[发明专利]一种基于低场核磁分析水合物沉积物力学特性的装置及方法

说明书

本发明提出一种基于低场核磁分析水合物沉积物力学特性的装置，包括：安装在低场核磁共振分析仪上的微型反应釜本体、位于反应釜本体内的围压腔、设置在反应釜本体外侧的射频线圈、反应釜上端盖、反应釜下端盖，以及孔压控制模块与围压控制模块，还包括：轴压加载柱塞、轴压加载反力架及轴向加载控制模块。本发明基于低场核磁共振探测和三轴剪切相结合的实验装置及相应的测试方法，在低场核磁共振平台上获取水合物储层的宏观力学数据，并同时获取加载过程中水合物储层的微观孔隙结构演化特征，为跨尺度研究天然气水合物储层的力学性能及其变形机理提供技术保障。

技术领域

本发明涉及天然气水合物储层基础物性评价领域，具体涉及一种基于低场核磁共振(LF-NMR)与三轴实验相结合分析含水合物沉积物力学特性的装置及方法。

背景技术

水合物开采过程中的储层力学参数动态响应特征对水合物试采安全评价至关重要。通过室内人工合成含水合物试样并进行岩心尺度的力学测试分析是获取含水合物储层力学性质的主要手段。但大尺度的测试只能获取宏观力学参数，无法描述含水合物沉积物的细观破坏过程。因此，将宏观力学模拟手段与微观探测技术结合，是目前发展的重要趋势。

由于X-CT扫描技术在水合物微观探测方面非常成熟，因此目前大多数学者想到的办法是将X-CT扫描技术与三轴剪切实验装置结合进行水合物沉积物破坏过程的实时监测，如公开号CN110274833A、CN104155188A分别解决了CT条件下三轴加载和加载装置旋转的技术难题。

然而，X-CT-三轴系统中岩心样品尺寸较大(Φ25mm×[50-100mm])，受X-CT 成像分辨率限制，低于40微米的沉积物孔隙结构特征难以识别，因此如何评价更小尺度的微观损伤过程在沉积物加载过程中的变化，是目前天然气水合物沉积物损伤过程演化机理研究面临的最主要难题。

基于上述问题，青岛海洋地质研究所首次创新提出了水合物专用低场核磁共振多探头定量测试系统及方法(申请号：201711235387.9)，采用多探头联用的方式实现了含水合物沉积物低场核磁共振测量信号定量标定与含水合物沉积物孔隙尺度行为测量分析，为含水合物沉积物基础物性参数变化微观机制探讨奠定基础。然而，上述实验系统仅限于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演化规律，无法获得水合物沉积物力学特性分析。

因而本发明旨在提出一种能在百纳米尺度测量天然气水合物沉积物在三轴压缩条件下的内部损伤演化特征的装置及方法。

发明内容

针对现有技术中存在无法评价更小尺度的微观损伤过程在沉积物加载过程中的变化，针对这一缺陷，本发明提出一种基于低场核磁分析水合物沉积物力学特性的装置，包括：安装在低场核磁共振分析仪上的微型反应釜本体、位于反应釜本体内的围压腔、设置在反应釜本体外侧的射频线圈、反应釜上端盖、反应釜下端盖，以及孔压控制模块与围压控制模块，还包括：轴压加载柱塞、轴压加载反力架及轴向加载控制模块；所述反应釜上端盖与反应釜本体外径相同，反应釜上端盖设置孔压流体出口和围压流体出口，反应釜下端盖设置围压流体入口；所述轴压加载柱塞穿透反应釜下端盖安装，其中心贯通设有孔压流体入口，其下部设有直径大于轴压加载柱塞的圆盘，所述轴压加载反力架套装在轴压加载柱塞下部，所述圆盘将轴压加载反力架内部空腔一分为二，轴压加载反力架上设置轴压加载流体入口和轴压卸载流体入口；所述轴压加载反力架端部设置位移传感器支架，位移传感器与轴压加载活塞接触，动态监测轴压加载活塞的位移；所述轴向加载控制模块，用以控制轴压的加载和卸载。

进一步地，所述射频线圈套装在反应釜本体外围，反应釜本体外侧射频线圈未覆盖区域覆盖有泡沫保温层，反应釜本体内部自上而下为：上部试样高度调节垫块、沉积物样品、下部试样高度调节垫块，所述上部试样高度调节垫块下端和下部试样高度调节垫块上端均安装等直径的透水石。