直观地观测供气罐14通向气体分流管16的甲烷气体情况，从而通过控制阀门8更好地调节流向气体分流管16的甲烷气体的流量和流速，也即用于调节供气罐14的气体注入至气体分流管16的压力。

本实施例中，还包括排水管22，排水管22的一端穿过水舱3的侧壁进入水舱3内部，另一端与蓄水池10连接，从而可以将水舱3的水排出到蓄水池10，为了更好地控制排水管22和注水管4，排水管22和注水管4经过同一个管线后共同接入高压泵11，高压泵11再通过一个管线接入蓄水池10；排水管22和注水管4上分别各设有一个控制阀门8，从而可以分别单独控制排水管22和注水管4。

本实施例中，还包括控制器12，压力传感器24、排水管22上的控制阀门8、注水管4的控制阀门8、气体分流管16上的控制阀门8、气体传输管6上的控制阀门8均通过电线13与控制器12电性连接，使得控制器12可以接收压力传感器24的数据，并控制排水管22上的控制阀门8、注水管4的控制阀门8、气体分流管16上的控制阀门8和气体传输管6上的控制阀门8的工作状态，包括它们各自的开启与关闭。

本实施例中，水舱3内设有轴向的隔板1，隔板1将水舱3分割形成左右两个独立的模拟区域，两个模拟区域内的设置均相同，从而可以单独在两个模拟区域进行模拟实验，并可以将其中一个模拟区域的实验作为背景实验。当然在实际使用时，还可以设置更多个独立的模拟区域，从而可以在各个模拟区域内设置不同的实验条件，从而可以做到实验对比，达到多变量条件下的海底浅层气渗漏实验模拟，比如在两个模拟区域注入不同水量，使得两个模拟区域的水平面不在同一个高度，可以模拟海平面周期性升降变化下的浅层气体渗漏对海底地形改造作用；又比如调节注入到不同模拟区域内的气体分流管16的气体注入压力，可以模拟不同浅层气的渗漏强度下对海底地形改造作用。

两个模拟区域内的设置均相同是指在两个模拟区域内均设有集气罩25、摄像头23、压力传感器24、渗漏空心筒18和气体分流管16，具体地，通过隔板1将各层模拟室及模拟室内的石英砂分割成左右两个独立区域，通过隔板1将水区域分割成两个独立区域，设置在两个模拟区域内的气体分流管16通过同一个连接管道(图中未示出)与供气罐14连接，在连接管道上设有流量计5、压力表15和高压泵11，两个气体分流管16上各设有一个控制阀门8，以便对单个的气体分流管16进行控制。

本实施例中，气体分流管16为伸缩结构，即可调节气体分流管16伸入至渗漏空心筒18的轴向位置，进而调整气体分流管16的顶部位置，从而调整甲烷气体初始向外渗漏的位置，以便更好地模拟甲烷气体从不同位置向外渗漏对石英砂的形态改造变形的影响。

在实际使用时，将各层的模拟室铺设对应粒径的石英砂，通过注水喷头2将顶层模拟室21以上区域注满水，从而模拟海底的真实环境，然后将供气罐14内的甲烷气体流入气体分流管16，甲烷气体最后从渗漏空心筒18的通气孔向外渗漏至模拟室内，甲烷气体从石英砂的间隙向上运移后进入水区域，在甲烷通过顶层模拟室21的石英砂运移至水区域的过程中，甲烷的持续聚集导致顶层模拟室21最表面的石英砂膨胀、变形、崩解，最终形成“海底丘”和“麻坑”等海底微地形，随后，甲烷气体从崩解的石英砂中逸出，形成“羽状流”，相当于模拟浅层气对海底改造的过程。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：包括水舱、注水喷头、注水管、蓄水池、供气罐、集气罐、气体分流管、渗漏空心筒、石英砂、模拟室和集气罩，所述注水喷头设置在水舱内部，注水喷头通过注水管与蓄水池连接；

所述模拟室设置在水舱内部，设有若干层模拟室，各层模拟室上铺设有石英砂，从上往下依次在各层模拟室铺设的石英砂的粒径依次增大；

在石英砂的最表面以上的水舱内部注满水，水依次向下经过各层模拟室并渗透至石英砂内；

水舱内部还设有用于收集气体的集气罩，集气罩位于注水喷头的下方，集气罩通过气体传输管与集气罐连接，集气罐用于存储集气罩收集到的气体，集气罩没入水中；

所述供气罐与气体分流管连接，气体分流管伸入至渗漏空心筒的内部，渗漏空心筒竖直固定在模拟室内并从最下层的模拟室一直延伸到最上层的模拟室，渗漏空心筒为中空结构，渗漏空心筒的顶部和侧壁上设有若干通气孔，通气孔的直径小于石英砂的粒径，供气罐内存储有模拟气体。

2.根据权利要求1所述的多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：所述模拟气体为甲烷。

3.根据权利要求1所述的多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：所述水舱内设有三个模拟室，分别为从下往上依次设置的底层模拟室、中层模拟室和顶层模拟室。

4.根据权利要求3所述的多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：所述底层模拟室、中层模拟室和顶层模拟室上分别铺设有粒径为250微米、180微米和125微米的石英砂。

5.根据权利要求1所述的多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：所述集气罩上设有气体浓度探针，气体浓度探针用于测量流入集气罩内的模拟气体浓度。

6.根据权利要求1所述的多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：所述水舱的侧壁上设有用于监测水舱内的水体压力的压力传感器。

7.根据权利要求1所述的多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：还包括排水管，排水管的一端穿过水舱的侧壁进入水舱内部，另一端与蓄水池连接，排水管用于将水舱的水排出到蓄水池。

8.根据权利要求1所述的多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：所述水舱内设有轴向的隔板，隔板将水舱分割形成两个独立的模拟区域。

9.根据权利要求1所述的多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：所述气体分流管为伸缩结构。

10.根据权利要求1所述的多变量条件海底浅层气渗漏模拟装置，其特征在于：所述气体分流管上还设有控制阀门，用于调节供气罐的气体注入至气体分流管的压力。