一种浅海环境模拟与动态监测的装置以及方法

1.本公开涉及模拟装置，尤其涉及海底环境模拟与监测领域。


背景技术：

2.海洋天然气水合物(以下简称水合物)又称“可燃冰”，是一种清洁、高效、储量巨大的新型能源，也被认为传统油气资源的最佳替代品。水合物的海底地下有效成分是甲烷，任何适宜水合物开采的海域必然存在大量上升甲烷的供给，水合物藏主要赋存于海底非固结沉积层中。上升流体的运移过程、甲烷地球化学反应过程和水合物藏就位，都会改造沉积层、海水
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沉积物界面和水体的特性、地球化学和生态环境条件。若大规模商业开采极有可能破坏开采区脆弱的生态环境，处置不当甚至可能导致大规模的生态环境灾难。
3.由于水合物开采以及海底环境的复杂性，常规油气开采现场监测并不适用于天然气水合物的开采，所以需要提出针对海底天然气水合物开采可能导致的甲烷泄露等环境问题的监测手段。针对水合物开采过程中可能出现的环境风险与影响，预先对开采过程可能发生的环境变化以及水质指标进行模拟监测对现实开采工作有重要指导与预警作用。


技术实现要素：

4.本公开的一方面提供了一种浅海环境模拟与动态监测的装置，其可以模拟海底环境介质条件，监测海底甲烷泄漏或其他原因对浅海海底环境的影响。
5.根据本公开的一个方面，提供了一种浅海环境模拟与动态监测的装置，其包括：反应组件，包括多个反应管道，每个所述反应管道中布置有循环冷水夹套与反应柱，每个循环冷水夹套与冷水机循环连通，所述反应柱串联布置；注液组件，包括溶液储罐和连通至所述溶液储罐的泵，所述泵连通至所述反应柱，以将溶液从所述溶液储罐注入到所述反应柱中；注气组件，包括气源和连通至所述气源的调压阀，所述调压阀连通至所述反应柱，以将气体从所述气源注入到所述反应柱中；以及监测组件，包括一个或多个传感器；其中，每个所述反应管道的侧壁中设置有多个探头孔，所述探头孔与所述反应柱连通，所述探头孔中安装有所述传感器的探头密封柱或堵头。
6.在一些实施例中，注气组件还包括气体流量控制器；其中，所述气体流量控制器连通至所述调压阀与所述反应柱，来自所述调压阀的气体经由所述气体流量控制器或直接注入到所述反应柱中。
7.在一些实施例中，所述注气组件的调压阀与所述反应柱之间、所述注气组件的气体流量控制器与所述反应柱之间、以及所述注液组件的泵与所述反应柱之间分别设置有单向阀。
8.在一些实施例中，所述注液组件连通至所述反应柱中的一个；所述注气组件连通至所述反应柱中的一个。
9.在一些实施例中，所述堵头连通至背压阀，所述背压阀连通至采样容器，以将所述反应柱中的水样取出至所述采样容器中。
10.在一些实施例中，所述传感器选自压力传感器、温度传感器、亚硝氮传感器、硝氮传感器、氨氮传感器、在线cod光度测试传感器、悬浮固体传感器、电化学溶氧传感器、在线ph传感器、在线orp传感器、在线电导率仪中的一种或多种，所述传感器连接至多参数水质分析仪。
11.根据本公开的另一方面，提供了一种使用上述装置进行浅海环境模拟与动态监测的方法，其包括以下步骤：
12.s1：构建海底模拟环境，包括：
13.s1.1：根据所需的沉积物介质与上覆海水的比率，依次向所述多个反应柱中的一个或多个内填入所需厚度的沉积物介质，使用压实板压实所述反应柱内的沉积物介质；
14.s1.2：使用所述注液组件，将实验所需的海水依次注入至多个反应柱中的一个或多个内至饱和；
15.s1.3：设定循环冷水浴温度，使用所述冷水机使冷却水在所述循环冷水夹套与所述冷水机之间循环；
16.s2：注入气体，包括：
17.s2.1：设定反应压力，使用注气组件将气源中的气体注入到反应柱内，并达到反应压力；
18.s3：动态监测，包括：
19.s3.1：使用安装在所述探头孔中的传感器感测所述反应柱内海水的环境参数；和/或
20.s3.2：将采样容器经由背压阀连通至安装在所述探头孔中的堵头，通过所述采样容器对所述反应柱内的海水进行取样分析。
21.在一些实施例中，可选地，填充有所述沉积物介质的所述反应柱均完全填充有所述沉积物介质。
22.所公开的方法使用该装置通过模拟浅海海底环境的温度和高压条件，通过设置多个串联连通的反应柱，可以实现在不同的沉积物介质与上覆海水的比率下，模拟水合物开采造成的甲烷气体泄露对浅海海底环境的影响，获取对复杂多变海底环境进一步了解的相关数据。
附图说明
23.图1示出了根据本公开的浅海环境模拟与动态监测的装置的示意图；
24.图2示出了反应柱安装有各种传感器的示意图。
具体实施方式
25.以下结合附图和具体实施例对本发明公开的浅海环境模拟与动态监测的装置作进一步详细说明。根据以下详细说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
26.参照图1，其示出了根据本发明的一种浅海环境模拟与动态监测的装置，其包括反应组件、注液组件、注气组件以及监测组件。
27.反应组件可以包括一个或多个反应管道，每个反应管道中布置有循环冷水夹套11与反应柱12，每个循环冷水夹套11与冷水机14循环连通。循环冷水夹套11优先地包裹反应柱12，使得可以将反应柱12内的内容物(海水、海底沉积物等)维持在一定的温度范围内，以模拟海底低温环境。反应管道中可以配备有温度传感器(例如温度传感器t1、t2、t3)以用于监测反应柱12内溶液的温度，以及压力传感器(例如压力传感器p1、p2、p3)以用于监测反应柱12内溶液的压力。通过控制过程领域中已知的控制逻辑电路(例如实施为巡检仪)可以精确地控制反应柱12内的溶液的温度和压力。
28.在一些优选的实施例中，反应组件包括多个反应管道。例如在图1所示的特定实施例中，反应组件包括3个反应管道。以下参照反应组件包括3个反应管道的特定实施例描述本发明的构思。
29.多个反应管道中的每一个的循环冷水夹套11彼此串联连通，并与冷水机14循环连通，使得冷水可以在3个反应管道与冷水机之间14循环流通。循环冷水夹套11包裹围绕反应柱12，使得反应柱12内的溶液温度可以与冷水机14的设定温度基本上一致。多个反应管道中的每一个的反应柱12也彼此串联连通。例如，第一反应柱c1的上部经由管线，特别是耐压管线与第二反应柱c2的下部连通，第一反应柱c1和第二反应柱c2之间可以设置有阀门v7、v12；第二反应柱c2的上部经由管线，特别是耐压管线与第三反应柱c3的下部连通，第二反应柱c2和第二反应柱c3之间可以设置有阀门v10、v13。当阀门v7、v12打开时，第一反应柱c1内的溶液和气体可以流入到第二反应柱c2中；当阀门v10、v13打开时，第二反应柱c2中的溶液和气体可以流入到第三反应柱c3中。根据需要，反应柱12的内腔尺寸可以设定为φ100x1000mm。
30.在多个反应柱12串联连通的情况下，注液组件可以连通至反应柱12中的一个，例如第一反应柱c1的下部。同样的，注气组件也可以连通至反应柱12中的一个，例如第一反应柱c1的下部。在操作时，从第一反应柱c1的下部注入的溶液、气体等可以依次进入到第一反应柱c1、第二反应柱c2和第三反应柱c3中。串联布置的多个反应柱12，还使得可以方便地截断或不使用其中一些反应柱12，因此，可以容易地调节进行模拟的总高度。
31.在一些实施例中，反应柱上盖与反应柱筒体为螺纹连接，上下出口均设置有对应阀门(例如v5、v7、v10、v12、v13、v15等)，以控制管线的连通与否。
32.特别地，在一些实施例中，每个反应柱12的下部连通有减压阀v6、v11、v14，以监测下方管道(例如注液组件的管道)中溶液饱和情况，以及在实验结束时或任何其他需要的情况下排出反应柱12中的溶液。每个反应柱12的上部连通有安全阀v8、v9、v15，以监测反应柱12中溶液饱和情况，并在反应柱12内的压力超过设定值时进行泄压。
33.反应柱12、阀门、或其他容器之间可以通过耐压管线连接，以进行液气的流通传输。
34.在操作时，为了在反应柱12内模拟浅海海底环境条件，首先关闭所有阀门，打开反应柱上盖，向反应柱12内填入实验所需的海底沉积物，并关闭反应柱上盖；打开v4、v5、v6阀门，并打开注液组件的泵(例如柱塞泵或隔膜泵等)，将实验所需的溶液(例如海水)注入至第一反应柱c1内；当v6阀门开始出液后，关闭v6阀门，然后打开v8阀门；当v8阀门开始出液后，即可判断第一反应柱c1已经处于饱和状态，此时可以关闭v8，打开v7阀门向第二反应柱c2进行注液；打开v12使海水进入第二反应柱c2，并打开v9；当v9阀门开始出液后，即可判断
第二反应柱c2已经处于饱和状态，此时可以关闭v9，打开v10阀门向第三反应柱c3进行注液；打开v13使溶液进入第三反应柱c3，并打开v15；当v15阀门开始出液后，即可判断第三反应柱c3已经处于饱和状态，此时可以关闭v15阀门，并停止注液。
35.注液组件包括溶液储罐21和连通至溶液储罐21的泵22。泵22可以实施为柱塞泵或隔膜泵等，其连通至反应柱12，以将溶液(例如海水)从溶液储罐21注入到反应柱12中。泵22与反应柱12之间可以设置有单向阀cv4和阀门v4，单向阀cv4可用于防止液体回流。
36.注气组件包括气源31和连通至气源31的调压阀32，调压阀32连通至反应柱12，以将气体(例如甲烷、氮气、二氧化碳等)从31气源注入到反应柱12中。调压阀32可以输出稳定的出口压力，从而将反应柱12内的压力维持在恒定范围内。气源31可以实施为钢瓶等。注气组件还可以包括气体流量控制器33。气体流量控制器33一端连通至调压阀32，另一端连通至反应柱12，用于调节注入至反应柱12的气体流量。来自调压阀32的气体经由气体流量控制器33注入到反应柱12中，直接注入到反应柱12中。
37.在一些实施例中，注气组件的调压阀32与反应柱12之间，注气组件的气体流量控制器33与反应柱12之间可以分别设置有单向阀cv1、cv2、cv3。调压阀32和气体流量控制器33可以有效直观地调节气体的注入的压强和速率，单向阀cv1、cv2、cv3可以防止气体回流，起到安全保护的作用。
38.此外，注气组件和注液组件可以汇流连通至第一反应柱c1的下部的阀门v5，如图1所示。
39.在操作时，完成溶液灌注后，进行实验气体灌注工作。利用调压阀32将研究的气体(如甲烷、氮气、二氧化碳等)利用直接注气法或通过气体质量流量计33控制流量的方式注入到反应柱12中，使得反应柱12达到设定的反应压力条件，以模拟海底水合物开采过程中甲烷等气体泄露的环境条件，进而观察相应环境变化下各水样指标的变化情况。气体质量流量计33可以连接至巡检仪，以对气体流量进行监测和控制。
40.监测组件包括多个传感器41。可替代地，传感器41选自压力传感器、温度传感器、亚硝氮传感器、硝氮传感器、氨氮传感器、在线cod光度测试传感器、悬浮固体传感器、电化学溶氧传感器、在线ph传感器、在线orp传感器、在线电导率仪中的一种或多种。传感器41可以连接至多参数水质分析仪。多参数水质分析仪可以实施为20通道的多参数水质分析仪，其可以控制感测的数据传输到数据采集系统，从而对水样各类环境参数、数据进行采集和在线存储，并生成即时图表，可在工控机上查看相关数据结果。
41.在一些实施例中，每个反应管道的侧壁中设置有多个探头孔13。在图1和图2所示的实施例中，每个反应管道设置有8个探头孔13，其中反应管道的每侧设置有彼此均匀地间隔开的4个探头孔。探头孔13与反应柱12连通，以用于安装传感器41的探头密封柱411，使得传感器41可以对反应柱12内的溶液进行感测。探头密封柱41安装在探头孔13中时，可以以高精度实时监测各种环境条件。探头密封柱411采用通用密封结构设计，各探头可随意装配在不同位置的探头孔13中。各个传感器41可以根据监测需要自由安装组合，实现动态监测水质以获得所需数据。
42.优选地，探头孔13中可以可替代地安装有堵头42，堵头42连接至背压阀43。堵头42和背压阀43之间可以设置有阀门v16。背压阀连通至取样容器44，以将反应中12中的溶液转移到取样容器中。背压阀43用于保持连通至采样容器的管道中的恒定压力，防止液体回流。
传感器41可以安装至取样容器44，以在监测过程中对其中的溶液进行取样分析。取样容器44可以设置有阀门v17以排出其中溶液。
43.本公开的另一方面提供了一种使用上述装置进行浅海环境模拟与动态监测的方法，其包括以下步骤：
44.s1：构建海底模拟环境，包括：
45.s1.1：根据所需的沉积物介质与上覆海水的比率，依次向多个反应柱12中的一个或多个内填入所需厚度的沉积物介质，使用压实板(例如过滤板或烧结板)压实并固定反应柱12内的沉积物介质。
46.如本文所用，术语“沉积物介质与上覆海水的比率”指沉积物介质的厚度与上覆海水厚度的比率。
47.为了在注液、注气期间固定沉积物介质，防止其扩散运动，需要设置压实板，例如过滤板或烧结板，将沉积物介质压实固定在一定高度处。
48.可替代地，填充有沉积物介质的反应柱12均完全填充有沉积物介质。也就是说，例如在3个串联联通的反应柱12的情况下，其中第一反应柱c1完全填充有沉积物介质，或者第一反应柱c1和第二反应柱c2完全填充有沉积物介质，而第三反应柱c3中没有沉积物介质，使得沉积物介质与上覆海水的比率可以为1:2或2:1。在设置有更多，例如5至10个反应柱12的情况下，可以获得更多的可选沉积物介质与上覆海水的比率。此种方式，可以方便实验操作，容易进行各种沉积物介质与上覆海水的比率下的模拟实验。
49.此外，应当理解，如本文所用，术语“依次”是指例如，首先向第一反应柱c1中填入，例如完全填充沉积物介质，然后向第二反应柱c2中填入，例如完全填充沉积物介质，依此类推。
50.s1.2：使用注液组件，将实验所需的海水依次注入至一个或多个反应柱12内至饱和。
51.注液流程可以参照以上关于该装置的描述。
52.设置多个串联连接的反应柱12的另一优点在于，在操作时，可以截断或不使用一些反应柱12。例如，在3个反应柱12的情况下，可以不使用第三反应柱c3(例如通过关闭阀门v10、v13)，使得可以实现沉积物介质与上覆海水的比率为1:1。相应地，此时仅需要对第一和第二反应柱c1、c2进行注液以及后续其他实验操作。
53.s1.3：设定循环冷水浴温度，使用冷水机使冷却水在循环冷水夹套11与冷水机之间循环。
54.循环冷水浴温度优选地与待模拟海底环境温度一致，循环冷水夹套11包围反应柱12，可以使得反应柱12内的温度维持在所设定的循环冷水浴温度。
55.s2：注入气体，包括：
56.s2.1：设定反应压力，使用注气组件将气源21中的气体(如甲烷)注入到反应柱12内，并达到该反应压力。
57.注气过程同样可参照以上关于该装置的描述。
58.通过设定不同的反应压力，可以模拟不同深度的海底环境。应当理解的是，在整个模拟期间将反应柱12内的压力维持在反应压力处。
59.s3：动态监测，包括：
60.s3.1：使用安装在探头孔13中的传感器41感测反应柱12内海水的环境参数；和/或
61.s3.2：将采样容器44经由背压阀43连通至安装在探头孔13中的堵头42，通过采样容器44对反应柱12内的海水进行取样分析。
62.传感器的感测过程可以参照以上关于该装置的描述。
63.本发明所公开的使用上述装置进行浅海环境模拟与动态监测的方法，为了模拟研究界面之间的物质传输，通过设置多个串联布置的反应柱，可以以多种方式容易地设定沉积物介质与上覆海水的比率，在一定温度和压力下，组合采用多种类型的传感器感测反应柱内环境参数，模拟研究甲烷等气体泄露对浅海海底环境的影响。
64.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。
65.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
66.在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
67.在本公开和所附权利要求书中的“多个”、“多种”，如无特殊说明，其所指为两个或两个以上。
68.显然，本领域的技术人员可以对本发明所公开的浅海环境模拟与动态监测的装置和相关方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。