海底麻坑形成过程模拟装置及模拟方法与流程

本发明涉及海底麻坑模拟装置，属于海洋工程地质和海洋灾害地质领域，尤其涉及一种海底麻坑形成过程模拟装置及模拟方法。

背景技术：

麻坑(pockmark)是海底表面的麻点状凹坑，属于常见的海底油-气-水合物分解活动遗留下的海底地貌，其形成与甲烷等流体渗漏活动有着密切的联系。

海底流体活动对海底地质构造、生物群落以及海洋乃至大气环境都会产生重要影响，而麻坑作为海底流体活动最明显、最常见的指示之一，成为海洋地质研究中的热点问题。形成麻坑的流体可能来源于海底油气渗漏或天然气水合物分解，甲烷作为一种温室气体同时也是高热值的燃气，其从麻坑中渗漏到海洋水体乃至大气中，可能对海洋生态系统及大气环境造成影响。因此，麻坑的研究对于海底能源探测、海洋生物保护、全球大气变化以及海底地质灾害都有着重要的意义。

目前，国内外对于麻坑的研究，主要采用声学探测、地震探测、海底原位观测以及钻孔取心进行地质化学分析等方法，但是对于麻坑形成以及海底流体在沉积物中运移的变化情况的研究尚无进展，更没有有效且直观的研究措施和系统，只能通过理论分析来推测海底麻坑的形成及流体运移的过程、方式。

而对麻坑形成以及海底流体在沉积物中运移变化的分析、研究，对海底地貌、地质成因以及能源开发研判有着重要的应用价值，因此，亟需一种能够直观地观察到麻坑形成过程并对其进行模拟分析的技术措施。

技术实现要素：

本发明提供一种海底麻坑形成过程模拟装置及模拟方法，用于解决现有中，对于麻坑形成以及海底流体在沉积物中运移的变化情况，只能通过理论分析来推测海底麻坑的形成及流体运移的过程、方式，缺乏有效且直观的研究系统和方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

海底麻坑形成过程模拟装置，所述模拟装置包括冲刷机构、麻坑模拟机构，所述冲刷机构包括供液体流动的通道体和过滤装置，通道体包括第一通道体、第二通道；所述麻坑模拟机构包括桶体、孔隙水压力监测装置、流体源装置及输送管，所述桶体内填充有沉积物样品，所述桶体内设有流体囊，流体囊位于桶体内填充的沉积物样品下方，流体囊的进口通过输送管与流体源装置连通，流体囊的出口位于上侧朝向沉积物，流体囊内的流体介质释放并流经沉积物以模拟麻坑形成及向上运移的过程，同时，孔隙水压力监测装置在模拟麻坑形成过程时对沉积物内部压力进行监测；所述第一通道体、第二通道体分别设在桶体两侧，第一通道体、第二通道体与桶体连通，所述过滤装置设在桶体后侧的液体流向下游，用于过滤和收集液体介质中携带的沉积物。

为进一步实现本发明的目的，还可以采用以下技术方案：

如上所述的海底麻坑形成过程模拟装置，所述冲刷机构设有液体驱动机构或液体源装置，液体驱动机构或液体源装置设在桶体前侧的液体流向上游。

如上所述的海底麻坑形成过程模拟装置，所述第一通道体、第二通道体连接成一环形结构，所述过滤装置设在环形结构内，过滤装置的周边与通道体内壁密封贴合。

如上所述的海底麻坑形成过程模拟装置，所述流体囊上的出口设置有多个，每一出口上均安装有可控阀，流体囊设有检测其内部压力的压力计或压力传感器。

如上所述的海底麻坑形成过程模拟装置，所述流体囊内隔离位多个独立腔室，每个独立腔室对应于1～3个出口。

如上所述的海底麻坑形成过程模拟装置，所述流体源装置为提供液体或气体介质的压力泵。

如上所述的海底麻坑形成过程模拟装置，所述流体囊的进口前设有可控流体阀。

本发明还公开了一种海底麻坑形成过程模拟方法，包括如上所述的模拟装置，所述模拟方法包括准备步骤、参数确定步骤和试验步骤；

所述准备步骤，包括沉积物样品的制备并铺设到桶体内，将孔隙水压力监测装置插设在沉积物样品内以及输送管、相应设备的连接安装

所述参数确定步骤，根据模拟实验需要确定液体介质的流速、流体囊的输出压力大小以及是否需要连续输出；

所述试验步骤，通过流体源装置向桶体内输送流体介质；开启冲刷机构，使液体介质从通道体、桶体、过滤装置依次流过；同时，孔隙水压力监测装置在模拟麻坑形成过程时对沉积物内部压力进行实时监测，液体经过过滤装置以收集液体介质中携带的沉积物。

如上所述的海底麻坑形成过程模拟方法，所述桶体内铺设的沉积物样品高度与通道体的内底齐平。

如上所述的海底麻坑形成过程模拟方法，在流体囊的进口、出口分别设有可控流体阀、可控阀的情况下，向流体囊中预先充入流体介质至一定压力并关闭可控流体阀，然后在试验步骤时打开可控阀释放流体介质。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的模拟装置及模拟方法，操作简单、方便，有利于推动麻坑在海底地貌、地质成因以及能源开发应用研究、分析上的发展；对于麻坑形成以及海底流体在沉积物中运移的变化情况，进行定量模拟和分析，可以有效且直观的掌握其变化过程，具体而言：

1、本发明的麻坑模拟机构中设置有桶体，根据需要模拟的海底地质情况，选配相应的沉积物样品并按比例铺设至桶体内，再结合流体源装置通入一定压力、体积的气体、液体或气液混合等流体介质，流体介质从桶体下部向上流动，流经沉积物样品内部并从顶面处、液体介质散出，在堆积的沉积物样品上形成麻坑，对海底麻坑形成过程进行定量模拟和分析；桶体为透明的有机玻璃制成，因此，可以从外部有效且直观的掌握其变化过程。

2、孔隙水压力监测装置在模拟麻坑形成过程时，对沉积物内部压力进行实时监测；冲刷机构提供流动的液体介质，在模拟麻坑的过程中，由于流体介质的作用，使得部分沉积物扩散出来，最终被液体介质携带经过过滤装置，完成扩散沉积物的收集，结合流体源装置通入流体介质压力、体积与沉积物量的分析，可以建立麻坑模型，用于海底实际发现的麻坑研究和应用。

3、本发明中的流体囊可重复利用，设置有多个出口及相应的可控阀，在流体囊的内部设置成多个独立腔室，每个独立腔室对应于1～2个出口，即每个腔室内的流体介质压力、体积可以设置成不同，因此，可以进行多点、多工况的麻坑模拟，提高模拟的效率和准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。

图1是本发明所述模拟装置的结构示意图；

图2是图1中所述麻坑模拟机构放大图

图3是图2中所述桶体的结构示意图；

图4是本发明所述模拟方法的流程图。

附图标记，1-通道体，11-第一通道体，12-第二通道体，3-电机，4-滚轮，5-过滤装置，6-桶体，7-孔隙水压力监测装置，8-流体源装置，81-输送管，82-流体囊，83-可控阀，84-可控流体阀，85-分路流体阀，9-沉积物样品，10-液体介质，13-控制台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1-图3所示，本实施例公开的一种海底麻坑形成过程模拟装置，包括用于提供液体介质10流动的冲刷机构、以及用于模拟麻坑形成过程和检测沉积物样品9内部空隙水压的麻坑模拟机构。

如图2所示，麻坑模拟机构由桶体6、孔隙水压力监测装置7、流体源装置8及输送管81、流体囊82构成。桶体6内填充有沉积物样品9，流体囊82位于桶体6内填充的沉积物样品9下方。

孔隙水压力监测装置7采用孔隙水压力探杆，由探杆主体以及布放于探杆内部的孔压传感器组成，能够实时监测、传输以及通过外部显示器掌握不同位置的孔隙水压力大小。流体囊82采用pvc材料制成，具有耐磨、耐压并具有抗拉弹，在流体囊82外周设置防腐涂层，提高其防腐、抗老化和密封性能。流体囊82大小与桶体6适配，其体积在0.01-0.1m³之间，可承受的压力范围在500kpa以内。

如图1所示，冲刷机构包括供液体流动的通道体1和过滤装置5，通道体1包括第一通道体11、第二通道体12。本实施例中通道体1为环形水槽，以麻坑模拟机构中的桶体6为界点，桶体6两侧分别为第一通道体11、第二通道体12，相对的第一通道体11、第二通道体12的另一端连接，使冲刷机构中的液体介质10能够循环利用。

本实施例中的液体介质10采用水体，过滤装置5位于桶体6后的环形水槽截面，过滤装置5为间隔设置的多个过滤网，每个过滤网的周边均与相应部位的环形水槽内壁密封连接，避免随水流携带的沉积物遗漏，提高测量精度。

环形水槽的截面为矩形，截面的宽度范围在20～80cm之间、高度范围在10～60cm之间，根据环形水槽内单位水体的重量，环形水槽的厚度在0.5～3cm之间进行选配。

如图3所示，本实施例中桶体6采用高强度玻璃钢制成的透明立方体，顶部敞开其余面闭合，桶体6上沿与环形水槽的内底面齐平，流体囊82的进口通过输送管81与流体源装置8连通，流体囊82的出口位于上侧朝向沉积物，流体囊82内的流体介质释放并流经沉积物以模拟麻坑形成及向上运移的过程，同时，孔隙水压力监测装置7在模拟麻坑形成过程时对沉积物内部压力进行监测。

环形水槽高度需要要和桶体6配合，因此，采用多根支撑柱在其底部进行支撑并固定，保证模拟试验操作时的结构稳定。冲刷机构设有液体驱动机构或液体源装置，液体驱动机构或液体源装置设在桶体6前侧的液体流向上游，本实施例中采用的液体驱动机构由电机3和滚轮4构成，滚轮4设在环形水槽内，通过控制电机3带动滚轮4的转速，以调整水流的速度。

显然，也可以通过由水泵及水管构成的液体源装置来调整水流的速度，此时，通道体1可以不设置成环形水槽结构，为条形水槽即可，在过滤装置5后设置水出口，在桶体6前设置水进口；水流的速度由水泵控制，但相对于电机3和滚轮4系统，液体源装置较为耗能，且对水流速度的调节上不够精确。

如图2所示，在流体囊82的出口上安装有可控阀83；流体囊82上的出口设置有多个，流体囊82设有检测其内部压力的压力计或压力传感器。流体囊82的进口前设有可控流体阀84。流体源装置8为提供液体、气体或气液混合介质的压力泵。本实施例中流体介质采用空气，同时根据模拟试验需要，对空气的温度进行控制。

进一步的，流体囊82内隔离成多个独立腔室，每个独立腔室对应于1、2或3个流体囊82的出口。为了使每个腔室内的流体介质压力、体积可以设置成不同，每个独立腔室采用分管路和分路流体阀85进行控制，以实现多点、多工况的模拟操作，提高模拟试验的效率和准确性。

上述可控阀83、可控流体阀84以及分路流体阀85均采用电磁阀或遥控阀，可以进行外部控制保证即时打开或关闭流体囊82、输送管81、分管路。

使用时，压力泵供电并通过控制台13启动压力泵工作，打开可控流体阀84，对流体囊82进行充气加压，在压力计上实时显示流体囊82内的气体压力，充压后关闭可控流体阀84；此时，流体囊82上的可控阀83保持关闭状态；向桶体6内添加沉积物以及水，待沉降固结完全后，打开可控阀83的开关进行下一步试验；流体运移过程对沉积物内部孔压的变化影响，由孔隙水压力探杆监测；环形水槽与桶体6相连接，通过控制台13设定电机3滚轮4转速，对应于所需的水体流速，水流通过桶体6时将由流体向上运移引起的悬浮沉积物带走，经过多个过滤网时流速减小、悬浮物沉降并被过滤下来，试验结束后对沉降悬浮物收集并测量。

根据需要模拟的海底地质情况，选配相应的沉积物样品9并按比例铺设至桶体6内，再结合流体源装置8通入一定压力、体积的气体、液体或气液混合等流体介质，流体介质从桶体6下部向上流动，流经沉积物样品9内部并从顶面处、液体介质10散出，在堆积的沉积物样品9上形成麻坑，对海底麻坑形成过程进行定量模拟和分析；桶体6为透明的有机玻璃制成，因此，可以从外部有效且直观的掌握其变化过程。孔隙水压力监测装置7在模拟麻坑形成过程时，对沉积物内部压力进行实时监测；冲刷机构提供流动的液体介质10，在模拟麻坑的过程中，由于流体介质的作用，使得部分沉积物扩散出来，最终被液体介质10携带经过过滤装置5，完成扩散沉积物的收集，结合流体源装置8通入流体介质压力、体积与沉积物量的分析，可以建立麻坑模型，用于海底实际发现的麻坑研究和应用。

如图4所示，本实施例公开了一种海底麻坑形成过程模拟方法，包括如上所述的模拟装置，所述模拟方法包括准备步骤、参数确定步骤和试验步骤；

所述准备步骤，包括沉积物样品9的制备并铺设到桶体6内，将孔隙水压力监测装置7插设在沉积物样品9内以及输送管81、相应设备的连接安装。沉积物样品9的制备与铺设工作主要为沉积物样品选取、采集、运输以及将其均匀地铺设于桶体6内部；

所述参数确定步骤，根据模拟实验需要确定液体介质10的流速、流体囊82输出压力大小以及是否需要连续输出。水流速度的确定为根据试验工况的需求决定是否需要水流冲刷以及水流速度的大小。

所述试验步骤，通过流体源装置8向桶体6内输送流体介质；开启冲刷机构，使液体介质10从通道体1、桶体6、过滤装置5依次流过；同时，孔隙水压力监测装置7在模拟麻坑形成过程时对沉积物内部压力进行实时监测，液体经过过滤装置5以收集液体介质10中携带的沉积物。

在流体囊82的进口、出口分别设有可控流体阀84、可控阀83的情况下，向流体囊82中预先充入流体介质至一定压力并关闭可控流体阀84，然后在试验步骤时打开可控阀83释放流体介质。

操作时，给压力泵供电并通过控制台13启动压力泵工作，打开可控流体阀84，对流体囊82进行充气加压，在压力计上实时显示流体囊82内的气体压力，充压后关闭可控流体阀84；此时，流体囊82上的可控阀83保持关闭状态；向桶体6内添加沉积物以及水，待沉降固结完全后，打开可控阀83的开关进行下一步试验；流体运移过程对沉积物内部孔压的变化影响，由孔隙水压力探杆监测；环形水槽与桶体6相连接，通过控制台13设定电机3滚轮4转速，对应于所需的水体流速，水流通过桶体6时将由流体向上运移引起的悬浮沉积物带走，经过多个过滤网时流速减小、悬浮物沉降并被过滤下来，试验结束后对沉降悬浮物收集并测量。

为了提高模拟试验的准确性，桶体6内铺设的沉积物样品9高度与通道体1的内底齐平。

模拟试验后进行相应的数据处理和设备清理工作，以方便进行下次试验试验，保护设备的质量。数据处理包括孔隙水压力随时间的变化、流体运移路径随压力大小及沉积物类型的变化、流速对麻坑形态的影响等。设备清理为清理干净水槽内沉积物，排放所有试验所用流体，并自然风干。

本发明的模拟装置及模拟方法，操作简单、方便，有利于推动麻坑在海底地貌、地质成因以及能源开发应用研究、分析上的发展；对于麻坑形成以及海底流体在沉积物中运移的变化情况，进行定量模拟和分析，可以有效且直观的掌握其变化过程，具体而言：

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。