[发明专利]含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统及其方法

权利要求书

1.含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量方法，其特征在于，使用如下测量系统，包括：

低场核磁共振测试仪(1)、岩心夹持器(2)、水合物制备装置(3)、温度控制装置(4)、气体驱替装置(5)和围压控制装置(6)；所述岩心夹持器(2)包括两个夹持件(21)，沉积物样品(7)通过两个所述夹持件(21)夹持在所述低场核磁共振测试仪(1)的置样箱(11)内，两个所述夹持件(21)分别夹持在所述沉积物样品(7)的两端，所述沉积物样品(7)的四周和两个所述夹持件(21)的两端四周采用柔性热缩膜(71)包裹；两个所述夹持件(21)内部中空，两个所述夹持件(21)的一端与所述沉积物样品(7)接触，且其内部与所述沉积物样品(7)的孔隙相通；所述水合物制备装置(3)通过混合液进管(31)和混合液出管(32)分别与两个所述夹持件(21)连通；所述围压控制装置(6)与所述置样箱(11)内部通过循环管路形成闭合回路；所述气体驱替装置(5)通过气体进管(51)与所述混合液进管(31)连通；所述温度控制装置(4)用于控制所述围压控制装置(6)的围压液的温度和所述水合物制备装置(3)的气水混合液的温度；

所述水合物制备装置(3)还包括高压气瓶(33)、水箱(34)、气水混合容器(35)；所述气水混合容器(35)设有与其内部相通的进气口(351)、进水口(352)、混合液进口(353)和混合液出口(354)；所述高压气瓶(33)通过进气管路(331)与所述进气口(351)连通；所述水箱(34)通过进水管路(341)与所述进水口(352)连通；所述混合液出口(354)通过所述混合液进管(31)与一个所述夹持件(21)连通，所述混合液进口(353)通过所述混合液出管(32)与另一个所述夹持件(21)连通；所述混合液进管(31)、混合液出管(32)和进气管路(331)上均设有打开或关闭其的阀门(8)；所述混合液进管(31)上还设有平流泵(36)，且所述平流泵(36)位于所述阀门(8)与所述气水混合容器(35)之间的管路段上；所述混合液出管(32)上设有背压阀(37)，且所述背压阀(37)位于所述夹持件(21)与所述阀门(8)之间的管路段上；

所述气体驱替装置(5)包括高压氮气瓶(52)；所述高压氮气瓶(52)通过所述气体进管(51)与所述混合液进管(31)连通；所述气体进管(51)位于所述阀门(8)与所述夹持件(21)之间；所述气体进管(51)上设有调压阀(53)；

所述气体驱替装置(5)还包括气液收集单元(54)；所述气液收集单元(54)包括气液收集箱(541)和气体收集件(542)；所述气液收集箱(541)与所述混合液出管(32)通过出液管路(55)连通，所述出液管路(55)位于所述背压阀(37)与所述阀门(8)之间；所述气液收集箱(541)顶部设有出气口，所述出气口与所述气体收集件(542)通过管路连通；所述出液管路(55)上设有打开或关闭其的阀门(8)；

所述围压控制装置(6)包括围压液箱(61)，所述温度控制装置(4)用于对围压液箱(61)内部的围压液降温，所述围压液箱(61)分别通过围压液进管(62)和围压液出管(63)与所述置样箱(11)内部相连通，所述围压液出管(63)上设有围压泵(64)；

所述测量方法包括如下步骤：

S1.将沉积物样品(7)通过岩心夹持器(2)固定于低场核磁共振测试仪(1)的置样箱(11)内；连接好水合物制备装置(3)、温度控制装置(4)、气体驱替装置(5)和围压控制装置(6)；

S2.开启温度控制装置(4)，分别对气水混合容器(35)内的气水混合液和围压液箱(61)内的围压液进行降温，并使两者的温度维持在同一温度设定值；

S3.开启围压泵(64)，围压泵(64)将围压液箱(61)中的围压液泵入置样箱(11)内，为沉积物样品(7)提供一定的围压；

S4.打开混合液出管(32)和混合液进管(31)上的阀门(8)，启动平流泵(36)，将气水混合容器(35)中的气水混合液泵入沉积物样品(7)的孔隙中，使沉积物样品(7)吸收达到饱和，调整背压阀(37)的压力，使得背压阀(37)的压力值高于水合物相平衡压力，以在沉积物样品(7)内部孔隙中合成水合物；此时，通过低场核磁共振测试仪(1)测试含水合物沉积物样品(7)的含水量和孔隙度；

S5.当水合物生成完毕后，关闭混合液出管(32)和混合液进管(31)上的阀门(8)，打开出液管路(55)上的阀门(8)，调节调压阀(53)的开度，使得气体进管(51)内的压力高于水合物相平衡压力，通过向沉积物样品(7)中注入氮气进行驱替，其中保持背压阀(37)的压力略高于水合物相平衡压力，通过调整调压阀(53)和背压阀(37)的开度，设置一系列不同驱替压力，完成一系列不同驱替压力的驱替实验；

S6.利用低场核磁测试仪实时测试含水合物沉积物样品(7)的横向弛豫T₂曲线，并计算不同驱替压力下的含水饱和度，含水饱和度计算如下：

式中，S_w为含水饱和度，F_res为某一级驱替压力作用下的核磁信号；F_total为使沉积物样品(7)吸收达到饱和状态下的核磁信号；

通过将多组不同的含水饱和度S_w、驱替压力P_c数据，拟合出含水合物沉积物土水特征曲线如下：

式中，P_c为驱替压力；P₀为初始毛细管压力；S_w为含水饱和度；S_rw为残余水饱和度；m为拟合参数；通过拟合出的曲线，求解出P₀、S_rw和m的值；

通过求解出的S_rw和m的值计算含水合物沉积物的气相相对渗透率和水相相对渗透率；

水相相对渗透率k_rw的计算公式如下：

气相相对渗透率k_rg的计算公式如下：

式中，S_wmax为含水饱和度的最大值；

S7.保持含水饱和度不变，通过设置不同围压和孔隙压力，重复驱替过程，测试不同有效应力条件下含水合物的沉积物样品(7)的土水特征曲线，并计算水相相对渗透率、气相相对渗透率；

S8.根据计算出的水相相对渗透率、气相相对渗透率，进而分析水合物聚散过程和有效应力变化过程中气相相对渗透率和水相相对渗透率变化规律，从而建立刻画其变化规律的理论模型。