CN110082502B - 水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置与方法。本发明包括透明模型箱，透明模型箱内设有沉积层，透明模型箱的侧面设有激光器和CCD相机，透明模型箱的顶部设有激光位移计，沉积层的内部还设有温度传感器和压力传感器；沉积层包括透明海洋软黏土层和天然气水合物层；透明海洋软黏土层是由硅酸锂镁和蒸馏水按照质量比为3.5～6.5:100经过混合搅拌制备而成的，天然气水合物层是由三氯一氟甲烷和蒸馏水按照体积比为1:2～1:4在常压下制备而成的。本发明可以在常压下模拟天然气水合物分解条件下的海床响应，海底沉积物内部的流体运移路径以及土体内部裂纹扩展等肉眼可见，并可通过图像处理获得三维位移场。

Description

水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置与方法

技术领域

本发明涉及海洋地质的技术领域，特别是指一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置与方法。

背景技术

天然气水合物大多赋存于海底低温高压环境下的沉积物孔隙中，当海底温度升高或压力减小时，天然气水合物就分解为气体和水，导致孔隙压力升高。随着孔隙压力累积，海床会发生变形，如海床***。同时，天然气水合物分解导致沉积物胶结强度逐渐降低，有效应力减小，在地震等外力触发作用下，极易发生海底滑坡。

目前天然气水合物分解诱发海床变形的研究，主要以海洋地球物理调查为主，且大都停留在定性描述上，在试验室采用装置进行模拟即物理模型试验是一种较好的方法，物理模型试验是探究天然气水合物分解形成流体迁移与海床变形机制的重要研究手段。对含有天然气水合物层的地质模型进行物理模型试验研究采集试验过程中的孔隙压力、海床表面变形等试验数据，可以揭示天然气水合物的分解所诱发流体迁移与海床变形的过程与机制。这些物理模型试验通常需要研究土体内部的变化，如土体内部二维或三维位移、土体内部流体运移路径以及土体内部裂纹扩展等。

由于天然气水合物合成需要高压与低温条件，室内物理模型试验很难满足条件。中国专利CN107589235A公开了一种天然气水合物分解诱发海底滑坡的模拟试验装置，包括一透明水箱、一设于透明水箱内的土坡、位于土坡上的海水、一第一空压机、一第二空压机、一触发盘、一孔压计和一数据采集仪；该模拟试验装置能够有效模拟天然气水合物分解诱发的海底滑坡，并能够观测出分解后水压、气压变化与滑坡的过程；但是，该模拟试验装置中没有形成水合物，只是利用空气压缩机向模型内注入空气，模拟水合物的分解，与自然界中天然气水合物分解诱发海床变形的实际情况差别很大；而且，这种土坡不可视，使得该模拟试验装置无法直接观察其内部流体运移路径，也无法观察土体内部裂纹扩展等，无法得知土体内部的三维位移变化情况。

发明内容

本发明提出一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置与方法，解决了现有技术中无法直观观察土体内部流体运移路径和土体内部裂纹扩展的三维位移变化情况的问题，本发明的天然气水合物替代物在常压下即可进行物理模型试验，简化了试验条件。

本发明的一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置，其技术方案是这样实现的：包括透明模型箱，所述透明模型箱内设有沉积层，所述透明模型箱的一侧设有激光器，所述透明模型箱在与所述激光器相垂直的一侧设有CCD相机，所述透明模型箱的顶部设有激光位移计，所述沉积层的内部还设有温度传感器和压力传感器；所述沉积层包括透明海洋软黏土层和天然气水合物层，所述天然气水合物层位于所述透明海洋软黏土层的内部，所述透明海洋软黏土层包括下伏层和上覆层，所述下伏层位于所述天然气水合物层的底部，所述上覆层位于所述天然气水合物层的顶部；所述透明海洋软黏土层是由硅酸锂镁和蒸馏水按照质量比为3.5～6.5:100经过混合搅拌制备而成的，所述天然气水合物层是由三氯一氟甲烷和蒸馏水按照体积比为1:2～1:4在常压下制备而成的。

在海底高压低温环境下，天然气水合物储层保持稳定；当温压条件改变，天然气水合物出现分解时，产生大量气体与水，孔压升高，海底沉积物的强度降低，从而导致海洋地质灾害。目前，天然气水合物的制备需要高压(MPa级别)低温环境，试验室的试验条件难以满足，而且高压容易带来爆裂等安全隐患。本发明采用透明海洋软黏土模拟海底沉积物中的软黏土层，采用天然气水合物替代材料模拟海底沉积物中的天然气水合物，透明海洋软黏土透明度高，可视化程度高，天然气水合物替代材料在常压下随着温度的升高可以分解出气体和水，从而简化了试验条件。本发明的激光器从沉积层的侧面发出一道光束，垂直照亮沉积层的一个纵向平面，形成不同的地层截面；CCD相机用以采集试验过程中不同地层截面的图片，并通过计算机分析得到三维位移场。本发明沉积层的顶部架设激光位移计，用以采集试验过程中的海床表面变形，通常情况下，沉积层的上覆层顶部需要喷涂一层涂料层，以有效反射来自其上方的激光位移计的光学信号；沉积层的内部还设有温度传感器和压力传感器，用以采集试验过程中的温度压力变化。本发明由透明模型箱、激光器、CCD相机、激光位移计、温度传感器和压力传感器组成了该试验装置，该试验装置可以在常压下模拟天然气水合物分解过程，直接观察天然气水合物分解在地层内部形成的流体运移路径和裂纹扩展等试验现象，实现了模拟试验过程的可视化；通过对不同地层截面的图像分析，得到海床三维位移变化情况，得到了一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置，简化了模拟试验的条件，并且可以采集试验过程中的海床内部和表面的地形变化以及地层内部的温度和压力数据，为海洋地质灾害防控提供科学理论指导，操作性强，便于推广。

作为一种优选的实施方案，所述激光器包括激光光源和透镜组，所述激光光源和所述透镜组位于呈竖直设置的第一平面内，所述第一平面与所述透明模型箱的侧面呈垂直设置。激光器透过透明模型箱照射到沉积层的内部，照射沉积层内部的某一个平面上，形成不同的地层截面；在CCD相机的作用下，适时连续拍摄不同地层截面上土体发生变形时的照片，从而记录了天然气水合物分解在地层内部形成的流体运移路径、裂纹扩展以及海床三维位移变化情况。

作为一种优选的实施方案，所述透明模型箱位于一操作平台上，所述激光光源的底部设有第一滑轨，所述操作平台上设有与所述第一滑轨相适配的第一滑道，所述透镜组的底部设有第二滑轨，所述操作平台上设有与所述第二滑轨相适配的第二滑道。本发明通过第一滑轨和第一滑道以及第二滑轨和第二滑道的配合作用下，可以同步移动激光光源和透镜组，使激光光源和透镜组始终保持在与沉积层的侧面相垂直的平面内，以便拖动激光光源和透镜组的位置，从变化CCD相机拍摄照片的截面，以得到地层内部不同截面上的流体运移路径和裂纹扩展的三维位移变化情况。

本发明的一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验方法，其技术方案是这样实现的：包括以下步骤：A、天然气水合物替代材料的制备1)取三氯一氟甲烷，置于-18～4℃下，冷藏处理，备用；2)取蒸馏水，分别置于2～4℃下，冷藏处理，备用；3)将步骤1)所得的三氯一氟甲烷加入到步骤2)所得的蒸馏水中，搅拌，使其混合均匀，得混合物；4)将步骤3)所得的混合物在-18～4℃下，继续搅拌，搅拌时间为8～20min，至开始形成固体水合物，得天然气水合物替代材料；B、透明海洋软黏土的制备5)取硅酸锂镁和蒸馏水，硅酸锂镁与蒸馏水的重量比为3.5～6.5:100，将硅酸锂镁缓慢加入蒸馏水中，硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中，蒸馏水一直处于搅拌状态；继续搅拌，搅拌速度为800～1200r/min，搅拌5～20min，得透明海洋软黏土；C、下伏层的制备6)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于透明模型箱中，静置，固结，得透明海洋软黏土，即形成下伏层；D、上覆层的制备7)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于上覆层软黏土制备装置中，静置，固结，得透明海洋软黏土；上覆层软黏土制备装置包括一端具有开口端的底座，所述底座的内部套接连接有用于容纳透明海洋软黏土的成型套筒，所述成型套筒的两端均设有开口端，所述成型套筒连接有可将透明海洋软黏土推出的推板；E、沉积层的制备8)将步骤4)所得的天然气水合物替代材料放入步骤6)所得的下伏层的顶部中间位置，即形成天然气水合物层；9)去掉步骤7)中上覆层软黏土制备装置的底座，采用推板将步骤7)所得的透明海洋软黏土缓慢地向下推送，覆盖步骤8)所得的形成天然气水合物层，得储存在透明模型箱内的沉积层；10)在沉积层的内部放置温度传感器和压力传感器，在透明模型箱的一侧放置激光器，在透明模型箱的与激光器相垂直的一侧放置CCD相机，在透明模型箱的顶部放置激光位移计；11)启动激光器和CCD相机，收集CCD相机内的照片；启动温度传感器、压力传感器和激光位移，进行实时采集；12)更换激光器的位置，通过CCD相机获得海床不同截面的照片。

本发明首先分别制备了天然气水合物的替代材料和海洋软黏土的透明替代材料，并将两者在透明模型箱内有机结合在一起，形成一种与天然海底结构相似的可视化透明地质模型即沉积层，在激光器、CCD相机、激光位移计、温度传感器和压力传感器的配合作用下组成了三维可视化试验装置；这种三维可视化试验模型中沉积层中的天然气水合物层是在常压下，经过有效控制温度制备而成的，无需高压操作，制备方法简单，条件温和，对设备没有特殊的要求，成本低；这种可视化试验模型中的上覆层事先在上覆层软黏土制备装置中静置固结，上覆层为一个有机的整体，避免引入气泡，保证了沉积层的透明度。本发明中制备的可视化试验模型中的沉积层通常置于冰箱中保存，其中沉积层中的透明海洋软黏土在静置固结过程中以及固结完成保存时，需将润湿的薄纱布覆在其表面上，并用保鲜膜密封，防止所得到的透明海洋软黏土干裂。本发明的可视化试验模型中的沉积层受到环境温度的影响其温度会自然逐渐上升，最终与室温相同，温度上升过程中，天然气水合物层会逐步分解成为气体和水，在超孔隙压力作用下发生运移，形成运移通道，也可通过人为方式，加速其分解过程，缩短试验所需时间，如使用热吹风机加热盛装沉积层的透明模型箱的外壁或者采用水浴加热的方式。为便于观察该可视化试验模型中沉积层的内部流体运移通道，透明模型箱是使用强度较高的透明材料制作，如无色有机玻璃(亚克力)。

作为一种优选的实施方案，所述步骤7)中，成型套筒的底部开口端设有透明防水薄膜，所述透明防水薄膜通过固定带与所述成型套筒的外部可拆卸式连接，所述步骤9)中去掉底座的同时还将透明防水薄膜拆卸下来。成型套筒的底部采用防水透明薄膜包裹，固定带可以是橡皮筋，采用橡皮筋扎实，以防止静置固结过程中漏水，扎口位置距底部的高度应该略大于底座的高度，如底座高度为1.5cm，扎口位置距底部的高度可以为2cm，防水透明材料可以选用保鲜膜、油纸等材料。如果上覆层的制备方法不当，将会导致上覆层的内部产生大量气泡，从而影响沉积层的透明度，进而影响试验模型的可视化效果；本发明采用由底座、成型套筒和推板组成的上覆层软黏土制备装置，该成型套筒的尺寸与透明模型箱的尺寸吻合，在底座和成型套筒中透明海洋软黏土得到了充分固化成型，使上覆层形成一个有机整体，避免了其内气泡的产生，大大提高了上覆层的透明度。

作为一种优选的实施方案，所述静置的温度为1～4℃，静置的时间为24～48h。搅拌完毕之后，将硅酸锂镁和蒸馏水的混合物倒入相应的容器中，例如：透明模型箱和上覆层软黏土制备装置，在室内静置固结，可形成软黏土透明替代材料，若内含少量气泡，在静置约24～48小时后可固结消散；若混合物中含有较大体积的气泡，可用针头细长的注射器吸出；通常情况下在室温或低温下静置。

作为一种优选的实施方案，所述硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中的搅拌速度为500～1000r/min。硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中需要不断地对蒸馏水进行搅拌，加入到蒸馏水之后的硅酸锂镁快速分散，搅拌均匀，同时，此时的搅拌速度不宜过大，防止硅酸锂镁在添加过程中被过大的搅拌速度带出，造成物料的浪费和所得透明软黏土粘度的变化；待硅酸锂镁完全加入蒸馏水之后，再提高搅拌速度，此时的搅拌速度以硅酸锂镁和蒸馏水的混合物既不溢出，并且其内部也不产生气泡为宜。

作为一种优选的实施方案，所述硅酸锂镁向蒸馏水中的添加速度为5～15g/s。硅酸锂镁在整理水中的添加速度不宜过快，而且，需要边搅拌边添加，快速倒入或者完全倒入硅酸锂镁之后，再搅拌，会导致搅拌不均匀，最终降低透明度。

作为一种优选的实施方案，所述步骤3)和所述步骤4)中的搅拌速度均为500～1000r/min，所述步骤3)中的搅拌时间为1～5min。本发明采用搅拌的方法使液态三氯一氟甲烷和蒸馏水充分混合，防止分层，这种高速搅拌，充分保证了两种物质混合的均匀性，严格避免了分层现象的产生。

作为一种优选的实施方案，所述硅酸锂镁的粒径大小为20～30nm，密度为0.9～1.1g/cm³，折射率为1.3～1.8。本发明的试验模型中在透明软黏土的制备过程中使用的是蒸馏水，蒸馏水不含电解质等多种杂质，制备过程中不发生反应影响透明度，故而所得的透明软黏土透明度高，其透明度远远超过自来水制备的透明软黏土；根据被替代的天然软黏土的类型，调整硅酸锂镁与蒸馏水的质量比，从而得到不同强度的天然软黏土；软黏土强度较高时，硅酸锂镁的用量多；软黏土强度较低时，硅酸锂镁的用量少。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的沉积层中采用透明海洋软黏土模拟海底沉积物中的软黏土层，采用天然气水合物替代材料模拟海底沉积物中的天然气水合物，所得的沉积层的透明度高，可视化程度高，在激光器、CCD相机、激光位移计、温度传感器和压力传感器的配合作用下组成了三维可视化试验装置，得到了一种天然气水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置；该三维可视化试验装置中沉积层的天然气水合物层是在常压下完成制备的，随着温度的升高可以分解出气体和水；该三维可视化试验装置可以模拟天然气水合物的分解过程，结构可视，内部的流体运移通道可见，可以直接观察海底沉积物内部的流体运移路径和裂纹扩展等试验现象，实现了海底沉积物内部位移的可视化；并可以采集试验过程中海床内部温度压力变化及海床内部和表面的变形情况，得到了一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置，简化了模拟试验的条件，为海洋地质灾害防控提供科学理论指导，性价比高，便于推广；本发明在常压下完成了水合物的制备与海底沉积物的可视化，无需高压，制备方法简单，条件温和，对设备没有特殊的要求，成本低。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的三维可视化试验装置的立体结构示意图；

图2为本发明所用上覆层软黏土制备装置的分解结构示意图；

图3为本发明的沉积层的剖视结构示意图；

图4为本发明的沉积层的外观照片图；

图5为本发明的在试验过程中CCD相机拍摄的照片图；

图6为本发明所用透明模型箱的立体结构示意图；

图中：100-底座；200-成型套筒；300-推板；4-下伏层；5-天然气水合物层；6-上覆层；

900-操作平台；101-沉积层；111-激光位移计；112-支架；113-透镜组；114-激光光源；115-CCD相机；116-透明模型箱。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅附图1、附图2、附图3、附图4、附图5和附图6，本发明的一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置，包括透明模型箱116，透明模型箱116内设有沉积层101，透明模型箱116的一侧设有激光器，透明模型箱116在与激光器相垂直的一侧设有CCD相机115，透明模型箱116的顶部设有激光位移计111，沉积层101的内部还设有温度传感器和压力传感器；沉积层101包括透明海洋软黏土层和天然气水合物层5，天然气水合物层5位于透明海洋软黏土层的内部，透明海洋软黏土层包括下伏层4和上覆层6，下伏层4位于天然气水合物层5的底部，上覆层6位于天然气水合物层5的顶部；透明海洋软黏土层是由硅酸锂镁和蒸馏水按照质量比为3.5～6.5:100经过混合搅拌制备而成，天然气水合物层5是由三氯一氟甲烷和蒸馏水按照体积比为1:2～1:4在常压下制备而成的。附图1中为了简洁起见，没有画出透明模型箱116，没有画出温度传感器、压力传感器及其连接的导线；本发明中CCD相机115是与计算机连接的，CCD相机115可以进行自动连续拍摄；激光器的激光切面垂直打入沉积层101，形成散斑场；激光位移计111通过支架112架设在透明模型箱116的顶部；试验过程中通过计算机适时收集CCD相机115拍摄的照片图像，并利用计算机的图像处理软件对获得的散斑场图像进行分析，从而得到沉积层101内部土体的三维位移场。

参阅附图1，本发明中，激光器包括激光光源114和透镜组113，激光光源114和透镜组113位于呈竖直设置的第一平面内，第一平面与透明模型箱116的侧面呈垂直设置。本发明中激光器位于沉积层101的右侧，CCD相机115位于沉积层101的前侧，CCD相机115正好拍摄激光光源114透过透镜组113垂直打入沉积层101内部一个竖直平面上的流体运移路径和裂纹扩展等试验现象，记录了沉积层101内部位移的变化情况。本实施例中，透明模型箱116位于一操作平台900上，激光光源114的底部设有第一滑轨，操作平台900上设有与第一滑轨相适配的第一滑道，透镜组113的底部设有第二滑轨，操作平台900上设有与第二滑轨相适配的第二滑道。本发明通过第一滑轨和第一滑道以及第二滑轨和第二滑道的配合作用下，可以同步移动激光光源114和透镜组113，使激光光源114和透镜组113始终保持在与沉积层101的侧面相垂直的平面内，以便拖动激光光源114和透镜组113的位置，从变化CCD相机115拍摄照片的平面，以得到沉积层101内部不同平面上的流体运移路径和裂纹扩展的三维位移变化情况。

本发明的一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验方法，包括以下步骤：

A、天然气水合物替代材料的制备

1)取三氯一氟甲烷，置于-18～4℃下，冷藏处理，备用；

2)取蒸馏水，分别置于2～4℃下，冷藏处理，备用；

3)将步骤1)所得的三氯一氟甲烷加入到步骤2)所得的蒸馏水中，搅拌，搅拌速度为500～1000r/min，搅拌时间为1～5min，使其混合均匀，得混合物；

4)将步骤3)所得的混合物在-18～4℃下，继续搅拌，搅拌速度为500～1000r/min，搅拌时间为8～20min，至开始形成固体水合物，得天然气水合物替代材料；

B、透明海洋软黏土的制备

5)取硅酸锂镁和蒸馏水，硅酸锂镁与蒸馏水的重量比为3.5～6.5:100，硅酸锂镁的粒径大小为20～30nm，密度为0.9～1.1g/cm³，折射率为1.3～1.8，将硅酸锂镁缓慢加入蒸馏水中，硅酸锂镁向蒸馏水中的添加速度为5～15g/s，硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中，蒸馏水一直处于搅拌状态，硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中的搅拌速度为500～1000r/min；继续搅拌，搅拌速度为800～1200r/min，搅拌5～20min，得透明海洋软黏土；

C、下伏层4的制备

6)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于透明模型箱116中，静置，静置的温度为1～4℃，静置的时间为24～48h，固结，得透明海洋软黏土，即形成下伏层4；

D、上覆层6的制备

7)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于上覆层软黏土制备装置中，静置，固结，得透明海洋软黏土；上覆层软黏土制备装置包括一端具有开口端的底座100，底座100的内部套接连接有用于容纳透明海洋软黏土的成型套筒200，成型套筒200的两端均设有开口端，成型套筒200连接有可将透明海洋软黏土推出的推板300，成型套筒200的底部开口端设有透明防水薄膜，透明防水薄膜通过固定带与成型套筒200的外部可拆卸式连接；

E、沉积层101的制备

8)将步骤4)所得的天然气水合物替代材料放入步骤6)所得的下伏层4的顶部中间位置，即形成天然气水合物层5；

9)去掉步骤7)中上覆层软黏土制备装置的底座100，同时还将透明防水薄膜拆卸下来，采用推板300将步骤7)所得的透明海洋软黏土缓慢地向下推送，覆盖步骤8)所得的形成天然气水合物层5，得储存在透明模型箱116内的沉积层101；

10)在沉积层101的内部放置温度传感器和压力传感器，在透明模型箱116的一侧放置激光器，在透明模型箱116的与激光器相垂直的一侧放置CCD相机115，在透明模型箱116的顶部放置激光位移计111，CCD相机115镜头所在的平面平行于透明模型箱116的一个外立面；

11)启动激光器和CCD相机115，待激光器功率稳定之后，调整激光切面的角度，使其垂直打入沉积层101，形成散斑场；并调整CCD相机115的试场，使其涵盖整个散斑场画面，并设置为自动连续拍摄模式，收集CCD相机115内的照片；启动温度传感器、压力传感器和激光位移，实时采集温度传感器、压力传感器和激光位移计111的数据；

12)每隔一定时间，更换激光器的位置，继续收集沉积层101内部其它平面上的温度传感器、压力传感器和激光位移的数据，并收集CCD相机115内的照片，通过CCD相机获得海床不同截面的照片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的沉积层101中采用透明海洋软黏土模拟海底沉积物中的软黏土层，采用天然气水合物替代材料模拟海底沉积物中的天然气水合物，所得的沉积层101的透明度高，可视化程度高，在激光器、CCD相机115、激光位移计111、温度传感器和压力传感器的配合作用下组成了三维可视化试验装置，得到了一种天然气水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置；该三维可视化试验装置中沉积层101的天然气水合物层5是在常压下完成制备的，随着温度的升高可以分解出气体和水；该三维可视化试验装置可以模拟天然气水合物的分解过程，结构可视，内部的流体运移通道可见，可以直接观察海底沉积物内部的流体运移路径和裂纹扩展等试验现象，实现了海底沉积物内部位移的可视化；并可以采集试验过程中海床内部温度压力变化及海床内部和表面的变形情况，得到了一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置，简化了模拟试验的条件，为海洋地质灾害防控提供科学理论指导，性价比高，便于推广；本发明在常压下完成了水合物的制备与海底沉积物的可视化，无需高压，制备方法简单，条件温和，对设备没有特殊的要求，成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验方法，其特征在于：

所述试验方法在水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置上进行，所述水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验装置包括透明模型箱，所述透明模型箱内设有沉积层，所述透明模型箱的一侧设有激光器，所述激光器包括激光光源和透镜组，所述激光光源和所述透镜组位于呈竖直设置的第一平面内，所述第一平面与所述透明模型箱的侧面呈垂直设置，所述透明模型箱在与所述激光器相垂直的一侧设有CCD相机，所述透明模型箱的顶部设有激光位移计，所述沉积层的内部还设有温度传感器和压力传感器；

所述透明模型箱位于一操作平台上，所述激光光源的底部设有第一滑轨，所述操作平台上设有与所述第一滑轨相适配的第一滑道，所述透镜组的底部设有第二滑轨，所述操作平台上设有与所述第二滑轨相适配的第二滑道；

所述沉积层包括透明海洋软黏土层和天然气水合物层，所述天然气水合物层位于所述透明海洋软黏土层的内部，所述透明海洋软黏土层包括下伏层和上覆层，所述下伏层位于所述天然气水合物层的底部，所述上覆层位于所述天然气水合物层的顶部；

所述透明海洋软黏土层是由硅酸锂镁和蒸馏水按照质量比为3.5~6.5:100经过混合搅拌制备而成的，所述天然气水合物层是由三氯一氟甲烷和蒸馏水按照体积比为1:2~1:4在常压下制备而成的；

所述试验方法包括以下步骤：

A、天然气水合物替代材料的制备

1）取三氯一氟甲烷，置于-18~4 ℃下，冷藏处理，备用；

2）取蒸馏水，分别置于2~4 ℃下，冷藏处理，备用；

3）将步骤1）所得的三氯一氟甲烷加入到步骤2）所得的蒸馏水中，搅拌，使其混合均匀，得混合物；

4）将步骤3）所得的混合物在-18~4 ℃下，继续搅拌，搅拌时间为8~20 min，至开始形成固体水合物，得天然气水合物替代材料；

B、透明海洋软黏土的制备

5）取硅酸锂镁和蒸馏水，硅酸锂镁与蒸馏水的重量比为3.5~6.5:100，将硅酸锂镁缓慢加入蒸馏水中，硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中，蒸馏水一直处于搅拌状态；继续搅拌，搅拌速度为800~1200 r/min，搅拌5~20 min，得透明海洋软黏土；

C、下伏层的制备

6）按照步骤5）的方法制备透明海洋软黏土，置于透明模型箱中，静置，固结，得透明海洋软黏土，即形成下伏层；

D、上覆层的制备

7）按照步骤5）的方法制备透明海洋软黏土，置于上覆层软黏土制备装置中，静置，固结，得透明海洋软黏土；

上覆层软黏土制备装置包括一端具有开口端的底座，所述底座的内部套接连接有用于容纳透明海洋软黏土的成型套筒，所述成型套筒的两端均设有开口端，所述成型套筒连接有可将透明海洋软黏土推出的推板；

E、沉积层的制备

8）将步骤4）所得的天然气水合物替代材料放入步骤6）所得的下伏层的顶部中间位置，即形成天然气水合物层；

9）去掉步骤7）中上覆层软黏土制备装置的底座，采用推板将步骤7）所得的透明海洋软黏土缓慢地向下推送，覆盖步骤8）所得的天然气水合物层，得储存在透明模型箱内的沉积层；

10）在沉积层的内部放置温度传感器和压力传感器，在透明模型箱的一侧放置激光器，在透明模型箱的与激光器相垂直的一侧放置CCD相机，在透明模型箱的顶部放置激光位移计；

11）启动激光器和CCD相机，收集CCD相机内的照片；启动温度传感器、压力传感器和激光位移，进行实时采集；

12）更换激光器位置，通过CCD相机获得海床不同截面的照片。

2.根据权利要求1所述的水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验方法，其特征在于：

所述步骤7）中，成型套筒的底部开口端设有透明防水薄膜，所述透明防水薄膜通过固定带与所述成型套筒的外部可拆卸式连接，所述步骤9）中去掉底座的同时还将透明防水薄膜拆卸下来。

3.根据权利要求1所述的水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验方法，其特征在于：

所述静置的温度为1~4 ℃，静置的时间为24~48 h。

4.根据权利要求1所述的水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验方法，其特征在于：

所述硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中的搅拌速度为500~1000 r/min。

5.根据权利要求1所述的水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验方法，其特征在于：

所述硅酸锂镁向蒸馏水中的添加速度为5~15 g/s。

6.根据权利要求1所述的水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验方法，其特征在于：

所述步骤3）和所述步骤4）中的搅拌速度均为500~1000 r/min，所述步骤3）中的搅拌时间为1~5 min。

7.根据权利要求1所述的水合物分解诱发海床变形的三维可视化试验方法，其特征在于：

所述硅酸锂镁的粒径大小为20~30 nm，密度为0.9~1.1 g/cm³，折射率为1.3~1.8。

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