一种海底冷泉气体渗漏模拟系统技术方案

本发明专利技术公开一种海底冷泉气体渗漏模拟系统，包括气体渗漏模拟装置及甲板控制单元，所述气体渗漏模拟装置包括气泡生成模块、气泡观测模块以及能源与控制模块；所述气泡生成模块用于不同粒径分布、密度、流量、持续时间等条件下近海底位置气泡的生成，所述气泡观测模块用于获取以气泡形式呈现的海底气体渗漏的双视角影像资料，能源及控制模块用于系统的运行控制及观测数据处理，所述甲板控制单元用于对水下气体渗漏模拟装置进行任务配置，读取装置配载的水下传感器数据，并对装置各模块的运行状态进行监测；以真实海底冷泉的气泡特征为依据，可在海底真实环境下进行冷泉气泡模拟，为海底冷泉声散射特征模型建立和冷泉气体溢出通量反演提供技术支撑。通量反演提供技术支撑。通量反演提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种海底冷泉气体渗漏模拟系统


[0001]本专利技术属于海洋环境生态工程
，具体涉及一种海底冷泉气体渗漏模拟系统。

技术介绍

[0002]近半个世纪发现海底冷泉以来，有关冷泉的资源与环境效益被全球广泛认知。冷泉主要发育在活动和被动大陆边缘斜坡。来自海底沉积界面之下的低温流体以喷涌和渗漏方式注入盆地，并产生系列的物理、化学及生物作用，这种作用及其产物称为冷泉渗漏。
[0003]冷泉渗漏流体成分以水、碳氢化合物、硫化氢、细粒沉积物为主，碳氢化合物包括甲烷和石油重烃类化合物。流体可能来自下部地层长期存在的油气系统，伴随构造活动向上运移，也可能与海底气体水合物的分解有关，分解释放的烃类(主要为CH4)可成为冷泉渗漏流体的一部分。冷泉流体温度与海水相近，冷泉在海底沿构造带和高渗透地层呈线性群产出，有的冷泉围绕泥火山或底辟顶部集中分布，呈圆形或不规则状冷泉群出现，在海底地形低凹处和峡谷转向处也有呈孤立形式产出。
[0004]当海底气体水合物分解甲烷渗漏时，甲烷或其氧化产生的CO2进入大气圈会造成异常高的CO2分压并产生强烈的温室效应，引起全球气候变暖，同时，水合物分解产生的大量甲烷作为一种生物化学燃料，在海水中产生巨大的热量，可能导致海洋中、底层水温升高，海底冷泉渗漏越来越受到各国的重视，对渗透区域的气体渗透调查尤为重要，海底冷泉的渗漏直观的显示出来有助于对海底冷泉的研究，同时采样设备的实验是检验设备的标准之一，能够得出设备的运行数据，进而为实地采样做好准备。
[0005]而目前的冷泉模拟系统以实验室级的模拟装置为主，并且主要用于气泡的生成模拟。对于此类模拟装置而言，由于生成气泡的本征属性以及气泡所处的环境属性相比真实环境下的冷泉气泡差异较大，现有此类装置模拟的准确性较差，难以满足海底冷泉科学研究的需要。比如，申请号201410045160.8的专利技术专利公开一种用于使海底冷泉渗漏气泡均匀破碎装置，该装置沿气泡运动方向设置有多个气泡挡板，通过施加外力实现气泡破碎，最终形成半径大小相等且分布均匀的小气泡。然而，自然界中冷泉气泡的粒径分布是不均匀的，且满足一定的分布规律，因此使用半径相等且分布均匀的气泡模拟自然界真实环境中的冷泉气泡存在较大误差。申请号为201921863713.5的新型专利公开一种模拟海底冷泉渗漏的气泡发生装置，通过调压机构对气泡发生箱内气体的渗透压力进行调节，实现对不同水深环境下气泡渗漏的模拟。然而，该装置属于实验室级的模拟装置范畴，并且冷泉气泡的受控因素不仅涉及压力，还涉及到pH、溶解氧、盐度等诸多因素，因此该装置模拟的冷泉气泡所处的生存环境与野外真实环境差异较大，该装置生成的气泡不可避免地与水下真实环境中的气泡存在差异。
[0006]综上，目前尚未发现有应用于野外真实环境中的，符合冷泉气泡粒径分布规律的，兼具气泡生成和观测功能的海底冷泉气体渗漏模拟装置。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术的缺陷，提出一种海底冷泉气体渗漏模拟系统，以真实海底冷泉的气泡特征为依据，可在海底真实环境下进行冷泉气泡模拟，为海底冷泉声散射特征模型建立和冷泉气体溢出通量反演方法验证提供有效技术支撑。
[0008]本专利技术是采用以下的技术方案实现的：
[0009]一种海底冷泉气体渗漏模拟系统，包括气体渗漏模拟装置及甲板控制单元，所述气体渗漏模拟装置包括气泡生成模块、气泡观测模块以及能源与控制模块；
[0010]所述气泡生成模块用于不同工况下气泡的生成，气泡观测模块用于对气泡进行原位观测，以采集气泡影像信息，能源及控制模块用于系统运行控制及观测数据处理；所述甲板控制单元用于对气体渗漏模拟装置进行任务配置，读取装置配载的水下传感器数据，并对装置各模块的运行状态进行监测；
[0011]所述气泡生成模块包括高压气瓶、气体质量流量控制器、组合式喷嘴和气体管路，高压气瓶用于气泡生成所需气体的供给，气体管路为复合式管路，其入口与高压气瓶连接，气体管路的每个出口均连接至组合式喷嘴上各个喷嘴的进气口，气体质量流量控制器通过预编程方式对高压气瓶的出口气体流量以及气体管路中各支路的气体流量进行控制，实现组合式喷嘴各喷孔中气体的按需、稳定溢出。
[0012]进一步的，所述气体渗漏模拟装置还包括装载平台、自稳平台以及配重，装载平台设置在自稳平台的上方，配重设置在自稳平台的下方，自稳平台由伺服电机驱动，通过三轴控制实现方位、俯仰和横滚调节；所述气泡生成模块、气泡观测模块以及能源与控制模块均固定设置在装载平台上；装载平台和自稳平台之间通过释放器连接，释放器用于在回收气体渗漏模拟装置时抛弃配重。
[0013]进一步的，所述气泡观测模块包括透明观测腔、水下相机和水下光源，透明观测腔的上下两端开口，底部设置组合式喷嘴，水下相机和水下光源相对设置在透明观测腔的侧面。
[0014]进一步的，所述组合式喷嘴包括喷嘴盘和喷嘴，喷嘴盘上设置有若干个孔位，喷嘴固定安装在所述孔位上，每个喷嘴的底部设置有进气口；所述喷嘴上设有若干个喷孔，喷孔孔径根据冷泉气泡粒径分布的统计模型进行设置，确保生成气泡的粒径分布与野外真实环境中冷泉气泡相符合。
[0015]进一步的，所述能源及控制模块包括水下密封舱以及设置在舱内的锂电池组、系统运行控制单元和数据采集单元，实现系统水下自主运行，锂电池组为水下相机、水下光源、气体质量流量控制器、各传感器以及系统运行控制单元和数据采集单元供电。
[0016]进一步的，所述冷泉气体渗漏模拟系统还设计有系统辅助模块，包括用于试验环境数据获取的压力传感器和单点海流计，用于系统回收的组合式浮球和用于气泡辅助拍摄的计数器以及设置在装载平台上多种传感器安装座，所述多种传感器包括甲烷传感器、ADCP传感器。
[0017]进一步的，在装载平台的上方还设置有保护罩，保护罩采用固体浮力材料，用于在回收气体渗漏模拟装置时提供浮力。
[0018]进一步的，所述透明观测腔为方形，采用透光耐压材料。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：
[0020]本方案海底冷泉气体渗漏模拟系统采用融合性设计方法，系统的气泡生成模块和气泡观测模块在实现各自功能的同时，既相互配合，又相互制约；具体而言，对于气泡生成模块模拟生成的气泡，气泡的粒径分布能够通过气泡观测模块获取的气泡影像资料进行验证；而对于气泡观测模块计算得到的气泡数量和气泡体积，又能够通过气泡生成模块的气体输入流量进行验证，通过两个功能模块的互相比对验证，提升了系统对冷泉气泡模拟的准确性，共同为后期的冷泉通量反演方法的验证和冷泉气泡声学散射模型的建立提供技术支撑。
[0021]此外，在系统的具体设计方面还具有如下特点：
[0022](1)气泡生成的高度可控，气体渗漏的准确模拟；
[0023]依托系统的水下气泡生成模块，通过组合式喷嘴、高精度气体流量控制、大容量气源供给等技术手段，借助甲板控制单元能够对人工生成的气泡所涉及气泡粒径、密度、流量等多种实验参数进行设定和调节，最大程度上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海底冷泉气体渗漏模拟系统，包括通信连接的气体渗漏模拟装置及甲板控制单元；其特征在于，所述气体渗漏模拟装置包括气泡生成模块、气泡观测模块以及能源与控制模块；所述气泡生成模块用于不同工况下气泡的生成，气泡观测模块用于对气泡进行原位观测，以采集气泡影像信息，能源及控制模块用于系统运行控制及观测数据处理；所述甲板控制单元用于对气体渗漏模拟装置进行任务配置，读取装置配载的水下传感器数据，并对装置各模块的运行状态进行监测；所述气泡生成模块包括高压气瓶(11)、气体质量流量控制器、组合式喷嘴(12)和气体管路，高压气瓶(11)用于气泡生成所需气体的供给，气体管路为复合式管路，其入口与高压气瓶(11)连接，气体管路的每个出口均连接至组合式喷嘴(12)上各个喷嘴的进气口，气体质量流量控制器通过预编程方式对高压气瓶(11)的出口气体流量以及气体管路中各支路的气体流量进行控制，实现组合式喷嘴各喷孔中气体的按需、稳定溢出。2.根据权利要求1所述的海底冷泉气体渗漏模拟系统，其特征在于：所述气体渗漏模拟装置还包括装载平台(1)、自稳平台(2)以及配重(3)，装载平台(1)设置在自稳平台(2)的上方，配重(3)设置在自稳平台(2)的下方，自稳平台(2)由伺服电机驱动控制实现方位、俯仰和横滚调节；所述气泡生成模块、气泡观测模块以及能源与控制模块均固定设置在装载平台(1)上；装载平台(1)和自稳平台(2)之间通过释放器(5)连接，释放器(5)用于在回收气体渗漏模拟装置时抛弃配重(3)。3.根据权利要求2所述的海底冷泉气体渗漏模拟系统，其特征在于：所述气泡观测模块包括透明观测腔(21...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅赛，齐崇阳，黄威，张喜林，秦轲，赵钊，
申请(专利权)人：青岛海洋地质研究所，
类型：发明
国别省市：