一种水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置及方法，属于海洋地质探测领域。本发明专利技术包括测试探杆，测试探杆上设置若干电极环和若干孔压传感器；测试探杆的底部为锥形头；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；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；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；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。电阻率计算得到的超孔隙水压力的变化与孔压传感器测量得到的超孔隙水压力的变化取最大值，根据该最大值判断海底失稳的可能性，进而对海底地质灾害进行监测预警。

【技术实现步骤摘要】
一种水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置及方法
本专利技术涉及海洋地质探测领域，特别涉及一种水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置及方法。
技术介绍
天然气水合物是一种新型非常规替代能源，多数位于深水大陆架浅层沉积物中。水合物的分解(1m3天然水合物固体分解大约产生164m3的甲烷气和0.8m3的水)会导致沉积物孔隙水压力增加，有效应力降低，极易诱发海底滑坡等海底失稳情况，进而引发海啸，威胁人类生产生活安全。目前，全球对天然气水合物的开采如火如荼，美国、日本、中国都进行过水合物的开采，但是对水合物开采的原位监测仅限于温度、压力、甲烷浓度等，目前还没有专门用于原位监测水合物诱发海底失稳的装置和方法。
技术实现思路
为了弥补现有技术的不足，本专利技术提供了一种水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置及方法。本专利技术的技术方案为：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，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。作为优选方案，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。作为优选方案，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。作为优选方案，所述浮标控制单元为连接有ARM处理器的支持SOPC的FPGA芯片。作为优选方案，至少设置30个电极环；至少设置6个孔压传感器。作为优选方案，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。采用所述装置对水合物诱发海底失稳实时监测的方法：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Rw2＝Rw1(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；Rw1、Rw2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，SH为水合物饱和度；n为饱和度指数，未固结地层n＝1.7；Rt为测量得到的电阻率；分解前水的物质的量为式中，nw0为水合物分解前水的物质的量；ρw＝1g/cm3为水的密度；Mw＝18g/mol为水的物质的量，VH为水合物的体积；Vv为孔隙的体积；SH为水合物饱和度；假设：1m3天然气水合物CH4·nH2O分解产生Ngmol的气体和Nwmol水，即Vgm3气体和Vwm3的水，天然气水合物分解后水的物质的量的变化为nw＝nw0+Nw式中，nw为水合物分解后总的水的物质的量；Nw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ngi＝Ng-ngsngs＝nw×sg式中，ngi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；Ng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；ngs为水合物分解后产生的甲烷气体在水中溶解的物质的量；sg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Ps＝1.013×102kPa，Ts＝298.15K；式中，Ps为标准状态下气体的压强；Vs为标准状态下气体的体积；Ts为标准状态下气体的温度；Pa为水合物分解后气体的压强；Va为水合物分解后气体的体积；Ta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＝Va+Vw-VH式中，ΔV为水合物分解后体积的变化；VH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，Es为土体压缩模量；σz为土体垂向有效应力；εz为土体垂向有效应变；Δσz为土体垂向有效应力的变化；Δεz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＝-Δσz式中，Δu为计算得到的超孔隙水压力的变化；2)根据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，Δum}＞σz＝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；Δum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；Wi为上覆沉积物重力，αi为滑坡面垂向方向与法线方向的夹角；φi为内摩擦角；ci为黏聚力；li为滑坡面长度；Δu为计算得到的超孔隙水压力的变化；Δum为孔压传感器测量得到的超孔隙水压力的变化；i为条分法中计算的第i条。本专利技术的有益效果为：1、根据本专利技术的装置可以测量得到海底沉积物的电阻率，通过海底沉积物中水合物的电阻率反演得到水合物的饱和度。根据水合物的饱和度可以反演得到水合物分解前后的体积变化，进而得到超孔隙水压力的变化。同时根据本专利技术的装置可以测量得到海底沉积物的超孔隙水压力的变化。电阻率计算得到的超孔隙水压力的变化与孔压传感器测量得到的超孔隙水压力的变化取最大值，根据该最大值判断海底失稳的可能性，进而对海底地质灾害进行监测预警。同时电阻率计算得到的超孔隙水压力的变化与孔压传感器测量得到的超孔隙水压力的变化还可以相互验证。2、本专利技术装置结构经过精简，将所有设备都集中于一根杆上，由于电阻率探杆和孔压探杆放置在一根杆上，相比两根以上杆贯入更加方便；采用重力贯入，避免了液压贯入出现故障的可能性，同时单根杆相比多杆更容易贯入，成本低，可通过声学联通进行大规模组网布放，对大面积范围内引起的海底失稳进行监测预警，实用性强。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，对于本领本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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



Rw2＝Rw1(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；Rw1、Rw2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，SH为水合物饱和度；n为饱和度指数，未固结地层n＝1.7；Rt为测量得到的电阻率；
分解前水的物质的量为



式中，nw0为水合物分解前水的物质的量；ρw＝1g/cm3为水的密度；Mw＝18g/mol为水的物质的量，VH为水合物的体积；Vv为孔隙的体积；SH为水合物饱和度；
假设：1m3天然气水合物CH4·nH2O分解产生Ngmol的气体和Nwmol水，即Vgm3气体和Vwm3的水，天然气水合物分解...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾永刚，孙志文，郭秀军，刘涛，单红仙，范智涵，宋晓帅，薛凉，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37