阅读说明：本技术 一种水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置及方法 (In-situ real-time monitoring device and method for hydrate induced seabed instability ) 是由 贾永刚 孙志文 郭秀军 刘涛 单红仙 范智涵 宋晓帅 薛凉 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses an in-situ real-time monitoring device and method for hydrate-induced seabed instability, and belongs to the field of marine geological detection. The invention comprises a test probe rod, wherein a plurality of electrode rings and a plurality of pore pressure sensors are arranged on the test probe rod; the bottom of the test probe rod is a conical head; the upper part of the test probe rod is fixedly provided with a balance weight, an underwater acoustic communication machine I, an acquisition control bin, a power supply bin and a hanging ring; the acquisition control bin is internally provided with a resistivity acquisition unit, a pore pressure acquisition unit and a lower computer control unit; the resistivity acquisition unit is respectively in communication connection with each electrode ring and the lower computer control unit; the pore pressure acquisition unit is respectively in communication connection with each pore pressure sensor and the lower computer control unit. The maximum value of the change of the water pressure of the ultra-pore obtained by resistivity calculation and the change of the water pressure of the ultra-pore obtained by pore pressure sensor measurement is obtained, the possibility of seabed instability is judged according to the maximum value, and further the seabed geological disaster is monitored and early warned.)

一种水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置及方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明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。

本发明的技术方案为：

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

R_w2＝R_w1(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；R_w1、R_w2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，S_H为水合物饱和度；n为饱和度指数，未固结地层n＝1.7；R_t为测量得到的电阻率；

分解前水的物质的量为

式中，n_w0为水合物分解前水的物质的量；ρ_w＝1g/cm³为水的密度；M_w＝18g/mol为水的物质的量，V_H为水合物的体积；V_v为孔隙的体积；S_H为水合物饱和度；

假设：1m³天然气水合物CH₄·nH₂O分解产生N_gmol的气体和N_wmol水，即V_gm³气体和V_wm³的水，天然气水合物分解后水的物质的量的变化为

n_w＝n_w0+Nw

式中，n_w为水合物分解后总的水的物质的量；N_w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

n_gi＝N_g-n_gs

n_gs＝n_w×s_g

式中，n_gi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；N_g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；n_gs为水合物分解后产生的甲烷气体在水中溶解的物质的量；s_g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

P_s＝1.013×10²kPa，T_s＝298.15K；

式中，P_s为标准状态下气体的压强；V_s为标准状态下气体的体积；T_s为标准状态下气体的温度；P_a为水合物分解后气体的压强；V_a为水合物分解后气体的体积；T_a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＝V_a+V_w-V_H

式中，ΔV为水合物分解后体积的变化；V_H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，E_s为土体压缩模量；σ_z为土体垂向有效应力；ε_z为土体垂向有效应变；Δσ_z为土体垂向有效应力的变化；Δε_z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＝-Δσ_z

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，Δu_m}＞σ_z＝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；Δu_m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；W_i为上覆沉积物重力，α_i为滑坡面垂向方向与法线方向的夹角；φ_i为内摩擦角；c_i为黏聚力；l_i为滑坡面长度；Δu为计算得到的超孔隙水压力的变化；Δu_m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。

本发明的有益效果为：

1、根据本发明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。

同时根据本发明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、本发明装置结构经过精简，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明水合物诱发海底失稳的原位实时监测装置的结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为下位机与浮球的连接关系示意图；

图4为海面通讯浮标的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为海面通讯浮标的控制框图；

图7为本发明下位机控制框图。

其中，1-电池仓；2-吊环；3-采集控制仓；4-水声通讯机一；5-电极环；6-孔压探杆；7-锥形头；8-孔压传感器；9-电阻率探杆；10-下位机配重；11-浮球；12-水声释放器；13-浮球配重；14-卫星通讯机；15-保护架；16-水声通讯机二；17-浮标电池控制仓；18-海面通讯浮标；19-太阳能电池板。

具体实施方式

本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中的“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1、图2所示，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，测试探杆的底部为锥形头7。测试探杆包括电阻率探杆9和孔压探杆6。电阻率探杆9和孔压探杆6粗细相等且无缝连接。电阻率探杆9位于孔压探杆6的下方。

电阻率探杆9内设置有纵向排布的若干电极环5，一般来讲，电极环5至少设置30个，以测量不同深度的海底沉积物的电阻率。孔压探杆6内设置有纵向排布的若干孔压传感器8，一般来讲，孔压传感器8至少设置6个，以测量不同深度海底沉积物的超孔隙水压力值。

如图1、图6、图7所示，为了实现本发明装置贯入海底，在测试探杆的上部设置下位机配重10。为了实现与海面通讯浮标的通讯，在下位机配重10上固定设置两个水声通讯机一4，为了进行测试数据的采集与传送，本发明装置设置有电阻率采集单元、孔压采集单元和下位机控制单元；电阻率采集单元、孔压采集单元和下位机控制单元均设置于采集控制仓3内，在本实施例中，采集控制仓3固定于测试探杆上并位于下位机配重10的上部。电池仓1内设有电源，为电阻率采集单元、孔压采集单元和下位机控制单元以及水声通讯机一4供电。在本实施例中，电池仓1固定于测试探杆上并位于采集控制仓3的上部。另外，测试探杆的顶部固定有吊环2。

如图3所示，吊环2通过凯夫拉线缆与海底浮球11连接，海底浮球11下方固定有水声释放器12，水声释放器12下方设置浮球配重13。

下位机下放时：

首先，下位机利用地质绞车在重力作用下贯入沉积物中，然后将船顺流而下开1海里左右，利用地质绞车将浮球配重13以及海底浮球11沉入海底。

然后布放海面通讯浮标和相应配重。

下位机回收时：

当测试任务完成时，甲板控制单元发出信号，水声释放器释放浮球配重13，海底浮球11在浮力的作用下上升到海面，然后通过地质绞车将下位机拉出海底，最后拉到海面。

如图4、图5所示，为了配合本发明装置进行数据传输，在海面上设有海面通讯浮标18，海面通讯浮标18的顶部设有保护架15，保护架15上安装有太阳能电池板19。海面通讯浮标18下面设有水声通讯机二16以及浮标电池控制仓17。海面通讯浮标18的上面设有卫星通讯机14。海面通讯浮标下部连接有配重，以保证海面通讯浮标在水声通讯机的有效通讯距离内。

如图7所示，下位机控制单元为连接有ARM处理器的支持SOPC的FPGA芯片。各电极环通过电阻率采集单元与下位机控制单元通信连接。各孔压传感器通过孔压采集单元与下位机控制单元通信连接。

如图6所示，海面通讯浮标控制单元包括连接有ARM处理器的支持SOPC的FPGA芯片。浮标控制芯片分别与声学通讯机二以及卫星通讯机通信连接，同时浮标控制芯片连接海面存储单元。

下位机控制单元将采集到水合物的电阻率以及孔压值存储至下位机的存储单元，同时通过水声通讯机一4将采集到的电阻率以及孔压值传送至海面通讯浮标上的水声通讯机二16。再由水声通讯机二16将电阻率以及孔压值存储至海面存储单元，然后浮标控制芯片通过卫星通讯机14将电阻率以及孔压值传送至甲板控制单元或实验室中，并由甲板控制单元或实验室中根据接收到的电阻率以及孔压值反演得到海底水合物的饱和度、海底沉积物物理力学性质变化等，以实现对水合物诱发的海底失稳等地质灾害实时监测预警。当然，反过来，甲板控制单元或实验室也可以通过卫星通讯机14、水声通讯机二16、水声通讯机一4向电阻率采集单元和空压采集单元发出启动指令、周期性采集指令以及结束指令等。

根据电阻率和超孔隙水压力判断水合物分解引起地质灾害的方法为：

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：

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

R_w2＝R_w1(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，例如a＝1.1，m＝2.07；R₀为饱和水地层电阻率；R_w1、R_w2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，S_H为水合物饱和度；n为饱和度指数，未固结地层n＝1.7；R_t为测量得到的电阻率；

分解前水的物质的量为

式中，n_w0为水合物分解前水的物质的量；ρ_w＝1g/cm³为水的密度；M_w＝18g/mol为水的物质的量，V_H为水合物的体积；V_v为孔隙的体积；S_H为水合物饱和度；

假设：1m³天然气水合物CH₄·nH₂O分解产生N_gmol的气体和N_wmol水，即V_gm³气体和V_wm³的水，天然气水合物分解后水的物质的量的变化为

n_w＝n_w0+N_w

式中，n_w为水合物分解后总的水的物质的量；N_w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

n_gi＝N_g-n_gs

n_gs＝n_w×s_g

式中，n_gi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；N_g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；n_gs为水合物分解后产生的甲烷气体在水中溶解的物质的量；s_g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

P_s＝1.013×10²kPa，T_s＝298.15K；

式中，P_s为标准状态下气体的压强；V_s为标准状态下气体的体积；T_s为标准状态下气体的温度；P_a为水合物分解后气体的压强；V_a为水合物分解后气体的体积；T_a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＝V_a+V_w-V_H

式中，ΔV为水合物分解后体积的变化；V_H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，E_s为土体压缩模量；σ_z为土体垂向有效应力；ε_z为土体垂向有效应变；Δσ_z为土体垂向有效应力的变化；Δε_z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＝-Δσ_z

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，Δu_m}＞σ_z＝ρgH

式中，ρ为水合物上覆沉积物密度(g/cm³)，g为重力加速度，通常取g＝9.8m/s²；H为上覆沉积物深度(m)；Δu_m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；W_i为上覆沉积物重力，α_i为滑坡面垂向方向与法线方向的夹角；φ_i为内摩擦角；c_i为黏聚力；l_i为滑坡面长度；Δu为计算得到的超孔隙水压力的变化；Δu_m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。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。