CN210834784U - 水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置，所述测试系统包括气体消耗计量模块、多类型水合物样品制备模块、电阻率参数测试模块和声学参数测试模块，该测试系统的设计能模拟环境压力、温度、沉积物填充方式及气液比等条件，合成多种类型的天然气水合物储层；并通过电阻层析成像技术探测水合物在岩心中的三维分布，实现岩心内部可视化；同时采用声波测试仪探测水合物沉积物岩心的纵横波，获得不同类型水合物储层声波速度与水合物分布的关系；对正确理解自然界中天然气水合物的赋存状态(不同类型储层)的物性参数，建立准确的水合物饱和度与其储层的基础物性参数之间的定量关系具有重要意义。
Description
技术领域
本实用新型属于海洋天然气水合物资源勘探开发工程技术领域，具体涉及一种水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置。
背景技术
目前，实验室内制备含水合物沉积物样品并测定其物性参数有多种实验装置与方法；如发明专利ZL201710303350.9公开了一种CT专用的水合物电阻率测量装置及方法，可在X-CT 扫描的同时测定含水合物沉积物的电阻率，该装置体积很小，直径只有2cm；实用新型专利ZL201820344769.9公开了采用电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography简称ERT)技术进行裂隙型天然气水合物动态监测装置，该装置采用的ERT是iTS公司成熟的技术，只能监测两个截面的电阻率变化，不能形成水合物岩心的三维立体图像；发明专利ZL201610071504.1提供了一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置及方法，采用共振柱的原理实现的。
现有的这些天然气水合物实验装置与物性参数的测量方法主要存在以下缺陷：(1)CT实验所使用的沉积物样品比较小，难以开展多类型水合物尺度的实验；(2)测量参数比较单一，且获得的数据分辨率精度较低；(3)采用的ERT是商业性成熟技术，只能测定两个截面的电阻率，难以实现对整个岩心的三维可视化观测。
因此，为满足我国海域天然气水合物资源勘探和开发的需求，必须从水合物样品产状特征和监测测试可操作性方面对现有声、电测试方法做完善或改造，研制一套能在实验室内制备多类型的水合物岩心样品，同时能实现电阻率及声学参数测量的装置，以对正确理解自然界中天然气水合物的赋存状态(不同类型储层)的物性参数，建立准确的水合物饱和度与其储层的基础物性参数之间的定量关系提供技术支持。
实用新型内容
本实用新型方案为解决实验室内大尺度实验尺寸下水合物赋存状态难以观测问题，以及实验室内多类型水合物合成效果难以监测的问题，提供一种水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置，为多类型天然气水合物样品的电学和声学监测测试提供新思路。
本实用新型是采用以下的技术方案实现的：一种水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置，包括气体消耗计量模块、多类型水合物样品制备模块、电阻率参数测试模块和声学参数测试模块，所述气体消耗计量模块、电阻率参数测试模块和声学参数测试模块均与多类型水合物样品制备模块相连；
所述多类型水合物样品制备模块包括恒温水浴控制箱和设置在恒温水浴控制箱内的高压反应釜，所述高压反应釜采用内外筒设计，包括外筒和生成内筒，用以实现在实验室内对多类型天然气水合物岩心样品的制备，气体消耗计量模块用以控制多类型天然气水合物岩心样品制备过程中气体的量，结合电阻率参数测试模块和声学参数测试模块实现对多类型天然气水合物岩心样品的三维可视化观测及声学参数的测量；
所述电阻率参数测试模块包括电极和电阻率参数测试仪，所述电极设置于所述生成内筒上，从上至下共布设m层，每层n支电极，所述电极通过信号线与电阻率参数测试仪相连，电阻率参数测试仪用于获取电阻率参数并进行成像。
进一步的，所述高压反应釜的外筒为耐高压快开反应釜，采用卡箍式快开结构设计以快速打开高压反应釜；高压反应釜侧壁上设置有用于温度控制的水夹套层，且在水夹套层的外侧设置保温层。
进一步的，所述生成内筒采用绝缘度为MΩ级尼龙材质加工，生成内筒的侧壁及底面上布设有筛孔。
进一步的，所述声学参数测试模块包括声波探头、声波探头顶杆和声波参数测试仪，所述声波探头通过信号线与声波参数测试仪相连，声波探头设置在生成内筒的上下两端，声波探头顶杆用于压紧生成内筒里的水合物样品，声波参数测试仪用于测试样品声波参数。
进一步的，所述气体消耗计量模块包括储气罐，储气罐通过气体导入管与多类型水合物样品制备模块的入口端相连，在气体导入管上还设置有截止阀、减压阀、流量计和背压阀。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：
本实用新型方案通过水合物岩心样品制备模块的设计，制备多类型水合物岩心样品，可实现沉积物填充方式、气体循环供给、流体循环供给、温度压力控制及数据采集、样品快速取出等功能；并通过电阻层析成像检测模块实现水合物样品制备过程中水合物分布情况的实时监测，多层位布设电极探头，不仅能获取多个剖面的水合物分布信息，还能形成空间成像，解决了多类型水合物生成监测问题；每层布设多个电极探头，使电阻率层析成像时分辨率升高，解决了分辨率不够导致无法判别水合物的问题；
另外，通过声波监测模块的设计，在多类型水合物生成监测过程中，能同时进行声波探测，获取声学参数，能够获取准确的多类型水合物的声波参数信息，通过声波的监测来确定不同类型水合物的分布，探讨不同类型水合物的声波特性及其与水合物非均匀分布的关系。
附图说明
图1为本实用新型实施例所述水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置示意图；
图2为本实用新型实施例所述高压反应釜的结构示意图；
图3为本实用新型实施例所述高压反应釜端盖的俯视结构示意图；
图4为本实用新型实施例所述高压反应釜内筒的结构示意图；
图5为本实用新型实施例所述电阻率测量电极激励示意图；
其中，1、气体消耗计量模块；11、储气罐；12、截止阀；13、减压阀；14、流量计；15、背压阀；2、样品制备模块；21、恒温水浴控制箱；22、高压反应釜；221、快开卡箍；222、堵头；223、流体进出口；224、水夹套层；225、流体底部出口；226、电阻测试层位；23、生成内筒；231、水合物生成内筒微孔；24、沉积物和水合物分布空间；25、气体导入管；26、压力传感器；27、温度传感器；3、电阻率参数测试模块；31、电极；32、电阻率参数测试仪；33、第一信号线；34、航空插头；4、声学参数测试模块；41、声波探头；42、声波参数测试仪；43、第二信号线；44、探头顶杆。
具体实施方式
为了能够更清楚的理解本实用新型的上述目的和优点，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细地描述：
实施例，一种水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置，如图1所示，包括气体消耗计量模块1、多类型水合物样品制备模块2、电阻率参数测试模块3和声学参数测试模块4，所述气体消耗计量模块1、电阻率参数测试模块3和声学参数测试模块4均与多类型水合物样品制备模块2相连，在实验室内实现多类型天然气水合物岩心样品制备，研发电阻层析成像及声波的联合探测技术，实现水合物岩心样品的三维可视化观测及声学参数的测量。
继续参考图1，所述气体消耗计量模块1包括储气罐11，储气罐11通过气体导入管25 与多类型水合物样品制备模块2的入口端相连，在气体导入管25上还设置有截止阀12、减压阀13、流量计14和背压阀，主要用于水合物生成过程中气体量的控制，通过阀门控制进入反应釜中的气体量。本实施例中，提供了两种气体流通路径，第一种方案通过气体导入管25上设置的截止阀12、减压阀13、流量计14和背压阀15实现气体流通，通过流量计计量水合物生成过程中甲烷气体的消耗量；第二种方案通过气体导入管25上设置的截止阀12、储气罐11和压力传感器26，通过储气罐中气体的压力降计算出水合物生成过程中甲烷气体的消耗量，两种方法测量的数据更准确。
如图1-3所示，所述多类型水合物样品制备模块2包括恒温水浴控制箱21、高压反应釜 22，高压反应釜22设置在恒温水浴控制箱21内，高压反应釜最高工作压力30MPa，压力控制精度±0.1％，内径φ140mm，内部空间高度400mm；所述高压反应釜22采用内外筒设计，在高压反应釜内部设置有一生成内筒23，外筒设计为耐高压快开反应釜，选用材质316L不锈钢，设计为卡箍式快开结构，可快速打开反应釜，进行样品快速拆装；反应釜底部预留放空口，顶部预留流体进出口及电阻线、超声波外接绝缘快接接头等测试接口；高压反应釜侧壁焊接水夹套层224用于温度控制，并设计有保温棉组成的保温层，采用水夹套制冷，低温恒温循环水浴控温；从高压反应釜侧壁开孔2个，放置在接近内筒顶部和底部位置，用于安装内部测温探头。
所述高压反应釜内部绝缘生成内筒23采用绝缘度MΩ级尼龙材质加工，生成内筒的筒壁密布筛孔231，便于气体扩散到筒内沉积物中；内筒底部中心位置安装一个超声波探头41，上部堵头(绝缘度MΩ级尼龙材质)中心位置安装一个超声波探头41；内筒电阻和超声波探头安装范围以外区域，四周及底部均匀布置透气不透水通道(这里通道就是指筛孔231的位置)，透水压差约0.1MPa。所述生成内筒高280mm，直径100mm，厚度8mm，设置于所述高压反应釜22内，外壁与高压反应釜内壁之间有32mm空隙(反应釜内径140mm，内筒内径100mm，内筒厚8mm，所以这个空隙为32mm)。
本方案中在进行温度控制时，采用水夹套制冷，低温恒温循环水浴控温，水浴温度范围： -10℃～室温，精度±0.3℃。恒温控制箱21可采用低温水域来调节，多类型水合物生成高压反应釜22密封端开口有孔用于连接进气/泄气、温度传感器、信号线、航空插头、压力表及压力传感器(量程30MPa，精度±0.1％F.S)等。
本方案中，电阻层析成像模块的设计思路是：在水合物反应釜内部布设电极阵列，仪器自动按某种装置固有的数据采集方式进行电位测量和采集，不同的极距组合可以计算出不同位置的视电阻率数值，通过绘制其视电阻率等值断面图或反演出电阻率真断面图来反映探测区域内的异常，利用含天然气水合物储层具有高电阻率这一特征，就可以完成对水合物储层的电阻率成像监测；
参考图2-3，所述电阻率参数测试模块3包括电极31、电阻率参数测试仪32、第一信号线33和航空插头34，电极31设置于所述多类型水合物生成内筒23上，共布设12层，每层16支电极，夹角22.5°，共计数量192个，层高20mm。电阻率参数测试仪32用于获取电阻率参数并进行成像，第一信号线33用于连接所述电极31和所述电阻率参数测试仪32，航空插头34用于便捷连接所述反应釜端盖外和端盖内的信号线，其中每个航空插头34具有39针通讯接口。
另外，继续参考图1，所述声学参数测试模块4包括声波探头41、声波参数测试仪42、第二信号线43、航空插头34和声波探头顶杆44。其中声波探头41设置于多类型水合物生成内筒23的上下两端。声波参数测试仪42用于测试样品声波参数；第二信号线43用于连接声波探头41和声波参数测试仪42；航空插头34用于连接所述反应釜端盖外和端盖内的信号线，探头顶杆44用于压紧多类型水合物生成内筒23里的水合物样品。
本实施例所述的测试系统能够模拟环境压力、温度、沉积物填充方式及气液比等条件，合成多种类型的天然气水合物储层；并通过电阻层析成像技术探测水合物在岩心中的三维分布，实现岩心内部可视化；同时为采用声波测试仪探测水合物沉积物岩心的纵横波，获得不同类型水合物储层声波速度与水合物分布的关系提供支持。
本实施例中，所述的多类型水合物样品包括分散状水合物样品、结核状水合物样品、层状水合物样品和块状水合物样品，制备之前，需要先对其通过岩芯塑样器进行塑样，然后再在多类型水合物生成内筒23中装样，其中，岩芯塑样器整体为两瓣式，其顶端开口并设置压样平头锤，包括固定外筒、塑样内筒和塑样底座，塑样内筒为圆筒状，设置在柱筒状的固定外筒内，在岩芯塑样器内筒和岩芯塑样器外筒之间填充有耐低温充填层，固定外筒的外侧壁上设置有固定卡箍，以将两瓣式岩芯塑样器固定，整个塑样过程在液氮环境下实现
通过本实施例上述的测试方法，本实用新型能够实现(1)制备不同水合物产状的多类型天然气水合物样品；(2)实现多类型水合物样品电阻率层析成像监测；(3)电阻率层析成像监测过程中可同步进行多类型水合物样品声学参数的测试。
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 (5)
1.水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置，其特征在于，包括气体消耗计量模块(1)、多类型水合物样品制备模块(2)、电阻率参数测试模块(3)和声学参数测试模块(4)，所述气体消耗计量模块(1)、电阻率参数测试模块(3)和声学参数测试模块(4)均与多类型水合物样品制备模块(2)相连；
所述多类型水合物样品制备模块(2)包括恒温水浴控制箱(21)和设置在恒温水浴控制箱(21)内的高压反应釜(22)，所述高压反应釜(22)采用内外筒设计，包括外筒和生成内筒(23)，用以实现在实验室内对多类型天然气水合物岩心样品的制备，气体消耗计量模块(1)用以控制多类型天然气水合物岩心样品制备过程中气体的量，结合电阻率参数测试模块(3)和声学参数测试模块(4)实现对多类型天然气水合物岩心样品的三维可视化观测及声学参数的测量；
所述电阻率参数测试模块(3)包括电极(31)和电阻率参数测试仪(32)，所述电极(31)设置于所述生成内筒(23)上，从上至下共布设m层，每层n支电极，所述电极(31)通过第一信号线(33)与电阻率参数测试仪(32)相连，电阻率参数测试仪(32)用于获取电阻率参数并进行成像。
2.根据权利要求1所述的水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置，其特征在于：所述高压反应釜(22)的外筒为耐高压快开反应釜，采用卡箍式快开结构设计以快速打开高压反应釜；高压反应釜侧壁上设置有用于温度控制的水夹套层(224)，且在水夹套层(224)的外侧设置保温层。
3.根据权利要求1所述的水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置，其特征在于：所述生成内筒(23)采用绝缘度为MΩ级尼龙材质加工，生成内筒(23)的侧壁及底面上布设有筛孔(231)。
4.根据权利要求1所述的水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置，其特征在于：所述声学参数测试模块(4)包括声波探头(41)、声波探头顶杆(44)和声波参数测试仪(42)，所述声波探头(41)通过第二信号线(43)与声波参数测试仪(42)相连，声波探头(41)设置在生成内筒(23)的上下两端，声波探头顶杆(44)用于压紧生成内筒(23)里的水合物样品，声波参数测试仪(42)用于测试样品声波参数。
5.根据权利要求1所述的水合物岩心样品制备及其电阻成像与声波联合探测装置，其特征在于：所述气体消耗计量模块(1)包括储气罐(11)，储气罐(11)通过气体导入管(25)与多类型水合物样品制备模块(2)的入口端相连，在气体导入管(25)上还设置有截止阀(12)、减压阀(13)、流量计(14)和背压阀。
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