联合X-CT技术的水合物沉积物NMR弛豫信号量标定装置和方法与流程

本发明涉及非常规油气藏工程与岩土工程基础物性测试领域，尤其涉及联合x-ct技术的水合物沉积物nmr弛豫信号量标定装置和方法。

背景技术：

天然气水合物广泛分布于海洋深水地层以及永久冻土地层中，由于其储量巨大、能量密度高、清洁无污染等特性，被认为是一种重要的潜在替代能源。

然而，苛刻的自然环境、多变的储层物性和复杂的相变过程致使勘探开发水合物比常规油气困难的多，商业化开采有着更为严峻的环境和技术问题。目前公认开采最环保有效的方法是降压法，降压开采的实质是荷载作用下水合物聚散过程中天然气运移与产出过程。降压导致的水合物分解增加储层孔隙度和有效渗透率，且改变还未分解水合物和骨架颗粒之间的接触模式，随着水气产出，孔隙压力降低导致有效应力增加从而挤压储层使骨架颗粒受力发生形变，降低孔隙度并部分抵消由于水合物分解而提高的地层有效渗透率。降压开采的基础控制因素是储层结构和物性特征，而含水合物沉积物在降压过程中的孔隙尺度行为很大程度上决定了沉积物的基础物性参数变化。因此，对含水合物沉积物微观孔隙尺度行为测量研究成为了水合物研究领域的一个重要课题。

核磁共振技术是研究岩土多孔介质材料孔隙尺度行为特性的重要手段之一，通过对原始回波串进行多指数拟合反演，得到多孔介质材料孔隙度、孔径分布等基本信息，经常被用来研究多孔介质材料的渗流特性，而含水合物沉积物孔隙行为较常规岩土多孔介质材料更为复杂，由于水合物低温高压复杂的赋存条件，现有的可视化电镜扫描法、压汞法、毛细压力测量法和等温吸附法均无法应用于含水合物沉积物的nmr弛豫信号量的标定，未经标定的核磁共振测试技术无法准确反映水合物聚散过程中孔隙结构变化特征及其对输运特性的影响。

现有技术公开了水合物专用低场核磁共振多探头定量测试系统及方法，但并非对同一样品进行标定，且水合物生成是随机的，更加导致了沉积物结构的不一致性，进而影响核磁信号量的标定。因此，迫切需要开发新的方法来精确标定含水合物沉积物中的nmr信号量，从孔隙角度定量表征水合物孔隙尺度行为，厘清含水合物沉积物基础物性参数的演化规律。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种联合x-ct技术的水合物沉积物nmr弛豫信号量标定装置和方法，通过联合x-ct与nmr共同实现对含水合物沉积物nmr横向弛豫信号量的标定，深入探讨含水合物沉积物孔隙尺度行为，为含水合物沉积物基础物性参数研究奠定了技术基础。。

本发明的实施例提供联合x-ct技术的水合物沉积物nmr弛豫信号量标定装置，包括反应釜、nmr测试系统、x-ct扫描系统、水合物合成系统、温压控制系统和抽真空饱和系统，所述反应釜中放置沉积物，所述反应釜是水合物生成和分解的场所，所述抽真空饱和系统连接反应釜，所述抽真空饱和系统对反应釜中的沉积物进行抽真空处理，并用蒸馏水饱和沉积物，所述反应釜通过连接水合物合成系统和温压控制系统模拟储层水合物的生成和分解，所述nmr测试系统和x-ct扫描系统用于对沉积物的扫描测试。

进一步，所述的反应釜包括样品筒、外筒、密封端盖，所述的样品筒和外筒由不屏蔽x射线及无核磁信号的peek材料制成，壁厚小于2mm，最高耐压可达30mpa，所述的样品筒和外筒通过管线中间焊接连接成为一个整体，所述的样品筒内放置沉积物，沉积物的两端设有透水石，下端连接水合物合成系统和抽真空饱和系统，所述的密封端盖通过螺纹连接样品筒和外筒，密封端盖设置有孔隙流体出口和冷却循环液连接口。

进一步，所述的温压控制系统包括冷却循环机和回压装置，所述冷却循环机连接外筒，所述冷却循环机采用恒温循环浴形式，温度控制范围是-20℃～常温，工作介质为无核磁信号的氟油，氟油在样品筒的外侧内，且在外筒内，氟油在外筒与冷却循环机之间循环以制冷控制样品筒内沉积物的温度；所述回压装置连接样品筒，所述回压装置包括回压阀和回压泵，结合水合物生成系统，并通过调节回压阀的压力在水合物相平衡之上用于水合物水合物，调节回压阀的压力在水合物相平衡之下用于分解水合物。进一步，所述的水合物生成系统包括高压气瓶、饱和气水容器、磁力搅拌器及相应阀门管线，所述高压气瓶连接饱和气水容器，所述磁力搅拌器位于饱和气水容器的中间，所述高压气瓶为ch4或co2气瓶，所述饱和气水容器由钛合金材料制成，所述磁力搅拌器通过搅拌促进高压气瓶内的气体在饱和气水容器中溶解于水形成饱和气水，通过平流泵向样品筒内注入高压饱和气水为水合物生成提供相应的介质。

进一步，所述的抽真空饱和系统包括真空泵和平流泵，通过真空泵对沉积物进行抽真空，通过平流泵向沉积物内注入蒸馏水。

进一步，所述的nmr测试系统用于获得沉积物横向弛豫曲线，定量分析沉积物孔隙中的水合物含量，所述nmr测试系统的磁体类型为钕铁硼永磁体，磁场强度为0.5t±0.05t，核磁共振工作频率为23mhz，cpmg序列的最大采样带宽为2000khz，所述nmr测试系统磁体探头与样品水平放置，方便外围系统安装，利于装样，样品检测范围为φ60mm×h60mm。

进一步，所述的x-ct扫描系统由微米级\纳米级可切换式x射线源、载物台和高分辨率平板探测器组成，所述x-ct扫描系统对沉积物进行x射线扫描，能在水合物形成和分解过程中对沉积物的同一部位进行实时扫描。

水合物沉积物nmr弛豫信号量标定方法，包括以下步骤：

s1.检查气密性；

s2.将沉积物样品放置在反应釜中；

s3.利用抽真空饱和系统对沉积物先进行抽真空处理，再注入蒸馏水饱和沉积物；

s4.利用nmr测试系统获取不含水合物沉积物的横向弛豫分布曲线；

s5.将反应釜转移至x-ct扫描系统中，利用x-ct扫描系统测定沉积物的孔径数量—孔径分布曲线，并结合步骤s4的横向弛豫分布曲线计算不含水合物沉积物的横向弛豫率；

s6.利用水合物合成系统和温压控制系统模拟储层水合物的生成；

s7.利用nmr测试系统获取含水合物沉积物的横向弛豫分布曲线；

s8.保持温度、压力不变，将反应釜转移至x-ct扫描系统中，利用x-ct扫描系统测定含水合物沉积物的孔径数量—孔径分布曲线，并结合步骤s7的横向弛豫分布曲线计算含水合物沉积物的横向弛豫率；

s9.重复步骤s6-s8，探讨水合物生成过程中不同水合物饱和度下含水合物沉积物的横向弛豫率变化规律；

s10.利用水合物合成系统和温压控制系统模拟储层水合物的分解；

s11.利用nmr测试系统获取水合物分解过程中含水合物沉积物的横向弛豫分布曲线；

s12.保持温度、压力不变，利用x-ct扫描系统测定水合物分解过程中含水合物沉积物的孔径数量—孔径分布曲线，并结合步骤s11的横向弛豫分布曲线计算含水合物沉积物的横向弛豫率；

s13.重复步骤s10-s12，探讨水合物分解过程中不同水合物饱和度下的含水合物沉积物的横向弛豫率变化规律；

s14.综合步骤s9和s13分析水合物合成与分解过程中含水合物沉积物孔隙半径分布曲线的变化特征，定量表征水合物生成和分解过程中沉积物孔隙结构时空演化特征，探究天然气水合物成藏与开采过程中含天然气水合物地层基础物性参数的变化规律。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、能够模拟自然界中水合物储层真实的温度和压力条件，研究孔隙内不同水合物饱和度下含水合物沉积物孔隙尺度行为特征及其演化机理。

2、x-ct扫描技术和nmr测试技术的联合使用，对同一样品进行无损分析测试，做到测量信号标定与样品测试分析一体化，简化实验程序流程。

3、在样品筒放置样品保持样品体积恒定，可用于松散沉积物或固结岩心实验，避免水合物在生成过程中对样品总体积造成的影响，使结果更加准确可靠。

4、所述的标定装置及其方法能够精确地标定含水合物沉积物nmr信号量，使nmr能更加精确地表征含水合物沉积物孔隙尺度行为特征，为研究含水合物沉积物基础物性参数奠定了技术基础。

附图说明

图1为本发明联合x-ct技术的水合物沉积物nmr弛豫信号量标定装置的构成图。

图2为图1中反应釜的示意图。

图3为本发明联合x-ct技术的水合物沉积物nmr弛豫信号量标定方法的基本流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例1

请参考图1，本发明的实施例提供了联合x-ct技术的水合物沉积物nmr弛豫信号量标定装置，包括反应釜1、nmr测试系统2、x-ct扫描系统3、水合物合成系统4、温压控制系统5和抽真空饱和系统6。

请参考图2，反应釜1中放置沉积物样品，所述的反应釜1包括样品筒11、外筒12、密封端盖13，所述的样品筒和外筒由不屏蔽x射线及无核磁信号的peek材料制成，壁厚小于2mm，最高耐压可达30mpa，所述的样品筒11和外筒12通过管线中间焊接连接成为一个整体，所述的样品筒11内放置沉积物，沉积物的两端设有透水石14，下端连接水合物合成系统4和抽真空饱和系统6，所述的密封端盖13通过螺纹连接样品筒11和外筒12，密封端盖13端口连接温压控制系统5，设置有孔隙流体出口。

抽真空饱和系统6连接反应釜1，所述抽真空饱和系统对反应釜中的沉积物进行抽真空处理，并用蒸馏水饱和沉积物，抽真空饱和系统6包括真空泵和平流泵，通过真空泵对沉积物进行抽真空，通过平流泵向沉积物内注入蒸馏水。

反应釜1通过连接水合物合成系统4和温压控制系统5模拟储层水合物的生成和分解，温压控制系统5包括冷却循环机和回压装置，所述冷却循环机连接外筒，所述冷却循环机采用恒温循环浴形式，温度控制范围是-20℃～常温，工作介质为无核磁信号的氟油，氟油在样品筒11的外侧内，且在外筒12内，氟油在外筒12与冷却循环机之间循环以制冷控制样品筒内沉积物的温度；所述回压装置连接样品筒11，所述回压装置包括回压阀和回压泵，结合水合物生成系统，并通过调节回压阀的压力在水合物相平衡之上用于水合物水合物，调节回压阀的压力在水合物相平衡之下用于分解水合物。

水合物生成系统4包括高压气瓶、饱和气水容器、磁力搅拌器及相应阀门管线，所述高压气瓶连接饱和气水容器，所述磁力搅拌器位于饱和气水容器的中间，所述高压气瓶为ch4或co2气瓶，所述饱和气水容器由钛合金材料制成，所述磁力搅拌器通过搅拌促进高压气瓶内的气体在饱和气水容器中溶解于水形成饱和气水，通过平流泵向样品筒11内注入高压饱和气水为水合物生成提供相应的介质。

nmr测试系统2和x-ct扫描系统3用于对沉积物的扫描测试，nmr测试系统2用于获得沉积物样品的横向弛豫曲线(t2曲线)，定量分析沉积物孔隙中的水合物含量，所述nmr测试系统2的磁体类型为钕铁硼永磁体，磁场强度为0.5t±0.05t，核磁共振工作频率为23mhz，cpmg序列的最大采样带宽为2000khz，所述nmr测试系统磁体探头与样品水平放置，方便外围系统安装，利于装样，样品检测范围为φ60mm×h60mm。

x-ct扫描系统3由微米级\纳米级可切换式x射线源、载物台和高分辨率平板探测器组成，所述x-ct扫描系统对沉积物进行x射线扫描，能在水合物形成和分解过程中对沉积物的同一部位进行实时扫描。

请参考图3，水合物沉积物nmr弛豫信号量标定方法，包括以下步骤：

s1.检查气密性；

s2.将沉积物样品放置在反应釜1中；

s3.利用抽真空饱和系统6对沉积物先进行抽真空处理，再注入蒸馏水饱和沉积物；

s4.利用nmr测试系统2获取沉积物的横向弛豫分布曲线；

s5.将反应釜转移至x-ct扫描系统中，利用x-ct扫描系统3测定沉积物的孔径数量—孔径分布曲线，并结合步骤s4的横向弛豫分布曲线计算不含水合物沉积物的横向弛豫率；

s6.利用水合物合成系统4和温压控制系统5模拟储层水合物的生成；

s7.利用nmr测试系统2获取含水合物沉积物的横向弛豫分布曲线；

s8.保持温度、压力不变，将反应釜转移至x-ct扫描系统中，利用x-ct扫描系统3测定含水合物沉积物的孔径数量—孔径分布曲线，并结合步骤s7的横向弛豫分布曲线计算含水合物沉积物的横向弛豫率；

s9.重复步骤s6-s8，探讨水合物生成过程中不同水合物饱和度下含水合物沉积物的横向弛豫率变化规律；

s10.利用水合物合成系统4和温压控制系统5模拟储层水合物的分解；

s11.利用nmr测试系统2获取水合物分解过程中含水合物沉积物的横向弛豫分布曲线；

s12.保持温度、压力不变，将反应釜转移至x-ct扫描系统中，利用x-ct扫描系统3测定水合物分解过程中含水合物沉积物的孔径数量—孔径分布曲线，并结合步骤s11的横向弛豫分布曲线计算含水合物沉积物的横向弛豫率；

s13.重复步骤s10-s12，探讨水合物分解过程中不同水合物饱和度下的含水合物沉积物样品的横向弛豫率变化规律；

s14.综合步骤s9和s13分析水合物合成与分解过程中含水合物沉积物孔隙半径分布曲线的变化特征，定量表征水合物生成和分解过程中沉积物孔隙结构时空演化特征，探究天然气水合物成藏与开采过程中含天然气水合物地层基础物性参数的变化规律。

实施例2

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了联合x-ct技术的水合物沉积物nmr弛豫信号量标定装置，反应釜1、nmr测试系统2、x-ct扫描系统3、水合物合成系统4、温压控制系统5和抽真空饱和系统6。

具体地：

所述的反应釜1由不屏蔽x射线及无核磁信号的peek材料制成，壁厚小于2mm，最高耐压可达30mpa，釜体小巧轻便，方便x-ct与nmr的转换测试；反应釜1由两层筒体中间焊接而成，内部的样品筒11直径为25.4mm，长度为60mm，样品筒11外部为循环介质氟油，通过连接冷却循环机为水合物生成和分解提供相应的温度，样品筒11和外筒12的端口采用密封端盖13密封端头，螺纹锁紧，安装快捷简便，样品筒11下端连接水合物生成系统4和抽真空饱和系统6，上端连接回压装置，回压装置包括回压阀和回压泵。

所述的nmr测试系统2可对沉积物样品进行横向弛豫分析，用于获得t2曲线，定量分析沉积物样品孔隙中的水合物含量。磁体类型为钕铁硼永磁体，磁场强度为0.5t±0.05t，核磁共振工作频率为23mhz，cpmg序列的最大采样带宽为2000khz；磁体探头与样品水平放置，方便外围系统安装，利于装样，样品检测范围为φ60mm×h60mm。

所述的x-ct扫描系统3可对沉积物样品进行x射线扫描，由微米级\纳米级可切换式x射线源、载物台和高分辨率平板探测器组成，自带的可旋转三维运动检测载物台可在水合物形成和分解过程中对样品的同一部位进行实时扫描，可用于分析含水合物沉积物的孔径分布特征。

所述的水合物合成系统4主要包括高压气瓶、饱和气水容器、磁力搅拌器及相应阀门管线。高压气瓶为ch4或co2气瓶；饱和气水容器为钛合金材料，中间放置磁力搅拌器，用来促进高压气体溶解于水，为水合物生成提供相应的生成物，实验过程中可根据实验需要不同的水合物合成方式。

所述的温压控制系统5采用恒温循环浴形式，温度控制范围是-20℃～常温，工作介质为无核磁信号的氟油，氟油在外筒12与冷却循环机之间循环以制冷控制样品温度，流动速度较快，能够迅速降低沉积物温度并保持稳定。冷却循环机为可移动便携式小型循环机，方便转换nmr和x-ct测试时易于移动。回压装置回压装置包括回压阀和回压泵，结合水合物生成系统4，并通过调节回压阀的压力在水合物相平衡之上用于水合物水合物，调节回压阀的压力在水合物相平衡之下用于分解水合物。

所述的抽真空饱和系统6主要包括真空泵和平流泵，反应釜通过连接真空泵抽真空，通过平流泵向沉积物内注入蒸馏水。

结合上述实验系统，本发明提供的一种联合x-ct技术的水合物沉积物nmr弛豫信号量标定方法如下：制备好沉积物样品，抽真空饱和，运用nmr测试系统确定nmr横向弛豫幅值与含水量的比值，得到t2曲线，再运用x-ct技术对该样品进行扫描，获得孔隙半径分布，结合t2曲线确定nmr横向弛豫率。对于nmr测试系统2，按照下列方式确定沉积物孔径分布关系：

对于含水合物沉积物，不计自由弛豫和扩散弛豫机制，则单一孔隙的t2值与孔隙表面积与体积的比值成正比，得到孔隙尺寸度量关系式(将所有具有相近的表面积与体积比值的孔隙和具有近似的t2值的流体看作一类)：

其中，t2i是某一孔隙的横向弛豫时间，ρ是核磁共振横向弛豫率，si和vi是某一孔隙的表面积和体积。

在孔隙100％水饱和的条件下，流体总体积与孔隙数量存在如下关系：

v＝vin(2)

其中v是总的含水量，n是孔隙数量。

根据t2曲线，孔隙体积与横向弛豫时间存在唯一的映射关系如下：

v＝y(t2)(3)

联立(1)、(2)、(3)式得孔隙数量水孔隙半径的分布关系式如下：

其中f代表建立的函数，r表示孔隙半径。

x-ct技术与nmr技术的联合应用，对水合物沉积物nmr弛豫信号量标定，做到信号量标定与测试分析一体化，使nmr能更加精确地表征含水合物沉积物孔隙尺度行为特征，对于含水合物沉积物基础物性参数研究奠定了技术基础。

不含水合物沉积物nmr弛豫信号量标定：

连接管线，检查气密性；根据实验需要将沉积物放置在样品筒11内，进行抽真空处理，并用蒸馏水饱和沉积物，通过nmr测试系统2获取沉积物t2分布曲线；将反应釜1放置于x-ct扫描系统3中，通过x-ct扫描系统3测定沉积物的孔径数量—孔径分布曲线，结合t2分布曲线，计算不含水合物沉积物的横向弛豫率。

含水合物沉积物nmr弛豫信号量标定：

接好相关阀门及管线，根据实验需要在沉积物中合成甲烷水合物或者二氧化碳水合物，通过nmr测试系统2连续采集t2谱曲线，获取含水合物沉积物的t2分布曲线；保持温度、压力不变，将反应釜1放置于x-ct扫描系统3中，通过x-ct扫描系统3测定含水合物沉积物的孔径数量—孔径分布曲线，结合t2分布曲线，计算水合物生成过程中含水合物沉积物的横向弛豫率；改变含水合物沉积物中的水合物饱和度，再通过nmr测试系统2和x-ct扫描系统3进行测定，探讨不同水合物饱和度下的含水合物沉积物横向弛豫率变化规律；降压进行水合物分解，计算水合物分解过程中不同水合物饱和度下的含水合物沉积物的横向弛豫率，并探讨变化规律；综合上述结果，分析水合物合成与分解过程中含水合物沉积物孔隙半径分布曲线的变化特征，定量表征水水合物生成和分解过程中沉积物孔隙结构时空演化特征，探究天然气水合物成藏与开采过程中含天然气水合物地层基础物性参数的变化规律。在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。