深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置与甲烷循环表征方法

技术特征：
1.深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，其特征在于，包括连续式流体供应单元(1)、渗漏过程模拟与监测单元(2)、增压单元(3)和数据采集与显示单元(4)；其中：所述连续式流体供应单元(1)用于生成饱和甲烷流体并微流量地注入到所述渗漏过程模拟与监测单元(2)中；所述渗漏过程模拟与监测单元(2)用于模拟与周围环境条件有物质交换的甲烷渗漏过程；并通过渗漏模拟实时记录各项环境参数条件，并且取样分析各项溶解性无机碳及各项金属离子含量变化；所述增压单元(3)与所述连续式流体供应单元(1)、渗漏过程模拟与监测单元(2)均相连，保证模拟过程装置内部环境压力稳定一致；所述数据采集与显示单元(4)与所述连续式流体供应单元(1)、所述渗漏过程模拟与监测单元(2)、所述增压单元(3)电性连接，用于实现甲烷渗漏模拟过程中对各个单元进行控制操作及各项环境数据信息的监控、采集和处理，完成对整个甲烷循环的表征过程。2.根据权利要求1所述的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，其特征在于，所述连续式流体供应单元(1)包括气液溶解容器(11)、注入泵(12)、低温水浴容器(13)、机械搅拌装置(14)、背压阀(15)、微流泵(16)和海水培养基配置容器(17)；其中：所述气液溶解容器(11)置于低温水浴容器(13)中，保证含甲烷流体进入渗漏过程模拟与监测单元(2)时不会由于温差引起热流扰动，对模拟过程产生影响；气液溶解容器(11)设置有气体进口、液体进口和液体出口；气液溶解容器(11)通过气体进口与所述增压单元(3)相连；气液溶解容器(11)通过液体进口与所述海水培养基配置容器(17)、注入泵(12)依次连接；气液溶解容器(11)通过液体出口与微流泵(16)连接，通过微流泵(16)向所述连续式流体供应单元(1)微流量地注入饱和甲烷流体；所述气液溶解容器(11)内部设置有温度传感器(18)、压力传感器(19)，用于监测气液溶解容器(11)内部的温度及压力数据并发送至所述数据采集与显示单元(4)；所述机械搅拌装置(14)配置在所述气液溶解容器(11)顶部，用于增强气液溶解容器(11)内的溶质溶解；所述背压阀(15)设置在所述气液溶解容器(11)顶部，用于保证气液溶解容器(11)处于设定压力条件下完成溶解过程。3.根据权利要求2所述的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，其特征在于，在所述连续式流体供应单元(1)模拟过程中，气液溶解容器(11)的温度设置同所述渗漏过程模拟与监测单元(2)一致，同为海底实际温度，但其压力要监控低于该温度条件下甲烷水合物形成的相平衡压力，避免在气液溶解容器(11)中形成甲烷水合物。4.根据权利要求2所述的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，其特征在于，所述渗漏过程模拟与监测单元(2)包括由上部海水环境模拟腔(211)与下部沉积物环境模拟腔(212)两部分法兰连接而成的深海沉积物-海水界面过程模拟釜(21)、可视窗(22)、多孔烧结板(23)、电阻率测量系统(24)、第二温度传感器(25)、甲烷、二氧化碳传感器(26)、颗粒成像传感器(27)、pid阀(28)和气液收集罐(29)；其中：所述可视窗(22)设置在深海沉积物-海水界面过程模拟釜(21)上，由上部海水环境模拟腔(211)与下部沉积物环境模拟腔(212)形成沉积物海水界面处，便于观测沉积物-海水界面甲烷水合物的形成情况；
所述多孔烧结板(23)设置在沉积物海水界面处，用于防止甲烷渗漏过程中，下部沉积物环境模拟腔(212)内的物质在渗流扰动下运移至上部海水环境模拟腔(211)中；所述电阻率测量系统(24)设置在下部沉积物环境模拟腔(212)内，用于监测和计量甲烷渗漏模拟过程中，沉积物内甲烷水合物形成的饱和度变化情况并发送至所述数据采集与显示单元(4)；在上部海水环境模拟腔(211)和下部沉积物环境模拟腔(212)中，均设置有第二温度传感器(25)，用于监测甲烷渗漏模拟过程内的环境温度变化情况并发送至所述数据采集与显示单元(4)；同时，在上部海水环境模拟腔(211)还设置有甲烷、二氧化碳传感器(26)和颗粒成像传感器(27)，用于用于监测上部海水环境模拟腔(211)的甲烷浓度和二氧化碳浓度变化及监测海水环境中甲烷水合物颗粒形成分布情况，并发送至所述数据采集与显示单元(4)；所述pid阀(28)设置在所述深海沉积物-海水界面过程模拟釜(21)与所述气液收集罐(29)连接的管道上，用于进行pid调控，保证渗漏过程模拟与监测单元(2)在整个渗漏过程中深海沉积物-海水界面过程模拟釜(21)内的压力稳定；所述气液收集罐(29)具备压力和温度监控的功能，用于收集和计量从深海沉积物-海水界面过程模拟釜(21)内排出的气液体积；在下部沉积物环境模拟腔(212)底部设置有气体进口，通过气体进口与所述增压单元(3)相连。5.根据权利要求4所述的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，其特征在于，在所述渗漏过程模拟与监测单元(2)中，为了方便可视窗(22)观测，深海沉积物-海水界面过程模拟釜(21)的温度控制采用夹套式水浴的方式，即在深海沉积物-海水界面过程模拟釜(21)的周围布置水浴夹套(5)，水浴夹套(5)中填充循环制冷液，且水浴夹套(5)的外壁设置保温层，保证上部海水环境模拟腔(211)与下部沉积物环境模拟腔(212)内的低温环境。6.根据权利要求4所述的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，其特征在于，所述电阻率测量系统(24)在下部沉积物环境模拟腔(212)采用空间布点方式进行设置，沉积物内均匀布置3层测点，每层测点布置有5
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5＝25个电阻率探头，每个电阻率探头的输出端均与所述数据采集与显示单元(4)电性连接，用于监测和计量甲烷渗漏模拟过程中，沉积物内甲烷水合物形成的饱和度变化情况并发送至数据采集与显示单元(4)。7.根据权利要求4所述的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，其特征在于，所述气液溶解容器(11)、深海沉积物-海水界面过程模拟釜(21)均为耐压容器。8.根据权利要求1～7任一项所述的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，其特征在于，所述增压单元(3)包括空压机、增压泵、储气罐、调整阀及管阀件；其中：所述增压单元(3)通过管阀件与所述连续式流体供应单元(1)、渗漏过程模拟与监测单元(2)的气体进口连接；所述空压机通过所述增压泵与所述储气罐输入端连接；所述储气罐输出端上设置有调整阀，通过调整阀与所述管阀件连接，用于向连续式流体供应单元(1)、渗漏过程模拟与监测单元(2)的注入特定的气体。9.一种甲烷循环表征方法，基于如权利要求1～8所述的深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置实现，其特征在于，在整个连续式甲烷渗漏模拟过程中，甲烷循环表征方法具体表示为：
m
甲烷输入
＝q1t＝bρ
甲烷水合物v下腔
sh1 bρ
甲烷水合物
nv v
沉积物
x2 v
海水
x3 λ
甲烷氧化
t v1x4其中，m
甲烷输入
表示甲烷输入质量；q1表示连续式流体供应单元(1)向渗漏过程模拟与监测单元(2)注入的流体流速，t表示甲烷渗漏模拟的时间；b为单位质量甲烷水合物中甲烷质量占比，ρ
甲烷水合物
表示甲烷水合物的密度，v
下腔
表示下部沉积物环境模拟腔(212)的体积，sh1表示甲烷水合物的饱和度，bρ
甲烷水合物v下腔
sh1表示沉积层中甲烷水合物中的甲烷量；n表示单位体积海水中甲烷水合物颗粒形成的个数，v表示平均体积，bρ
甲烷水合物
nv表示海水中甲烷水合物中的甲烷量；v
沉积物
表示沉积物的体积，x2表示沉积物内的甲烷浓度，v
沉积物
x2表示沉积物孔隙水中溶解的甲烷量；v
海水
表示海水的体积，x3表示海水内的甲烷浓度，v
海水
x3表示海水中甲烷溶解量；λ
甲烷氧化
表示甲烷氧化速率，λ
甲烷氧化
t表示甲烷氧化量；v1表示气液收集罐(29)内的液体量，x4表示甲烷溶解度，v1x4表示出口排除的甲烷量；其中，sh1通过电阻率值变化进行估算，单位体积海水中甲烷水合物颗粒形成的个数n和平均体积v通过颗粒成像测得；甲烷氧化速率λ
甲烷氧化
是通过实时取样的溶液中溶解性无机碳的浓度的实时变化值来进行表征，由此，得到深海甲烷渗漏过程中甲烷源汇守恒模型，用于精确表征深海甲烷渗漏过程中的甲烷循环过程。10.根据权利要求9所述的一种甲烷循环表征方法，其特征在于，如果是人工填充的砂质沉积物，则直接根据阿尔奇公式对sh1进行估算，具体计算过程为：其中，φ为孔隙度，a为阿尔奇系数，m为胶结指数，b为饱和指数，r
w
为地层水的电阻率，r
t
为底层电阻率；如果是天然海泥沉积物，则采用修正的阿尔奇公式对sh1进行估算，具体计算过程表示为：其中，φ为孔隙度，a为阿尔奇系数，r
w
为地层水的电阻率，r
t
为底层电阻率；k为沉积层中黏土矿物的组分，g，f，c均为常数。

技术总结
本发明提出了一种深海甲烷渗漏区连续式过程模拟装置，包括连续式流体供应单元、渗漏过程模拟与监测单元、增压单元和数据采集与显示单元；连续式流体供应单元用于生成饱和甲烷流体并微流量地注入到渗漏过程模拟与监测单元中；渗漏过程模拟与监测单元用于模拟与周围环境条件有物质交换的甲烷渗漏过程；增压单元与连续式流体供应单元、渗漏过程模拟与监测单元均相连；数据采集与显示单元与连续式流体供应单元、渗漏过程模拟与监测单元、增压单元电性连接，实现在深海原位温度、压力条件下，采用开放体系模式对甲烷渗漏过程进行连续模拟。本发明还提出一种甲烷循环表征方法，为准确估算海洋碳循环模式，积极主动应对气候变化提供重要的基础。要的基础。要的基础。


技术研发人员：杨志峰 冯景春 张偲 王屹 钟松
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2022/6/4