[发明专利]一种精确测算小体积沉积物中水合物含量变化的实验装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于非常规油气藏工程与岩土工程基础物性测试技术领域，具体涉及一种精确测算小体积沉积物中水合物含量变化的实验装置与方法。

背景技术

天然气水合物是由天然气和水在特定的温度和压力条件下形成的一种笼型结晶化合物，广泛分布于海洋湖泊等深水地层和极地高原等冻土地层中，储量十分巨大，被认为是21世纪最为重要的潜在能源之一，受到了国内外政府和研究机构的高度重视。

降压法是天然气水合物试开采的首选方法，但由于水合物储层的渗透性通常较差，该方法的产气效率仍然不能满足现阶段商业化开采的需求，需要开展更为深入的研究以提高天然气水合物开采的产气效率。含水合物沉积物通常由土颗粒、天然气水合物、天然气和水组成，四组分含量对于含水合物沉积物基础物性参数具有明显的影响，特别是天然气水合物饱和度，一直是含水合物沉积物基础物性研究工作重点关注的影响因素。天然气水合物饱和度一般被定义为天然气水合物占据沉积物孔隙空间的比例。随着天然气水合物饱和度的增加，含水合物沉积物孔隙内可供流体运移的空间被压缩，其渗透性随之减弱；含水合物沉积物峰值强度和变形模量等力学参数与天然气水合物饱和度之间存在着明显的正相关性。此外，沉积物孔隙中不同赋存形式的天然气水合物对含水合物沉积物基础物性参数的影响规律存在差异。因此，采用计算机断层扫描技术直接观测沉积物孔隙中天然气水合物的赋存模式，对于含水合物沉积物基础物性演化规律解释具有重要的意义。

目前，用来观测沉积物孔隙尺度行为的计算机断层扫描实验所用样品的体积通常为几个立方厘米，导致天然气水合物合成引起的气体压力降低以及天然气水合物分解引起的气体压力增高均不明显，采用压力传感器测量的压力变化通常与传感器测量精度接近，测量误差大，难以在天然气水合物降压分解过程中根据气体压力变化精确控制水合物饱和度。因此，迫切需要开发新的技术方法来精确测算沉积物中的水合物含量，掌握含水合物沉积物基础物性的演化规律。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种精确测算小体积沉积物中水合物含量变化的实验装置与方法，便于在天然气水合物合成与降压分解过程中根据气体压力变化精确测算水合物饱和度，为含水合物沉积物孔隙尺度行为观测提供可靠的水合物饱和度数据。

本发明采取的技术方案为：

一种精确测算小体积沉积物中水合物含量变化的实验装置，包括小容积反应釜、标准气室、差压传感器和温度控制模块，小容积反应釜与标准气室相连，两者之间设置截止阀；差压传感器两端分别与小容积反应釜以及标准气室相连，通过压差传感器测量小容积反应釜和标准气室之间的气体压力差值；小容积反应釜、标准气室和差压传感器均放置于温度控制模块内，通过温度控制模块控制三者温度相同且恒定。

进一步的，所述小容积反应釜的有效容积不大于10ml。

一种精确测算小体积沉积物中水合物含量变化的实验方法，具体包括如下步骤：

(1)开启温度控制模块控制和保持小容积反应釜、标准气室和差压传感器的温度相同且恒定；

(2)打开截止阀连通小容积反应釜与标准气室平衡两者的气体压力；

(3)关闭截止阀隔离小容积反应釜与标准气室，小容积反应釜压力随着水合物合成而降低，或随着水合物分解而升高；标准气室压力不发生变化；

(4)通过采用差压传感器测量小容积反应釜与标准气室之间的压差；

(5)根据气体状态方程计算小容积反应釜内水合物含量的变化。

进一步的，所述步骤(1)中温度控制模块控制温度为-20℃-20℃。

进一步的，所述步骤(1)中温度控制模块控制温度为0℃-10℃范围内任意温度。

进一步的，所述步骤(2)中气体压力范围在2MPa-20MPa之间。

进一步的，所述步骤(4)中差压传感器的分辨率不大于1kPa。

进一步的，所述步骤(5)中根据下式计算小容积反应釜内水合物摩尔含量的变化。即：

气体状态方程为

其中Δn_h是水合物摩尔含量变化，ΔP是测量压差，V是小体积反应釜内气体占有体积，R是理想气体常数，T是小体积反应釜恒定温度。

进一步的，所述步骤(5)中求解出水合物摩尔数变化量之后可根据不同类型水合物摩尔质量求解质量，即适用于任何气体水合物含量测算。