[发明专利]一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置及方法

说明书

本发明提出一种基于X‑CT探测含水合物沉积物力学参数的装置与方法，所述装置包括反应釜，反应釜本体为铍或碳纤维耐压管，两端端盖密封，下端盖外侧与轴压加载反力机构连接，反应釜内部自上而下为：上部样品调节垫块、沉积物样品、下部样品调节垫块及轴压加载活塞，还包括剪切加载单元、背压控制单元、卸载压力加载单元以及应变量测单元。本发明满足了合成甲烷水合物所需要的高压条件，能够精确控制试样轴向温度，使其均匀分布；还可以快速控温以提高制样效率，且能够调节试样的尺寸，达到控制不同的试样高径比的目的，本发明可实现含天然气水合物沉积物应力‑应变曲线和沉积物内部破坏微观结构同步探测，能够实现恒应变剪切和恒应力蠕变测试。

技术领域

本发明涉及天然气水合物储层基础物性评价领域，具体涉及一种基于微纳米CT扫描与三轴实验相结合分析含水合物沉积物微观破坏损伤带和宏观应力应变曲线的的装置及方法。

背景技术

研究水合物开采过程中的储层力学参数动态响应特征是揭示水合物开采相关工程地质风险发生临界条件、演变规律及其对水合物开采影响程度的基础。常规力学参数测试主要以“短期”载荷作用下沉积物发生破坏作为评价含水合物沉积物体系力学性能的依据，但缺乏对长期开采条件下储层缓慢变形(即蠕变)的时效性行为的研究手段。

目前，通过室内人工合成含水合物试样并进行岩心尺度的力学测试分析是获取含水合物储层力学性质的主要手段。X-CT技术的发展及其对沉积物的孔隙变化过程分析技术的提出对于深入理解天然气水合物沉积物的性质起了很大的推动作用。但目前X-CT在天然气水合物中的应用主要以表征水合物赋存行为为主，对天然气水合物储层微观破坏形态的相关表述较少。

近年来，也有部分学者提出将X-CT扫描技术与三轴剪切实验装置结合进行水合物沉积物破坏过程的实时监测，如公开号CN110274833A的发明公布了一种CT实时扫描的水合物沉积物柔性加载真三轴试验装置，但其三向加载结构决定了该系统无法在CT载物台上旋转，因此只能做二维成像，无法得到沉积物内部结构损伤变化过程的3D观测；公开号为CN104155188A的发明解决了三轴加载装置旋转的问题，同时为了改进旋转系统的稳定性，该团队在后续又提出了该系统的改进版，如公开号为CN109668916A的发明，其主要稳定性提升措施为：将加载活塞、法兰盘、液压油缸等重量较大的部件整体设计安装到水合物三轴仪装置下方，以降低装置重心。然而，该系统采用工程塑料作为反应釜主体，无法实现天然气水合物高压模拟实验，因此作者也指出目前是用氙气进行实验；另外，反应釜端部采用铝合金控温，会导致沉积物轴向温度差异，合成沉积物均匀性问题仍有待进一步提升；再者，该系统采用水浴循环降温，一方面，增大了整个系统的重量与复杂性，另一方面，反应釜外增加一层水层和一层外包层，两层都会引起X射线的损耗，导致最终观测精度降低。

综上，提出一种满足合成甲烷水合物所需要的高压需求，且控温方式均匀、控温效率高、样品尺寸可调的适用于天然气水合物沉积物的孔隙尺度微观观测-三轴剪切综合试验装置与方法，则成为本发明所面临的重要课题。

发明内容

针对现有技术存在的无法满足合成甲烷水合物所需要的高压、控温方式不均、控温效率不够高进而导致影响测量精度的缺陷，本发明提出一种在高压环境下实现含水合物沉积物X-CT扫描和沉积物样品变形过程的宏微观同步精确测量的装置，采用如下技术方案予以实现：

一种基于X-CT探测含水合物沉积物力学参数的装置，包括：反应釜、剪切加载单元、背压控制单元、卸载压力加载单元、应变量测单元，以及X-CT扫描装置，所述反应釜包括反应釜本体及与之配合的上、下端盖，其特征在于：

所述反应釜本体为铍或碳纤维耐压管，其内部自上而下为：上部样品调节垫块、沉积物样品、下部样品调节垫块及轴压加载活塞，轴压加载活塞底和下部样品调节垫块中央贯通设计孔压入口；

所述上部样品调节垫块下端和下部样品调节垫块上端均安装等直径的透水石，透水石边缘各安装有示踪棒；