[发明专利]一种水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置及方法

权利要求书

1.一种水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置，包括测试探杆，其特征在于：所述测试探杆上设置纵向分布的若干电极环和纵向分布的若干孔压传感器；所述测试探杆的底部为锥形头；所述测试探杆上部固定设置有配重、水声通讯机一、采集控制仓、电源仓以及吊环；所述采集控制仓内设有电阻率采集单元、孔压采集单元和下位机控制单元；所述电阻率采集单元分别与各电极环以及下位机控制单元通信连接；所述孔压采集单元分别与各孔压传感器以及下位机控制单元通信连接；所述下位机控制单元通过海面通讯浮标与甲板单元通信连接。

2.如权利要求1所述水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置，其特征在于：所述海面通讯浮标上设置浮标控制单元和水声通讯机二；水声通讯机二分别与水声通讯机一以及浮标控制单元通信连接；浮标控制单元通过北斗卫星通讯机与甲板控制单元通信连接。

3.如权利要求1所述水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置，其特征在于：所述下位机控制单元为连接有ARM处理器的支持SOPC的FPGA芯片。

4.如权利要求1所述水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置，其特征在于：所述浮标控制单元为连接有ARM处理器的支持SOPC的FPGA芯片。

5.如权利要求1-4任一项所述水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置，其特征在于：至少设置30个电极环；至少设置6个孔压传感器。

6.如权利要求1-4任一项所述水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置，其特征在于：各电极环设置于测试探杆的上部；各孔压传感器设置于测试探杆的下部。

7.采用权利要求1所述装置对水合物诱发海底失稳实时监测的方法，其特征在于：

1)根据电阻率计算出天然气水合物的饱和度和超孔隙水压力的变化

根据阿尔奇公式可得到

R_w2＝R_w1(T₁+21.5)/(T₂+21.5)

式中，a，m为阿尔奇常数，φ为沉积物孔隙度，可以通过沉积物取样测定得到，R₀为饱和水地层电阻率；R_w1、R_w2为温度为T₁、T₂一定盐度下孔隙水电阻率；

根据以下公式计算水合物饱和度

式中，S_H为水合物饱和度；n为饱和度指数，未固结地层n＝1.7；R_t为测量得到的电阻率；

分解前水的物质的量为

式中，n_w0为水合物分解前水的物质的量；ρ_w＝1g/cm³为水的密度；M_w＝18g/mol为水的物质的量，V_H为水合物的体积；V_v为孔隙的体积；S_H为水合物饱和度；

假设：1m³天然气水合物CH₄·nH₂O分解产生N_gmol的气体和N_wmol水，即V_gm³气体和V_wm³的水，天然气水合物分解后水的物质的量的变化为

n_w＝n_w0+N_w

式中，n_w为水合物分解后总的水的物质的量；N_w为水合物分解后增加的水的物质的量；

水合物分解后甲烷气体的物质的量的变化为

n_gi＝N_g-n_gs

n_gs＝n_w×s_g

式中，n_gi为水合物分解后考虑甲烷溶解后，孔隙中甲烷气体的物质的量；N_g为水合物分解后不考虑甲烷溶解，孔隙中甲烷气体的物质的量；n_gs为水合物分解后产生的甲烷气体在水中溶解的物质的量；s_g为甲烷气体的溶解度；

根据理想状态气体方程，即

PV＝nRT

式中，P为理想气体的压强；V为理想气体的体积；n为理想气体的物质的量；R为理想气体的气体常数；T为理想气体的热力学温度；标准状态下甲烷气体的

P_s＝1.013×10²kPa，T_s＝298.15K；

式中，P_s为标准状态下气体的压强；V_s为标准状态下气体的体积；T_s为标准状态下气体的温度；P_a为水合物分解后气体的压强；V_a为水合物分解后气体的体积；T_a为水合物分解后气体的温度；

因此，可得到水合物分解前后体积的变化量，即

ΔV＝V_a+V_w-V_H

式中，ΔV为水合物分解后体积的变化；V_H为分解的天然气水合物的体积；

根据土体压缩模量的定义和土体压缩模量与弹性模量、泊松比的关系，建立水合物分解后体积的变化与有效应力的变化量，即

式中，E_s为土体压缩模量；σ_z为土体垂向有效应力；ε_z为土体垂向有效应变；Δσ_z为土体垂向有效应力的变化；Δε_z为土体垂向有效应变的变化；V为水合物初始体积；E为土体的弹性模量；μ为土体的泊松比；

根据有效应力原理，超孔隙水压力的变化Δu等于有效应力的变化，即

Δu＝-Δσ_z

式中，Δu为计算得到的超孔隙水压力的变化；

2)根据计算得到的超孔隙水压力的变化以及测试的超孔隙水压力判断是否会造成海底失稳

方法一：

当超静超孔隙水压力大于上覆有效应力时，会造成海底失稳，即

max{Δu，Δu_m}＞σ_z＝ρgH

式中，ρ为水合物上覆沉积物密度，g为重力加速度；H为上覆沉积物深度；Δu_m为孔压传感器测量得到的超孔隙水压力的变化；

或方法二：

根据刚体极限平衡法，假定滑动面为圆弧形，滑动体沿圆弧面滑动，当引起滑动的力矩大于抵抗滑动的力矩时，即K＜1时，发生海底滑坡，即

式中，K为滑动安全系数；W_i为上覆沉积物重力，α_i为滑坡面垂向方向与法线方向的夹角；φ_i为内摩擦角；c_i为黏聚力；l_i为滑坡面长度；Δu为计算得到的超孔隙水压力的变化；Δu_m为孔压传感器测量得到的超孔隙水压力的变化。