CN206772864U - Ct专用水合物电阻率测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及CT专用水合物电阻率测量装置及方法，所述装置包括射线穿透式夹持器、电阻率测量模块、围压控制模块、温控模块、孔压控制模块、数据采集模块以及CT成像系统；射线穿透式夹持器包括承压管、密封端盖、卡套螺母，承压管采用PEEK材质；上端盖上设置有孔压流体出口和围压流体出口，下端盖上设置有孔压流体入口和围压流体入口；电阻率测量模块包括电阻率探针、电阻率探针套管和环形电极等，环形电极等间距设置在电阻率探针上。通过该装置既可准确测定水合物生成分解过程中的电阻率的空间变化规律，又能实现X‑CT扫描成像，从而实现水合物沉积物体系电阻率及孔隙连通性时空演化规律的同步测量。

Description

CT专用水合物电阻率测量装置

技术领域

本实用新型属于海洋天然气水合物储层电阻率等物性参数测量技术与应用领域，具体涉及一种用于X-CT探测的水合物电阻率测量装置。

背景技术

天然气水合物在自然界中广泛存在，主要分布在水深300米以下的海洋陆架边缘或者冰川冻土区，被认为是一种潜在的能源资源。自然界中不同的物质的导电能力也不尽相同，而导电能力可用阻抗、电阻率等电学参数来表示。海底沉积物中由于赋存了天然气水合物，其电阻特性发生明显的变化，因此，电学特性是水合物储层主要的物性参数。通过测量海底沉积物地层中的电阻率变化，即可判定水合物储层，进一步通过电阻率与水合物饱和度的定量分析，可以估算天然气水合物的储量。

目前，国内外现有的实验室水合物电阻率测试技术都是基于宏观尺度，利用不同的电极或传感器，对高压射线穿透式夹持器中沉积物体系或不同层位进行测试，其结果是整个体系或某个层位的平均电阻变化，由于天然气水合物生成是随机的，其在沉积物孔隙中的分布不均匀的，故目前基于宏观电阻率探测的实验结果不能准确刻画水合物储存状态、及其在沉积物孔隙中分布情况对电阻率的影响；无法反映沉积物内部水合物微观分布条件对电阻率的影响，尤其是无法判断在水合物合成或生成过程中电阻率变化规律与沉积物孔喉参数变化的响应规律，无法从微观尺度解释水合物生成、分解过程中电阻率变化的机理。

实际上，在天然气水合物生成或分解的过程中，沉积物孔隙连通性、孔隙中的溶解气体、水量及离子浓度都会发生变化，而这些正是改变反应介质导电性的主要因素。在水合物沉积物微观结构探测方面，国内也有相关的研究：如公开号CN102636503B公开了一种天然气水合物天然岩芯CT重整专用射线穿透式夹持器及方法；公开号CN101246117B和CN104155188B的发明专利分别从不同的角度将含水合物沉积物力学参数测量装置与CT微观探测技术结合，实用新型了宏微观结合探索沉积物力学特性变化规律的方法。

但目前尚无专门针对电阻率参数与含水合物沉积物微观孔吼结构探测相结合的实验装置或方法，难以对水合物饱和度、沉积物孔隙连通性、孔隙中的溶解气体等参数与电阻率数值间的相关关系进行定量分析。因此，开发一套即既可准确测定水合物生成分解过程中电阻率，又能同时观测沉积物孔隙连通性、水合物、溶解气体及水量的变化情况的实验测试装置与方法，对获得可靠的电阻率与水合物饱和度相关关系、提高水合物资源量估算的准确度有重要意义，也有助于从机理上解释水合物合成与分解过程中电阻率参数变化规律的微观响应机制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种CT专用水合物电阻率测量装置及方法，所述装置安放在X-CT成像系统的透射成像转台上，既可准确测定水合物生成分解过程中的电阻率，又能同时实现X-CT扫描成像，从而观测沉积物孔隙连通性、水合物、溶解气体及水量的变化情况，实现水合物沉积物体系电阻率及孔隙连通性的同步测量。

本实用新型是采用以下的技术方案实现的：CT专用水合物电阻率测量装置，包括射线穿透式夹持器、电阻率测量模块、围压控制模块、温控模块、孔压控制模块、数据采集模块以及设置在射线穿透式夹持器两侧的CT成像系统；所述温控模块、围压控制模块以及孔压控制模块均与射线穿透式夹持器相连；所述数据采集模块分别与电阻率测量模块和CT成像系统相连；

所述射线穿透式夹持器包括承压管、密封端盖、卡套螺母，承压管采用PEEK材质，壁厚小于2mm，承压管的内部设有沉积物试样胶桶，沉积物试样胶桶的两端设有模套段塞；承压管的两端外侧壁上设有卡套固定凸起，所述卡套固定凸起与卡套螺母配合，将密封端盖与承压管压紧固定；所述密封端盖包括分别设置在承压管两端的上端盖和下端盖，所述上端盖上设置有孔压流体出口和围压流体出口，下端盖上分别设置有与孔压控制模块和围压控制模块相连的孔压流体入口和围压流体入口，且在孔压流体出口内设有与沉积物试样胶桶连通的孔压流出管路；

所述电阻率测量模块包括组合式多测点电阻率探针以及电阻率监测切换装置，以获得不同条件下样品的电阻率数据；所述组合式多测点电阻率探针包括电阻率探针、电阻率探针套管和环形电极，所述环形电极等间距设置在电阻率探针上，所述电阻率探针通过孔压流出管路插入到沉积物试样内部。

进一步的，所述围压控制模块包括柱塞泵围压循环系统和背压控制阀，柱塞泵围压循环系统通过背压控制阀与围压流体出口端相连，利用柱塞泵围压循环系统提供压力源，配合背压控制阀实现系统围压控制，围压最大10Mpa，背压控制阀由计算机自动控制，可以设置围压的高低并自动控制，围压控制精度达到0.1FS。

进一步的，所述温控模块包括恒温空气浴控制箱及循环温控系统，循环控温系统与柱塞泵围压循环系统的注入管线连接,用于控制流体回路中的温度，使射线穿透式夹持器进口处能够实现将温度控制在-5℃-室温之间，在两者的共同作用下，实现控温精度±0.5℃。

进一步的，所述孔压控制模块包括柱塞泵注液系统、钢瓶注气系统和减压控制阀，所述钢瓶注气系统通过减压控制阀与柱塞泵注液系统相连，然后共同连接至孔压流体入口端，柱塞泵注液系统与钢瓶注气系统在射线穿透式夹持器孔压流体入口前混合注入，并通过减压控制阀控制两者的压力平衡，避免气体灌入柱塞泵注液系统或液体进入钢瓶注气系统。

进一步的，所述电阻率探针在插入到沉积物试样中的实际有效长度为40mm，所述环形电极包括4个，相邻环形电极之间的距离为10mm，每个环形电极既可以作为电子发射极，也可以作为电子接收极，这样就可以测量沉积物内部电阻率值共计组，有效观察水合物合成和分解过程中电阻率的空间变化规律。

进一步的，所述电阻率探针套管的外径为3mm，采用硬质绝缘材料，电阻探针套管与孔压流出管路间的环空为实际孔压流体流出通道。

进一步的，所述模套段塞上设置有两处密封凸起，模套段塞与沉积物试样胶桶之间过盈配合，密封沉积物试样，以进一步增强沉积物试样两端密封性，防止孔压、围压串通。

进一步的，所述承压管内侧壁与密封端盖之间设置有O型密封圈安装槽，通过O型圈安装凹槽内部的密封圈实现密封端盖与承压管之间的密封。

进一步的，所述的孔压流体入口、孔压流体出口均设置在密封端盖的正中心，并分别通过孔压流体入口管线和孔压流体出口管线与模套段塞相连接，实现孔隙压力的注入和输出。

进一步的，为防止孔压流体出口与围压流体出口之间的固定螺母发生相互干涉，以及防止孔压流体入口和围压流体入口发生干涉，所述围压流体出口在上端盖内部设置有向密封端盖外缘流动的孔隙，且围压流体入口在下端盖内部设置有向下端盖外缘流动的孔隙，方便实验。

进一步的，为防止孔压流体出口与围压流体出口之间的固定螺母发生相互干涉，以及防止孔压流体入口和围压流体入口发生干涉，所述围压流体出口在上端盖内部设置有向密封端盖外缘流动的孔隙，且围压流体入口在下端盖内部设置有向下端盖外缘流动的孔隙，方便实验。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

(1)本实用新型所述装置通过对射线穿透式夹持器的结构进行改进设计，所述夹持器主体采用PEEK材质，一方面对X射线的穿透性有最大的相容性，另一方面，也可以最大限度地减轻设备重量，有效降低X-CT载重台的负担，有利于维持旋转精度、提高X-CT解析精度；射线穿透式夹持器能够适应围压10MPa，孔压(最大渗透入口压力)10MPa的工作环境，能够在-5℃-室温(覆盖全样品范围)条件下模拟水合物的合成与分解过程并进行测量；

(2)电阻率测量模块通过四个环形电极依次作为电信号发射和电信号的接收极，可以得到6组电阻率测量的值，采用继电触点式测量，有效降低了电极间的电阻测量引起的误差；组合4点式电阻率探针通过测量不同沉积物岩心剖面处的电阻率变化，有助于分析水合物合成、分解过程中电阻率的空间变化规律；

(3)另外，通过温控模块，恒温空气浴控制箱和循环温控系统的配合，提高温度控制精度(±0.5℃)，实现精细化实验分析，采用目前已经成熟的扫描技术，保证孔隙连通性测试的准确性；通过CT微观测试结果与电阻率宏观测试数据的联合分析，对水合物合成分解过程中电阻率参数的变化规律有更深层次的理解。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述射线穿透式高压夹持器及接口示意图；

图2为本实用新型实施例所述CT专用水合物测量装置框图；

图3为本实用新型实施例所述组合式多测点电阻率探针结构示意图；

图4为本实用新型实施例所述CT专用水合物测量装置连接关系示意图；

1：密封端盖；2：卡套螺母；3：电阻率探针；4：电阻率探针套管；5：模套段塞；6：沉积物试样；7：承压管；8：围压流体入口；9：孔压流体入口；10：电阻率探针套筒与孔压流体出口间的环空；11：围压流体出口；12：孔压流体出口；13：卡套固定凸起；14：O型密封圈安装凹槽；15：环形电极；16：密封凸起；17：沉积物试样胶桶；18：射线穿透式夹持器；19：孔压放空阀；20：背压控制阀；21：柱塞泵围压循环系统；22：循环温控系统；23：柱塞泵注液系统；24：钢瓶注气系统；25：减压控制阀；26：CT转台；27：温度控制器；28：围压控制模块；29：孔压控制模块；30：温控模块；31：电阻率测量模块；32：CT成像系统；33：数据采集模块。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

实施例，参考图2，一种CT专用水合物电阻率测量装置，包括射线穿透式夹持器18、电阻率测量模块31、围压控制模块28、温控模块30、孔压控制模块29、数据采集模块33以及设置在射线穿透式夹持器18两侧的CT成像系统32；所述温控模块30、围压控制模块28以及孔压控制模块29均与射线穿透式夹持器18相连；所述数据采集模块33分别与电阻率测量模块31和CT成像系统32相连。

所述的射线穿透式夹持器18，具体是指能够与CT成像系统32的透射成像转台配合的耐高压夹持器,该夹持器是整套装置的关键部件，具体地，如图1所示，为射线穿透式夹持器18的结构及接口示意图：

射线穿透式夹持器18包括承压管7、密封端盖1、卡套螺母2，承压管7采用PEEK材质，壁厚小于2mm，承压管7的内部设有沉积物试样胶桶17，沉积物试样胶桶17的两端设有模套段塞5；承压管7的两端外侧壁上设有卡套固定凸起13，所述卡套固定凸起13与卡套螺母2配合，将密封端盖1与承压管7压紧固定；所述密封端盖1包括分别设置在承压管7两端的上端盖和下端盖，所述上端盖上设置有孔压流体出口(即孔压流出管路)12和围压流体出口11，下端盖上分别设置有与孔压控制模块29和围压控制模块28相连的孔压流体入口9和围压流体入口8，且在孔压流出管路12内设有与沉积物试样胶桶连通的孔压流出管路12。

所述电阻率测量模块31包括组合式多测点电阻率探针以及电阻率监测切换装置，以获得不同条件下样品的电阻率数据；所述组合式多测点电阻率探针包括电阻率探针3、电阻率探针套管4和环形电极15，所述环形电极等间距设置在电阻率探针上，所述电阻率探针通过孔压流出管路插入到沉积物试样内部，实际操作中组合式多测点电阻率探针置于射线穿透式夹持器18内部的沉积物中，与夹持器壁面平行插入；所述电阻率监测切换装置，具体是指针对组合式多测点电阻率探测的测控软件，主要提供电阻测量点的电阻率序列测量、数据库的自动存储及检索、电场稳定时间设定、信号源模式设定等功能，为比较成熟的现有技术，在此不做详述。

(1)射线穿透式夹持器18主体壁承压管7选用PEEK材质，且壁厚小于2mm，承压管7总长度可以根据样品的实际长度和电阻率探针3的实际长度调整，≥70mm，内径35mm，承压管7靠近两端面处内壁设置密封O型密封圈安装凹槽14，通过O型密封圈安装凹槽14内部的密封圈实现密封端盖1与承压管7之间的密封；

(2)卡套螺母2为圆环形快速卡套，材质采用不锈钢，卡套螺母2抬肩高度与卡套固定凸起13相匹配，卡套螺母2上端内径与密封端盖1外径相等，能够快速锁紧密封端盖1和承压管7；

(3)密封端盖采用钛合金材质，上端盖的下部外径与承压管7内径相等，下端盖的上部外径与承压管7内径相等，结合O型密封圈安装凹槽14内部的密封圈的密封作用，实现围压腔与外界的完全密封；

(4)为防止孔压流出管路12与围压流体出口11之间发生相互干涉，围压流体出口(即孔压流出管路)11在上端盖内部设置有向上端盖外缘流动的孔隙，方便实验。同理，为防止孔压流体入口9和围压流体入口8发生干涉，围压流体入口8在下密封端盖内部设置专门的向下端盖外缘流动的孔隙；

(5)孔压流体入口9、孔压流出管路12均处于密封端盖2的正中央，孔压流体注入管线和孔压流体流出管线分别与模套段塞5相连接，实现孔隙压力的注入和输出，孔压流出管路12的内径为4mm，电阻率探针3通过孔压流出管路12插入到沉积物试样6内部；

(6)组合式多测点电阻率探针包括电阻率探针3和电阻率探针套管4，电阻率探针套管4的外径为3mm，电阻探针套管4与孔压流出管路12间的环空10作为实际孔压流体流出通道，电阻率探针3从上到下依次穿过上端盖、孔压流出管路12、上部模套段塞5深入沉积物试样6，电阻率探针3采用细圆柱状结构，为直径3mm长度为50mm的绝缘体，其在沉积物试样6中的实际有效长度是40mm，电阻率探针3在沉积物试样6中的有效长度上每隔10mm安装电阻率环形电极15，每个环形电极既可以作为电子发射极，也可以作为电子接收极，这样就可以测量沉积物内部电阻率值共计组；且电阻探头的切换，采用电阻稳定的继电触点式结构，由于在电气上的绝对分离，继电器机械触点的阻值稳定，对电极间的电阻测量不会带来误差；

根据环形电极15所处的位置，组合式多测点电阻率探针的具体电阻率测量区间如附图3所示，最小电阻测量范围10mm，最大电阻测量范围30mm，6个电阻率值分别反映不同剖面上的电阻率平均值，6个电阻率空间排布可以观察水合物合成和分解过程中电阻率的空间变化规律。

(7)模套段塞5为不锈钢材质，模套段塞5上设计两处密封凸起16，模套段塞5与沉积物试样胶桶17之间过盈配合连接，密封沉积物试样6，所述密封凸起16的主要作用是进一步增强沉积物试样6两端密封性，防止孔压、围压串通；水合物沉积物试样6为原位合成的试样，试样长度≥50mm，试样直径25mm；

(8)电阻探针套管4采用硬质绝缘材料，电阻探针套管4的延伸范围从电阻探针进入孔压流出管路12到穿过上部模套段塞5为止，沉积物内部延伸的电阻率探针3不包裹电阻探针套管4。

参考图4，所述围压控制模块28包括柱塞泵围压循环系统21和背压控制阀15，围压控制模块28通过射线穿透式夹持器18密封端盖2上的围压流体入口8与夹持器连接，柱塞泵围压循环系统21通过背压控制阀15与围压流体出口11端相连，利用柱塞泵围压循环系统21提供压力源，配合背压控制阀15，实现系统围压控制，围压最大10MPa；背压控制阀15由计算机自动控制，可以设置围压的高低并自动控制，围压控制精度达到0.1FS；

所述温控模块30包括温度控制器27及循环温控系统22，其中温度控制器27为恒温空气浴控制箱，所有的装置都放在该恒温空气浴控制箱内进行试验；循环控温系统27与柱塞泵围压循环系统21的注入管线连接，用于控制流体回路中的温度，使射线穿透式夹持器进口处能够实现将温度控制在-5℃-室温之间；在这两者的共同作用下，实现控温精度±0.5℃，温控模块的主要作用是控制水合物合成分解的温度条件。

所述样品内部孔压控制模块32包含柱塞泵注液系统23、钢瓶注气系统24、和减压控制阀25等，其中，钢瓶注气系统24和减压控制法25主要用于向样品内部注入高压气体；柱塞泵主液系统23用于向样品内部以恒定流速或恒定压力注入液体。柱塞泵注液系统与钢瓶注气系统在夹持器孔压入口前混合注入，通过减压控制阀25控制两者的压力平衡，避免气体灌入柱塞泵注液系统或液体进入钢瓶注气系统。

本实施例中所述CT成像系统32为VtomexnanotomCT成像系统，其使用方法和基本构成在公开号CN202676633U中已有详细论述，在此不做赘述。本实用新型以该系统作为沉积物孔隙连通性参数测试的基本手段，数据采集模块33的核心设备是aglient数据采集器，可实现实验的全自动控制，电阻率数据自动采集与处理；并可与CT系统Vtomexnanotom无缝连接；通过软件与aglient的数据接口，可以设置电阻测量的时间滞后，在测量时抑制容抗对测量结果的影响；软件采用labview编写，由于aglient设备提供labview的通用驱动接口，利用该软件编写的程序具有极大的健壮性。数据采集模块的主要作用是实时采集水合物合成分解过程中的电阻率参数、孔隙连通性参数、水合物饱和度、溶解气体饱和度及水饱和度的变化参数，并进行相关的数据处理，得到水合物合成分解过程中电阻率参数与孔隙连通性耦合变化规律。

本实施例中，将射线穿透式夹持器放在X-CT载物台上，通过X射线对夹持器进行扫描，获得不同条件下的CT图像，得到沉积物孔隙中水合物的微观分布；由数据采集模块对体系的各种参数(温度、压力、气体流量、电阻率等)进行实时采集和分析。

根据上述装置，具体测量方法如下：

(1)装样与安装：

①打开射线穿透式夹持器，在沉积物试样胶桶内填满沉积物并加入适量水溶液；

②插入电阻率探针套管和电阻率探针，密封端盖；

③把射线穿透式夹持器安装到CT成像系统载物台上；

(2)生成天然气水合物：

①打开温控模块开关，设置循环水温度，使射线穿透式夹持器内沉积物样品温度达到实验的温度需求；

②通过注塞泵注液系统注入设定液体到样品内部至设定压力；调节减压控制阀，加入反应气体，使得射线穿透式夹持器中压力达到实验所需的压力；

③利用柱塞泵围压循环系统提供压力源，配合背压控制阀，实现系统实验所需的系统围压；由于提供了合适的温度、压力条件，天然气水合物开始生成，并逐步填充到沉积物孔隙中；

(3)模拟天然气水合物分解：

①待步骤(2)完全完成后，保持温控模块持续工作；关闭孔压入口阀门，逐步打开孔压流体出口的阀门，模拟水合物降压分解过程；或者

②关闭孔压流体入口阀门，通过温控模块逐渐给系统升温，并通过控制孔压流体出口阀门实现射线穿透式夹持器内部的压力处于恒定状态，模拟水合物的升温分解过程；

(4)测量电阻率及CT成像：

①在步骤(2)、(3)进行的同时，启动电阻率测量模块，测定不同沉积物层内的电阻值，同时通过数据采集模块采集电阻、温度、压力参数变化；

②在上述参数测量的同时，进行X-CT扫描测试，获取不同实验条件下体系的CT图像；

③通过CT成像系统进行数据重建和分析，获得不同实验条件下沉积物孔隙内水合物的微观分布状态，与测定的含水合物沉积物体系的电阻率进行对比分析，得到沉积物体系的电阻率与水合物微观分布的对应关系。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.CT专用水合物电阻率测量装置，其特征在于，包括射线穿透式夹持器、电阻率测量模块、围压控制模块、温控模块、孔压控制模块、数据采集模块以及设置在射线穿透式夹持器两侧的CT成像系统；所述温控模块、围压控制模块以及孔压控制模块均与射线穿透式夹持器相连；所述数据采集模块分别与电阻率测量模块和CT成像系统相连；

所述射线穿透式夹持器包括承压管、密封端盖、卡套螺母，承压管采用PEEK材质，壁厚小于2mm，承压管的内部设有沉积物试样胶桶，沉积物试样胶桶的两端设有模套段塞；承压管的两端外侧壁上设有卡套固定凸起，所述卡套固定凸起与卡套螺母配合，将密封端盖与承压管压紧固定；所述密封端盖包括分别设置在承压管两端的上端盖和下端盖，所述上端盖上设置有孔压流体出口和围压流体出口，下端盖上分别设置有与孔压控制模块和围压控制模块相连的孔压流体入口和围压流体入口，且在孔压流体出口内设有与沉积物试样胶桶连通的孔压流出管路；

所述电阻率测量模块包括组合式多测点电阻率探针以及电阻率监测切换装置，以获得不同条件下样品的电阻率空间分布数据；所述组合式多测点电阻率探针包括电阻率探针、电阻率探针套管和环形电极，所述环形电极等间距设置在电阻率探针上，所述电阻率探针通过孔压流出管路插入到沉积物试样内部。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述围压控制模块包括柱塞泵围压循环系统和背压控制阀，柱塞泵围压循环系统通过背压控制阀与围压流体出口端相连。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述温控模块包括恒温空气浴控制箱及循环温控系统，循环控温系统与柱塞泵围压循环系统的注入管线连接。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述孔压控制模块包括柱塞泵注液系统、钢瓶注气系统和减压控制阀，所述钢瓶注气系统通过减压控制阀与柱塞泵注液系统相连，然后共同连接至孔压流体入口端。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述电阻率探针插入到沉积物试样中的实际有效长度为40mm，所述环形电极包括4个，相邻环形电极之间的距离为10mm。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于：所述电阻率探针套管的外径为3mm，采用硬质绝缘材料，电阻探针套管与孔压流出管路间的环空为实际孔压流体流出通道。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述模套段塞上设置有两处密封凸起，模套段塞与沉积物试样胶桶之间过盈配合。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述承压管内侧壁与密封端盖之间设置有O型密封圈安装槽。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的孔压流体入口、孔压流体出口均设置在密封端盖的正中心，并分别通过孔压流体入口管线和孔压流体出口管线与模套段塞相连接。

10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述围压流体出口在上端盖内部设置有向密封端盖外缘流动的孔隙，且围压流体入口在下端盖内部设置有向下端盖外缘流动的孔隙。