[发明专利]一种海洋天然气水合物岩芯重塑装置及方法

权利要求书

1.一种海洋天然气水合物岩芯重塑方法，其特征在于，该方法所用的装置包括热缩夹套(1)、声波数据采集系统(3)、X射线CT成像系统(4)、主体反应釜(5)、注气系统(6)、围压油浴循环系统(7)；其中，密闭的主体反应釜内填充油浴，油浴中设置非保真的天然岩芯(2)，天然岩心由四周包裹的热缩夹套(1)和岩心上、下两端设置的岩心堵头密封，进而与其外部油浴隔离，并且同时承受围压的作用；围压油浴循环系统(7)与油浴连通，用于调节天然岩心外部围压和温度；注气系统(6)通过管路与上、下两端的岩心堵头相连，用于向天然岩心中注入气体，实现岩芯内部孔隙压力的精确控制；所述声波数据采集系统(3)包括超声波发射、接收探头、脉冲收发器和示波器，其中，超声波发射、接收探头分别设置于上、下两端的岩心堵头内，与外部的脉冲收发器连接，再连接示波器，用于测量岩心整体P波信号；所述主体反应釜设置于X射线CT成像系统(4)中的微焦点X射线CT腔体内部，通过进行X射线扫描，用于可视化监测水合物在岩芯内的三维空间分布，并提取天然岩芯内部重塑的饱和度参数；

具体方法包括如下步骤：

第一步，取非保真的天然岩芯，内部孔隙水未破坏损失，通过切割处理得到与岩芯堵头直径大小相同的柱状样品，将岩芯堵头与之上、下对齐，外围套上热缩夹套，通过加热，包裹密封好岩芯与堵头的连接部位；

第二步，岩芯堵头分别安装超声波发射、接收探头以及注气连接管路，声波发射、接收探头表面图上一层声波耦合剂，紧贴岩芯表面；

第三步，将第一、二步连接的整体放入反应釜内腔中；根据岩芯所处海底地层温压条件，调整围压液至设定温度T和围压油设定压力P_L，开启围压循环泵注入液压油，保持稳定流速运行；

第四步，打开注气系统柱塞泵阀门，恒压注入甲烷或混合天然气成分至岩芯内部，控制气体孔隙内压力为P_G，保证始终P_G<P_L；初始情况先调小孔隙压，后期缓慢增加孔隙压；

第五步，温度T，气体压力P_G下水合物开始重塑生成，打开声波采集系统，计算获取此时水合物岩芯整体P波速度：

t₀＝t-t_TOP，

其中，V_p为岩芯声波速度，单位：m/s；L为岩芯长度，单位：m；t为首波峰到达时间，单位：s；t_TOP为延迟时间，单位：s；

在测量过程中始终监测声波波速V_p，并且通过对比测井声速V_w，利用有效介质理论模型BGTL方程分别反算出水合物饱和度S_w与S_P，

其中，S_w为岩芯所处海域地层深度下随钻测井数据的水合物饱和度；S_P为有效介质模型反算的重塑饱和度；为岩芯孔隙度；ρ_B为混合沉积物的整体密度；K_sat为岩芯体积模量；K_Dry与K_f分别为岩芯干燥与水饱和时的体积模量；G_sat为岩芯的剪切模量；K_h与K_w分别为水合物的体积模量和水的体积模量；K为岩芯成分总体积模量；

当|S_w-S_P|<1％时，水合物重塑初步完成；当|S_w-S_P|≥1％时，通过调节注气系统中柱塞泵压力，调节孔隙压力，令生成水合物的饱和度达到实际地层条件；

第六步，进行X射线CT测量，通过CT图像的三维重构，提取出水合物重塑后的饱和度S_CT，当|S_CT-S_w|<3％时，认为水合物重塑完成；当|S_CT-S_w|≥3％时，通过调节注气系统中柱塞泵压力，调节孔隙压力，令生成水合物的饱和度达到实际地层条件，重复第五步操作；最后对重塑岩芯结构图像与保真原始天然样品图像对比，判断水合物饱和度空间分布的差异性。

2.根据权利要求1所述的一种海洋天然气水合物岩芯重塑方法，其特征在于，声波数据采集系统的纵波频率范围是100～200kHz。

3.根据权利要求1或2所述的一种海洋天然气水合物岩芯重塑方法，其特征在于，围压油浴循环系统(7)包括自动围压泵、自动循环泵和控温的循环油浴；其中自动围压泵的泵体最高工作压力5000Psi，流速0.001-50ml/min；自动循环泵的流速为3～5L/min；循环油浴的工作温度为-20℃～150℃。