本发明涉及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，属于天然气水合物开采诱发灾害实验模拟技术领域。
背景技术：
天然气水合物是天然气和水在一定的温度和压力条件下形成的笼型结晶化合物，广泛分布于大陆外边缘和永冻土带。其具有分布范围广、资源储量大，能量密度高等特点，本世纪中叶天然气水合物有望成为一种最为普及的能源燃料。
然而，普遍认为天然气水合物的开发也会带来一系列负面环境影响，如加剧温室效应，引发地壳变动等地质灾害，破坏海洋生物群种。在自然界中压力和温度微小的变化都会引起天然气水合物分解，并向大气释放甲烷气体。在开发天然气水合物过程中甲烷气体泄漏进入大气势必加剧温室效应，造成温度升高，这将引起永冻土带之下的天然气水合物自动分解，温室效应进一步加剧；开采造成水合物分解，释放气体而留下水，即固态水合物变成液态水，这可能导致沉积物物理性质、地球物理性质以及地球化学性质发生变化，引发地壳变动及海底滑塌；海底沉积物中的天然气水合物分解的甲烷进入水体，与溶解氧发生反应，使得海水中溶解氧浓度降低，同时全球气候变暖又会使水体温度升高，进一步降低溶解氧浓度，影响陆地和海洋中生物种群的生存演化.
现有的天然气水合物开发引发灾害的模拟系统局限于对水合物分布及微观力学特性的研究，或者利用岩心管对单独密闭水合物储层的模拟开发，而对于无上覆致密盖层地层中海水的扰动以及大气中甲烷浓度的变化研究不足，缺乏大气-海洋-地层全方位的宏观模拟系统。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、安装布设方便、工作性能可靠且能够全方位模拟的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。
本发明还提供一种利用上述实验模拟研究装置的实验方法。
本发明的技术方案如下：
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。
优选的，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。
优选的，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。此设计的好处在于，模拟对象分别模拟大气、深水、岩土层或海底冻土、水合物储层，能够提供一个逼真的海底环境，保证实验结果的准确性和可靠性。
优选的，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。
优选的，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。
优选的，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。
优选的，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。
优选的，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。
优选的，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。
优选的，所述注入井模拟管柱和采出井模拟管柱均包裹有玻璃纤维。此设计的好处在于，玻璃纤维能够有效起到保温隔热的效果，保证天然气水合物注采模拟系统的正常运作。
优选的，所述上循环水管道、下循环水管道均采用导热材料金属铜制作而成。
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，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。
本发明的有益效果在于：
1.本发明实验模拟研究装置结构合理巧妙，安装布设简单，使用操作方便，投入成本低。实验模型可视化且模拟效果好，利用数据监测控制装置可较为简便地记录现象观测装置传导的实验物理现象，便于对实验现象进行直观、及时地进行分析，实验结果真实可靠性强。
2.借助本发明实验模拟研究装置提供的实验方法，可以对海底无上覆致密盖层水合物开采诱发灾害进行有效的模拟操作，因而对海底天然气水合物安全高效的开发具有一定的指导价值，对由此造成的地质环境灾害的触发机制的认识与研究具有重要意义，具有较为广泛的推广应用前景。
3.本发明实验模拟研究装置工作性能稳定，适用范围广，本发明实现了对大气-深水-地层环境无上覆致密盖层地层整体的形变、海水的扰动以及大气中甲烷浓度的变化的全方位宏观模拟。通过相应的温度、压力以及气体浓度传感器对模拟过程中的相关数据进行实时监控，利用摄影装置对模拟过程进行全程图像采集，方便数据分析。本发明适用范围广，具有较高的研究与应用价值，为海底无上覆致密盖层水合物开采诱发灾害实验模拟指导了方向。
附图说明
图1为本发明实验模拟研究装置的组成连接关系图；
图2为进行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流程图；
图中标号说明：
1—热流体发生器 2—热流体泵 3—气体收集器
4—控制阀 5—液体流量计 6—注入井模拟管柱
7—采出井模拟管柱 8—压力传感器 9—温度传感器
10—气体浓度测量仪 11—气体流量计 12—气体增压机
13—气体增压管 14—数据线 15—计算机
16—分层隔热板 17—气体 18—水
19—砂土 20—模拟水合物 21—气水分离器
22—气体浓度测量仪 23—上循环水管道 24—下循环水管道
25—高压反应釜外壳 26—保温层 27—摄像头
28—保温管A 29—保温管B 30—保温管C
31—保温管D 32—大气温度控制水浴箱 33—地层温度控制水浴箱
34—温度控制器 35—可视化窗口 36—刻度线
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供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，该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六大部分；
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。
具体而言，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25、上循环水管道23、下循环水管道24、保温层26、分层隔热板16以及模拟对象；上循环水管道23和下循环水管道24分别环绕在高压反应釜外壳25外表面并通过分层隔热板16进行隔离设置，即上循环水管道23缠绕于高压反应釜外壳25上半部分，下循环水管道24缠绕于高压反应釜外壳25下半部分，最外面再由保温层26包裹，模拟对象装填于高压反应釜外壳25内。
实验所用模拟对象包括气体17、水18、砂土19和模拟水合物20，在高压反应釜外壳25内由上而下依次形成气体层、水层、砂土层和模拟水合物层。模拟对象分别模拟大气、深水、岩土层或海底冻土、水合物储层，能够提供一个逼真的海底环境，保证实验结果的准确性和可靠性。水18选用蒸馏水或盐水；模拟水合物20为冰或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(可选择模拟不同地层的地层砂来实验)。
天然气水合物注采模拟系统包括热流体发生器1、控制阀4、液体流量计5、注入井模拟管柱6、气体收集器3、气体流量计11、采出井模拟管柱7和气水分离器21；注入井模拟管柱6和采出井模拟管柱7分别插入高压反应釜外壳25内部且底端均位于模拟水合物层，采出井模拟管柱7的底端连接气水分离器21，热流体发生器1通过热流体泵2与注入井模拟管柱6顶端连接，通过热流体泵2将热流体发生器1产生的热流体经由注入井模拟管柱6打入到模拟水合物层，注入井模拟管柱6上还连接控制阀4和液体流量计5，气体收集器3与采出井模拟管柱7顶端连接，采出井模拟管柱7上还连接控制阀4和气体流量计11，气水分离器21可确保采出井模拟管柱7不会带出装置内液体。
温度控制系统包括大气温度控制水浴箱32、地层温度控制水浴箱33和温度控制器34，大气温度控制水浴箱32出水口和进水口分别经保温管A28和保温管B29与上循环水管道23的进水口和出水口相连；地层温度控制水浴箱33出水口和进水口分别经保温管C30和保温管D31与下循环水管道24的进水口和出水口相连；大气温度控制水浴箱32和地层温度控制水浴箱33分别与温度控制器34连接控制，后续由温度控制器34来控制并调节大气温度控制水浴箱32和地层温度控制水浴箱33所需要的温度。
压力控制系统包括气体增压机12、气体流量计11、控制阀4和气体增压管13，气体增压管13插入高压反应釜外壳25内部且底端位于气体层，气体增压机12与气体增压管13顶端连接，气体流量计11和控制阀4安装在气体增压管13上。后续利用气体增压机12来调节气体层的压力值，使其满足实验要求。
数据采集系统包括分别安装于高压反应釜外壳25顶部和底部的压力传感器8和温度传感器9、安装于高压反应釜外壳顶部位于气体层的气体浓度测量仪10、安装于高压反应釜外壳侧壁位于水层的气体浓度测量仪22，压力传感器8、温度传感器9、气体浓度测量仪10、22分别通过数据线14与计算机15连接。顶部的压力传感器8和温度传感器9用来获取气体层的参数数值，底部的压力传感器8和温度传感器9用来获取模拟水合物层的参数数值，气体浓度测量仪10、22分别用来获取大气及水中甲烷浓度。
影像采集系统包括底座及安装在底座上的摄像头27，摄像头27通过数据线14与计算机15连接，其中底座为一可调节高度和旋转角度的底座，包括座体和伸缩旋转杆，摄像头27安装在伸缩旋转杆的顶端；高压反应釜外壳25上开设有可视化窗口35，可视化窗口35采用耐高压、低温的PC防刻划板设计制作，可视化窗口35一侧设置有最小单位为毫米的刻度线，摄像头27正对可视化窗口35进行实验图像捕捉，后续将捕捉的实验图像传输给计算机15，由计算机进行图像分析。
实施例2：
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，结构如实施例1所述，其不同之处在于：注入井模拟管柱6和采出井模拟管柱7均包裹有玻璃纤维。玻璃纤维能够有效起到保温隔热的效果，保证天然气水合物注采模拟系统的正常运作。
上循环水管道23、下循环水管道24均采用导热材料金属铜制作而成，可提高导热效率。
实施例3：
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，利用实施例1或实施例2所述的实验模拟研究装置，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、实验准备：根据实验设计要求，准备所需的水18、砂土19、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15、摄像头27、压力传感器8和温度传感器9；
步骤二、环境预设：启动循环大气温度控制水浴箱32和地层温度控制水浴箱33的水，直到计算机15采集的大气-深水-地层自然环境可视化模拟系统内的温度和压力符合实验要求，并持续循环；
步骤三、海底无上覆致密盖层水合物开采诱发灾害模拟实验，其实验方法如下：
(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19及水18依次放入高压反应釜外壳25内，在高压反应釜外壳25内由上而下依次形成气体层、水层、砂土层和模拟水合物层，以此模拟海洋环境；
(2)安装天然气水合物注采模拟系统，启动气体增压机12向高压反应釜外壳25内加压，通过计算机15观察温度、压力参数至其稳定；
(3)打开热流体泵2，将热流体发射器1中的热流体(热水或热蒸汽)通过注入井模拟管柱6按照设计流速向高压反应釜外壳25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21由采出井模拟管柱7排出，同时由气体流量计11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8、温度传感器9、气体浓度测量仪10、22捕捉气体及水中甲烷浓度、压力和温度变化，由摄像头27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35一侧的刻度线36进行度量。将这些获取的参数和拍摄的图像传输给计算机，由计算机进行后续的实验数据和实验图像分析。