[發明專利]一種海洋天然氣水合物巖芯重塑裝置及方法

有效

• 申請號: 201711201227.2
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN107976351B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 趙佳飛;匡洋民;宋永臣;楊磊;劉衛國;楊明軍;李洋輝;趙越超
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28;G01N1/36;G01N1/44;G01N29/07;G01N23/046
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉

1.一種海洋天然氣水合物巖芯重塑方法，其特征在于，該方法所用的裝置包括熱縮夾套(1)、聲波數據采集系統(3)、X射線CT成像系統(4)、主體反應釜(5)、注氣系統(6)、圍壓油浴循環系統(7)；其中，密閉的主體反應釜內填充油浴，油浴中設置非保真的天然巖芯(2)，天然巖心由四周包裹的熱縮夾套(1)和巖心上、下兩端設置的巖心堵頭密封，進而與其外部油浴隔離，并且同時承受圍壓的作用；圍壓油浴循環系統(7)與油浴連通，用于調節天然巖心外部圍壓和溫度；注氣系統(6)通過管路與上、下兩端的巖心堵頭相連，用于向天然巖心中注入氣體，實現巖芯內部孔隙壓力的精確控制；所述聲波數據采集系統(3)包括超聲波發射、接收探頭、脈沖收發器和示波器，其中，超聲波發射、接收探頭分別設置于上、下兩端的巖心堵頭內，與外部的脈沖收發器連接，再連接示波器，用于測量巖心整體P波信號；所述主體反應釜設置于X射線CT成像系統(4)中的微焦點X射線CT腔體內部，通過進行X射線掃描，用于可視化監測水合物在巖芯內的三維空間分布，并提取天然巖芯內部重塑的飽和度參數；

具體方法包括如下步驟：

第一步，取非保真的天然巖芯，內部孔隙水未破壞損失，通過切割處理得到與巖芯堵頭直徑大小相同的柱狀樣品，將巖芯堵頭與之上、下對齊，外圍套上熱縮夾套，通過加熱，包裹密封好巖芯與堵頭的連接部位；

第二步，巖芯堵頭分別安裝超聲波發射、接收探頭以及注氣連接管路，聲波發射、接收探頭表面圖上一層聲波耦合劑，緊貼巖芯表面；

第三步，將第一、二步連接的整體放入反應釜內腔中；根據巖芯所處海底地層溫壓條件，調整圍壓液至設定溫度T和圍壓油設定壓力P_L，開啟圍壓循環泵注入液壓油，保持穩定流速運行；

第四步，打開注氣系統柱塞泵閥門，恒壓注入甲烷或混合天然氣成分至巖芯內部，控制氣體孔隙內壓力為P_G，保證始終P_G<P_L；初始情況先調小孔隙壓，后期緩慢增加孔隙壓；

第五步，溫度T，氣體壓力P_G下水合物開始重塑生成，打開聲波采集系統，計算獲取此時水合物巖芯整體P波速度：

t₀＝t-t_TOP，

其中，V_p為巖芯聲波速度，單位：m/s；L為巖芯長度，單位：m；t為首波峰到達時間，單位：s；t_TOP為延遲時間，單位：s；

在測量過程中始終監測聲波波速V_p，并且通過對比測井聲速V_w，利用有效介質理論模型BGTL方程分別反算出水合物飽和度S_w與S_P，

其中，S_w為巖芯所處海域地層深度下隨鉆測井數據的水合物飽和度；S_P為有效介質模型反算的重塑飽和度；為巖芯孔隙度；ρ_B為混合沉積物的整體密度；K_sat為巖芯體積模量；K_Dry與K_f分別為巖芯干燥與水飽和時的體積模量；G_sat為巖芯的剪切模量；K_h與K_w分別為水合物的體積模量和水的體積模量；K為巖芯成分總體積模量；

當|S_w-S_P|<1％時，水合物重塑初步完成；當|S_w-S_P|≥1％時，通過調節注氣系統中柱塞泵壓力，調節孔隙壓力，令生成水合物的飽和度達到實際地層條件；

第六步，進行X射線CT測量，通過CT圖像的三維重構，提取出水合物重塑后的飽和度S_CT，當|S_CT-S_w|<3％時，認為水合物重塑完成；當|S_CT-S_w|≥3％時，通過調節注氣系統中柱塞泵壓力，調節孔隙壓力，令生成水合物的飽和度達到實際地層條件，重復第五步操作；最后對重塑巖芯結構圖像與保真原始天然樣品圖像對比，判斷水合物飽和度空間分布的差異性。

2.根據權利要求1所述的一種海洋天然氣水合物巖芯重塑方法，其特征在于，聲波數據采集系統的縱波頻率范圍是100～200kHz。

3.根據權利要求1或2所述的一種海洋天然氣水合物巖芯重塑方法，其特征在于，圍壓油浴循環系統(7)包括自動圍壓泵、自動循環泵和控溫的循環油浴；其中自動圍壓泵的泵體最高工作壓力5000Psi，流速0.001-50ml/min；自動循環泵的流速為3～5L/min；循環油浴的工作溫度為-20℃～150℃。