CN112485282A - 含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统及其方法。该系统包括低场核磁共振测试仪、岩心夹持器、水合物制备装置、温度控制装置、气体驱替装置和围压控制装置；沉积物样品通过岩心夹持器固定于低场核磁共振测试仪的置样箱内，水合物制备装置为沉积物样品提供水合物生成所需物；温度控制装置用于控制水合物生成和分解的温度；围压控制装置为沉积物样品提供围压；气体驱替装置用于驱替沉积物样品中的水分；该系统能测试水合物聚散和有效应力作用下的沉积物土水特征曲线，可用于探究降压开采过程中含水合物沉积物微观结构参数演化及其对气、水相对渗透率的影响规律，为我国南海水物开采产水、产气规律提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物储层物性参数测量技术领域，尤其涉及含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统及其方法。
背景技术
天然气水合物广泛分布于极地冻土环境和海洋大陆架区域，由于其储量巨大、高效、清洁无污染等特点，被认为是21世纪最重要的替代能源之一。近年来，天然气水合物勘探开发逐渐受到各个国家的高度重视，水合物试开采的相继成功证实了水合物藏开采的可能性。2017年和2020年，我国南海神狐海域水合物两次试开采取得圆满成功，加快了我国商业化开采水合物的步伐。
试开采的成功并不等于商业化开采，水合物开采仍需克服很多挑战。目前，降压开采是被认为最有效的开采方式，水合物降压开采是一个多相渗流过程，系统发展生产潜力预测和开采方案设计需要含水合物沉积物的气、水相对渗透率的准确预测；进行含水合物沉积物气、水相对渗透率研究，对于深刻理解水合物降压开采规律并切实改善其产气效率具有重要的工程意义；但现有的气、水相对渗透率模型不能较好地满足工程实际需求，现有技术中，渗透率理论模型在应用到南海水合物试开采时偏差能达到2～3个数量级。
鉴于现场测试的成本高、难度大，室内实验具有成本低廉和操作简便的特点，是实验研究的主要对象。由于水合物特殊的物理性质，直观的含水合物沉积物气、水相对渗透率测量实验非常困难。现有的含水合物沉积物气、水相对渗透率普遍依赖于Van Genuchten模型，而Van Genuchten模型是一个半经验的拟合公式，气、水相对渗透率作为水饱和度的函数表达式需要拟合参数，而拟合参数的选择有赖于土水特征曲线的精确测量。
目前，由于实验仪器的限制及有限的实验方法，现有的含水合物沉积物的土水特征曲线研究对象主要集中在低温常压赋存的四氢呋喃含水合物上，而针对甲烷水合物，到目前为止尚没有合适的仪器来测量不同甲烷水合物饱和度下的土水特征曲线。而四氢呋喃水合物和甲烷水合物物理性质存在很大的不同，四氢呋喃水合物的相关实验结果并不能用于认识甲烷水合物的相关物性。
因此，为满足我国南海水合物资源的开发需求，有效评估天然气水合物开采过程中的气、水相对渗透率，亟待设计一种能精准测量不同甲烷水合物饱和度下的土水特征曲线的装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，本发明的提供一种含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统及其方法，该系统能够模拟气体水合物(主要是甲烷水合物)的成藏过程与开采过程，用于精确测量水合物聚散过程和有效应力条件下沉积物土水特征曲线，并探究水合物降压开采过程中气、水相对渗透率变化规律，为含水合物沉积物基础物性参数变化机制奠定理论基础。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，包括低场核磁共振测试仪、岩心夹持器、水合物制备装置、温度控制装置、气体驱替装置和围压控制装置；所述岩心夹持器包括两个夹持件，沉积物样品通过两个所述夹持件夹持在所述低场核磁共振测试仪的置样箱内，两个所述夹持件分别夹持在所述沉积物样品的两端，所述沉积物样品的四周和两个所述夹持件的两端四周采用柔性热缩膜包裹；两个所述夹持件内部中空，两个所述夹持件的一端与所述沉积物样品接触，且其内部与所述沉积物样品的孔隙相通；所述水合物制备装置通过混合液进管和混合液出管分别与两个所述夹持件连通；所述围压控制装置与所述置样箱内部通过循环管路形成闭合回路；所述气体驱替装置通过气体进管与所述混合液进管连通；所述温度控制装置用于控制所述围压控制装置的围压液的温度和所述水合物制备装置的气水混合液的温度。
优选的，所述沉积物样品的两端均设有透水石；所述沉积物样品的直径为25.4mm，长度为20～60mm。
优选的，所述水合物制备装置还包括高压气瓶、水箱、气水混合容器；所述气水混合容器设有与其内部相通的进气口、进水口、混合液进口和混合液出口；所述高压气瓶通过进气管路与所述进气口连通；所述水箱通过进水管路与所述进水口连通；所述混合液出口通过所述混合液进管与一个所述夹持件连通，所述混合液进口通过所述混合液出管与另一个所述夹持件连通；所述混合液进管、混合液出管和进气管路上均设有打开或关闭其的阀门；所述混合液进管上还设有平流泵，且所述平流泵位于所述阀门与所述气水混合容器之间的管路段上；所述混合液出管上设有背压阀，且所述背压阀位于所述夹持件与所述阀门之间的管路段上。
优选的，所述气体驱替装置包括高压氮气瓶；所述高压氮气瓶通过所述气体进管与所述混合液进管连通；所述气体进管位于所述阀门与所述夹持件之间；所述气体进管上设有调压阀。
优选的，所述气体驱替装置还包括气液收集单元；所述气液收集单元包括气液收集箱和气体收集件；所述气液收集箱与所述混合液出管通过出液管路连通，所述出液管路位于所述背压阀与所述阀门之间；所述气液收集箱顶部设有出气口，所述出气口与所述气体收集件通过管路连通；所述出液管路上设有打开或关闭其的阀门。
优选的，所述围压控制装置包括围压液箱，所述温度控制装置用于对围压液箱内部的围压液降温，所述围压液箱分别通过围压液进管和围压液出管与所述置样箱内部相连通，所述围压液出管上设有围压泵。
优选的，所述温度控制装置包括两个循环冷却器，一个所述循环冷却器的冷却槽中放置所述围压液箱，用于控制所述围压液箱内的围压液温度，另一个所述循环冷却器的冷却槽中放置所述气水混合容器，用于控制所述气水混合容器内气水混合液的温度。
优选的，所述系统还包括压力检测装置，所述压力检测装置包括两个压力检测器，一个所述压力检测器设在所述混合液进管上，另一个所述压力检测器设在所述混合液出管上。
优选的，所述压力检测装置还包括两个压差计，每个所述压差计的高压端通过管路与所述混合液进管连通，其低压端与所述混合液出管连通。
含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量方法，使用如上所述的系统，包括如下步骤：
S1.将沉积物样品通过岩心夹持器固定于低场核磁共振测试仪的置样箱内；连接好水合物制备装置、温度控制装置、气体驱替装置和围压控制装置；
S2.开启温度控制装置，分别对气水混合容器内的气水混合液和围压液箱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，围压泵将围压液箱中的围压液泵入置样箱内，为沉积物样品提供一定的围压；
S4.打开混合液出管和混合液进管上的阀门，启动平流泵，将气水混合容器中的气水混合液泵入沉积物样品的孔隙中，使沉积物样品吸收达到饱和，调整背压阀的压力，使得背压阀的压力值高于水合物相平衡压力，以在沉积物样品内部孔隙中合成水合物；此时，通过低场核磁共振测试仪测试沉积物样品的含水量和孔隙度；
S5.当水合物生成完毕后，关闭混合液出管和混合液进管上的阀门，打开出液管路上的阀门，调节调压阀的开度，使得气体进管内的压力高于水合物相平衡压力，通过向沉积物样品中注入氮气进行驱替，其中保持背压阀的压力略高于水合物相平衡压力，通过调整调压阀和背压阀的开度，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的沉积物样品的横向弛豫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，Sw为含水饱和度，Fres为某一级驱替压力作用下的核磁信号；Ftotal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Sw、驱替压力Pc数据，拟合出含水合物沉积物土水特征曲线如下：
式中，Pc为驱替压力；P0为初始毛细管压力；Sw为含水饱和度；Srw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、Srw和m的值；
通过求解出的Srw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krw的计算公式如下：
气相相对渗透率krg的计算公式如下：
式中，Swmax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。
本发明的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统及其方法。该系统包括低场核磁共振测试仪、岩心夹持器、水合物制备装置、温度控制装置、气体驱替装置和围压控制装置；低场核磁共振测试仪通过测量含水合物沉积物样品的横向弛豫曲线，用于探究含水合物沉积物样品的水分变化及孔隙结构变化特征；水合物制备装置提供水合物生成所需的反应物，温度控制装置能够模拟水合物储层真实温度环境；围压控制装置能够模拟水合物储层真实应力环境；气体驱替装置用于开展含水合物的沉积物样品的气体驱替实验并监测运移水量；该系统将围压控制装置、气体驱替装置、水合物制备装置和低场核磁共振测试仪联合起来，通过围压控制装置、温度控制装置、气体驱替装置、水合物制备装置来模拟沉积物孔隙内水合物聚散过程和有效应力环境；利用低场核磁共振测试仪实时且精确测量含水合物沉积物在水合物聚散过程和有效应力作用下的水分变化规律及孔隙结构变化特征，进而能够精确得到含水合物的沉积物样品的土水特征曲线。
本发明的有益效果如下：
1、该系统能够模拟气体水合物真实储存的温度、压力环境，实现气体水合物的生成和分解；
2、该系统能够测试水合物聚散和有效应力条件下含气体水合物沉积物的土水特征曲线，填补了含气体水合物沉积物土水特征曲线研究的空白；
3、该系统能够探究实际水合物储层气、水两相相对渗透率的变化规律，并探讨降压开采过程中微观结构参数演化及其对相对渗透率的影响规律；
4、该系统通过联合低场核磁共振测试技术，能够精确测量含水合物沉积物的水分变化规律及孔隙结构变化特征，用于探究水合物聚散过程和有效应力作用下含水合物沉积物土水特征曲线，从而建立含水合物沉积物气、水相对渗透率理论模型，相关结果能为产水产气数值模拟提供理论参考，以及对完善降压开采技术体系具有重要的工程意义。
附图说明
图1为本发明实施例的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统的整体结构示意图。
图中标记说明：
1、低场核磁共振测试仪；11、置样箱；2、岩心夹持器；21、夹持件；3、水合物制备装置；31、混合液进管；32、混合液出管；33、高压气瓶；331、进气管路；34、水箱；341、进水管路；35、气水混合容器；351、进气口；352、进水口；353、混合液进口；354、混合液出口；36、平流泵；37、背压阀；4、温度控制装置；41、循环冷却器；411、冷却槽；5、气体驱替装置；51、气体进管；52、高压氮气瓶；53、调压阀；54、气液收集单元；541、气液收集箱；542、气体收集件；55、出液管路；6、围压控制装置；61、围压液箱；62、围压液进管；63、围压液出管；64、围压泵；7、沉积物样品；71、柔性热缩膜；72、透水石；8、阀门；9、压力检测装置；91、压力检测器；92、压差计。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
如图1所示，含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统的整体结构示意图。该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；岩心夹持器2包括两个夹持件21，沉积物样品7通过两个夹持件21夹持在低场核磁共振测试仪1的置样箱11内，两个夹持件21分别夹持在沉积物样品7的两端，沉积物样品7和两个夹持件21的两端采用柔性热缩膜71包裹；柔性热缩膜71可以隔离沉积物样品7与置样箱11中的围压液，避免围压液进入沉积物样品7的孔隙中，并且柔性热缩膜71能够有效传递围压；两个夹持件21内部中空，两个夹持件21的一端与沉积物样品7接触，且其内部与沉积物样品7的孔隙相通；水合物制备装置3通过混合液进管31和混合液出管32分别与两个夹持件21连通；围压控制装置6与置样箱11内部通过循环管路形成闭合回路；气体驱替装置5通过气体进管51与混合液进管31连通；温度控制装置4用于控制围压控制装置6的围压液的温度和水合物制备装置3的气水混合液的温度。
本发明的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统及其方法。该系统包括低场核磁共振测试仪、岩心夹持器、水合物制备装置、温度控制装置、气体驱替装置和围压控制装置；低场核磁共振测试仪通过测量含水合物的沉积物样品的横向弛豫曲线，用于探究含水合物的沉积物样品的水分变化及孔隙结构变化特征；水合物制备装置提供水合物生成所需的反应物，温度控制装置能够模拟水合物储层真实温度环境；围压控制装置能够模拟水合物储层真实应力环境；气体驱替装置用于开展含水合物的沉积物样品的气体驱替实验并监测运移水量；该系统将围压控制装置、气体驱替装置、水合物制备装置和低场核磁共振测试仪联合起来，通过围压控制装置、温度控制装置、气体驱替装置、水合物制备装置来模拟沉积物样品孔隙内水合物聚散过程和有效应力环境；利用低场核磁共振测试仪实时且精确测量含水合物沉积物样品在水合物聚散过程和有效应力作用下的水分变化规律及孔隙结构变化特征，进而能够精确得到含水合物的沉积物样品的土水特征曲线。
其中围压液可以使用氟化液；沉积物样品7的两端均可以设有透水石72；透水石72能够防止沉积物样品7里面的小颗粒流出，从而可以避免管线受到阻塞；沉积物样品7的直径为25.4mm，长度为20～60mm。
水合物制备装置3可以合成不同类型的水合物，在这里不做限定，本实施例中的水合物制备装置3可以包括高压气瓶33、水箱34、气水混合容器35；气水混合容器35可以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；高压气瓶33可以通过进气管路331与进气口351连通；高压气瓶33中可以储存甲烷；水箱34可以通过进水管路341与进水口352连通；混合液出口354可以通过混合液进管31与其中一个夹持件21连通，混合液进口353可以通过混合液出管32与另一个夹持件21连通；混合液进管31、混合液出管32和进气管路331上均可以设有打开或关闭其的阀门8，混合液进管31上还可以设有平流泵36，且平流泵36位于阀门8与气水混合容器35之间的管路段上，混合液出管32上可以设有背压阀37，背压阀37可以位于夹持件21与阀门8之间的管路段上；通过背压阀37可以调控混合液出管32内的压力。
气体驱替装置5的类型可以有多种，在这里不做限定，本实施例中的气体驱替装置5可以包括高压氮气瓶52，高压氮气瓶52可以通过气体进管51与混合液进管31连通；气体进管51上可以设有调压阀53，通过调压阀53来调节气体进管51内的压力。
气体驱替装置5还可以包括气液收集单元54；气液收集单元54可以包括气液收集箱541和气体收集件542；气液收集箱541可以与混合液出管32通过出液管路55连通，出液管路55可以位于背压阀37与阀门8之间；气液收集箱541顶部可以设有出气口，出气口可以与气体收集件542通过管路连通；该气液收集单元54可以用于收集沉积物样品7中驱替出来的水分；出液管路55上可以设有打开或关闭其的阀门8。
围压控制装置6可以包括围压液箱61，温度控制装置4用于对围压液箱61内部的围压液温度进行控制，使其稳定在温度设定值，围压液箱61可以分别通过围压液进管62和围压液出管63与置样箱11内部相连通，围压液出管63上设有围压泵64，围压泵64能够为沉积物样品7提供围压。
温度控制装置4可以包括两个循环冷却器41，一个循环冷却器41的冷却槽中可以放置围压液箱61，用于控制围压液箱61内的围压液温度，另一个循环冷却器41的冷却槽中可以放置气水混合容器35，用于控制气水混合容器35内气水混合液的温度。
该系统还可以包括压力检测装置9，压力检测装置9可以包括两个压力检测器91，一个压力检测器91设在混合液进管31上，能够检测混合液进管31内的压力，另一个压力检测器91可以设在混合液出管32上，能够检测混合液出管32内的压力。
压力检测装置9还可以包括两个压差计92，每个压差计92的高压端通过管路与混合液进管31连通，其低压端与混合液出管32连通，两个压差计92的量程范围可以不同，其中量程大的压差计92精度小，量程小的压差计92精度大，能够满足不同大小的驱替压力的测试，提高压力测试的精确度。
岩心夹持器2的材质可以为PEEK材料，该材质没有核磁信号，不会对测试过程带来干扰。
本实施例的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量方法，使用如上的系统，包括如下步骤：
1.沉积物样品7通过岩心夹持器2夹持后，将其套入热缩膜内，用热温枪加热热缩膜进行密封，沉积物样品7的四周与岩心夹持器2形成一层柔性热缩膜71，将沉积物样品7固定于低场核磁共振测试仪1的置样箱11内，锁紧夹持器两端法兰盖使其与核磁置样箱11连接成一体；岩心夹持器2设计压力可以为0～25MPa；然后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；
2.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，并将两者的温度维持在同一温度设定值；避免因两者的温度差造成的沉积物样品7的压力波动；
3.开启围压泵64，围压泵64将围压液箱61中的围压液置样箱11内，为沉积物样品7提供一定的围压，其中围压液可以采用氟化液，通过氟化液降温和施加围压来模拟地层真实温度和应力环境；
4.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测试沉积物样品7的含水量和孔隙度；
5.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；
6.利用低场核磁测试仪实时测试含水合物的沉积物样品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，Sw为含水饱和度，Fres为某一级驱替压力作用下的核磁信号；Ftotal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Sw、驱替压力Pc数据，拟合出含水合物沉积物土水特征曲线如下：
式中，Pc为驱替压力；P0为初始毛细管压力；Sw为含水饱和度；Srw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、Srw和m的值；
通过求解出的Srw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krw的计算公式如下：
气相相对渗透率krg的计算公式如下：
式中，Swmax为含水饱和度的最大值；
7.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；
8.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。
其中低场核磁共振测试仪1的磁场强度为0.52±0.05T；最大采样带宽为2000KHz；有效检测范围为
死区时间为0.06ms；能够对沉积物样品7进行核磁共振弛豫谱分析及成像分析，测试精度高且速度快，可对沉积物样品7的孔隙度、孔径分布、束缚水和渗透率等进行表征，可定量分析沉积物样品7孔隙中水合物含量。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，其特征在于，所述沉积物样品(7)的两端均设有透水石(72)；所述沉积物样品(7)的直径为25.4mm，长度为20～60mm。
3.如权利要求1或2所述的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，其特征在于，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。
4.如权利要求3所述的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，其特征在于，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)。
5.如权利要求4所述的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，其特征在于，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)。
6.如权利要求5所述的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，其特征在于，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)。
7.如权利要求6所述的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，其特征在于，所述温度控制装置(4)包括两个循环冷却器(41)，一个所述循环冷却器(41)的冷却槽(411)中放置所述围压液箱(61)，用于控制所述围压液箱(61)内的围压液温度，另一个所述循环冷却器(41)的冷却槽(411)中放置所述气水混合容器(35)，用于控制所述气水混合容器(35)内气水混合液的温度。
8.如权利要求4-7任一项所述的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，其特征在于，所述系统还包括压力检测装置(9)，所述压力检测装置(9)包括两个压力检测器(91)，一个所述压力检测器(91)设在所述混合液进管(31)上，另一个所述压力检测器(91)设在所述混合液出管(32)上。
9.如权利要求8所述的含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量系统，其特征在于，所述压力检测装置(9)还包括两个压差计(92)，每个所述压差计(92)的高压端通过管路与所述混合液进管(31)连通，其低压端与所述混合液出管(32)连通。
10.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，使用如权利要求6-9任一项所述的系统，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，Sw为含水饱和度，Fres为某一级驱替压力作用下的核磁信号；Ftotal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Sw、驱替压力Pc数据，拟合出含水合物沉积物土水特征曲线如下：
式中，Pc为驱替压力；P0为初始毛细管压力；Sw为含水饱和度；Srw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、Srw和m的值；
通过求解出的Srw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krw的计算公式如下：
气相相对渗透率krg的计算公式如下：
式中，Swmax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。
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| GR01 | Patent grant | ||
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