CN111551671A - 天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***与方法，将实现天然气水合物分解与甲烷泄漏行为协同模拟的功能，将泄漏气体在上覆沉积层通过中的迁移转化与冷泉***发育及冷泉生态***形成演化进行了联合，可原位模拟重塑海洋天然气水合物藏、上覆沉积层及泄漏通道、海底界面和海水环境***，从而实现对天然气水合物形成演化、天然气水合物分解泄漏涉及的气体迁移转化、储层沉降及冷泉***发育、冷泉生态***形成演化等科学问题的研究。

Description

天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***与方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，更具体的，涉及一种天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***与方法。

背景技术

天然气水合物俗称可燃冰，广泛赋存于大陆边缘海底沉积物中，全球储量高达两千万亿立方米，其含碳量是全球已探明的所有化石燃料碳储量的2倍，每立方米的天然气水合物在标准状态下可释放160～180m3的天然气，燃烧时排放的二氧化碳量仅为化石燃料的24％。由于储量大、能量密度高、分布广、燃烧后无污染和残留等特点，天然气水合物被誉为是21世纪最具有前景的接替能源。

天然气水合物分解后产生的气态甲烷沿裂隙通道运移至海底溢出，在海底形成冷泉。泄漏的流体给一些依靠化能合成的微生物(细菌和古菌)提供丰富的养分，形成了以化能自养细菌为初级生产者的食物链，繁衍了群落结构非常独特的完整的海底冷泉生态***。以甲烷为能量和碳源的冷泉生物群的发现，拓展了深海极端环境下生命的潜在界线，以崭新的面貌诠释着生命的含义，同时冷泉***的生物密度高而生物多样性低，孕育出代谢产物多样性和丰富的基因资源，为发现新的微生物代谢途径和生存对策提供了前所未有的机遇，冷泉生态***前沿科学研究对揭示未知的深海极端生命过程具有重要意义。

然而，目前天然气水合物分解甲烷泄漏与海底冷泉发育的相互作用关系尚没有明确定论，当前对天然气水合物的研究与冷泉及冷泉生态***的研究处于割裂状态。现有的关于天然气水合物模拟技术的研究仅限于天然气水合物储藏内的天然气水合物及储层的基础物性参数、天然气水合物分解相变、传热、传质、储层形变的研究。天然气水合物分解储层甲烷泄漏机制尚不清楚，天然气水合物分解后泄漏的甲烷气体从天然气水合物储层上界面逸出在上覆沉积层泄漏通路中的迁移转化机制几乎处于空白状态。目前对深海冷泉的研究主要来源于海底原位的冷泉气泡、冷泉羽流等冷泉流体运移形态的观测研究，以及冷泉碳酸盐等冷泉在海底的表现形式的研究，对冷泉流体的来源大多猜想来源于海底下部天然气水合物分解，然而天然气水合物分解甲烷泄漏与冷泉发育动力机制的具体关联并不清楚，现有的关于冷泉发育并没有与天然气水合物形成分解实际联系起来。在天然气水合物储层与沉积层边界的甲烷泄漏通量、进入沉积层泄漏通路的甲烷通量、以及在海底逸出的冷泉的甲烷通量的相互关系尚不明晰。冷泉发育与冷泉生态***形成演化的关系需要进行深入研究，以揭开深海极端生命发育的神秘面纱。原位的海底探测试验只能观测有限的海底单元的片段化数据，并且现有技术很难直观透明的研究海底沉积物以下天然气水合物与海底界面以上冷泉发育及冷泉生态***形成演化的关系。随着深海模拟技术的发展，建立大尺度综合深海模拟实验装置，模拟海底以下天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉发育、冷泉生态***形成演化的全过程是解决天然气水合物开发的环境生态基础科学问题以及冷泉***前沿基础科学问题的必要手段。

发明内容

本发明为克服现有缺乏大尺度综合深海模拟实验装置以模拟海底以下天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉发育、冷泉生态***形成演化的全过程，存在无法解决天然气水合物开发的环境生态基础科学问题以及冷泉***前沿基础科学问题的技术缺陷，提供一种天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***与方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，包括天然气水合物形成分解***、泄漏通路模拟***和冷泉生态模拟***；其中：

所述天然气水合物形成分解***用于模拟海洋天然气水合物的形成与分解；

所述天然气水合物形成分解***通过所述泄漏通路模拟***与所述冷泉生态模拟***连接；

所述泄漏通路模拟***用于模拟、观察由天然气水合物形成分解***中泄漏出来的气体进入所述冷泉生态模拟***的迁移转化行为；

所述冷泉生态模拟***用于模拟将经由所述泄漏通路模拟***气体发育冷泉及其生态***的过程，实现对冷泉生态***形成演化的模拟。

天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法，包括天然气水合物形成分解过程、气体泄漏过程和冷泉生态***构建过程，其中：

所述天然气水合物形成分解过程具体为通过所述天然气水合物形成分解***模拟海洋天然气水合物的形成与分解过程；

所述气体泄漏过程具体为通过所述泄漏通路模拟***模拟、观察由天然气水合物形成分解***中泄漏出来的气体进入冷泉生态模拟***的迁移转化行为；

所述冷泉生态***构建过程具体为通过冷泉生态模拟***模拟将泄漏气体进行冷泉发育及其生态***演化的过程，从而完成冷泉生态***的构建。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***与方法，将实现天然气水合物分解与甲烷泄漏行为协同模拟的功能，将泄漏气体在上覆沉积层通过中的迁移转化与冷泉***发育及冷泉生态***形成演化进行了联合，可原位模拟重塑海洋天然气水合物藏、上覆沉积层及泄漏通道、海底界面和海水环境***，从而实现对天然气水合物形成演化、天然气水合物分解泄漏涉及的气体迁移转化、储层沉降及冷泉***发育、冷泉生态***形成演化等科学问题的研究。

附图说明

图1为天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***结构示意图；

图2为天然气水合物形成分解***电路模块连接示意图；

图3为泄漏通路模拟***电路模块连接示意图；

图4为冷泉生态模拟***电路模块连接示意图；

图5为天然气水合物形成分解过程流程示意图；

图6为气体泄漏过程包括不含裂隙型的模拟过程流程示意图；

图7为气体泄漏过程包括含裂隙型的模拟过程流程示意图；

图8为冷泉生态***构建过程流程示意图；

其中：1、天然气水合物形成分解***；11、天然气水合物储层模拟腔；111、腔体；112、模拟层；1121、上覆沉积层；1122、天然气水合物储层；1123、下伏气液混合层；12、第一压力传感器；13、地层温度控制***；131、第一温度传感器；132、环壁温度控制***；1321、温度控制器；1322、水浴循环夹套；1323、外置热交换机组；1324、电磁阀；133、内置换热器；14、位移传感器；15、气液注入***；151、气体注入子***；1511、高压气源；1512、空气压缩机；1513、气体增压泵；1514、缓冲容器；1515、第一控制阀；1516、气体流量计；152、液体注入子***；1521、海水存储罐；1522、高压海水注入泵；1523、海水质量流量计；1524、第二控制阀；16、开采井***；161、水平开采井；162、垂直开采井；163、第三控制阀；17、生产***；171、回压子***；172、气液固三相分离装置；173、储水池；174、气体收集器；175、第四控制阀；18、采集控制***；181、处理器；182、人机交互模块；19、报警装置；2、泄漏通路模拟***；21、耐压管道；22、流速调节装置；23、流速计量装置；24、流体形态监测装置；3、冷泉生态模拟***；31、高压模拟腔；32、海底界面以上单元；33、海底界面生态***模拟单元；34、海底界面以下单元；341、模拟层构建***；3411、含硫溶液储库；3412、饱和氧溶液；3413、注入泵；3414、质量流量计；3415、可控阀组；342、海底沉积物化学分带模拟层；3421、厌氧氧化带；3422、次氧氧化带；3423、含氧氧化带；35、环境条件控制设备；351、第二温度传感器；352、环壁温度控制装置；353、第二压力传感器；354、气液循环装置；355、光源装置；356、计量装置；357、采样装置；358、处理终端；3581、数据采集器；3582、中央处理器；3583、存储器；3584、显示器；36、取样舱；361、内侧舱门；362、外侧舱门；363、压力检测器；364、压力平衡单元；3641、排水***；3642、排气***；365、移动导轨；366、取样器；37、海底流注入***。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，包括天然气水合物形成分解***1、泄漏通路模拟***2和冷泉生态模拟***3；其中：

所述天然气水合物形成分解***1用于模拟海洋天然气水合物的形成与分解；

所述天然气水合物形成分解***1通过所述泄漏通路模拟***2与所述冷泉生态模拟***3连接；

所述泄漏通路模拟***2用于模拟、观察由天然气水合物形成分解***1中泄漏出来的气体进入所述冷泉生态模拟***3的迁移转化行为；

所述冷泉生态模拟***3将由所述泄漏通路模拟***2得到的气体进行冷泉发育，实现对冷泉生态***的模拟。

在具体实施过程中，通过天然气水合物形成分解***1将天然气水合物分解与泄漏进行了模拟，将泄漏气体在上覆沉积层通过中的迁移转化与冷泉***发育及冷泉生态***形成演化进行了联合，在冷泉生态模拟***3中原位模拟重塑海洋天然气水合物藏、上覆沉积层及泄漏通路模拟***2、海底界面和海水环境***，从而实现对天然气水合物形成演化、天然气水合物分解泄漏涉及的气体迁移转化、储层沉降及冷泉***发育、冷泉生态***形成演化等科学问题的研究。

在具体实施过程中，本发明通过天然气水合物形成分解***1和泄漏通路模拟***2对天然气水合物分解储层甲烷泄漏技术进行模拟，相比现有水合物模拟技术主要关注天然气水合物储层内部的科学问题，拓展了泄漏甲烷从天然气水合物储层泄漏后进入上界面的研究边界，为天然气水合物开采甲烷泄漏的环境生态效应和深海甲烷碳循环等重要科学问题提供了研究平台。

在具体实施过程中，本发明通过冷泉生态模拟***3对冷泉发育技术进行模拟，并将冷泉发育与天然气水合物分解直接联系起来，避免了现有冷泉研究主要基于有限的海底观测，对冷泉流体来源大多只是猜测来源于海底下天然气水合物分解的假设状态，可进一步深刻认识天然气水合物分解与冷泉发育的关系，厘清冷泉发育的动力机制。

在具体实施过程中，本发明提出了将天然气水合物分解与冷泉生态***形成演化直接关联，对认识冷泉生态***形成演化的物质环境条件以及天然气水合物开发对深海生态***影响程度等关键为题提供了手段和基础。

实施例2

更具体的，如图1、图2所示，所述天然气水合物形成分解***1包括：

天然气水合物储层模拟腔11，包括腔体111和设置在腔体111内部的多个模拟层112；

地层温度控制***13，包括设置在所述模拟层112中的第一温度传感器131、设置在所述腔体111中的内置换热器133和设置在腔体111外壁的环壁温度控制***132，第一温度传感器131与环壁温度控制***132信号连接，内置换热器133与环壁温度控制***132电性连接；

与所述腔体111底部连通的气液注入***15；

设置在所述腔体111内部的开采井***16；

与所述开采井***16输出端连接的生产***17，所述生产***17输出端与所述气液注入***15输入端连接；

设置在所述模拟层112中的第一压力传感器12；

设置在所述模拟层112中的位移传感器14；

与所述第一压力传感器12、环壁温度控制***132、气液注入***15、生产***17和位移传感器14电性连接的采集控制***18；

所述泄漏通路模拟***2设置在所述腔体11顶部，与所述采集控制***18电性连接。

在具体实施过程中，通过天然气水合物形成分解***1实现对海域天然气水合物储层进行原位地质分层构建，满足大尺度天然气水合物形成、分解过程的地质环境***模拟需要。相对于小尺度模拟***可更加准确地反演天然气水合物形成和分解过程中天然气水合物储层内的渗流规律、传热和传质特性，并且弥补小尺度模拟***难以实现真实天然气水合物储层内压力梯度变化的缺憾；同时，通过该***进行天然气水合物形成分解地质环境的模拟，有效的缩短了实验周期，大幅度减少实验成本，可反复试验寻找规律，降低现场试验对周围生态环境***的影响风险；最后，相对于现有的数值模拟研究手段，本发明可以基于实际的天然气水合物沉积样品展开，实验模型更加贴近实际状态，克服数值理论研究假设条件多，参数条件过于理性等不足。

更具体的，所述腔体111为直径3米，高度5米的大尺度模拟腔；所述模拟层112包括由上至下依次设置的上覆沉积层1121、天然气水合物储层1122和下伏气液混合层1123；其中：

所述第一压力传感器12、第一温度传感器131均有多个，分别均匀地设置在所述各个模拟层112中；

所述位移传感器14有多个，等间距地固定在所述上覆沉积层1121底部，设置在所述天然气水合物储层1122中；

所述内置换热器133有多个，等间距地固定在所述下伏气液混合层1123顶部，设置在所述天然气水合物储层1122中；

所述开采井***16设置在所述天然气水合物储层1122中，其输出端穿过所述上覆沉积层1121与所述生产***17连接。

在具体实施过程中，通过气液注入***15向大尺度天然气水合物储层模拟腔11内注入天然气水合物形成需要的气液流体，然后调节地层温度控制***13和第一压力传感器12，原位模拟仿真天然气水合物形成需要的温度、压力等地质环境条件，经过需要的时间周期形成需要的天然气水合物样品后，可打开开采井***16及生产***17，运用需要的开采方式实现天然气水合物分解、气液产出收集等过程，并在天然气水合物分解的过程中，通过位移传感器14对天然气水合物储层1122的竖向沉降变化进行实时监测。本发明可实现天然气水合物形成、分解过程中的地质环境***模拟及实时数据采集、处理、图像输出及存储，并对天然气水合物形成和分解的全过程进行周围环境的安全监控。

在具体实施过程中，本发明涉及的大尺度天然气水合物储层模拟腔11是核心部件，直径和高度均为米级，以满足真实模拟天然气水合物形成和分解过程渗流场、传热场和传质场，解析天然气水合物形成分解过程的相变、以及在储层中的传热传质和气液流动特性。本发明涉及的天然气水合物储层模拟腔11的内壁应具有防腐功能，使用耐腐蚀不锈钢材料，或者在内壁堆焊防腐蚀涂层，可长期模拟海域天然气水合物赋存的高压、低温、含盐环境。

在具体实施过程中，天然气水合物储层模拟腔11的内部尺寸满足天然气水合物储层1122、上覆沉积层1121及下伏气液混合层1123的地质分层构建需要。气液注入***15主要满足向天然气水合物储层1122和下伏气液混合层1123及上覆沉积层1121注气和注液的功能。在下伏气液混合层1123主要根据实际情况注入定量的甲烷气体、甲烷乙烷混合气体、饱和甲烷液体、气水混合物等气液流体。在天然气水合物储层1122内主要是天然气水合物形成需要的海水、甲烷、乙烷等液体和气体，以及天然气水合物分解过程中向天然气水合物储层模拟腔11内注入天然气水合物分解需要的热流体及化学试剂等。

在具体实施过程中，本发明涉及的气液注入***15在天然气水合物储层模拟腔11的顶部、底部和侧壁均设置有接口，满足不同气液注入模式的需要，可研究气液注入模式变化对天然气水合物形成，以及不同注入模式下天然气水合物分解的传热传质规律等关键问题。

在具体实施过程中，本发明涉及的第一压力传感器12主要运用于上覆沉积层1121、天然气水合物储层1122和下伏气液混合层1123等不同地质层位的压力检测；各层根据原位地址环境数据，在不同层位注入需要的定量的气液流体实现，在不同层位均为布置第一压力传感器12，实时监测底层的压力环境变化。

在具体实施过程中，在天然气水合物储层1122中均匀布设位移传感器14，实时监测天然气水合物分解过程中由于压力传播、气液流动等导致的天然气水合物储层1122内部的位移沉降量。

更具体的，所述环壁温度控制***132包括温度控制器1321、水浴循环夹套1322和外置热交换机组1323；其中：

所述水浴循环夹套1322包裹在所述腔体111外壁上，在所述水浴循环夹套1322的顶部及底部均设置有管道，通过所述管道与所述外置热交换机组1323连接；所述管道上设置有电磁阀1324；

所述电磁阀1324控制端、外置热交换机组1323控制端、内置换热器133控制端与所述温度控制器1321输出端电性连接；

所述温度控制器1321输入端与所述第一温度传感器131输出端电性连接；

所述温度控制器1321与所述采集控制***18电性连接，实现信息交互。

在具体实施过程中，环壁温度控制***132主要满足上覆沉积层1121、天然气水合物储层1122和下伏气液混合层1123等不同地质层位的温度模拟仿真及监测。本发明涉及的环壁温度控制***132可实现真是海底环境的地温梯度模拟仿真，通过在天然气水合物储层模拟腔11的外壁及底部包裹水浴循环夹套1322，同时在内部均与布设而定功率的内置换热器133组实现；可实现天然气水合物形成过程中天然气水合物储层1122的低温环境，并且真实反演从上覆沉积层1121、天然气水合物储层1122和下伏气液混合层1123等从上而下的地温梯度变化，温度误差控制在0.5℃每千米以内。同时，由于本发明涉及的天然气水合物储层1122及上下不环境***体积大、表面积大，可实现天然气水合物分解过程中地层温度变化，并真实反演底层温度云变化。

更具体的，所述气液注入***15包括气体注入子***151和液体注入子***152；其中：

所述气体注入子***151输入端与所述生产***17输出端连接；

所述气体注入子***151控制端与所述采集控制***18电性连接，实现信息交互；

所述气体注入子***151输出端与所述腔体111底部连通，用于向腔体111中注入气体；

所述液体注入子***152控制端与所述采集控制***18电性连接，实现信息交互；

所述液体注入子***152输出端与所述腔体111底部连通，用于向腔体中注入液体。

更具体的，所述气体注入子***151包括高压气源1511、空气压缩机1512、气体增压泵1513、缓冲容器1514、第一控制阀1515和气体流量计1516；其中：

所述高压气源1511输出端通过所述第一控制阀1515与所述缓冲容器1514输入端连接；

所述空气压缩机1512通过所述气体增压泵1513与所述缓冲容器1514输入端连接；

所述生产***17输出端通过所述第一控制阀1515与所述缓冲容器1514输入端连接；

在所述缓冲容器1514输出端上设置有所述气体流量计1516，所述气体流量计1516信号输出端与所述采集控制***18输入端电性连接；

所述缓冲容器1514输出端通过所述第一控制阀1515与所述腔体111底部连通；

所述空气压缩机1512、气体增压泵1513、第一控制阀1515和气体流量计1516控制端均与所述采集控制***18电性连接。

更具体的，所述液体注入子***152包括海水存储罐1521、高压海水注入泵1522、海水质量流量计1523和第二控制阀1524；其中：

所述海水存储罐1521输出端通过所述第二控制阀1524与所述高压海水注入泵1522输入端连接；

在所述高压海水注入泵1522输出端设置有所述海水质量流量计1523，所述海水质量流量计1523信号输出端与所述采集控制***18输入端电性连接；

所述高压海水注入泵1522输出端通过所述第二控制阀1524与所述腔体111底部连通；

所述高压海水注入泵1522、海水质量流量计1523和第二控制阀1524控制端均与所述采集控制***18电性连接。

在具体实施过程中，空气压缩机1512用于驱动气体增压泵1513，气体增压泵1513是增压原件；气体注入子***151不产生气体，主要是把高压气源1511里的气体增压并灌入缓冲容器1514中，再由缓冲容器1514注入***中；由于气体增压过程涉及到剧烈的压力波动，所以需要缓冲容器1514让注入气体的压力平缓，便于计量。

更具体的，所述开采井***16包括水平开采井161、垂直开采井162和第三控制阀163；其中：

所述水平开采井161水平地设置在所述天然气水合物储层1122中；所述垂直开采井162垂直地设置在所述天然气水合物储层1122中；

在所述水平开采井161和垂直开采井162上均匀地设置有射孔，所述射孔包裹多层防砂网；

所述水平开采井161输出端、垂直开采井162输出端通过所述第三控制阀163与所述生产***17输入端连接；

所述第三控制阀163控制端与所述采集控制***18电性连接。

在具体实施过程中，本发明涉及的开采井***16在天然气水合物储层1122内布设有真实尺寸(直径89mm)的水平开采井161、垂直开采井162，可模拟单水平井/单垂直井/垂直井联合水平井开采天然气水合物，在垂直井和水平井上都均匀布置了射孔，射孔外部包裹多层防沙网，预防气液产出过程中的井孔位置出现沙堵塞现象。

在具体实施过程中，防砂网的设置仅能防住较大的颗粒，颗粒较小的沙子不具备堵塞的危险，经水平开采井161、垂直开采井162输出至生产***17中。

更具体的，所述生产***17包括回压子***171、气液固三相分离装置172、储水池173、气体收集器174和第四控制阀175；其中：

所述回压子***171输入端与所述第三控制阀163连接，回压子***171输出端与所述气液固三相分离装置172输入端连接；

所述气液固三相分离装置172液体输出端通过所述第四控制阀175与所述储水池173输入端连接；

所述气液固三相分离装置172气体输出端通过所述第四控制阀175与所述气体收集器174输入端连接；

所述气体收集器174输出端通过所述第一控制阀1515与所述缓冲容器1514输入端连接；

所述回压子***171、第四控制阀175控制端均与所述采集控制***18电性连接。

在具体实施过程中，回压子***171主体为回压阀，用于控制出口压力的。

更具体的，所述采集控制***18包括处理器181和人机交互模块182，所述人机交互模块182与所述处理器181电性连接，实现信息交互；

所述处理器181与所述压力传感器12、环壁温度控制***132、气液注入***15、生产***17、泄漏通路模拟***2和位移传感器14电性连接。

在具体实施过程中，所述采集控制***18通过处理器181、人机交互模块182实现天然气水合物形成和分解过程中地层的各项环境数据信息变化实时采集、处理、存储和图像输出等功能。

在具体实施过程中，***还设置有报警装置19，用于天然气水合物形成、分解过程中甲烷等易燃物质泄漏的预警预报，天然气水合物储层1122内部高压监控等，保障天然气水合物形成和分解过程中周围环境***安全。

在具体实施过程中，在天然气水合物储层模拟腔11中实现地质分层构建，在下伏气液混合层1123中充填海水，在天然气水合物储层1122充填粉砂质沉积物充当多孔介质，在上覆沉积层1121充填钙质黏土层；通过气液注入***15往天然气水合物储层1122注入预先计算的定量的甲烷气体和海水，分别调节天然气水合物储层模拟腔11内各层的温度和压力，保证天然气水合物形成需要的高压和低温环境，进行天然气水合物的形成；当天然气水合物饱和度达到预先设计值(35％)后，打开开采井***16对天然气水合物进行降压或其它方式分解；通过第一温度传感器131、第一压力传感器12实时监测记录天然气水合物分解过程中各层的温度和压力分布及变化情况；通过位移传感器14实时监测记录天然气水合物储层1122的位移沉降量；通过生产***17采集并记录产气、产水、产砂量和速率，直至天然气水合物储层1122内合成的天然气水合物全部分解完毕为止，完成天然气水合物形成分解地质环境的模拟。

在具体实施过程中，天然气水合物形成分解***1可以产生甲烷气体和含甲烷的气液混合流体，这部分气体/液体将会通过泄漏通路模拟***2泄露到冷泉生态模拟***3，为冷泉生态模拟***3模拟提供流体泄漏源。

实施例3

更具体的，如图1、图3所示，所述泄漏通路模拟***2包括若干个耐压管道21、流速调节装置22、流速计量装置23和流体形态监测装置24；其中：

所述耐压管道21一端设置在所述腔体111上，另一端设置在所述冷泉生态模拟***3底部，令腔体111与冷泉生态模拟***3连通；

所述的每个耐压管道21内均安设有流速调节装置22和流速计量装置23；

所述流体形态监测装置24安装在所述耐压管道21上；

所述采集控制***18输入端与所述流速计量装置23和流体形态监测装置24输出端电性连接；

所述采集控制***18输出端与所述流速调节装置22、流速计量装置23和流体形态监测装置24控制端电性连接。

更具体的，所述耐压管道21为透明结构，所述流体形态监测装置24安装在所述透明耐压管道21外壁上。

在具体实施过程中，当耐压管道21为不透明管道时，所述流体形态监测装置95安装在管道内部，用于实时监测耐压管道21中的气液流体在通道中的运移行为；当耐压管道21为透明管道时，所述流体形态监测装置24为高清流体形态监测装置，可以安装在管道外壁上，方便对耐压管道21内的气液流体运移行为进行监测。

在具体实施过程中，流体形态监测装置24主要是在通道内置或者外置的观测原件对泄漏后的气液流体在管道中的运移特性及演变特征进行观测；流速调节装置22主要是在通道中安设调节装置，可手动或自动启闭的***调节流体在通道中的流速大小；流速计量装置23计量在通路中实际泄漏的流体流量大小。

在具体实施过程中，首先根据地质环境勘探数据调研特征和天然气水合物分解泄漏行为的相关研究成果，涉及实际的通道形态、分布、尺寸和材质并进行安装。在不含裂隙的通路内根据实际沉积层内多孔介质的分布、孔径、各相饱和度参数填充多孔介质，根据实际勘探调查数据涉及垂直、水平、斜向及不同方向联合分布的管路***；随后根据需要部分或者全部开启泄漏通路，模拟、研究天然气水合物分解后泄漏的甲烷及液体在通路中的运移行为，可以同步或者有次序地调节各通路的流速大小，模拟、观测、研究不同泄漏速率下含甲烷流体在通路中的迁移转化行为。在整个流体泄漏的过程中，通过流体形态监测装置24观测通路内的流体的迁移特性，通过流速计量装置23计量各通路内流体的泄漏速率及其演变情况，并且在采集控制***18内实时记录、处理和输出数据与图像。

在具体实施过程中，相对于现有的天然气水合物模拟***多模拟研究在天然气水合物储层内天然气水合物形成、分解情况，本发明提出的模拟研究天然气水合物分解后泄漏的含甲烷流体从天然气水合物储层逸出后在上覆沉积层的通路中的泄漏行为，该模拟***及相关研究可为天然气水合物分解甲烷泄漏的环境影响评估提供基础数据和理论支撑。

在具体实施过程中，相对于现有对海底甲烷泄漏的观测研究，该泄漏通路模拟***2提出了模拟研究在海底界面以下天然气水合物分解泄漏的含甲烷流体在沉积物的通路中的迁移转化行为，为观测模拟海底界面以下的含甲烷流体的泄漏行为了实现路径，弥补了现有海底界面以下的甲烷的泄漏行为多只限于理论模拟，缺乏直接实验数据支撑的缺陷。

在具体实施过程中，当模拟不含裂隙型的地质通道时，根据实际勘察需求在外部框架上安装填充钙质黏土沉积物作为多孔介质的透明耐压管道21，通道形态为垂直分布；在所有透明耐压管道21上安装流速调节装置22、流速计量装置23和流体形态监测装置24，并将各个装置与采集控制***18完成电路连接；将安装完成的外部框架放置在天然气水合物储层1122中，外部框架顶部设置在地层及海洋环境中；根据需要开启所有泄漏管道，同步或有次序的通过流速调节装置调节各通路的流速大小，模拟、研究不同泄漏速率下天然气水合物分解后含甲烷流体的迁移特性；通过流体形态监测装置观测管道内的流体的迁移特性，通过流速计量装置23计量各通路内流体的泄漏速率及其演变情况，由采集控制***18进行数据的记录、处理及图像的显示，完成不含裂隙型天然气水合物开采泄漏的地质通道的情况模拟。

在具体实施过程中，当模拟含裂隙型的地质通道时，根据实际勘察需求，在外部框架上安装填充钙质黏土沉积物作为多孔介质的透明耐压管道21，通道形态为垂直与倾斜联合分布组合；在所有透明耐压管道21上安装流速调节装置22、流速计量装置23和流体形态监测装置24，并将各个装置与采集控制***18完成电路连接；将安装完成的外部框架放置在天然气水合物储层1122中，外部框架顶部设置在地层及海洋环境中；根据需要先开启垂直泄漏管道，观测若干分钟后再开启剩下的倾斜泄漏管道，通过调节各通路的流速大小，模拟、研究不同泄漏速率下含甲烷流体在通路中的迁移转化行为；通过流体形态监测装置24观测管道内的流体的迁移特性，通过流速计量装置23计量各通路内流体的泄漏速率及其演变情况，由采集控制***18进行数据的记录、处理及图像的显示，完成含裂隙型天然气水合物开采泄漏的地质通道的情况模拟。

实施例4

更具体的，如图1、图4所示，所述冷泉生态模拟***3包括高压模拟腔31，在高压模拟腔31中进行地质分层构建，由上而下包括海底界面以上单元32、海底界面生态***模拟单元33和海底界面以下单元34；所述海底界面以上单元32用于海底水体情况的模拟；所述海底界面生态***模拟单元33用于模拟海底界面及深海冷泉生态***；所述海底界面以下单元34用于模拟海底分布及冷泉的发育过程；

在所述高压模拟腔31上设置有环境条件控制设备35，用于***环境条件的控制及数据的采集；

在所述高压模拟腔31上设置有取样舱36，用于深海冷泉生态***样品的放置及采集；

在所述高压模拟腔31上设置有海底流注入***37，所述海底流注入***37用于向海底界面生态***模拟单元33注入深海海水，达到洋流模拟的作用；

所述取样舱36、海底流注入***37控制端与所述环境条件控制设备35电性连接。

在具体实施过程中，高压模拟腔31采用球柱相结合的模拟结构，球状部分尺寸为直径8米，柱状部分为高度15米，直径5米，为冷泉生态***的形成演化提供50.24㎡的足够大的截面空间，以及与真实海底环境一致或者相近的海洋物理、海洋化学、海洋地质和海洋生物环境条件。同时，通过取样舱36在海底界面挖掘整理在海底界面满足冷泉流体从海底下伏界面逸出发育的通道环境。

在具体实施过程中，通过冷泉生态模拟***3实现冷泉生态***的模拟，形成了海底界面以上单元32、海底界面生态***模拟单元33和海底界面以下单元34，为冷泉生态***的演化提供了环境条件，并在此基础上，通过环境条件控制设备35、取样舱36、海底流注入***37模拟生态冷泉***原生演替和次生演替，对***的形成环境进行了原位重塑，有效缩短了野外观测研究冷泉生态***的周期。

在具体实施过程中，相对于现有的海底观测调查手段不仅可以观测研究冷泉生态***的形成和演化，还可以抓住发育过程中关键特征点实时取样分析，拓宽了冷泉生态***研究的深度，不仅可以节约海底原位观测调查研究需要的巨额成本，有效避免研究计划受海洋恶劣风浪环境等不利条件的影响。

更具体的，所述海底界面以下单元34包括模拟层构建***341和海底沉积物化学分带模拟层342；其中：

所述海底沉积物化学分带模拟层342设置在所述高压模拟腔31内部，实现海底界面以下沉积物的化学分带模拟；

所述模拟层构建***341输出口直接设置在所述高压模拟腔31底部，与高压模拟腔31内的所述海底沉积物化学分带模拟层342连通；

所述泄漏通路模拟***2与所述高压模拟腔31底部连接，将泄漏的气体排入所述海底沉积物化学分带模拟层342中；

所述模拟层构建***341控制端与所述环境条件控制设备35电性连接。

在具体实施过程中，泄漏通路模拟***2将实际泄漏的由天然气水合物形成分解***1甲烷气体和含甲烷的气液混合流体注入到高压模拟腔31，也可以通过外部直接向高压模拟腔31注入盐水、石油、气液混合流体等，模拟其他类型的冷泉发育；海底沉积物化学分带模拟层342主要实现海底界面以下沉积物中的化学分带模拟，模拟沉积物中自下而上从厌氧氧化带3421、次氧氧化带3422到海底含氧氧化带3423的天然分布，为泄漏的气体或液体运移至沉积层后在沉积层中的厌氧氧化和需氧氧化提供环境；模拟层构建***341用于初始构建高压模拟腔31内的海底沉积物化学分带模拟层342。

更具体的，所述模拟层构建***341包括含硫溶液储库3411、饱和氧溶液3412、注入泵3413、质量流量计3414和可控阀组3415；其中：

所述含硫溶液储库3411、饱和氧溶液3412输出端均通过注入泵3413连接到所述高压模拟腔31内部的海底沉积物化学分带模拟层342上；

所述质量流量计3414、可控阀组3415均设置在所述注入泵3413输出口处；

所述质量流量计3414、可控阀组3415与所述环境条件控制设备35电性连接。

更具体的，所述海底沉积物化学分带模拟层342自下而上包括厌氧氧化带3421、次氧氧化带3422和含氧氧化带3423；其中：

所述含硫溶液储库3411与所述厌氧氧化带3421连接；

所述饱和氧溶液3412与所述次氧氧化带3422连接。

更具体的，所述环境条件控制设备35包括第二温度传感器351、环壁温度控制装置352、第二压力传感器353、气液循环装置354、光源装置355、计量装置356、采样装置357和处理终端358；其中：

所述环壁温度控制装置352、气液循环装置354、光源装置355、计量装置356、采样装置357控制端均与所述处理终端358电性连接；

所述气液循环装置354一端通口设置在所述高压模拟腔31顶部，另一端设置在高压模拟腔31腔体上，实现海底界面以上单元32内气液流体的循环；

所述第二温度传感器351均匀地设置在高压模拟腔31内各地质分层中，所述第二温度传感器351信号输出端与所述处理终端358电性连接；

所述环壁温度控制装置352包裹在所述高压模拟腔31外壁上，用于控制高压模拟腔31内温度的均匀；

所述第二压力传感器353均匀地设置在高压模拟腔31内各地质分层中；所述压力传感器353信号输出端与所述处理终端358输入端电性连接；

所述光源装置355为设置在海底界面生态***模拟单元33出的无影光源装置网，为观测冷泉流体逸出海底界面以后的发育行为提供光源调节；

所述计量装置356包括若干个声波探测器，所述声波探测器均匀地布设在高压模拟腔31内各地质分层外部，用于监测泄漏流体的泄漏速率和泄漏通量；

所述采样装置357包括在所述高压模拟腔31中的海底界面以上单元32、海底界面生态***模拟单元33和海底界面以下单元34的不同位置设置的采样口，所述采样装置356设置在所述采样口上，用于样本的采集；

所述处理终端358与所述取样舱36、海底流注入***37控制端电性连接。

在具体实施过程中，第二温度传感器351、环壁温度控制装置352和气液循环装置354是通过对海底界面以上单元32内的气液流体进行循环和温度控制，保证高压模拟腔31内、海底及沉积物化学分带的温度分布一直保持与海底原位条件相近的状态；气液循环装置354主要包括多台循环泵、换热机组，流速控制元件等，同时包裹在高压模拟腔31外部的环壁温度控制装置352，并且周期不同层位均匀分布设第二温度传感器351，实时监测***内的温度变化；第二压力传感器353用于实时监测***内的压力变化，由处理终端358控制模拟层构建***341或海底流注入***37，保持***内的、海底及沉积物化学分带的压力环境与海底原位条件相近的状态；处理终端358通过流动观测元件，即超高清摄像***等对冷泉发育过程以及气泡、冷泉羽流等在海底及海底界面以上的水体环境中的演化状态拍摄和记录。

在具体实施过程中，通过地层温度控制***13、第二温度传感器351和环壁温度控制装置352共同实现对***的原位温度仿真和实时监测。整个***均处于可步入式低温室内，通过地层温度控制***13、第二温度传感器351和环壁温度控制装置352对模拟***进行温度调控。

在具体实施过程中，由于高压模拟舱31中海水量大，海水温度无法仅靠环壁温度控制装置352实现控制，此时利用水气循环装置354上安装的循环泵将高压模拟舱31内温度高的海水抽离高压模拟舱31，在换热机组中实现换热降温后流回高压模拟舱31中，实现对高压模拟舱31中海水的降温。如此循环，实现快速地将高压模拟舱31中的海水进行均匀地降温，降至设定预期设定值时，可通过水气循环装置352的流速控制元件控制海水流动的速度或关闭水气循环装置352流动管道。

在具体实施过程中，在高压模拟舱31的环壁温度控制装置352表面设置有保温层，两层结构将高压模拟舱31包裹在中间，使其与外界的温度交换减缓，环壁温度控制装置352能够实现流体的流动，其通过循环泵将里边的水抽出，之后采用制冷机组进行降温，降温之后泵回到环壁温度控制装置352中，相当于环壁温度控制装置352与高压模拟舱31的外壁实现热交换，当高压模拟舱31中各个原件工况状态下产生的热量能被环壁温度控制装置352带出，从而保持整个高压模拟舱31内一直处于稳定的低温环境，更好的模拟深海海水环境。

在具体实施过程中，通过设置在不同层位的温度传感器对高压模拟舱31内的温度实现实时的监控，根据检测结果控制水气循环装置352及环壁温度控制装置352内流体的流速，从而达到对高压模拟舱31内温度的稳定控制。

更具体的，在水气循环装置354上还安装有海水制冷机组。

在具体实施过程中，高压模拟舱31温度控制的过程具体为：包括降温阶段、增压阶段和保温阶段；其中：

降温阶段包括：

1)向高压模拟舱31内注入海水；

2)启动海水制冷机组并调节流速控制元件，通过循环泵将高压模拟舱31内温度高的海水抽离高压模拟舱31；

3)在换热机组实现换热降温后流回高压模拟舱31中，实现对高压模拟舱31中海水的降温，直至高压模拟舱31内海水温度降至设定值，完成降温阶段；

增压阶段：

当温度传感器监测到高压模拟舱31内海水温度达到设定值时，向高压模拟舱31内注入气体和液体，实现高压模拟舱31内的增压；

直至高压模拟舱31内压力达到设定值，完成增压阶段；

保温阶段：

当第二温度传感器351监测到高压模拟舱31内压力达到设定值时，在环壁温度控制装置352表面敷设保温层；

启动制冷机组，环壁温度控制装置352内部流体在循环泵的作用下循环流动，通过环壁温度控制装置352的盘管和管路***的换热器不断地将高压模拟舱31内各原件工况状态时产生的热量换走，保证了高压模拟舱31内在工作期内一直处于预设的温度环境，且整个模拟舱内温度分布均匀。

更具体的，所述处理终端358包括数据采集器3581、中央处理器3582、存储器3583和显示器3584；其中：

所述数据采集器3581输入端与所述第二温度传感器351、第二压力传感器353和计量装置356输出端电性连接；所述数据采集器3581输出端与所述中央处理器3582输入端电性连接；

所述中央处理器3582与所述存储器3583电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器3582输出端与所述显示器3584输入端电性连接，用于采集信息的显示；

所述中央处理器3582输出端与所述取样舱36、海底流注入***37、环境条件控制设备35控制端电性连接。

在具体实施过程中，海底界面以上单元32主要是模拟海底界面上部底层海洋环境的海水体***，需要在***中充填与实际底层海洋环境一致或者相近的海水。本实例的海水根据原位调查数据进行人工调制盐度为3.4％左右的海水。

更具体的，所述取样舱36包括内侧舱门361、外侧舱门362，和设置在舱内的压力检测器363、压力平衡单元364、移动导轨365和设置在所述移动导轨365上的取样器366；其中：

通过所述内侧舱门361控制所述高压模拟腔31与所述取样舱36的通闭状态；

通过所述外侧舱门362控制所述取样舱36与外部实验环境的通闭状态；

所述压力检测器363用于检测所述取样舱36内的压力情况；

所述压力平衡单元364用于调整所述取样舱36内的压力；

所述内侧舱门361、外侧舱门362、压力平衡单元364、移动导轨365和取样器366的控制端均与所述环境条件控制设备35电性连接；

所述压力检测器363输出端与所述环境条件控制设备35输入端电性连接；

所述取样舱36设置在所述海底界面生态***模拟单元33上，由所述取样器366对海底界面生态***模拟单元33进行样品的投放或采集。

在具体实施过程中，取样舱36进行样品的投放和采集的方式可以是移动导轨365控制取样器366，也可以是遥控机器人等方式。

更具体的，所述取样器366包括连接底座、旋转台、夹持机构和控制电路；其中：

所述取样器366通过所述连接底座设置在所述移动导轨365上；

所述旋转台安装在所述连接底座上；

所述夹持机构安装在所述旋转台上；

所述连接底座、旋转台、夹持机构控制端均与所述控制电路电性连接；

所述控制电路与所述环境条件控制设备35电性连接。

更具体的，所述移动导轨365包括导轨主体、链条推动装置和驱动电机；其中：

所述连接底座安装在所述导轨主体上；

所述导轨主体底部设置在链条推动装置上；

所述链条推动装置通过所述驱动电机进行驱动；

所述驱动电机控制端与所述环境条件控制设备35电性连接。

在具体实施过程中，通过操作取样舱36中的内侧舱门361、外侧舱门362、压力平衡单元364、移动导轨365和取样器366实现对海底界面生态***模拟单元3样品的投放和采集，具体过程为：

投放样品时：

确保取样舱36内侧舱门361、外侧舱门362均已关闭，随后打开与外侧舱门362，将需要培养的样品放至取样器366上，随后关闭外侧舱门362；

通过压力检测器363进行增压，待压力平衡后，打开与高压模拟舱31连通的内侧舱门361，让海水进入取样舱36中，控制移动导轨365将取样器366进入高压模拟舱31中，将样品投放至指定位置；

最后将取样器366收回取样舱36中，关闭与高压模拟舱31连通的内侧舱门361，完成样品的投放；

采集样本时：

确保取样舱36内侧舱门361、外侧舱门362均已关闭，随后打开内侧舱门361，让海水进入取样舱36中，待压力平衡后，控制移动导轨365将取样器366进入高压模拟舱31中，对需要取回的样品进行抓取；

随后将取样器366收回取样舱36中，关闭内侧舱门361；

通过压力检测器363进行降压，待压力平衡后，打开外侧舱门362，将样品取出至实验环境中。

在具体实施过程中，在取样器366动作过程中，控制电路驱动连接底座在移动导轨上滑动，实现取样器366的水平移动；控制电路驱动旋转台，旋转台带动夹持机构作360°旋转，实现取样器366的多角度取样；控制电路驱动夹持机构做夹持或送开动作，实现取样取对样本的夹取或投放。

在具体实施过程中，取样器366可在取样舱36与高压模拟舱31内自由收放移动，且在高压模拟舱31内可以自由移动，具有对高压模拟舱31内的样品具有360度自由取样功能，同时，取样器366上可搭载照明设备，为取样器366进入高压模拟舱1内取样提供光源，为取样器65进行精准取样操作提供条件。

在具体实施过程中，通过驱动电机驱动链条推动装置进行转动，铰接在链条推动装置的导轨主体将被推出或回缩，正常情况下移动导轨可以完全容纳在压力平衡舱内；当需要投放或采集样品时，可以将移动导轨推出至高压模拟舱31中，确保取样器366可以到达同一水平线上的所有位置，方便样品的投放或采集。

在具体实施过程中，取样舱36主要满足将海底原位取得的冷泉生物投放到***内的海洋环境中，将培养的冷泉生物取出模拟***研究以及实现海底界面沉积物挖掘取样和海底微地貌环境修正调节等功能。

更具体的，所述压力平衡单元364包括设置在所述取样舱36内的排水***3641和排气***3642；所述排水***3641和排气***3642控制端均与所述环境条件控制设备35电性连接；通过所述排水***3641、排气***3642排出取样舱36内的水和气体，从而控制取样舱36内的压力变化。

在具体实施过程中，在所述取样舱36中，通过压力平衡单元364进行增压操作和降压操作，过程具体为：

增压操作：首先保证取样舱36内侧舱门361、外侧舱门362均已关闭，随后打开内侧舱门361，高压模拟腔31内的气液流体会进入取样舱36中；当取样舱36和高压模拟腔31内的压力监测值一致时，标志达到压力平衡状态；此时可以控制取样舱36内的取样器366进入高压模拟腔31中进行工况操作；

降压操作：首先关闭取样舱36内侧舱门361，随后打开排水***3641和排气***3642对取样舱36进行减压操作，当取样舱36和外部实验环境内的压力监测值一致时，标志达到压力平衡状态；此时打开外侧舱门362，可以将由高压模拟腔31获取的样品送至实验室环境。

更具体的，所述海底流注入***37包括若干喷口、管路***、注入泵组、调节阀和海水制备***；其中：

所述喷口设置在所述海底界面生态***模拟单元33处，通过所述管路***与所述海水制备***连接；

所述注入泵组、调节阀均设置在所述管路***上；

所述注入泵组、调节阀和海水制备***均与所述环境条件控制设备35电性连接；

在所述喷口上设置有控制器，所述控制器与所述环境条件控制设备35电性连接，用于控制喷口的射程、喷洒面积和喷射方向。

更具体的，所述海水制备***包括海水储罐、热交换机组、高压海水注入泵、控制阀组和高压海水质量流量计；其中：

所述热交换机组设置在所述海水储罐上，用于海水的热量转换；

所述海水储罐通过高压海水注入泵、控制阀组与所述管路***连通；

所述高压海水质量流量计设置在所述控制阀组出口处；

所述热交换机组、高压海水注入泵、控制阀组、高压海水质量流量计均与所述环境条件控制单元35电性连接。

在具体实施过程中，不同海域环境洋流海水的组分不同，密度不同，流体的粘性不一样，流动状态也会有区别，海水制备***根据需要调配不同组分和不同温度的海水用于模拟产生底层海流需要，使得该模拟***所产生的洋流更贴近于现实环境；通过注入泵组将制备好的海底流注入***37中，通过调节阀控制海水的流量，最后将海水经管路***，由喷口喷射入高压模拟舱31内，通过喷口上设置的控制器控制洋流的流场和形态，以达到洋流模拟的作用。

在具体实施过程中，海水储罐用于存储海水，热交换机组用于对海水储罐内海水进行温度控制，高压海水注入泵用于将海水注入管路***中，由可控阀组进行流量的控制，同时，由质量流量计计量海水的注入量，并将计量结果传送至环境条件控制单元中。

在具体实施过程中，海底流注入***37主要是模拟不同的海底底层流环境，重塑冷泉生态***周围的洋流状态，为冷泉生态***的物质循环和能量流动提供洋流环境。

实施例5

更具体的，在实施例1-4的基础上，本发明提供一种天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法，包括天然气水合物形成分解过程、气体泄漏过程和冷泉生态***构建过程，其中：

所述天然气水合物形成分解过程具体为通过所述天然气水合物形成分解***1模拟海洋天然气水合物的形成与分解过程；

所述气体泄漏过程具体为通过所述泄漏通路模拟***2模拟、观察由天然气水合物形成分解***1中泄漏出来的气体进入冷泉生态模拟***3的迁移转化行为；

所述冷泉生态***构建过程具体为通过冷泉生态模拟***3模拟将泄漏气体进行冷泉发育及其生态***演化的过程，从而完成冷泉生态***的构建。

更具体的，如图5所示，所述天然气水合物形成分解过程具体包括以下步骤：

A1：在天然气水合物储层1122中实现地质分层构建，在下伏气液混合层1123中充填海水，在天然气水合物储层1122充填粉砂质沉积物充当多孔介质，在上覆沉积层1121充填钙质黏土层；

A2：通过气液注入***15往天然气水合物储层1122注入预先计算的定量的甲烷气体和海水，分别调节天然气水合物储层模拟腔11内各层的温度和压力，保证天然气水合物形成需要的高压和低温环境，进行天然气水合物的形成；

A3：当天然气水合物饱和度达到预先设计值后，打开开采井***16对天然气水合物进行降压或其它方式分解；

A4：通过第一温度传感器131、第一压力传感器12实时监测记录天然气水合物分解过程中各层的温度和压力分布及变化情况；通过位移传感器14实时监测记录天然气水合物储层1122的位移沉降量；

A5：通过生产***17采集并记录产气、产水、产砂量和速率，直至天然气水合物储层1122内合成的天然气水合物全部分解完毕为止，完成海洋天然气水合物的形成与分解过程的模拟。

更具体的，如图6所示，所述气体泄漏过程包括不含裂隙型的模拟过程，包括以下步骤：

B11：根据实际勘察需求，安装填充钙质黏土沉积物作为多孔介质的耐压管道21，通道形态为垂直分布；

B12：在所有耐压管道21上安装流速调节装置22、流速计量装置23和流体形态监测装置24，并将各个装置与采集控制***18完成电路连接；

B13：将安装完成的泄漏通路模拟***2下端与天然气水合物储层1122完成连接，上端与冷泉生态模拟***3完成连接；

B14：根据需要开启所有耐压管道21，同步或有次序的通过流速调节装置22调节各通路的流速大小，模拟、研究不同泄漏速率下天然气水合物分解后含甲烷流体的迁移特性；

B15：通过流体形态监测装置24观测管道内的流体的迁移特性，通过流速计量装置23计量各通路内流体的泄漏速率及其演变情况，由采集控制***18进行数据的记录、处理及图像的显示，完成不含裂隙型天然气水合物开采泄漏的地质通道的情况模拟。

更具体的，如图7所示，所述气体泄漏过程包括含裂隙型的模拟过程，包括以下步骤：

B21：根据实际勘察需求，安装填充钙质黏土沉积物作为多孔介质的耐压管道21，通道形态为垂直与倾斜联合分布组合；

B22：在所有耐压管道21上安装流速调节装置22、流速计量装置23和流体形态监测装置24，并将各个装置与采集控制***18完成电路连接；

B23：将安装完成的泄漏通路模拟***2下端与天然气水合物储层1122完成连接，上端与冷泉生态模拟***3完成连接；

B24：根据需要先开启垂直耐压管道21，观测若干分钟后再开启剩下的倾斜耐压管道21，通过流速调节装置22调节各通路的流速大小，模拟、研究不同泄漏速率下含甲烷流体在通路中的迁移转化行为；

B25：通过流体形态监测装置24观测管道内的流体的迁移特性，通过流速计量装置23计量各通路内流体的泄漏速率及其演变情况，由采集控制***18进行数据的记录、处理及图像的显示，完成不含裂隙型天然气水合物开采泄漏的地质通道的情况模拟。

更具体的，如图8所示，所述冷泉生态***构建过程具体包括以下步骤：

C1：根据实际情况在高压模拟腔31内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

C2：通过模拟层构建***341在沉积物不同位置分别注入含硫溶液或者饱和氧溶液，形成厌氧氧化或者次氧氧化状态，完成海底界面生态***模拟单元33的构建；

C3：向高压模拟腔31注入需要量的海水，构建海底界面以上单元32用于海底水体情况的模拟；同时控制环境条件控制设备35保证高压模拟腔31内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉发育的环境条件；

C4：准备泄漏通路模拟***2的管路分布、形态特征、耐压管道21内的介质填充及耐压管道21的流速调节装置22，根据需要同时或者部分启闭，模拟不同泄漏方式下的冷泉发育行为，为海底界面生态***模拟单元33提供碳源和能量源；

C5：通过取样舱36调整海底界面生态***模拟单元33沉积物形态，使其符合冷泉生态***形成演化的微地貌状态；再投放冷泉生物，进行冷泉生态***的次生演替培养或者不投放微生物进行原生演替，观测研究冷泉生态***的发育过程；

C6：根据实际情况打开海底流注入***37，保持海底界面生态***模拟单元33中洋流内部的资源稳定；在冷泉生态***发育的全过程中实时记录冷泉生物及生态***的各项发育行为信息和环境参数指标变化情况，完成冷泉生态***的模拟。

在具体实施过程中，本发明提出的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法主要通过首先调度***的各部分，模拟海洋天然气水合物及冷泉***的原位物理、化学、地质环境条件。首先，根据实际调研地质环境参数，在天然气水合物藏内的天然气水合物储层1122填充泥质粉砂质沉积物，在下伏气液混合层1123填充甲烷气，分层构建天然气水合物储层1122和下伏气液混合层1123。在天然气水合物储层1122内注入需要的形成天然气水合物的气体量和海水量，同时调节水合物藏的温度和压力仿真及监测部分，保证天然气水合物形成过程储层环境温度为8℃，开始天然气水合物的形成过程。同时，下伏气液混合层1123的温度保持10℃，压力保持14MPa。然后在泄漏通路模拟***2内填充粉砂质沉积物模拟不含裂隙的泄漏通路，以及各检测元件准备到位。然后根据实际地质勘探数据在沉积层模拟位置填充钙质黏土质沉积物，在距离沉积层底部1/3和3/4的位置分别注入硫酸盐和含铁/锰盐及饱和氧溶液等模拟沉积层的厌氧氧化带和次氧氧化带。随后对海底界面的沉积物进行整理保证海底界面满足冷泉发育和冷泉生态***形成演化的条件。

随后，向高压模拟腔31内注入需要量和需要组分的海水模拟上覆海水环境单元根据实际海洋情况人工配置与真实情况接近的盐度为3.5％的海水。并且保证此单元的温度为4℃，压力为10MPa。

当天然气水合物储层1122内的压力值将至13.5MPa,天然气水合物的饱和度达到设定值后35％后，标志着天然气水合物形成阶段完成，开始天然气水合物的分解工作。打开垂直开采井、天然气水合物产出***和渗漏通道***，天然气水合物分解的甲烷将会进入渗漏通道***进而进入上覆沉积层环境，在沉积层发生迁移转化后，从海底界面逸出形成冷泉，开始冷泉发育过程，可通过取样舱36将海底原位获得的贻贝、管状蠕虫、潜锴虾等冷泉生物布放至海底界面，观测冷泉生态***的次生演替过程，同时打开海底造流***，模拟深海洋流环境，可研究深海洋流对冷泉发育及冷泉生态***形成演化的影响。在***运行过程中，需要实时监测记录天然气水合物藏模拟单元、渗漏通道***及沉积层模拟单元、海底界面模拟单元和上覆海水环境模拟单元的各环境参数信息。

在具体实施过程中，本发明提供的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***与方法，将天然气水合物分解与泄漏进行了模拟，将泄漏气体在上覆沉积层通过中的迁移转化与冷泉***发育及冷泉生态***形成演化进行了联合，可原位模拟重塑海洋天然气水合物藏、上覆沉积层及泄漏通道、海底界面和海水环境***，从而实现对天然气水合物形成演化、天然气水合物分解泄漏涉及的气体迁移转化、储层沉降及冷泉***发育、冷泉生态***形成演化等科学问题的研究。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (31)

1.天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：包括天然气水合物形成分解***(1)、泄漏通路模拟***(2)和冷泉生态模拟***(3)；其中：

所述天然气水合物形成分解***(1)用于模拟海洋天然气水合物的形成与分解；

所述天然气水合物形成分解***(1)通过所述泄漏通路模拟***(2)与所述冷泉生态模拟***(3)连接；

所述泄漏通路模拟***(2)用于模拟、观察由天然气水合物形成分解***(1)中泄漏出来的气体进入所述冷泉生态模拟***(3)的迁移转化行为；

所述冷泉生态模拟***(3)用于模拟将经由所述泄漏通路模拟***(2)的气体发育冷泉及其生态***的过程，实现对冷泉生态***形成演化的模拟。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述天然气水合物形成分解***(1)包括：

天然气水合物储层模拟腔(11)，包括腔体(111)和设置在腔体(111)内部的多个模拟层(112)；

地层温度控制***(13)，包括设置在所述模拟层(112)中的第一温度传感器(131)、设置在所述腔体(111)中的内置换热器(133)和设置在腔体(111)外壁的环壁温度控制***(132)，第一温度传感器(131)与环壁温度控制***(132)信号连接，内置换热器(133)与环壁温度控制***(132)电性连接；

与所述腔体(111)底部连通的气液注入***(15)；

设置在所述腔体(111)内部的开采井***(16)；

与所述开采井***(16)输出端连接的生产***(17)，所述生产***(17)输出端与所述气液注入***(15)输入端连接；

设置在所述模拟层(112)中的第一压力传感器(12)；

设置在所述模拟层(112)中的位移传感器(14)；

与所述第一压力传感器(12)、环壁温度控制***(132)、气液注入***(15)、生产***(17)和位移传感器(14)电性连接的采集控制***(18)；

所述泄漏通路模拟***(2)设置在所述腔体(11)顶部，与所述采集控制***(18)电性连接。

3.根据权利要求2所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述模拟层(112)包括由上至下依次设置的上覆沉积层(1121)、天然气水合物储层(1122)和下伏气液混合层(1123)；其中：

所述第一压力传感器(12)、第一温度传感器(131)均有多个，分别均匀地设置在所述各个模拟层(112)中；

所述位移传感器(14)有多个，等间距地固定在所述上覆沉积层(1121)底部，设置在所述天然气水合物储层(1122)中；

所述内置换热器(133)有多个，等间距地固定在所述下伏气液混合层(1123)顶部，设置在所述天然气水合物储层(1122)中；

所述开采井***(16)设置在所述天然气水合物储层(1122)中，其输出端穿过所述上覆沉积层(1121)与所述生产***(17)连接。

4.根据权利要求3所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述环壁温度控制***(132)包括温度控制器(1321)、水浴循环夹套(1322)和外置热交换机组(1323)；其中：

所述水浴循环夹套(1322)包裹在所述腔体(111)外壁上，在所述水浴循环夹套(1322)的顶部及底部均设置有管道，通过所述管道与所述外置热交换机组(1323)连接；所述管道上设置有电磁阀(1324)；

所述电磁阀(1324)控制端、外置热交换机组(1323)控制端、内置换热器(133)控制端与所述温度控制器(1321)输出端电性连接；

所述温度控制器(1321)输入端与所述第一温度传感器(131)输出端电性连接；

所述温度控制器(1321)与所述采集控制***(18)电性连接，实现信息交互。

5.根据权利要求3所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述气液注入***(15)包括气体注入子***(151)和液体注入子***(152)；其中：

所述气体注入子***(151)输入端与所述生产***(17)输出端连接；

所述气体注入子***(151)控制端与所述采集控制***(18)电性连接，实现信息交互；

所述气体注入子***(151)输出端与所述腔体(111)底部连通，用于向腔体(111)中注入气体；

所述液体注入子***(152)控制端与所述采集控制***(18)电性连接，实现信息交互；

所述液体注入子***(152)输出端与所述腔体(111)底部连通，用于向腔体中注入液体。

6.根据权利要求5所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述气体注入子***(151)包括高压气源(1511)、空气压缩机(1512)、气体增压泵(1513)、缓冲容器(1514)、第一控制阀(1515)和气体流量计(1516)；其中：

所述高压气源(1511)输出端通过所述第一控制阀(1515)与所述缓冲容器(1514)输入端连接；

所述空气压缩机(1512)通过所述气体增压泵(1513)与所述缓冲容器(1514)输入端连接；

所述生产***(17)输出端通过所述第一控制阀(1515)与所述缓冲容器(1514)输入端连接；

在所述缓冲容器(1514)输出端上设置有所述气体流量计(1516)，所述气体流量计(1516)信号输出端与所述采集控制***(18)输入端电性连接；

所述缓冲容器(1514)输出端通过所述第一控制阀(1515)与所述腔体(111)底部连通；

所述空气压缩机(1512)、气体增压泵(1513)、第一控制阀(1515)和气体流量计(1516)控制端均与所述采集控制***(18)电性连接。

7.根据权利要求6所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述液体注入子***(152)包括海水存储罐(1521)、高压海水注入泵(1522)、海水质量流量计(1523)和第二控制阀(1524)；其中：

所述海水存储罐(1521)输出端通过所述第二控制阀(1524)与所述高压海水注入泵(1522)输入端连接；

在所述高压海水注入泵(1522)输出端设置有所述海水质量流量计(1523)，所述海水质量流量计(1523)信号输出端与所述采集控制***(18)输入端电性连接；

所述高压海水注入泵(1522)输出端通过所述第二控制阀(1524)与所述腔体(111)底部连通；

所述高压海水注入泵(1522)、海水质量流量计(1523)和第二控制阀(1524)控制端均与所述采集控制***(18)电性连接。

8.根据权利要求7所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述开采井***(16)包括水平开采井(161)、垂直开采井(162)和第三控制阀(163)；其中：

所述水平开采井(161)水平地设置在所述天然气水合物储层(1122)中；所述垂直开采井(162)垂直地设置在所述天然气水合物储层(1122)中；

在所述水平开采井(161)和垂直开采井(162)上均匀地设置有射孔，所述射孔包裹多层防砂网；

所述水平开采井(161)输出端、垂直开采井(162)输出端通过所述第三控制阀(163)与所述生产***(17)输入端连接；

所述第三控制阀(163)控制端与所述采集控制***(18)电性连接。

9.根据权利要求8所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述生产***(17)包括回压子***(171)、气液固三相分离装置(172)、储水池(173)、气体收集器(174)和第四控制阀(175)；其中：

所述回压子***(171)输入端与所述第三控制阀(163)连接，回压子***(171)输出端与所述气液固三相分离装置(172)输入端连接；

所述气液固三相分离装置(172)液体输出端通过所述第四控制阀(175)与所述储水池(173)输入端连接；

所述气液固三相分离装置(172)气体输出端通过所述第四控制阀(175)与所述气体收集器(174)输入端连接；

所述气体收集器(174)输出端通过所述第一控制阀(1515)与所述缓冲容器(1514)输入端连接；

所述回压子***(171)、第四控制阀(175)控制端均与所述采集控制***(18)电性连接。

10.根据权利要求9所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述采集控制***(18)包括处理器(181)和人机交互模块(182)，所述人机交互模块(182)与所述处理器(181)电性连接，实现信息交互；

所述处理器(181)与所述压力传感器(12)、环壁温度控制***(132)、气液注入***(15)、生产***(17)、泄漏通路模拟***(2)和位移传感器(14)电性连接。

11.根据权利要求2所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述泄漏通路模拟***(2)包括若干个耐压管道(21)、流速调节装置(22)、流速计量装置(23)和流体形态监测装置(24)；其中：

所述耐压管道(21)一端设置在所述腔体(111)上，另一端设置在所述冷泉生态模拟***(3)底部，令腔体(111)与冷泉生态模拟***(3)连通；

所述的每个耐压管道(21)内均安设有流速调节装置(22)和流速计量装置(23)；

所述流体形态监测装置(24)安装在所述耐压管道(21)上；

所述采集控制***(18)输入端与所述流速计量装置(23)和流体形态监测装置(24)输出端电性连接；

所述采集控制***(18)输出端与所述流速调节装置(22)、流速计量装置(23)和流体形态监测装置(24)控制端电性连接。

12.根据权利要求11所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述耐压管道(21)为透明结构，所述流体形态监测装置(24)安装在所述透明耐压管道(21)外壁上。

13.根据权利要求2所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述冷泉生态模拟***(3)包括高压模拟腔(31)，在高压模拟腔(31)中进行地质分层构建，由上而下包括海底界面以上单元(32)、海底界面生态***模拟单元(33)和海底界面以下单元(34)；所述海底界面以上单元(32)用于海底水体情况的模拟；所述海底界面生态***模拟单元(33)用于模拟海底界面及深海冷泉生态***；所述海底界面以下单元(34)用于模拟海底分布及冷泉的发育过程；

在所述高压模拟腔(31)上设置有环境条件控制设备(35)，用于***环境条件的控制及数据的采集；

在所述高压模拟腔(31)上设置有取样舱(36)，用于深海冷泉生态***样品的放置及采集；

在所述高压模拟腔(31)上设置有海底流注入***(37)，所述海底流注入***(37)用于向海底界面生态***模拟单元(33)注入深海海水，达到洋流模拟的作用；

所述取样舱(36)、海底流注入***(37)控制端与所述环境条件控制设备(35)电性连接。

14.根据权利要求13所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述海底界面以下单元(34)包括模拟层构建***(341)和海底沉积物化学分带模拟层(342)；其中：

所述海底沉积物化学分带模拟层(342)设置在所述高压模拟腔(31)内部，实现海底界面以下沉积物的化学分带模拟；

所述模拟层构建***(341)输出口直接设置在所述高压模拟腔(31)底部，与高压模拟腔(31)内的所述海底沉积物化学分带模拟层(342)连通；

所述泄漏通路模拟***(2)与所述高压模拟腔(31)底部连接，将泄漏的气体排入所述海底沉积物化学分带模拟层(342)中；

所述模拟层构建***(341)控制端与所述环境条件控制设备(35)电性连接。

15.根据权利要求14所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述模拟层构建***(341)包括含硫溶液储库(3411)、饱和氧溶液(3412)、注入泵(3413)、质量流量计(3414)和可控阀组(3415)；其中：

所述含硫溶液储库(3411)、饱和氧溶液(3412)输出端均通过注入泵(3413)连接到所述高压模拟腔(31)内部的海底沉积物化学分带模拟层(342)上；

所述质量流量计(3414)、可控阀组(3415)均设置在所述注入泵(3413)输出口处；

所述质量流量计(3414)、可控阀组(3415)与所述环境条件控制设备(35)电性连接。

16.根据权利要求15所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述海底沉积物化学分带模拟层(342)自下而上包括厌氧氧化带(3421)、次氧氧化带(3422)和含氧氧化带(3423)；其中：

所述含硫溶液储库(3411)与所述厌氧氧化带(3421)连接；

所述饱和氧溶液(3412)与所述次氧氧化带(3422)连接。

17.根据权利要求16所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述环境条件控制设备(35)包括第二温度传感器(351)、环壁温度控制装置(352)、第二压力传感器(353)、气液循环装置(354)、光源装置(355)、计量装置(356)、采样装置(357)和处理终端(358)；其中：

所述环壁温度控制装置(352)、气液循环装置(354)、光源装置(355)、计量装置(356)、采样装置(357)控制端均与所述处理终端(358)电性连接；

所述气液循环装置(354)一端通口设置在所述高压模拟腔(31)顶部，另一端设置在高压模拟腔(31)腔体上，实现海底界面以上单元(32)内气液流体的循环；

所述第二温度传感器(351)均匀地设置在高压模拟腔(31)内各地质分层中，所述第二温度传感器(351)信号输出端与所述处理终端(358)电性连接；

所述环壁温度控制装置(352)包裹在所述高压模拟腔(31)外壁上，用于控制高压模拟腔(31)内温度的均匀；

所述第二压力传感器(353)均匀地设置在高压模拟腔(31)内各地质分层中；所述压力传感器(353)信号输出端与所述处理终端(358)输入端电性连接；

所述光源装置(355)为设置在海底界面生态***模拟单元(33)出的无影光源装置网，为观测冷泉流体逸出海底界面以后的发育行为提供光源调节；

所述计量装置(356)包括若干个声波探测器，所述声波探测器均匀地布设在高压模拟腔(31)内各地质分层外部，用于监测泄漏流体的泄漏速率和泄漏通量；

所述采样装置(357)包括在所述高压模拟腔(31)中的海底界面以上单元(32)、海底界面生态***模拟单元(33)和海底界面以下单元(34)的不同位置设置的采样口，所述采样装置(356)设置在所述采样口上，用于样本的采集；

所述处理终端(358)与所述取样舱(36)、海底流注入***(37)控制端电性连接。

18.根据权利要求17所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述处理终端(358)包括数据采集器(3581)、中央处理器(3582)、存储器(3583)和显示器(3584)；其中：

所述数据采集器(3581)输入端与所述第二温度传感器(351)、第二压力传感器(353)和计量装置(356)输出端电性连接；所述数据采集器(3581)输出端与所述中央处理器(3582)输入端电性连接；

所述中央处理器(3582)与所述存储器(3583)电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器(3582)输出端与所述显示器(3584)输入端电性连接，用于采集信息的显示；

所述中央处理器(3582)输出端与所述取样舱(36)、海底流注入***(37)、环境条件控制设备(35)控制端电性连接。

19.根据权利要求13所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述取样舱(36)包括内侧舱门(361)、外侧舱门(362)，和设置在舱内的压力检测器(363)、压力平衡单元(364)、移动导轨(365)和设置在所述移动导轨(365)上的取样器(366)；其中：

通过所述内侧舱门(361)控制所述高压模拟腔(31)与所述取样舱(36)的通闭状态；

通过所述外侧舱门(362)控制所述取样舱(36)与外部实验环境的通闭状态；

所述压力检测器(363)用于检测所述取样舱(36)内的压力情况；

所述压力平衡单元(364)用于调整所述取样舱(36)内的压力；

所述内侧舱门(361)、外侧舱门(362)、压力平衡单元(364)、移动导轨(365)和取样器(366)的控制端均与所述环境条件控制设备(35)电性连接；

所述压力检测器(363)输出端与所述环境条件控制设备(35)输入端电性连接；

所述取样舱(36)设置在所述海底界面生态***模拟单元(33)上，由所述取样器(366)对海底界面生态***模拟单元(33)进行样品的投放或采集。

20.根据权利要求19所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述取样器(366)包括连接底座、旋转台、夹持机构和控制电路；其中：

所述取样器(366)通过所述连接底座设置在所述移动导轨(365)上；

所述旋转台安装在所述连接底座上；

所述夹持机构安装在所述旋转台上；

所述连接底座、旋转台、夹持机构控制端均与所述控制电路电性连接；

所述控制电路与所述环境条件控制设备(35)电性连接。

21.根据权利要求20所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述移动导轨(365)包括导轨主体、链条推动装置和驱动电机；其中：

所述连接底座安装在所述导轨主体上；

所述导轨主体底部设置在链条推动装置上；

所述链条推动装置通过所述驱动电机进行驱动；

所述驱动电机控制端与所述环境条件控制设备(35)电性连接。

22.根据权利要求19所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述压力平衡单元(364)包括设置在所述取样舱(36)内的排水***(3641)和排气***(3642)；所述排水***(3641)和排气***(3642)控制端均与所述环境条件控制设备(35)电性连接；通过所述排水***(3641)、排气***(3642)排出取样舱(36)内的水和气体，从而控制取样舱(36)内的压力变化。

23.根据权利要求13所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述海底流注入***(37)包括若干喷口、管路***、注入泵组、调节阀和海水制备***；其中：

所述喷口设置在所述海底界面生态***模拟单元(33)处，通过所述管路***与所述海水制备***连接；

所述注入泵组、调节阀均设置在所述管路***上；

所述注入泵组、调节阀和海水制备***均与所述环境条件控制设备(35)电性连接；

在所述喷口上设置有控制器，所述控制器与所述环境条件控制设备(35)电性连接，用于控制喷口的射程、喷洒面积和喷射方向。

24.根据权利要求23所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟***，其特征在于：所述海水制备***包括海水储罐、热交换机组、高压海水注入泵、控制阀组和高压海水质量流量计；其中：

所述热交换机组设置在所述海水储罐上，用于海水的热量转换；

所述海水储罐通过高压海水注入泵、控制阀组与所述管路***连通；

所述高压海水质量流量计设置在所述控制阀组出口处；

所述热交换机组、高压海水注入泵、控制阀组、高压海水质量流量计均与所述环境条件控制单元(35)电性连接。

25.天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法，其特征在于：包括天然气水合物形成分解过程、气体泄漏过程和冷泉生态***构建过程，其中：

所述天然气水合物形成分解过程具体为通过所述天然气水合物形成分解***(1)模拟海洋天然气水合物的形成与分解过程；

所述气体泄漏过程具体为通过所述泄漏通路模拟***(2)模拟、观察由天然气水合物形成分解***(1)中泄漏出来的气体进入冷泉生态模拟***(3)的迁移转化行为；

所述冷泉生态***构建过程具体为通过冷泉生态模拟***(3)模拟将泄漏的气体进行冷泉发育及其生态***演化的过程，从而完成冷泉生态***的构建。

26.根据权利要求25所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法，其特征在于，所述天然气水合物形成分解过程具体包括以下步骤：

A1：在天然气水合物储层(1122)中实现地质分层构建，在下伏气液混合层(1123)中充填海水，在天然气水合物储层(1122)充填粉砂质沉积物充当多孔介质，在上覆沉积层(1121)充填钙质黏土层；

A2：通过气液注入***(15)往天然气水合物储层(1122)注入预先计算的定量的甲烷气体和海水，分别调节天然气水合物储层模拟腔(11)内各层的温度和压力，保证天然气水合物形成需要的高压和低温环境，进行天然气水合物的形成；

A3：；当天然气水合物饱和度达到预先设计值后，打开开采井***(16)对天然气水合物进行降压或其它方式分解；

A4：通过第一温度传感器(131)、第一压力传感器(12)实时监测记录天然气水合物分解过程中各层的温度和压力分布及变化情况；通过位移传感器(14)实时监测记录天然气水合物储层(1122)的位移沉降量；

A5：通过生产***(17)采集并记录产气、产水、产砂量和速率，直至天然气水合物储层(1122)内合成的天然气水合物全部分解完毕为止，完成海洋天然气水合物的形成与分解过程的模拟。

27.根据权利要求26所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法，其特征在于，所述气体泄漏过程包括不含裂隙型的模拟过程，包括以下步骤：

B11：根据实际勘察需求，安装填充钙质黏土沉积物作为多孔介质的耐压管道(21)，通道形态为垂直分布；

B12：在所有耐压管道(21)上安装流速调节装置(22)、流速计量装置(23)和流体形态监测装置(24)，并将各个装置与采集控制***(18)完成电路连接；

B13：将安装完成的泄漏通路模拟***(2)下端与天然气水合物储层(1122)完成连接，上端与冷泉生态模拟***(3)完成连接；

B14：根据需要开启所有耐压管道(21)，同步或有次序的通过流速调节装置(22)调节各通路的流速大小，模拟、研究不同泄漏速率下天然气水合物分解后含甲烷流体的迁移特性；

B15：通过流体形态监测装置(24)观测管道内的流体的迁移特性，通过流速计量装置(23)计量各通路内流体的泄漏速率及其演变情况，由采集控制***(18)进行数据的记录、处理及图像的显示，完成不含裂隙型天然气水合物开采泄漏的地质通道的情况模拟。

28.根据权利要求27所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法，其特征在于，所述气体泄漏过程包括含裂隙型的模拟过程，包括以下步骤：

B21：根据实际勘察需求，安装填充钙质黏土沉积物作为多孔介质的耐压管道(21)，通道形态为垂直与倾斜联合分布组合；

B22：在所有耐压管道(21)上安装流速调节装置(22)、流速计量装置(23)和流体形态监测装置(24)，并将各个装置与采集控制***(18)完成电路连接；

B23：将安装完成的泄漏通路模拟***(2)下端与天然气水合物储层(1122)完成连接，上端与冷泉生态模拟***(3)完成连接；

B24：根据需要先开启垂直耐压管道(21)，观测若干分钟后再开启剩下的倾斜耐压管道(21)，通过流速调节装置(22)调节各通路的流速大小，模拟、研究不同泄漏速率下含甲烷流体在通路中的迁移转化行为；

B25：通过流体形态监测装置(24)观测管道内的流体的迁移特性，通过流速计量装置(23)计量各通路内流体的泄漏速率及其演变情况，由采集控制***(18)进行数据的记录、处理及图像的显示，完成不含裂隙型天然气水合物开采泄漏的地质通道的情况模拟。

29.根据权利要求28所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法，其特征在于，所述冷泉生态***构建过程具体包括以下步骤：

C1：根据实际情况在高压模拟腔(31)内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

C2：通过模拟层构建***(341)在沉积物不同位置分别注入含硫溶液或者饱和氧溶液，形成厌氧氧化或者次氧氧化状态，完成海底界面生态***模拟单元(33)的构建；

C3：向高压模拟腔(31)注入需要量的海水，构建海底界面以上单元(32)用于海底水体情况的模拟；同时控制环境条件控制设备(35)保证高压模拟腔(31)内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉发育的环境条件；

C4：准备泄漏通路模拟***(2)的管路分布、形态特征、耐压管道(21)内的介质填充及耐压管道(21)的流速调节装置(22)，根据需要同时或者部分启闭，模拟不同泄漏方式下的冷泉发育行为，为海底界面生态***模拟单元(33)提供碳源和能量源；

C5：通过取样舱(36)调整海底界面生态***模拟单元(33)沉积物形态，使其符合冷泉生态***形成演化的微地貌状态；再投放冷泉生物，进行冷泉生态***的次生演替培养，观测研究冷泉生态***的发育过程；

C6：根据实际情况打开海底流注入***(37)，保持海底界面生态***模拟单元(33)中洋流内部的资源稳定；在冷泉生态***发育的全过程中实时记录冷泉生物及生态***的各项发育行为信息和环境参数指标变化情况，完成冷泉生态***的模拟。

30.根据权利要求29所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法，其特征在于，所述取样舱(36)操作过程具体为：

投放样品时：

确保取样舱(36)内侧舱门(361)、外侧舱门(362)均已关闭，随后打开与外侧舱门(362)，将需要培养的样品放至取样器(366)上，随后关闭外侧舱门(362)；

通过压力检测器(363)进行增压，待压力平衡后，打开与高压模拟舱(31)连通的内侧舱门(361)，让海水进入取样舱(36)中，控制移动导轨(365)将取样器(366)进入高压模拟舱(31)中，将样品投放至指定位置；

最后将取样器(366)收回取样舱(36)中，关闭与高压模拟舱(31)连通的内侧舱门(361)，完成样品的投放；

采集样本时：

确保取样舱(36)内侧舱门(361)、外侧舱门(362)均已关闭，随后打开内侧舱门(361)，让海水进入取样舱(36)中，待压力平衡后，控制移动导轨(365)将取样器(366)进入高压模拟舱(31)中，对需要取回的样品进行抓取；

随后将取样器(366)收回取样舱(36)中，关闭内侧舱门(361)；

通过压力检测器(363)进行降压，待压力平衡后，打开外侧舱门(362)，将样品取出至实验环境中。

31.根据权利要求30所述的天然气水合物分解甲烷泄漏及冷泉生态模拟方法，其特征在于，在所述取样舱(36)中，通过压力平衡单元(364)进行增压操作和降压操作，过程具体为：

增压操作：首先保证取样舱(36)内侧舱门(361)、外侧舱门(362)均已关闭，随后打开内侧舱门(361)，高压模拟腔(31)内的气液流体会进入取样舱(36)中；当取样舱(36)和高压模拟腔(31)内的压力监测值一致时，标志达到压力平衡状态；此时可以控制取样舱(36)内的取样器(366)进入高压模拟腔(31)中进行工况操作；

降压操作：首先关闭取样舱(36)内侧舱门(361)，随后打开排水***(3641)和排气***(3642)对取样舱(36)进行减压操作，当取样舱(36)和外部实验环境内的压力监测值一致时，标志达到压力平衡状态；此时打开外侧舱门(362)，可以将由高压模拟腔(31)获取的样品送至实验室环境。

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