[发明专利]一种海底无上覆致密盖层水合物开采诱发灾害实验模拟研究装置与实验方法

权利要求书

1.一种海底无上覆致密盖层水合物开采诱发灾害实验模拟研究装置，包括大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统、天然气水合物注采模拟系统、温度控制系统、压力控制系统、数据采集系统和影像采集系统；

其中，天然气水合物注采模拟系统与大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统内部连接，用于向大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统注入热流体并收集排出气体，实现模拟水合物储层的注热流体开发；

温度控制系统与大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统外表面连接，用于控制和调节大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统的实验温度；

压力控制系统与大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统内部连接，用于控制和调节大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统的实验压力；

数据采集系统与大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统连接，用于获取实验过程中的实验数据，并将实验数据传输给计算机，由计算机进行实验数据的分析计算；

影像采集系统用于捕捉大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统的实验图像，并将试验图像传输给计算机，由计算机进行实验图像的分析计算。

2.如权利要求1所述的实验模拟研究装置，其特征在于，所述大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统包括高压反应釜外壳、上循环水管道、下循环水管道、保温层、分层隔热板以及模拟对象；上循环水管道和下循环水管道分别环绕在高压反应釜外壳外表面并通过分层隔热板进行隔离设置，再由保温层包裹，模拟对象置于高压反应釜外壳内。

3.如权利要求2所述的实验模拟研究装置，其特征在于，所述模拟对象包括气体、水、砂土和模拟水合物，在高压反应釜外壳内由上而下依次形成气体层、水层、砂土层和模拟水合物层。

4.如权利要求3所述的实验模拟研究装置，其特征在于，所述水包括蒸馏水或盐水；所述模拟水合物为冰、水合物或水合物与砂子的混合物，冰为蒸馏水冷凝制成，水合物为蒸馏水与甲烷、或蒸馏水与二氧化碳制成，砂子为具有均匀目数的模拟地层砂。

5.如权利要求3所述的实验模拟研究装置，其特征在于，所述天然气水合物注采模拟系统包括热流体发生器、控制阀、液体流量计、注入井模拟管柱、气体收集器、气体流量计、采出井模拟管柱和气水分离器；注入井模拟管柱和采出井模拟管柱分别插入高压反应釜外壳内部且底端均位于模拟水合物层，采出井模拟管柱的底端连接气水分离器，热流体发生器通过热流体泵与注入井模拟管柱顶端连接，注入井模拟管柱上还连接控制阀和液体流量计，气体收集器与采出井模拟管柱顶端连接，采出井模拟管柱上还连接控制阀和气体流量计。

6.如权利要求2所述的实验模拟研究装置，其特征在于，所述温度控制系统包括大气温度控制水浴箱、地层温度控制水浴箱和温度控制器，大气温度控制水浴箱与上循环水管道连接，地层温度控制水浴箱与下循环水管道连接，大气温度控制水浴箱和地层温度控制水浴箱分别与温度控制器连接控制。

7.如权利要求3所述的实验模拟研究装置，其特征在于，所述压力控制系统包括气体增压机、气体流量计、控制阀和气体增压管，气体增压管插入高压反应釜外壳内部且底端位于气体层，气体增压机与气体增压管顶端连接，气体流量计和控制阀安装在气体增压管上。

8.如权利要求3所述的实验模拟研究装置，其特征在于，所述数据采集系统包括分别设置于高压反应釜外壳顶部和底部的压力传感器和温度传感器、设置于高压反应釜外壳顶部位于气体层的气体浓度测量仪、设置于高压反应釜外壳侧壁位于水层的气体浓度测量仪，压力传感器、温度传感器、气体浓度测量仪分别与计算机连接。

9.如权利要求8所述的实验模拟研究装置，其特征在于，所述影像采集系统包括底座及安装在底座上的摄像头，摄像头与计算机连接，高压反应釜外壳上设置有可视化窗口，可视化窗口一侧设置有刻度线，摄像头正对可视化窗口进行实验图像捕捉。

10.一种海底无上覆致密盖层水合物开采诱发灾害实验模拟的方法，利用权利要求1-9任一项所述的实验模拟研究装置，包括以下步骤：

步骤一、实验准备：根据实验设计要求，准备所需的水、砂土、冰或天然气水合物或天然气水合物和砂子的混合物，调试计算机、摄像头、压力传感器和温度传感器；

步骤二、环境预设：启动循环大气温度控制水浴箱和地层温度控制水浴箱，直到计算机采集的温度和压力符合实验要求，并持续循环；

步骤三、模拟实验：利用上述实验模拟研究装置，实验方法如下：

(1)将实验材料冰或天然气水合物或天然气水合物和砂子的混合物、砂土及水依次放入高压反应釜外壳内，在高压反应釜外壳内由上而下依次形成气体层、水层、砂土层和模拟水合物层；

(2)安装天然气水合物注采模拟系统，启动气体增压机向高压反应釜外壳内加压，通过计算机观察温度、压力参数至其稳定；

(3)通过注入井模拟管柱按照设计流速向高压反应釜外壳内注入热流体至模拟水合物层；在模拟水合物层产生的气体或气水混合物经气水分离器由采出井模拟管柱排出，同时由气体流量计测量气体流出速度；

步骤四、图像捕捉，数据处理：通过压力传感器、温度传感器、气体浓度测量仪捕捉气体及水中甲烷浓度、压力和温度变化，由摄像头拍摄观察砂土滑塌状况和海水扰动程度，并通过可视化窗口的刻度线进行度量。