[發明專利]含氣體水合物沉積物土水特征曲線的測量系統及其方法

有效

• 申請號: 202011209148.8
• 申請日: 2020-11-03
• 公開（公告）號: CN112485282B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 張準;寧伏龍;劉昌嶺;劉樂樂;劉志超;王冬冬;方彬;李維;孫嘉鑫
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01N24/08
• 分類號: G01N24/08;G01N15/08
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 王佩

1.含氣體水合物沉積物土水特征曲線的測量方法，其特征在于，使用如下測量系統，包括：

低場核磁共振測試儀(1)、巖心夾持器(2)、水合物制備裝置(3)、溫度控制裝置(4)、氣體驅替裝置(5)和圍壓控制裝置(6)；所述巖心夾持器(2)包括兩個夾持件(21)，沉積物樣品(7)通過兩個所述夾持件(21)夾持在所述低場核磁共振測試儀(1)的置樣箱(11)內，兩個所述夾持件(21)分別夾持在所述沉積物樣品(7)的兩端，所述沉積物樣品(7)的四周和兩個所述夾持件(21)的兩端四周采用柔性熱縮膜(71)包裹；兩個所述夾持件(21)內部中空，兩個所述夾持件(21)的一端與所述沉積物樣品(7)接觸，且其內部與所述沉積物樣品(7)的孔隙相通；所述水合物制備裝置(3)通過混合液進管(31)和混合液出管(32)分別與兩個所述夾持件(21)連通；所述圍壓控制裝置(6)與所述置樣箱(11)內部通過循環管路形成閉合回路；所述氣體驅替裝置(5)通過氣體進管(51)與所述混合液進管(31)連通；所述溫度控制裝置(4)用于控制所述圍壓控制裝置(6)的圍壓液的溫度和所述水合物制備裝置(3)的氣水混合液的溫度；

所述水合物制備裝置(3)還包括高壓氣瓶(33)、水箱(34)、氣水混合容器(35)；所述氣水混合容器(35)設有與其內部相通的進氣口(351)、進水口(352)、混合液進口(353)和混合液出口(354)；所述高壓氣瓶(33)通過進氣管路(331)與所述進氣口(351)連通；所述水箱(34)通過進水管路(341)與所述進水口(352)連通；所述混合液出口(354)通過所述混合液進管(31)與一個所述夾持件(21)連通，所述混合液進口(353)通過所述混合液出管(32)與另一個所述夾持件(21)連通；所述混合液進管(31)、混合液出管(32)和進氣管路(331)上均設有打開或關閉其的閥門(8)；所述混合液進管(31)上還設有平流泵(36)，且所述平流泵(36)位于所述閥門(8)與所述氣水混合容器(35)之間的管路段上；所述混合液出管(32)上設有背壓閥(37)，且所述背壓閥(37)位于所述夾持件(21)與所述閥門(8)之間的管路段上；

所述氣體驅替裝置(5)包括高壓氮氣瓶(52)；所述高壓氮氣瓶(52)通過所述氣體進管(51)與所述混合液進管(31)連通；所述氣體進管(51)位于所述閥門(8)與所述夾持件(21)之間；所述氣體進管(51)上設有調壓閥(53)；

所述氣體驅替裝置(5)還包括氣液收集單元(54)；所述氣液收集單元(54)包括氣液收集箱(541)和氣體收集件(542)；所述氣液收集箱(541)與所述混合液出管(32)通過出液管路(55)連通，所述出液管路(55)位于所述背壓閥(37)與所述閥門(8)之間；所述氣液收集箱(541)頂部設有出氣口，所述出氣口與所述氣體收集件(542)通過管路連通；所述出液管路(55)上設有打開或關閉其的閥門(8)；

所述圍壓控制裝置(6)包括圍壓液箱(61)，所述溫度控制裝置(4)用于對圍壓液箱(61)內部的圍壓液降溫，所述圍壓液箱(61)分別通過圍壓液進管(62)和圍壓液出管(63)與所述置樣箱(11)內部相連通，所述圍壓液出管(63)上設有圍壓泵(64)；

所述測量方法包括如下步驟：

S1.將沉積物樣品(7)通過巖心夾持器(2)固定于低場核磁共振測試儀(1)的置樣箱(11)內；連接好水合物制備裝置(3)、溫度控制裝置(4)、氣體驅替裝置(5)和圍壓控制裝置(6)；

S2.開啟溫度控制裝置(4)，分別對氣水混合容器(35)內的氣水混合液和圍壓液箱(61)內的圍壓液進行降溫，并使兩者的溫度維持在同一溫度設定值；

S3.開啟圍壓泵(64)，圍壓泵(64)將圍壓液箱(61)中的圍壓液泵入置樣箱(11)內，為沉積物樣品(7)提供一定的圍壓；

S4.打開混合液出管(32)和混合液進管(31)上的閥門(8)，啟動平流泵(36)，將氣水混合容器(35)中的氣水混合液泵入沉積物樣品(7)的孔隙中，使沉積物樣品(7)吸收達到飽和，調整背壓閥(37)的壓力，使得背壓閥(37)的壓力值高于水合物相平衡壓力，以在沉積物樣品(7)內部孔隙中合成水合物；此時，通過低場核磁共振測試儀(1)測試含水合物沉積物樣品(7)的含水量和孔隙度；

S5.當水合物生成完畢后，關閉混合液出管(32)和混合液進管(31)上的閥門(8)，打開出液管路(55)上的閥門(8)，調節調壓閥(53)的開度，使得氣體進管(51)內的壓力高于水合物相平衡壓力，通過向沉積物樣品(7)中注入氮氣進行驅替，其中保持背壓閥(37)的壓力略高于水合物相平衡壓力，通過調整調壓閥(53)和背壓閥(37)的開度，設置一系列不同驅替壓力，完成一系列不同驅替壓力的驅替實驗；

S6.利用低場核磁測試儀實時測試含水合物沉積物樣品(7)的橫向弛豫T₂曲線，并計算不同驅替壓力下的含水飽和度，含水飽和度計算如下：

式中，S_w為含水飽和度，F_res為某一級驅替壓力作用下的核磁信號；F_total為使沉積物樣品(7)吸收達到飽和狀態下的核磁信號；

通過將多組不同的含水飽和度S_w、驅替壓力P_c數據，擬合出含水合物沉積物土水特征曲線如下：

式中，P_c為驅替壓力；P₀為初始毛細管壓力；S_w為含水飽和度；S_rw為殘余水飽和度；m為擬合參數；通過擬合出的曲線，求解出P₀、S_rw和m的值；

通過求解出的S_rw和m的值計算含水合物沉積物的氣相相對滲透率和水相相對滲透率；

水相相對滲透率k_rw的計算公式如下：

氣相相對滲透率k_rg的計算公式如下：

式中，S_wmax為含水飽和度的最大值；

S7.保持含水飽和度不變，通過設置不同圍壓和孔隙壓力，重復驅替過程，測試不同有效應力條件下含水合物的沉積物樣品(7)的土水特征曲線，并計算水相相對滲透率、氣相相對滲透率；

S8.根據計算出的水相相對滲透率、氣相相對滲透率，進而分析水合物聚散過程和有效應力變化過程中氣相相對滲透率和水相相對滲透率變化規律，從而建立刻畫其變化規律的理論模型。